BİYOMEKANİK ve DOKU MÜHENDİSLİĞİ

BİYOMEKANİK
ve
DOKU MÜHENDİSLİĞİ
Cerrahpaşa
p ş Tıp
p Fakültesi
Biyofizik Anabilim Dalı 2007
Prof Dr M Tunaya KALKAN
Prof.Dr.M.Tunaya
1
Giriş ve Tanımlar
Mekanik: Maddenin kuvvet, moment, burulma,
iş, güç, hareket gibi fiziksel değişkenleri ile ilgili
k
kurallardır.
ll d
Biyomekanik: Canlı organizmanın hareket ve
tavırlarını düzenleyen mekanik kurallardır.
Doku Mekaniği: Hastalık yada kaza gibi
nedenlerle organ yada doku kayıplarını gidermek
ve yeniden işlerlik kazandırmak için yapılan
i l l di
işlemlerdir.
2
BİYOMEKANİK
Canlıların, özellikle insanın hareketi ile ilgili
Canlıların
kurallarla biyofizik, ortopedik cerrahi, fizik
tedavi spor hekimliği,
tedavi,
hekimliği mühendislik,
mühendislik spor malzeme
üreticiliği gibi çok sayıda bilim alanı ilgilenir.
Fizik, biyoloji, kimya, anatomi, matematik,
fizyoloji, gibi bir çok bilim dalı destek verir
3
Ölçüm ile ilgili olarak kuvvet, açı, konum, hız,
ivme, burulma, esneme, gerilme, sıçrama ve
bunların
değişimlerini
ölçer
sistemler
kullanılmaktadır.
Bu işlemler için çıplak gözlem, fotoğraf, film,
video kamera, klasik ve bilgisayar kontrollü
araçlardan yararlanılır.
Ölçüm değerleri grafik, 3 boyut ve zamana bağlı
görüntü,
ö ü tü analog
l
ve dijital
dijit l matematiksel
t
tik l analiz
li
sistemleri geliştirilmiştir.
4
Doku mühendisliğinden önce ve halen
kullanılmakta olan klasik tedavi yöntemleri:
y
a) Transplantasyon
b) Mekanik cihazlar
c) Ameliyattır.
Yeni gelişmekte olan doku mühendisliğinde ise
amaç in vitro ortamlarda üretilen ve vücuda
implante edilen hücrelerle hedef dokunun
tamiridir.
5
TRANSPLANTASYON
Bir organ yada doku işlevini yapamaz hale gelirse
vücudun diğer sistemleri en az etkilenerek
değiştirilir.
değiştirilir
Transplante edilen doku yada organa greft
(yama) denir.
denir
1) Canlıdan alınabilir
a)) İnsandan
İ
allotransplantasyon
b) Hayvandan zenotransplantasyon
c) Aynı genetik yapıdan (ikiz gibi)
p
y
izotransplantasyon
2) Kadavradan
3) Kendisinden ototransplantasyon
Olumsuz yanı: verici (donör) azlığı ve greftin
6
bağışıklık sistemi tarafından reddi
Mekanik Cihazlar
Hemoperfüzyon, diyaliz, işitme cihazları, yapay
kalp, kapakçık, ekstrakorporal dolaşım cihazı
gibi
ibi yapay cihazlar.
ih l
Olumsuz yanı: Tam tedavi yok, maliyet yüksek,
vücudun reddi, hastada sıkıntı.
Ameliyat
Olumsuz yanı: ameliyat ve anestezi riski, doku
tahribi, bazen kanser gibi hastalıklarda
ilerleme veya yayılma.
7
DOKU MÜHENDİSLİĞİ
Mühendislik ve temel bilim prensipleri
kullanılarak doku fonksiyonlarını
y
devam
ettirmek veya işlev bozukluklarını gidermektir
Sistem 1: İzole edilmiş hücrelerle tedavi. Bizzat
kendi dokusundan alınan hücreler in vitro besi
ortamında üretilerek infüzyonla dokuya verilir.
Ö
İ
Örn:
İnsülin
üretmeyen pankreas β hücreleri
Olumsuz Yanı: Bağışıklık reddi ve üretilen
hücrelerin istenen şekilde işlev yapamaması.
8
Sistem 2: Doku gelişimini hızlandıran maddeler
kullanmak.
Örn: Büyüme
y
Faktörü ((GF)) saflaştırılarak
ş
teknolojik boyutta üretilir. Hedef dokuya
gönderilecek metod geliştirilir.
Örn: Kemik Yapılandırma
Proteini ((Bone
p
Morphegenic
Protein-BMP)
genetik
mühendisliği yöntemiyle üretilip dokuya
gönderilir.
Ancak bugün için üretim ve dokuya yönlendirme
sistemleri yeterli değil.
9
Sistem 3: Destek materyal üzerine yada içine
yerleştirilmiş hücrelerle tedavi:
Bu malzemeler Sentetik,
Sentetik Doğal veya Bileşik
polimerlerdir.
Sentetikler ucuz, kolay işlenebilir, mekanik,
bozunma hızı düşük, hidrofobik özellikleri
g ş
geliştirilebilmektedir.
Doğal malzemeler biyolojik
uyumludur (biocompatibilite).
çevre
ile
Bileşik materyaller üzerine çalışılmaktadır.
10
Biyomalzemeler CAD ve CAM (Computed Aided
Disign - Computed Aided Manufactoring)
teknolojisi ile imal edilmektedir.
Doku mühendisliği ile ilgili bu cihazlar içinde
hücre üremeli, mekanik dayanıklı olmalı
amaca bağlı destek görevi görmeli.
İki Tür
Tü Cihaz
Cih vardır:
d
A) Kapalı
B) Açık
11
1) İmmüno protektif (kapalı) cihazlarda hücreler
yarı geçirgen bir zar içine hapsedilir. Besin ve
atık madde geçişine izin verilir. immün sistem
elemanları (Ig, antikor, lenfosit gibi) geçemez.
g
reddi önlenir.
Organizmanın
Bunun için kullanılan türler:
a) Mikro kapsüller: Bir yada birkaç hücre ince
kü
küresel
l olarak
l k kaplanır,
k l
enjeksiyonla
j ki
l dokuya
d k
verilir. Madde giriş çıkışı açısından avantajlıdır.
12
b) Makro kapsüller: Çok sayıda hücre boş iplik (hollowfiber) membran ile kaplanır. Mekanik daha
dayanıklıdır. Komplikasyon halinde geri alınır.
Örn: Pankreas β adacık naklinde aljinat ile kaplı hücreler
poli L lisin vee polietilenamin zarla
poli-L-lisin
arla çevrilir.
çe rilir Diyabetik
Di abetik
hastalarda denenmektedir.
2) Açık Cihazlar: 10 μm den büyük gözenekleri
vardır Hücreler üreyerek kapsül dışına taşar
vardır.
ve doku oluşturur. Doğal yada sentetik
maddelerdir
13
Bozunabilir (biodegradable) olmalıdır.
Başlangıçta dokuya yapışıp sonra
bozunarak atılmalıdır. Poli-laktik asit
(PLA) Poli
Poli-glikolikasit
glikolikasit (PGA) ve bunların
polimerlerinden oluşur.
Fabrik veya süngersidir, Ayrıca dokunmuş
veya dokunmamış olabilir.
Fiber çapı 10-40 μm ve por oranı %95 den
fazladır Süngersi yapılar daha güçlüdür.
fazladır.
güçlüdür
14
PLA ve PGA polimerlerinden 3 boyutlu
hazırlanır.
İmmüno-süpresif ilaçlarla yada otolog
hücrelerle bağışıklık reddi baskılanır.
Doku oluşması için hücreler kollojen ve
proteoglikandan oluşan hücre dışı matriks
(Extra Cellular Matrix-ECM) sentezler. Bu
%95 lere varır.
Bu
nedenle
tasarlanmalıdır.
açık
sistem
dikkatli
15
ÖRNEKLER:
SİNİR SİSTEMİ
SİSTEMİ:
a) Parkinsona karşı dopamin üreten nöroaktif
hücreler etilenvinil asetat ve silikon temelli
polimerik matrikse hapsedilerek implante
edilir.
b) Alzheimer hastalığına karşı NGF (Nöral Growt
Faktör) salgılayan hücreler implante edilir.
16
GÖZ:
Kornea transplantasyonu için donör azlığı ve
enfeksiyon riski nedeniyle kornea epitel
hücreleri polimerik matriks üzerinde üretilerek
implante edilir.
DERİ:
Y kl
d
ül l i derin
d i yaralar
l greftlerle
fl l
Yanıklar,
derii ülserleri,
tedavi edilir.
a)) Kompozit
K
i greftler:
fl
Ü tabaka
Üst
b k silikon,
ilik
alt
l
tabaka yeni damar ve bağ oluşturan kollogen. 3
hafta sonra üst tabaka çok ince yeni epitel ile
değiştirilir.
17
b) Epidermal hücrelerin in vitro kültürü:
Hastadan alınan 1 cm2 lik biyopsi kültürü
10.000 kat arttırılır. Çok büyük alanlar
kapatılabilir. 3-4 hafta gerekir.
c) Neonatal dermal fibroblast hücrelerin degrade
olabilen PGA örgüde üretilmesi: Fibroblastlar kolay
dondurularak
saklanıp
üretildiğinden
stoklar
sağlanabilir. Alta üretilen doku üste deri grefti konur.
B ğ kl k reddi
ddi yoktur.
kt
Bağışıklık
Bunların
B
l
d d KIKIRDAK,
dışında
KIKIRDAK KAS KEMİK KAN,
KAN
KARACİĞER, PANKREAS üzerine çalışmalar vardır.
18