İPEK PROTEİNİYLE DOKU MÜHENDİSLİĞİ

İpek, ipek böceği ve örümceklerin epitel hücreleri tarafından sentezlenen doğal bir polimerdir. Özellikle tekstil sektöründe kullanılan ipek, pek bilinmese de bir süredir biyomalzeme üretiminde de kullanılmaktadır. Peki nasıl? Bu soruyu cevaplayabilmek için önce ipek kozalarının yapısına değinmek gerekir. İpek kozasında iki ana protein bulunmaktadır: serisin ve fibroin. Bu iki ana protein ipek kozasının %98’ini oluşturmaktadır. Serisin ve fibroinin yanı sıra ipek bezleri tarafından salgılanan, kozanın mantarlara ve mikroorganizmalara karşı dirençli olmasını sağlayan p25 ve seroin gibi proteinler de mevcuttur [1]. İpek fibroin; biyouyumluluğu, geçirgenliği, yüksek mekanik özellikleri, kontrol edilebilir biyodegredasyon hızı, sulu çözeltilerde işlenebilirlik gibi özelliklerinden dolayı biyomalzeme üretimi için oldukça uygundur. İpek serisin ise yapışkan özelliğiyle fibroin fiberlerini saran ve onları koza içinde birbirine yapıştıran bir proteindir[1]. Serisin, ipek sektöründe kumaşa parlaklık katmak için gereklidir. Ancak biyomalzeme üretiminde ipek, serisin ayıklanarak çözdürülmelidir, aksi takdirde vücutta immünolojik reaksiyonlara sebep olur yani toksik bir maddedir. [2]

Şekil 1. İpek Kozaları (sol) ve ipek demetlerinin taramalı elektron mikroskop (SEM) görüntüsü (sağ)

Gelelim ipek kozalarından fibroin ve serisinin ayrılmasına. Bu işlem ipeğin elde edildiği kaynağa ( ipek böceğinin veya örümceğin türü) göre değişmekle birlikte genellikle uygulanan prosesler benzerdir. Önce kozalar küçük parçalara kesilir ve istenen miktarda tartılır. Ardından bir tür reaktan içeren kaynamış saf suya konularak 20-60 dk bekletilir. Bu kaynatma işlemi kozadaki serisini uzaklaştırarak fibroin ve serisini birbirinden ayrılır. Şimdi sıra fibroin çözeltisi elde etmekte. Bunun için önce kaynamış kozalar kurumaya bırakılır. Ardından istenen miktarda tartılarak LiBr, CaCl2 vb. bir reaktan ile hazırlanan çözücü içerisinde çözünmeye bırakılır. Elde edilen çözelti diyaliz membranına konularak distile suyla diyaliz edilir. 1-4 gün boyunca diyaliz edilen ipek fibroin çözeltisi çalışmada kullanılan kimyasallara göre bazen santrifüj edilebilmektedir[2][3]. İpek kozasından protein ekstraksiyonu için uygulanan yaygın yöntem budur ancak uygulanan metotların çeşitlilik gösterdiğini belirtmek gerekir.

Şekil 2. İpek Kozalarından Serisin ve Fibroin Ekstraksiyonu Aşamaları

İpek kozasından fibroin çözeltisi elde ettik. Şimdi sırada bunu 3D biyoyazılarda kullanıma hazır hale getirmek var. Fibroinin yazdırılabilmesi için viskozitenin ayarlanması gerekmektedir. Bu noktada kullanılacak olan yazıcının türü önem arz eder. Ekstrüzyon tabanlı yazıcı kullanılacaksa çözelti yüksek viskoziteli, mürekkep püskürtmeli yazıcı kullanılacaksa damlacıklar oluşturabilmesi için düşük viskoziteli olmalıdır[3]. Bu doğrultuda vizkozitesi ayarlanan ve 3D biyoyazıcıda basılan ipek fibroin çözeltisinin yapısı, birtakım kimyasal veya fiziksel yöntemlerle güçlendirilir. Elde edilen iskele hücre testi, çekme testi gibi toksiklik ve mekanik mukavemet ölçen testlere gönderilir.

Gelelim ipek fibroin ile doku mühendisliğinde gerçekleştirilen çalışmalara. Örneğin, jelatin-sülfonatlı ipek kompozit iskelenin cilt yenilenmesine yardımcı olduğu kanıtlanmıştır.[4] Bu da başta yanık vakaları olmak üzere doku nakli anlamına gelen greft çalışmalarına umut ışığı olmuştur. Çünkü greft işleminde karşılaşılan donör sayısının az olması, büyük ameliyat izleri ve şiddetli ağrılar gibi sorunlara çözüm önermektedir. Yaşla birlikte gelen kıkırdak hasarı ve dejenerasyonu da ipek fibroinin 3D biyobaskı yöntemiyle çözüm sunduğu hastalıklardan biridir. Jelatin yükleme, büyüme faktörleri ile ipek fibroini entegre ederek kıkırdak onarımı için yapısal ve işlevsel başarı elde etmeyi sağlamıştır.[5] Kıkırdak dokusunun yanı sıra kemik dokusu onarımında da ipek fibroinin işlevselliği üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Örneğin, kemik klipsinin imalatında polilaktik asit/hidroksiapatit/ipek üçlü biyomürekkebi, diğer kemik klipsi türleri ile karşılaştırıldığında eşdeğer bir mekanik özellik ve iyi biyouyumluluk göstermiştir.[6] 3D baskı teknolojisi, kan damarı doku mühendisliğinde de üretimi teşvik etmişken karıştırma biyomürekkep olarak ipek fibroin ve glisidil metakrilat (Sil-MA), hidrojel halinde kan damarları oluşturmak için kullanılmıştır. Çalışmada elde edilen hidrojel son derece karmaşık organ yapılarına sahip damarlar, beyin ve kulak için birçok olanak sağlayan olağanüstü mekanik ve reolojik özellikler göstermiştir.[7]

Şekil 3. Soluk Borusu, Kalp, Akciğer, Damar Yapılarının Bilgisayar Destekli Grafik Tasarımı Görselleri ve Sil-MA ile Basılmış Hallerinin Çeşitli Açılardan Görüntüsü

Bu yazıyı sonlandırmadan önce değinilmesi gereken önemli bir konu daha var. Üstelik bu konu atık yönetimi ve sürdürülebilirlikle kolaylıkla ilişkilendirilebilecek, dikkate alınması gereken bir konudur. Her ne kadar yazının başında serisinin biyomalzeme çalışmalarında atık olduğu belirtilmişse de serisinin de hayli önemli çalışma alanları bulunmaktadır. Ayrıca laboratuvar ortamında her türlü maddeyi israf etmekten kaçınmak ve değerlendirilebileceği alanlar üzerine çalışmak ayriyeten öneme sahip bir konudur.

Serisinin antioksidan ve anti scar(yara) gibi önemli özelliklere sahip olması gözardı edilemez. Bu konuda yürütülmüş önemli çalışmalar vardır. Örneğin; Paniliatis vd. (2003) tarafından yapılan çalışmada serisinin doğru muamele edildiği taktirde immünolojik reaksiyon vermediği anlaşılmıştır. Dikkate değer bir başka çalışma ise Sasaki vd. (2000) tarafından yapılan farelerin yemine serisin takviyesi yapılması sonucu, serisinin antitümör özelliğinin keşfedildiği çalışmadır. Benzer çeşitli çalışmalar sonucunda serisinin insan derisi üzerine nemlendirici etkisi olduğu, değişik formlarda ilaç salınımı malzemesi olarak kullanılabileceği, yanık kaynaklı açık yara tedavisinde antibiyotik krem olarak kullanılabildiği ve antioksidan olduğu kanıtlanmıştır [1].

KAYNAKÇA:

[1] Z. GÜN GÖK, M. Yiğitoğlu, and İ. Vargel, “İpek Serisin ve Potansiyel Uygulama Alanları,” Eur. J. Sci. Technol., no. 15, pp. 450–459, 2019, doi: 10.31590/ejosat.517226.

[2] A. BAL ÖZTÜRK and Z. P. AKGÜNER, “İpek Fibroin/Polivinil Alkol Esaslı İlaç Taşıyıcı Yara Örtüleri,” Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilim. Enstitüsü Derg., pp. 25–34, 2020, doi: 10.19113/sdufenbed.561177.

[3] S. Gupta, H. Alrabaiah, M. Christophe, M. Rahimi-Gorji, S. Nadeem, and A. Bit, “Evaluation of silk-based bioink during pre and post 3D bioprinting: A review,” J. Biomed. Mater. Res. - Part B Appl. Biomater., vol. 109, no. 2, pp. 279–293, 2021, doi: 10.1002/jbm.b.34699.

[4] S. Xiong et al., “A Gelatin-sulfonated Silk Composite Scaffold based on 3D Printing Technology Enhances Skin Regeneration by Stimulating Epidermal Growth and Dermal Neovascularization,” Sci. Rep., vol. 7, no. 1, pp. 1–12, 2017, doi: 10.1038/s41598-017-04149-y.

[5] S. Chameettachal, S. Midha, and S. Ghosh, Regulation of Chondrogenesis and Hypertrophy in Silk Fibroin-Gelatin-Based 3D Bioprinted Constructs, vol. 2, no. 9. 2016. doi: 10.1021/acsbiomaterials.6b00152.

[6] G. Gao et al., “Tissue Engineered Bio-Blood-Vessels Constructed Using a Tissue-Specific Bioink and 3D Coaxial Cell Printing Technique: A Novel Therapy for Ischemic Disease,” Adv. Funct. Mater., vol. 27, no. 33, pp. 1–12, 2017, doi: 10.1002/adfm.201700798.

[7] S. H. Kim et al., “Precisely printable and biocompatible silk fibroin bioink for digital light processing 3D printing,” Nat. Commun., vol. 9, no. 1, pp. 1–14, 2018, doi: 10.1038/s41467-018-03759-y.