TIBBİ TEKSTİLLERDE NANOTEKNOLOJİ

Transkript

1 Özet TIBBİ TEKSTİLLERDE NANOTEKNOLOJİ Hande SEZGİN, Nuray KIZILDAĞ, İpek YALÇIN ENİŞ, Merve KÜÇÜKALİ ÖZTÜRK İstanbul Teknik Üniversitesi, Tekstil Teknolojileri ve Tasarımı Fakültesi, Tekstil Mühendisliği, İstanbul, Türkiye. Tekstil sektörü bir çok farklı alana geniş imkanlar sunmaktadır; bunların en önemlilerinden biri tıp alanıdır. Tıbbi tekstiller olarak adlandırılan, insanların ve hayvanların tıbbi bakımı, hijyeni ve aynı zamanda personel ve teçhizatın korunması için kullanılan bu ürünler, polimer teknolojisinin gelişimi ve yeni tekstil yapılarının çeşitlenmesi ile gün geçtikçe daha da gelişmektedir. Bu noktada nanoteknoloji, tıbbi tekstil sektörüne sayısız fayda sağlamaktadır. Nanolif içerikli yüzeyler, yara örtücüler ve diyaliz membranları gibi vücut dışı uygulamaların yanında; ilaç salınımı, yumuşak doku ve kardiyovasküler implantlar gibi vücut içi uygulamalarda kullanılırken, nano yüzey kaplama uygulanan konvansiyonel tekstil yapıları ise genellikle hijyen ve koruma amaçlı cerrahi giysiler ile ekipmanlarda tercih edilmektedir. Dünya nüfusundaki artış, her geçen gün artan hasta sayısı ve insanların yüksek yaşam standardı beklentileri, hem tekstil hem de tıp alanındaki ihtiyaçları gözler önüne sermekte, bu da tıbbi tekstillerin geliştirilmesini gerekli ve zorunlu kılmaktadır. Bu çalışma, nanoteknolojinin tıbbi tekstillerdeki uygulama yöntemlerine ve kullanım alanlarına yer vermektedir. Anahtar Kelimeler: Tıbbi tekstiller, nanoteknoloji, hijyen, yara örtüleri. 1.Giriş Tekstil sektörü, teknik tekstiller alt grubu ile bir çok sektöre hizmet vermektedir. Tıbbi tekstillerin doğrudan insan ile bağlantılı olması, diğer teknik tekstiller grubu ürünleri arasında önemini arttırmaktadır. Tıbbi tekstiller, dokuma, örme, dokusuz yüzey kumaşların yanı sıra nanolif yüzeylere de geniş uygulama alanı sunmaktadır [1]. Tıbbi tekstiller, tekstil endüstrisi içerisinde en çok gelişme gösteren alanlardan biridir. Tekstil materyalleri tıp ve cerrahide çeşitli amaçlar için kullanılır. Tıp uygulamaları için tekstil materyallerini; dış uygulamalarda kullanılanlar ve iç uygulamalarda kullanılanlar olmak üzere iki ana grupta toplamak mümkündür. 2. Tıbbi Tekstillerin Kullanım Alanları 2.1 Dış Uygulamalarda Kullanılan Tıbbi Tekstiller Yara örtüleri Yara örtüleri, hasarlı derinin iyileşmesi ve yeniden büyümesi için gerekli ortamı yaratmak için geliştirilmiş yüzeylerdir. Yara örtülerinden beklenen en önemli özellikler; bakteriyostatiklik, hemostatiklik, antivirallik, yüksek emicilik ve biyouyumluluktur. Yara örtüleri, yara salgılarını emip yeni oluşacak dokulara zemin hazırlarken aynı zamanda yarayı çeşitli dış etkenlerden korumaktadır [2]. Bandajlar, plasterler, gazlı bezler, sargı bezleri, tamponlar bu gruba giren tıbbi tekstil elemanlarıdır. Nanolifler yara örtülerinde büyük bir kullanım alanına sahiptir [1]. Khil ve arkadaşlarının elektrospinning yöntemi ile poliüretan (PU) yara örtüsü üretmişlerdir. İyi bir bariyer özelliğine sahip olan poliüretanın oksijen geçirgenliğinin yüksek olduğunu, domuzlar üzerinde oluşturulan yaralarda 15. günde epitelyum doku rejenerasyonunun görüldüğünü bildirmişlerdir [3]. Hong ve arkadaşlarının yaptığı başka bir çalışmada ise, polivinilalkol/gümüşnitrat (PVA/AgNO3) çözeltisinden elektrospinning metodu ile yara örtülerinde kullanımı amaçlanan gümüş nanoparçacıkları içeren antimikrobiyel PVA nanolif yüzey elde edilmiştir. PVA nın hidrofillik ve biyouyumluluk gibi özellikleri PVA yı yara örtüsü üretiminde önemli bir malzeme haline getirmektedir. PVA/AgNO3 nanolif yüzeyi elektrospinning yöntemi ile elde edildikten sonra 155 C de 3 dakika ısıya maruz bırakılmaktadır. Bu sayede gümüş (Ag) 1

2 iyonları indirgenmekte Ag nanopartikülleri haline dönüşmekte ve bu parçacıklar nanolif yüzeyde toplanmaktadır. Isıl işlem sırasında indirgenmeyen Ag iyonları ise UV ışınlama ile indirgenmiştir. Yüzeyde elde edilen Ag nanoparçacıklarının ortalama çaplarının 6 nm civarında olduğu ve de Ag nanoparçacıkları içeren PVA nanoliflerinin yüksek antimikrobiyal özellik gösterdiği görülmüştür [4] Kanı filtrelemek amacı ile kullanılan cihazlar Yapay böbrek, yapay akciğer ve yapay karaciğer bu gruba giren tıbbi tekstil elemanlarıdır. Yapay karaciğer, kan plazmasını temizlerken yapay akciğer, sahip olduğu gaz değiştirici sayesinde, kandaki karbondioksiti uzaklaştırarak, kana oksijen teminini sağlar. Bu cihazlardaki fitrelerde ve gaz değiştiricilerde nanolif ve mikrolif membranlar tercih edilmektedir. Benzer şekilde yapay böbrek, vücuda dışarıdan bağlanarak, sahip olduğu hemodiyaliz filtresi ile kanı temizleme görevini üstlenmektedir. Nanolif membranlar, hemodiyaliz filtrelerde üstün filtrasyon özellikleri sayesinde tercih edilmektedir. [1] Yapılan bir çalışmada hemodiyalizde kullanılan geleneksel polyester (PET) ve polivinilidenflorür (PVDF) boşluklu liflerinden üretilen membranlar ile PET ve PU nanolif membranlar karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada nanolif membran hemodiyaliz aparatı arasına yerleştirilmiş ve kanı süzme işlemine tabi tutulmuştur. Test sonuçlarına göre, nanolif membranların ticari membranlara göre daha fazla kan süzdüğü görülmektedir. Gözeneklilik miktarının da ticari membranlardan kısmi olarak yüksek olduğu göze çarpmaktadır [5] Hijyen amacı ile kullanılan ürünler İnsan vücuduna dakikada yaklaşık olarak bakteri nüfuz etmektedir. Günlük yaşamda her insan birçok bakteri ve virüsle karşı karşıya kalmakta iken ameliyat personeli gibi bazı meslek gruplarında çalışanlar bu bakterilere daha çok maruz kalmaktadır. Hepatit, AIDS gibi vücut sıvılarıyla geçen hastalıklar da göz önünde bulundurulduğunda özellikle ameliyat personelini bu tür risklerden korumanın en geçerli yolunun steril edilmiş cerrahi giysiler ve örtüler kullanmak olduğu ortaya çıkmaktadır [6]. Tekstil lifleri bakterilere karşı dirençli değildir, bundan dolayı hijyen gerektiren durumlarda tekstil materyallerine çeşitli uygulamalarla antimikrobiyallik ve antibakteriyallik özellikleri verilmektedir [7]. Bu özelliklerin dışında sıvı iticilik de bu ürün gruplarının bulundurması gereken özelliklerdendir. Ancak yapılan bu bitim işlemlerinin giysinin nefes alabilirliğini etkilememesi gerekmektedir. Bu aşamada, nano bitim işlemleri önemli bir görev arz etmektedir. Chellamani ve arkadaşlarının yaptığı bir çalışmada nano bitim işlemleri kullanılmış ve bu işlemlerin giysinin nefes alabilirliğini olumsuz yönde etkilemediği gösterilmek istenmiştir. Kumaşlara antimikrobiyal ve sıvı itici uygulamalar hem normal hem de nano düzeyde uygulanmıştır. Antimikrobiyal özellik normal çinko oksit (ZnO) veya nano Ag parçacıkları ile sağlanırken, sıvı iticilik ise normal ve nano florakarbon ile sağlanmıştır. Çalışmanın sonucunda; uygulanan nano bitim işlemlerinin pamuk ve pamuk/polyester karışımlı kumaşların nefes alabilirliğini normal bitim işlemlerine kıyasla geliştirdiği; kumaşlara su buharı direnci, hava geçirgenliği ve emicilik testleri yapılarak tespit edilmiştir. Kumaşlarda normal bitim işlemi sonucunda görülen çekme ve yırtılma mukavemetlerindeki azalmanın nano bitim işlemi sonucunda azaldığı görülmüştür. Nano bitim işlemi uygulanmış kumaşların anti-bakteriyel özelliğinin normal bitim işlemi uygulanmış olana göre daha iyi olduğu görülmüştür. Pamuk/polyester karışımlı kumaşın sıvı iticilik özelliği incelendiğinde ise sıvı iticiliğin nano bitim işlemi ile 50 yıkamaya kadar dayandığı görülmüştür [8]. Başka bir çalışmada ise, ZnO/poliamid 6 (PA6) nanokompozit lifler hazırlanarak, antibakteriyal özelliği incelenmiştir. Nano boyutlardaki ZnO miktarının antibakteriyal, mekanik ve termal özelliklere olan etkisi üzerine çalışılmıştır. % 0, % 0.5, % 1, % 3 ve % 5 oranında ZnO içeren PA6 nanokompozit lifleri eriyikten lif çekim metoduyla üretilmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntülerinden ZnO nano parçacıklarının PA6 matrisi içerisinde homojen bir şekilde dağıldığı görülmektedir. Lifin gram pozitif ve gram negatif bakterilerine karşı etkileri uygun standartlara göre incelenmiş ve artan ZnO nano parçacık miktarı ile antibakteriyal özelliğin arttığı tespit edilmiştir Ayrıca artan ZnO nano parçacık miktarının mekanik ve termal özellikleri etkileyip etkilemediği incelenmiş ve çalışılan miktarlardaki ZnO in olumsuz bir etkisi olmadığı görülmüştür [9]. 2.2 İç Uygulamalarda Kullanılan Tıbbi Tekstiller Yumuşak doku implantları İnsan vücudu sistemlerden, sistemler organlardan, organlar dokulardan, dokular ise hücrelerden ve hücre dışı matristen (ECM) oluşmaktadır. Hücre dışı matris, hücrelere fiziksel bir destek sağlayan ve hücreler arası etkileşimleri organize eden üç boyutlu bir mikro çevredir. Doku mühendisliği kapsamında geliştirilen doku 2

3 iskeletleri ise hücre dışı matrisi taklit edecek biçimde tasarlanmış olan yapılardır. Doku iskeletleri sayesinde hücrelerin büyüyüp gelişebileceği bir ortam yaratılmış olmaktadır [2, 10]. Doku iskeletleri genellikle tekstil materyalleri kullanılarak üretilmektedir. Tekstil malzemelerinin mukavemet ve esneklik gibi özellikleri onları yumuşak doku implantları için uygun bir malzeme haline getirmektedir [6]. Yapay tendon, ligament ve kıkırdak yumuşak doku implantlarına verilebilecek örnekler arasındadır. Khil ve arkadaşları koagülasyon banyosu üzerine çekilen polikaprolakton (PCL) nanoliflerinden filaman üreterek bobin üzerine sarmışlardır. Daha sonra bu filamanlardan bezayağı dokuma kumaş üreterek yumuşak doku iskeleti olarak kullanmışlardır. Bu dokuma kumaşın kültür ortamında hücre çoğalmasını desteklediği ve doku iskeleti oluşumu için uygun olduğunu belirtmişlerdir [11]. Corey ve arkadaşları ise poli-llaktik asit (PLLA) polimerini elektropinning düzeneğinde 30, 110 ve 250 dev/dak hızlarında döner silindir kullanarak; rastgele düzenli, orta ve yüksek derecede oryantasyona sahip nanolif toplulukları elde etmiştir. Bu yapılara kök sinir hücresi ekimi gerçekleştirilmiştir. Yüksek oryantasyona sahip nanoliflerin hücre büyüme hızının rastgele düzenlilere göre %20, orta derecelilere göre %16 arttırdığı sonucuna varmışlardır. Lif yönlenmesi ayrıca sinir hücrelerinin şeklini de etkilemiştir. Sinir hücrelerinin boylarının yüksek oryantasyonlu liflerde daha fazla olduğu bulunmuştur. Ayrıca rastgele düzenli nanolif topluluklarında sinir hücreli yuvarlak şekilde iken, yüksek oryantasyona sahip yüzeylerde sinir hücrelerinin liflere paralel bir şekilde uzandığı görülmektedir [12].Panseri ve arkadaşları, elektrolif çekim yöntemi ile elde ettikleri nanoliflerden oluşan tüp şeklindeki iskeleti farelerin siyatik sinirine yerleştirmiş ve operasyondan 4 ay sonra yeni dokunun oluşarak bağlantının gerçekleştiğini, kolajen doku depolanmasının meydana geldiğini belirtmişlerdir [13] Kardiyovasküler implantlar Elektrospinning yöntemi ile üretilmiş nanolifli yüzeyler, yapay damar uygulamalarına sundukları; hücreler arası matrisi taklit edebilme yeteneği, geniş yüzey alanı, gözenekli yapısı, yüzey kimyasının modifikasyona uygunluğu ve hücrelerin tutunmasına olanak tanıyan lif kesişim noktaları sayesinde tercih edilir araştırma konusu olmuşlardır [14]. Venugopal ve arkadaşlarının yaptığı bu çalışmada, biyouyumlu PCL nanolifleri elektrospinning yöntemi ile üretilmiş, damar doku mühendisliğinde kullanılmak için kolajen tip I ve III ile modifiye edilmiştir. Koroner arter düz kas hücrelerinin PCL nanoliflerinde, modifiye edilmiş PCL/kolajen bikompozit nanoliflerinde ve kolajen nanoliflerinde büyüdüğü görülmüştür. Sonuçlar, modifiye edilmiş PCL/kolajen bikompozit nanoliflerinin normal hücre fonksiyonlarını düzenlemek için gerekli mekanik özellikleri taşıdığını göstermiştir [15]. Lee ve arkadaşları kolajen, elastin ve poli(laktik-co-glikolik) asid (PLGA), poli(l-laktat) PLLA, polikaprolakton (PCL), polilaktik-ko-kaprolakton (PLCL), v.b. biyobozunur polimerlerin karışımından elektrospinning yöntemi ile ürettiği nanoyüzeyde; biyouyumluluk, boyutsal stabilite ve mekanik dayanımı test etmişlerdir. Damarın yapısındaki oranı taklit amacıyla % 45 kolajen, %15 elastin ve % 40 sentetik polimer karışım oranını korumuş, toksik özellikte olmayan, boyutsal olarak kararlı, üretimi kolay ve mekanik dayanımı yeterli, gerçek damar özelliklerini simule edebilecek bir yapı elde etmişlerdir. Sonuçlar incelendiğinde, yapısal proteinlerden üretilen yapay damarların uzun dönem açıklıklarının kapandığı gözlenmiştir. PCL in 28 günlük açıklığının diğer polimerlerden daha iyi ancak mekanik dayanımının daha kötü olduğu görülmüştür. [16]. Ju ve arkadaşları PCL/kolajen karışımı ile farklı gözenek çaplarında iki katlı yapay damar tasarımı gerçekleştirmiştir. Çalışmada gözenek çapını değiştirmek için çözelti ve üretim parametreleri değiştirilmiştir mm toplayıcı için 1000 dev/dk hızında çalışılmıştır. Morfolojik ve mekanik analizin yanı sıra, yapıya düz kas hücreleri ile endotel hücrelerinin ekimi gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, farklı lif çapı ile farklı gözenek boyutunun elde edilebildiğini göstermektedir. Aynı zamanda, düz kas hücrelerinin 1μm den küçük çaplı yüzeylerde difuzyonunu gerçekleştiremediği sonucuna varılmıştır. Artan lif çapı ile düz kas hücrelerinin difüzyon oranının arttığı görülmektedir. Öte yandan endotel hücrelerin yüzeye nüfuz ederek tek sıra dizilimine olanak tanıyacak ancak kan hücrelerinin geçimine engel olacak nano gözenek boyutunun gerekliliğine değinilmiştir [17] İlaç salınım sistemleri İlaç salınım sistemleri, birleştirildikleri ilaçların vücut içerisindeki emilim, dağılım, biyotransformasyon gibi proseslerini yöneten birimlerdir. Bu sistemlerin en önemli avantajı, aynı anda pek çok ilacın verilebilmesi ve kandaki ilaç seviyesinin zaman içerinde sabit kalmasını sağlamasıdır. İlaç salınım sistemlerinin vücutla olduğu kadar ilaçla da uyumlu olması gerekmektedir. Bu sistemin geleneksel ilaç alınım yöntemlerine (ağızdan, damardan, vb.) göre dezavantajı ise operasyon gerektirmesidir [2]. Bir çok araştırmacı elektrospinning yöntemini kullanarak nanoliften ilaç salınım sistemleri üretmiştir. Zeng ve arkadaşlarının yaptığı bir çalışmada, yüzey aktif maddelerin (anyonik, katyonik ve noniyonik) ve bazı ilaçların (rifambin ve paclitaxel) PLLA nano lifine entegrasyonu sağlanmıştır. Lif içerisine hapsedilen 3

4 ilaçlar, PLLA lifinin biyolojik olarak bozunması ile vücuda salınmıştır. Proteinaz K enzimi kullanımı ile birlikte ilaç salınımının arttığı görülmüştür [18]. Katti ve arkadaşları ise polilaktikoglikolik asit (PLAGA) nanoliflerini hem tek başlarına hem de geniş spektrumlu bir antibiyotik ilavesi ile elektrospinning yöntemi ile üretmişlerdir. Cefozin adlı antibiyotik %0, %10 ve %20 oranında çözeltiye dahil edilerek elektrospinning yöntemi ile çekilmiştir. Üretilen bu nanolif yüzeyin yaralara müdahale için antibiyotik salınım sistemi olarak görev yapabileceğini vurgulamışlardır [19]. 3. Sonuçlar Dünya nüfusunun gün geçtikçe artması, sağlık sektörüne olan ihtiyacı kaçınılmaz kılmaktadır. Tıp sektörü, farklı disiplinlerin katkılarıyla hizmet alanını arttırmakta, dolayısıyla tıbbi tekstiller de, tıp alanındaki ihtiyaçlar ve tekstil sektöründeki yenilikçi arayışlar sayesinde bu alandaki mevcut konumunu her geçen gün pekiştirmektedir. 4. Referanslar [1] Annapoorani, G., Recent Developments in Medical Textiles Implantable Devices An Overview, Research Paper Textiles, Cilt :2 (2013) No: 12, pp [2] Doğan, G. & Basal, G.: Elektrolif Çekim Yöntemine Göre Elde Edilen Biyopolimer Nanoliflerin İlaç Salınım Sistemleri, Yara Örtüsü ve Doku İskelesi Olarak Kullanımları, Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi, Cilt: 3 (2009) No: 2, pp [3] Khil, M. S.; Cha, D.; Kim, H. Y.; Kim, I. S. & Bhattarai, N.: Electrospun Nanofibrous Polyurethane Membrane as Wound Dressing, Appl Biomater, (2003) No: 67B, pp [4] Hong, K. H.; Park, J. L.; Sul, H.; Youk, J. H. & Kang, T. J.: Preparation of Antimicrobial Poly(vinyl alcohol) Nanofibers Containing Silver Nanoparticles, Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics, (2006) No: 44, pp [5] Lee, K. H.; Kim, D. J. & Min, B. G.: Polymeric nanofiber web-based artificial renal microfluidic chip, Biomed Microdevices, (2007) No:9, pp [6] Baylan, E. E.: Tıbbi Alanlarda Kullanılan Nonwoven Tasarımları, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tekstil Mühendisliği Anabilim Dalı (Yüksek Lisans Tezi), [7] Roszek, B.; Jong, W. H. & Geertsma, R. E.: Nanotechnology in medical applications: state-of-the-art in materials and devices, RIVM report, /2005. [8] Chellamani K. P. & Panneerselvam, G.: Breathability of Woven Surgical Gowns Treated With Nano Finishes, The South India Textile Research Association Coimbatore. [9] Dural Erem, A.; Ozcan, G. & Skrifvars, M.: Antibacterial activity of PA6/ZnO nanocomposite fibers, Textile Research Journal, (2011) 81(16), pp [10] Akca Can, C. & Duran, D.: Doku Mühendisliği Uygulamalarında Tekstil Materyal Ve Teknolojilerinin Kullanımı, Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi, Cilt: 3 (2009) No: 1, pp [11] Khil, M. S.; Bhattarai, S. R.; Kim, H. Y.; Kim, S. Z. & Lee, K. H.: Novel Fabricated Matrix Via Electrospinning for Tissue Engineering, Wiley InterScience, (2004), pp [12] Corey, J. M.; Lin, D. Y.; Mycek, K. B.; Chen, Q.; Samuel, S.; Feldman, E. & Martin, D. C.: Aligned electrospun nanofibers specify the direction of dorsal root ganglia neurite growth, Biomed Mater Res, (2007) No: 83A, pp [13] Panseri, S.; Cunha, C.; Lowery, J.; Carro, U. D.; Taraballi, F.; Amadio, S.; Vescovi, A. & Gelain, F.: Electrospun micro- and nanofiber tubes for functional nervous regeneration in sciatic nerve transections, BMC Biotechnology, (2008) No: 8:39. [14] Hu, J.J., Chao, W.C., Lee, P.Y., Huang, C.H., Construction and characterization of an electrospun tubular scaffold for small-diameter tissue-engineered vascular grafts: A scaffold membrane approach, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, (2012) pp [15] Venugopal, J.; Zhang, Y. Z. & Ramakrishna, S.: Fabrication of modified andfunctionalized polycaprolactone nanofibre scaffolds for vascular tissue engineering, Nanotechnology, (2005) No: 16, pp [16] Lee, S.J., Yoo, J.J., Lim, G.J., Atala, A., Stitzel, J., In vitro evaluation of electrospun nanofiber scaffolds for vascular graft application, J BiomedMater Res 83A: (2007) pp [17] Ju, Y.M., Choi, J.S., Atala, A., Yoo, J. J., Lee, S.J., Bilayered scaffold for engineering cellularized blood vessels, Biomater., (2010) No: 31, pp [18] Zeng, J.; Xu, X.; Chen, X.; Liang, Q.; Bian, X.; Yang, L. & Jing, X.: Biodegradable electrospun fibers for drug delivery, Journal of Controlled Release, (2003) No:92, pp

5 [19] Katti, D. S.; Robinson, K. W.; Ko, F. K. & Laurencin, C. T.: Bioresorbable Nanofiber-Based Systems for Wound Healing and Drug Delivery: Optimization of Fabrication Parameters, Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater, (2004) No: 70B, pp