Menisküs Yırtığı Hastalığını İyileştiren ve Yastık Görevi Gören Yeni Nesil Hibrit Doku Materyalinin Nanoteknoloji ile Üretimi

21 Haziran 2021

Menisküs, stresi yeniden dağıtmak ve diz ekleminin stabilitesini artırmak için fibrokartilajinöz bir organdır. Menisküs hasarı yaygındır ve ortopedi cerrahları için hala zorlu bir sorundur. Doku mühendisliği şu anda menisküsü onarmak için en umut verici yöntemdir. Elektro-eğirme, elyafları küçük ölçekte imal etmek için bir tekniktir.

Farklı malzemeler ve parametrelerle, elektro-eğirme materyalleri, doğal menisküsün mimari özelliklerini ve mekanik özelliklerini taklit edebilen farklı mekanik özelliklere, gözenekliliğe ve oryantasyona sahip olabilmektedir [1]. Bu nedenle, elektro-eğirme malzemeleri menisküs rejenerasyonu ve kürlenmesinde kullanılabilmektedir.

Bu çalışmada, nanoteknolojik esaslı kompozit malzeme elektro-eğirme ve dondurarak kurutma tekniği birleşimi ile andız kökü, zencefil (Zingiber officinale), çıban – sinir otu katkılı polikaprolakton (PCL) kompozitlerinden elde edilmiştir.

Hazırlanan kitosan (KTS) çözeltisi içerisine elektro-eğirme ile üretilmiş iki adet membran üst üste konarak dondurarak kurutulmuştur. Üretilen bu nanokompozitlerin morfolojik (FEGSEM, Alan Emisyon Tabancalı Taramalı Elektron Mikroskobu), biyolojik (Hücre Kültürü) ve mekanik (Çekme) gibi karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonuçları değerlendirildiğinde üretilen kompozit malzeme, menisküs yırtığı hastalığını iyileştirmeye yönelik kullanılması sağlanmaktadır.

Menisküs yırtığı, dizde en sık meydana gelen, ağrılı ve zayıflatıcı bir kıkırdak yaralanması türüne verilen isimdir. İnsanların dizlerinde, kaval kemiği ve uyluk kemiğin arasında bir yastık görevi gören C şeklinde iki kıkırdak parçası bulunmaktadır. Bunlara menisküs adı verilmektedir.

Sürekli hareket eden kemikleri aşınmaya ve yıpranmaya karşı korumaktadır. Ancak menisküsün yırtılması, dizin bükülmesi ile gerçekleşebilecek bir durumdur. Bazı vakalarda aşınmış kıkırdağın bir parçası kopar ve diz eklemlerinin arasına sıkışarak dizin kilitlenmesine ve hareketin engellenmesine sebep olmaktadır. Tüm yaş gruplarında spor, travma ve diskoid menisküs gibi birçok nedenle ortaya çıkabilmektedir. Spor aktivitesi sırasında oluşan yaralanma, en sık karşılaşılanıdır ve genellikle ön çapraz bağ rüptürüyle (yırtılmayla) birliktelik göstermektedir [2].

Menisküs cerrahisi, özellikle spor cerrahisiyle uğraşan ortopedistlerin en sık uyguladığı cerrahi prosedürdür. Menisküs diz ekleminin önemli bir parçasıdır ve diz fonksiyonları devamı için hayati öneme sahiptir. Menisküsün eklem stabilitesi üzerine destekleyici etkisi şok absorpsiyon etkisi, femur ve tibia eklem yüzey uyumunu artırarak dengeli yük iletimi üzerine etkisi, derin duyu üzerine etkilerinin ve kırkırdak beslenmesi üzerine olumlu etkilerinin bilinmesiyle, menisküs dokusunun korunması ve tamiri üzerine olan ilgi de artmıştır [3].

Menisküs onarımı için birçok başarılı teknik tarif edilmiştir. Güncel literatürde, açık menisküs onarım teknikleri sadece tibia plato kırıkları veya çoklu bağ yaralanmaları gibi açık cerrahi prosedürlerle birlikte uygulanmaktadır. Zaman içerisinde birçok artroskopik cerrahi menisküs onarım tekniği gelişmiş ve günümüzde tamamen artroskopik olarak yapılmaktadır. 

Bunlar;

  • İçeriden dışarı tamir,
  • Dışarıdan içeri tamir,
  • Hepsi içeride tamir gibi tekniklerdir.

Menisküs yırtıklarında kullanılan tekniğin iyileşmeye yanıtı ve uzun dönem sonuçlara olan etkisi tartışmalıdır. Birçok çalışmada, her üç tekniğin benzer başarılı sonuçları olduğu gösterilmiştir. Literatür gözden geçirildiğinde; içeriden dışarı, dışarıdan içeri ve hepsi içeride teknikleri, menisküs tamiri için efektif tekniklerdir ve benzeri klinik başarıları göstermektedir [4].

Biyomalzeme, insan vücudundaki canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek ya da desteklemek amacıyla kullanılmaktadır. Doğal ya da sentetik malzemelerdir, sürekli olarak veya belli aralıklarla vücut akışkanlarıyla (kan vb.) temas ederler [5].

Andız kökü, menisküs yırtığı bitkisel tedavisi önerilerinden birisidir. Genellikle mide hastalıkları için önerilen bu şifalı bitki, menisküs yırtılmasında da etkili olmaktadır. Andız kökü ile hazırlanan bitki çayı, hücre hasarını onarmaktadır. Bu nedenle andız kökü bitki çayı hazırlanıp rahatsızlık günlerinde tüketilmesi önerilmektedir. Kaynayan ve soğuyan andız suyunu, diz bölgesine sürüldüğünde dokuların hızlıca iyileşmesine destek sağlanabilmektedir [6]. Andız kökü görseli Şekil 1.1.’de yer almaktadır.

Şekil 1.1. Andız kökü görseli [6]

Zencefil (Zingiber officinale) doku hasarı yaşayanların mutlaka tüketmesi gereken bir baharat ve bitkidir. Zencefil, menisküs yırtığının neden olduğu ağrıları dindirme konusunda başarılı sonuçlar vermektedir. Ilıyan zencefil suyunu diz bölgesine sürerek masaj yaptığınızda ise dokuların daha hızlı onarılmasına olanak sağlayabilmektesiniz. Genel kas ve kemik sağlığını korumak için düzenli olarak zencefil çayı içmelisiniz. Zencefil, kemik ve kıkırdak hasarını önlemektedir [7]. Zencefil (Zingiber officinale) görseli Şekil 1.2.’de yer almaktadır.

Çıban–Sinir Otu, pek çok farklı isimle anılan bu ot halk arasında sinir otu ismiyle de tanınmaktadır. Yaraları ve dokuları iyileştirmesi özelliğiyle bilinen bu faydalı bitki, menisküsle beraber oluşan doku yaralarını da kısa sürede iyileştirmektedir. Çıban otunun yer aldığı pek çok hücre yenileyen kremler mevcuttur. Yapılan araştırmalar sonucunda, çıban otunun menisküsü iyileştirdiği bilgisi yer almaktadır [8]. Çıban – Sinir Otu görseli Şekil 1.3.’te yer almaktadır.

Polikaprolakton (PCL), kemik ve kıkırdak onarımı için potansiyel uygulamaları olan biyoemilebilir bir polimerdir. PCL, erime noktası yaklaşık 60°C ve cam geçiş sıcaklığı yaklaşık −60°C olan biyolojik olarak parçalanabilen bir poliesterdir. PCL’in en yaygın kullanımı özel poliüretanların üretimidir. PCL, üretilen poliüretana (PU’ya) karşı suya, yağa, çözücüye ve klora (Cl’ye) karşı iyi direnç göstermektedir [9].

PCL, poli laktik asit (PLA) gibi diğer polimerlere göre belirli avantajlara sahiptir. PCL, ortam koşullarında daha kararlıdır, önemli ölçüde daha ucuzdur ve büyük miktarlarda kolaylıkla temin edilebilmektedir. Günümüzde pek çok araştırma hem doğal hem de sentetik polimerlerle birlikte PCL’nin biyokompozitleri ve kopolimerlerinin kullanımına odaklanmıştır. PCL polimeri literatürde menisküs yırtığı uygulamalarına yönelik elastik özelliklerinden kaynaklı kompozit malzeme üretiminde tercih edilmektedir[10]. PCL kimyasal yapısı Şekil 1.4.’te bulunmaktadır.

Nanobiyoteknoloji, biyolojik materyallerin, biyomimetik veya biyolojiden ilham alınan, inorganik, organik moleküllerin nanoteknolojik cihazlarda biyolojik işlemlerin kontrol ve görüntüleme amacıyla kullanılması demektir. Nanobiyoteknoloji, materyal ve cihazların fiziksel ve kimyasal özelliklerini değiştirmek veya geliştirmek amacıyla uygulanan bir bilim dalıdır.

Elektro-eğirme yöntemi, viskoz sıvılara çok düşük akış hızlarında kV voltaj uygulayarak sıvının nano boyutlu liflere dönüştürülmesi işlemidir. Uygulamasında viskoz sıvı olarak polimer çözelti veya eriyik kullanılmaktadır. Tıbbi şırınganın ucuna düzgün akışta ulaşan çözelti, yüzey gerilimlerinin etkisi altında küresel bir damlacık oluşturur ve burada elektrik kuvvetlerinin etkisi altında incelir (Taylor konisi) ve nanolifler olarak topraklanmış toplayıcıya aktarılmaktadır. Böylelikle nanofiber membran üretimi sağlanmaktadır [11].

Son yıllarda literatür çalışmaları incelendiğinde doğal ve sentetik bazlı birçok madde elektro-eğirme tekniği ile menisküs yırtığı uygulamalarına yönelik kompozit üretiminde çalışmışlardır. Halen nihai hale gelmiş nanoteknolojik bir ürün ortaya çıkmamıştır. Bu kapsamda menisküs yırtığı uygulamasında ciddi bir açık söz konusudur [12-15].

Bu çalışmada, nanoteknolojik esaslı kompozit malzeme elektro-eğirme ve dondurarak kurutma tekniği birleşimi ile andız kökü, zencefil (Zingiber officinale), çıban–sinir otu, PCL maddelerinin kullanılması ile gerçekleştirilmiştir. Kitosan (KTS) çözeltisi içerisine elektro-eğirme ile üretilmiş iki adet membran üst üste konarak dondurarak kurutulmuştur. Üretilen kompozit malzeme, menisküs yırtığı hastalığını iyileştirmeye yönelik kullanılması hedeflenmiştir.

2. Materyal ve Metot

2.1. Kullanılan Malzemeler

Andız kökü, zencefil (Zingiber officinale), çıban–sinir otu doğal menisküs yırtığı hastalığına iyi gelen bitkiler çevremizdeki aktarlar ve bitki yetiştiricilerinden temin edilmiştir. Kitosan (KTS), orta molekül ağırlıklı ve kitosanı (KTS) çözmek için triflorasetik asit (TFA) tercih edilmiştir. Polikaprolakton (PCL), molekül ağırlığı (Mw):80.000 g/ mol, kloroform ve dimetilformamit (DMF) Sigma/Aldrich marka kullanılmıştır. Elektro-eğirme aşamasında altlık yüzey olarak yağlı kâğıt kullanılmıştır.

2.2. Deneysel Plan ve Teknikler
2.2.1. Elektro-Eğirme Çözeltilerin Hazırlanması

Andız kökü, zencefil (Zingiber officinale) ve çıban–sinir otu maddeleri öncelikle -20o
C’de buzdolabında bekletilmiştir. Kurutma sonrası doldurarak kurutma cihazında numune içerisinde hiç sıvı kalmayacak şekilde kurutulmuştur. Kurutma işleminin ardından seramik bir havanda öğütme işlemi gerçekleştirilmiştir. Toz partiküllerinden öğütülmemiş kaba partiküller 63 µm paslanmaz elek yardımı ile elenmiştir. Tablo 2.1.’de yer alan değerlere göre elektro-eğirme çözeltileri hazırlanmıştır.

2.2.2. Elektro-Eğirme Yöntemiyle Kompozit Üretimi

Kompozit üretimi için gerekli elektro-eğirme parametreleri Tablo 2.2’de gösterilmektedir.

Tablo 2.2. Kompozit üretimi için gerekli elektro-eğirme parametreleri

Elektro-eğirme yöntemiyle kompozit üretim aşamaları Şekil 2.1.‘de yer almaktadır.

Şekil 2.1. Elektro-eğirme yöntemiyle kompozit üretim aşamaları

2.2.3. Dondurarak Kurutma Tekniği ile Menisküs Yırtığı Uygulamalarına Yönelik Kompozit Üretimi

Tablo 2.3.’te yer alan tüm numuneler elektro-eğirme tekniği ile elde edilmiştir. Çalışmamızın konusu olan menisküs yırtığı uygulamalarına yönelik kompozit üretimimiz dondurarak kurutma ile gerçekleştirilmiştir. Elektro-eğirme tekniği ile üretilmiş tüm numuneler ilk katman ve son katman olacak şekilde üst üste yerleştirilerek önceden hazırlanmış KTS çözeltilerine konarak –20oC’de buzdolabında bekletilmiştir. Kurutma sonrası doldurarak kurutma cihazında numune içerisinde hiç sıvı kalmayacak şekilde kurutulmuştur. Bu şekilde ile menisküs yırtığı uygulamalarına yönelik kompozit üretimimiz başarılı bir şekilde üretilmiştir. Menisküs yırtığı uygulamalarına yönelik kompozit üretim aşamaları Şekil 2.2’de yer almaktadır.

2.2.4. Karakterizasyon Çalışmaları

*Morfolojik Karakterizasyon

Üretilen nanofiber membranların FEI FEGSEM QUANTA 450 marka cihazında nanolif çaplarının 7 kV potansiyelde incelenmiştir. Görüntüler üzerinden 40 adet nanofiber çapı ölçülerek aritmetik ortalamaları alınarak ortalama nanofiber çap aralıkları belirlenmiştir. Hücre kültürü biyolojik karakterizasyon çalışmaları kapsamında numuneler 96’lık platelere konularak mezankimal kök hücre ekim işlemi gerçekleştirilerek 24, 48 ve 72 saat aralıklar ile hücre canlılık değerleri gözlemlenmiştir. Tüm numunelerin çekme mukavemet değerleri, ASTM standardında hazırlanarak 5 mm2 /dk çekme hızında çekme testi sonucunda belirlenmiştir. Numuneler kendi aralarında üçer kez tekrarlanarak aritmetik ortalamaları esas alınmıştır.

3. Bulgular ve Tartışma
*SEM Analizi

Tüm numunelerde nanofiber oluşumu gözlemlenmiştir. Polimer yanı sıra kullanılan Andız kökü, zencefil (Zingiber officinale), çıban–sinir otu doğal menisküs yırtığı hastalığına iyi gelen bitkiler ve elektro-eğirme çalışma parametreleri nanofiber membranların morfolojilerini etkilemektedir. 40 adet nanofiber çapları hesaplanarak aritmetik ortalamalar alınarak numunelerin nanofiber çap dağılım aralığı çıkarılmıştır. %10 PCL numunesinin nanolifleri düzensiz yönlenmelerde ve kalın olduğu gözlemlenmiştir. PCL içerisine Andız kökü, zencefil (Zingiber officinale), çıban–sinir otu doğal menisküs yırtığı hastalığına iyi gelen bitkiler katkıları sağlandığında nanofiber membranların lif çapları incelmiştir [16]. Çalışmadaki en ince nanofiber ortalaması 50-180 nm değeri ile %10 PCL- %1.5 Andız Kökü-%3.0 Zencefil (Zingiber officinale)-%2.5 Çıban–Sinir Otu numunesinde gözlemlenmiştir. Tablo 3.1.’de nanofiber membranların çap dağılım aralığı değerleri gösterilmektedir. Cilt maskesi nanofiber membranların SEM görüntüleri Şekil 3.1.’de yer almaktadır.

*Hücre Kültürü Analizi

Kompozit nanofiber membranların ve menisküs yırtığına yönelik dondurularak kurutulan diskler 96’lık platelere yerleştirilmiştir. Platelerde yer alan numunelere mezankimal kök hücre ekilerek 24, 48 ve 72 saat süresince hücre canlılık değerleri incelenmiştir. %10 PCL numunesinin hücre canlılık değerleri diğer numunelere nazaran daha düşük çıkmıştır. Ancak andız kökü, zencefil (Zingiber officinale), çıban–sinir otu katkısı sonucunda hücre canlılık değerleri artış göstermiştir. Sinerjik etkilerinden dolayı maddelerin birarada olması ile hücre canlılık değerleri 72 saat süre sonunda %98’e ulaşmıştır [17,18]. Kompozit nanofiber membranların ve menisküs yırtığına yönelik dondurularak kurutulan disklerin 24, 48 ve 72 saat süresince hücre canlı/ölü değerleri Tablo 3.2.’de gösterilmektedir.

Tablo 3.2. Kompozit nanofiber membranların ve menisküs yırtığına yönelik dondurularak kurutulan diskler 24, 48 ve 72 saat süresince hücre canlı/ölü değerleri

*Çekme Testi

Numunelerin çekme mukavemet değerleri, ASTM standardında hazırlanarak çekme test cihazında 5 mm2/dk çekme hızında oda koşullarında gerçekleştirilmiştir. 1×5 cm ebadında numuneler üçer kez tekrar edilerek aritmetik ortalama mukavemet değerleri esas alınmıştır. PCL numunesi çalışmadaki en düşük mukavemetine sahip olsa da literatür çalışmaları incelendiğinde birçok çalışmadaki değerler ışığında mukavemetli bir yapıdadır.

Çalışmamızda andız kökü, zencefil (Zingiber officinale), çıban–sinir otu ve bunların sinerjik etkili kompozitleri PCL içerisine katıldıkça mukavemet değerleri artış sağlamaktadır. Katkı maddeleri polimerin etrafını homojen bir şekilde sararak polimerin mukavemet değerini arttırmaktadır. Bu şekilde PCL’e nazaran mukavemet artmıştır [19]. Nanofiber membranların çekme mukavemet değerleri Şekil 3.2.’de bulunmaktadır.

Tüm numunelerde başarılı bir şekilde nanofiber oluşumu gözlemlenmiştir. Elektro-eğirme ve dondurarak kurutma tekniği birleşimi ile andız kökü, zencefil (Zingiber officinale), çıban – sinir otu ve PCL maddeleri kullanılarak yeni nesil kompozit malzemeler üretilmiştir. Numunelere ait morfolojik, mekanik ve biyolojik karakterizasyon çalışmalarının sonuçlarına göre en ideal kompozitimiz %10 PCL- %1,5 Andız Kökü-%3,0 Zencefil (Zingiber officinale)-%2,5 Çıban–Sinir Otu olmuştur. Bu durumun kaynağı kullanılan maddelerin sinerjik etkilerinden kaynaklıdır.

Üretilen kompozit malzememiz, menisküs yırtığı hastalığını iyileştirmeye yönelik kullanılması düşünülmektedir. Ayrıca elde edilen ürünümüzün içeriğinde yer alan maddelerin literatürdeki özellikleride gözönüne alındığında sağlık, tekstil, gıda, tarım, filtrasyon, savunma gibi sektörlerde de kullanımı söz konusu olmaktadır.

Erdi Buluş
Metalurji ve Malzeme Yüksek Mühendisi
Nanoteknoloji-Malzeme Teknolojileri Uzmanı
İstanbul Arel Üniversitesi
ArelPOTKAM (Polimer Teknolojiler ve Kompozit Uygulama ve Araştırma Merkezi)

Gülseren Sakarya Buluş
Uzman Hemşire Sağlık Bilimleri
Nanoteknoloji/Biyoteknoloji Acil Yardım ve Afet Yönetimi
Silivri İlçe Sağlık Müdürlüğü

Doç. Dr. Yeşim Müge Şahin
İstanbul Arel Üniversitesi ArelPOTKAM (Polimer Teknolojiler ve Kompozit Uygulama ve Araştırma Merkezi)

Kaynaklar
[1] Chen, M., Gao, S., Wang, P., Li, Y., Guo, W., Zhang, Y., … & Xi, T. (2018). The application of electrospinning used in meniscus tissue engineering. Journal of Biomaterials science, Polymer edition, 29(5), 461-475.
[2] Guilak, F., Fermor, B., Keefe, F. J., Kraus, V. B., Olson, S. A., Pisetsky, D. S., … & Weinberg, J. B. (2004). The role of biomechanics and inflammation in cartilage injury and repair. Clinical Orthopaedics and Related Research®
, 423, 17-26.
[3] Brindle, T., Nyland, J., & Johnson, D. L. (2001). The meniscus: review of basic principles with application to surgery and rehabilitation. Journal of athletic training, 36(2), 160. [4] Grant, J. A., Wilde, J., Miller, B. S., & Bedi, A. (2012). Comparison of inside-out and all-inside techniques for the repair of isolated meniscal tears: a systematic review. The American journal of sports medicine, 40(2), 459-468. [5] Canham, L. T. (2003). U.S. Patent No. 6,666,214. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office. [6] Aslan, R. (2019). GELENEKTEN GÜNÜMÜZE TIBBİ VE AROMATİK BİTKİLER. Ayrıntı Dergisi, 7(73). [7] Gündoğdu, K. (2016). Primer Diz Osteoartritli hastalarda COLL11A1, VEGF, GDF5 protein genlerinin polimorfizimin incelenmesi.
[8] Volkan, G. Ü. L., & DİNLER, B. S. (2016). Kumru (Ordu) yöresinde doğal olarak yetişen bazı tıbbi ve aromatik bitkiler. Ziraat Fakültesi Dergisi, 11(1), 146-156. [9] Labet, M., & Thielemans, W. (2009). Synthesis of polycaprolactone: a review. Chemical society reviews, 38(12), 3484-3504.
[10] Chen, D. R., Bei, J. Z., & Wang, S. G. (2000). Polycaprolactone microparticles and their biodegradation. Polymer degradation and stability, 67(3), 455-459. [11] Ramakrishna, S. (2005). An introduction to electrospinning and nanofibers. World Scientific.
[12] Andrukh, T., Monaenkova, D., Rubin, B., Lee, W. K., & Kornev, K. G. (2014). Meniscus formation in a capillary and the role of contact line friction. Soft Matter, 10(4), 609-615. [13] Wang, X., Zhu, J., Sun, B., Jin, Q., Li, H., Xia, C., … & Wu, J. (2021). Harnessing electrospun nanofibers to recapitulate hierarchical fibrous structures of meniscus. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 109(2), 201-213.
[14] Baek, J., Chen, X., Sovani, S., Jin, S., Grogan, S. P., & D’Lima, D. D. (2015). Meniscus tissue engineering using a novel combination of electrospun scaffolds and human meniscus cells embedded within an extracellular matrix hydrogel. Journal of Orthopaedic Research, 33(4), 572-583. [15] Chen, R., Huang, C., Ke, Q., He, C., Wang, H., & Mo, X. (2010). Preparation and characterization of coaxial electrospun thermoplastic polyurethane/collagen compound nanofibers for tissue engineering applications. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 79(2), 315-325. [16] Ionescu, L. C., & Mauck, R. L. (2013). Porosity and cell preseeding influence electrospun scaffold maturation and meniscus integration in vitro. Tissue Engineering Part A, 19(3-4), 538-547.
[17] Li, Y., Chen, M., Zhou, W., Gao, S., Luo, X., Peng, L., … & Guo, Q. (2020). Cell-free 3D wet-electrospun PCL/silk fibroin/Sr2+ scaffold promotes successful total meniscus regeneration in a rabbit model. Acta biomaterialia, 113, 196-209.
[18] Sooriyaarachchi, D., Wu, J., Feng, A., Islam, M., & Tan, G. Z. (2019). Hybrid fabrication of biomimetic meniscus scaffold by 3D printing and parallel electrospinning. Procedia Manufacturing, 34, 528-534.