2-BIYOMEKANIK-TURKCE-2016650.76 KB

BİYOMEKANİK
ve
DOKU MÜHENDİSLİĞİ
HANDAN TUNCEL
İstanbul Üniversitesi, Cerrahpaşa Tıp Fakültesi
Biyofizik Anabilim Dalı
[email protected]
Giriş ve Tanımlar
Mekanik: Maddenin kuvvet, moment, burulma, iş,
güç, hareket gibi fiziksel değişkenleri ile ilgili
kurallardır.
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
işlemlerdir.
2
BİYOMEKANİK
Canlıların, özellikle insanın hareketi ile
kurallarla biyofizik, ortopedik cerrahi,
tedavi, spor hekimliği, mühendislik,
malzeme üreticiliği gibi çok sayıda bilim
ilgilenir.
ilgili
fizik
spor
alanı
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, analog ve dijital matematiksel
analiz sistemleri geliştirilmiştir.
4
Doku mühendisliğinden önce ve halen
kullanılmakta olan klasik tedavi yöntemleri:
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.
Transplante edilen doku yada organa greft (yama) denir.
1) Canlıdan alınabilir
a) İnsandan allotransplantasyon
b) Hayvandan zenotransplantasyon
c) Aynı genetik yapıdan (ikiz gibi)
izotransplantasyon
2) Kadavradan
3) Kendisinden ototransplantasyon
Olumsuz yanı: verici (donör) azlığı ve greftin bağışıklık sistemi
tarafından reddi
6
Mekanik Cihazlar
Hemoperfüzyon, diyaliz, işitme cihazları,
yapay
kalp,
kapakçık,
ekstrakorporal
dolaşım cihazı gibi yapay cihazlar.
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 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. Örn: İnsülin üretmeyen
pankreas bhücreleri
Olumsuz Yanı: Bağışıklık reddi ve üretilen
hücrelerin
istenen
şekilde
işlev
yapamaması.
8
Sistem 2: Doku gelişimini
maddeler kullanmak.
hızlandıran
Örn: Büyüme Faktörü (GF) saflaştırılarak
teknolojik boyutta üretilir. Hedef dokuya
gönderilecek metod geliştirilir.
Örn: Kemik Yapılandırma Proteini (Bone
Morphegenic
Protein-BMP)
genetik
mühendisliği yöntemiyle üretilip dokuya
gönderilir.
Ancak bugün için üretim ve dokuya
9
yönlendirme sistemleri yeterli değil.
Sistem 3: Destek materyal üzerine yada
içine yerleştirilmiş hücrelerle tedavi:
Bu malzemeler Sentetik, Doğal veya Bileşik
polimerlerdir.
Sentetikler
ucuz,
kolay
işlenebilir,
mekanik, bozunma hızı düşük, hidrofobik
özellikleri 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 Cihaz vardır:
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.
Organizmanın reddi önlenir.
Bunun için kullanılan türler:
a) Mikro kapsüller: Bir yada birkaç hücre ince
küresel olarak kaplanır, enjeksiyonla dokuya
verilir.
Madde
giriş
çıkışı
açısından
avantajlıdır.
12
b) Makro kapsüller: Çok sayıda hücre boş iplik
(hollow-fiber) membran ile kaplanır. Mekanik daha
dayanıklıdır. Komplikasyon halinde geri alınır.
Örn: Pankreas b adacık naklinde aljinat ile kaplı
hücreler poli-L-lisin ve polietilenamin zarla çevrilir.
Diyabetik hastalarda denenmektedir.
2) Açık Cihazlar: 10 mm den büyük
gözenekleri vardır. Hücreler üreyerek
kapsül dışına taşar ve doku oluşturur. Doğal
yada sentetik maddelerdir
13
Bozunabilir (biodegradable) olmalıdır.
Başlangıçta dokuya yapışıp sonra
bozunarak atılmalıdır. Poli-laktik asit
(PLA)
Poli-glikolikasit
(PGA)
ve
bunların polimerlerinden oluşur.
Fabrik
veya
süngersidir,
Ayrıca
dokunmuş veya dokunmamış olabilir.
Fiber çapı 10-40 mm ve por oranı %95
den fazladır. Süngersi yapılar daha
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:
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:
Yanıklar, deri ülserleri, derin yaralar
greftlerle tedavi edilir.
a) Kompozit greftler: Üst tabaka silikon, alt
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. Bağışıklık reddi yoktur.
Bunların dışında KIKIRDAK, KAS KEMİK KAN,
KARACİĞER, PANKREAS üzerine çalışmalar vardır.
KAYNAK: Prof. Dr. Tunaya KALKAN, Biyofizik Ders Kitabı, 570-575.
18