Cerrahpaşa ş Tıp Fakültesi

Transkript

1 BİYOMEKANİK ve DOKU MÜHENDİSLİĞİ Cerrahpaşa ş Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı 2007 Prof.Dr.M.Tunaya KALKAN 1

2 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. l 2

3 BİYOMEKANİK Canlıların, özellikle insanın hareketi ile ilgili kurallarla biyofizik, ortopedik cerrahi, fizik tedavi, spor hekimliği, mühendislik, spor malzeme üreticiliğigibiçoksayıda bilim alanı ilgilenir. Fizik, biyoloji, kimya, anatomi, matematik, fizyoloji, gibi bir çok bilim dalı destek verir 3

4 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, öütü analog ve dijital matematiksel tik analiz sistemleri geliştirilmiştir. 4

5 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

6 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

7 Mekanik Cihazlar Hemoperfüzyon, diyaliz, işitme cihazları, yapay kalp, kapakçık, ekstrakorporal dolaşımcihazı 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

8 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 β hücreleri Olumsuz Yanı: Bağışıklık reddi ve üretilen hücrelerin istenen şekilde işlev yapamaması. 8

9 Sistem 2: Doku gelişimini hızlandıran maddeler kullanmak. Örn: Büyüme Faktörü (GF) saflaştırılarakş 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 yönlendirme sistemleri yeterli değil. 9

10 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. ş Doğal malzemeler biyolojik çevre ile uyumludur (biocompatibilite). Bileşik materyaller üzerine çalışılmaktadır. 10

11 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

12 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 jki dk dokuya verilir. Madde giriş çıkışı açısından avantajlıdır. 12

13 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 lisin ve polietilenamin zarla çevrilir. Diyabetik hastalarda denenmektedir. 2) Açık Cihazlar: 10 μm den büyük gözenekleri vardır. Hücreler üreyerek kapsül dışına taşar ve doku oluşturur. Doğal yada sentetik maddelerdir 13

14 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 μm ve por oranı %95 den fazladır. Süngersi yapılar daha güçlüdür. 14

15 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 açık sistem dikkatli tasarlanmalıdır. 15

16 ÖRNEKLER: SİNİRSİSTEMİ 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

17 GÖZ: Kornea transplantasyonu için donör azlığı ve enfeksiyon riski nedeniyle kornea epitel hücreleri polimerik matriks üzerinde üretilerek implante edilir. DERİ: Yanıklar, deri ülserleri, l derin yaralar greftlerle fl l tedavi edilir. a) Kompozit greftler: fl Üst tabaka bk silikon, alt tabaka yeni damar ve bağ oluşturan kollogen. 3 hafta sonra üst tabaka çok ince yeni epitel ile değiştirilir. 17

18 b) Epidermal hücrelerin in vitro kültürü: Hastadan alınan 1 cm 2 lik biyopsi kültürü 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. Bağışıklıkğ k reddi yoktur. Bunların dışındad KIKIRDAK, KAS KEMİK KAN, KARACİĞER, PANKREAS üzerine çalışmalar vardır. 18