Köpeklerin Arka Bacak Kemiklerinin Bilgisayar Ortamında Modellenmesi ve Kinematik Analizinin Yapılması

Transkript

1 Tralleis Elektronik Dergisi e-tralleis 3 (2014) 1-10 ADÜ Köpeklerin Arka Bacak Kemiklerinin Bilgisayar Ortamında Modellenmesi ve Kinematik Analizinin Yapılması E. Barış KAYHAN 1 Süleyman TAŞGETİREN 2 1 Adnan Menderes Üniversitesi Koçarlı Meslek Yüksekokulu., Aydın 2 Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Fak., Afyonkarahisar ESER BİLGİSİ Araştırma Makalesi - Fen Bilimleri Sorumlu Yazar: E. Barış KAYHAN, baris.kayhan@adu.edu.tr Yayına Kabul Tarihi: Özet: Bu çalışmada köpek arka bacak bölgesinde kalça ve diz eklemlerinin iskelet yapısının bilgisayar ortamında üç boyutlu modeli oluşturulmuş, model üzerinde yürüme ve tırıs koşma hareketleri analiz edilmiş ve bu hareketler esnasında diz ekleminde kinematik değişkenler ortaya koyulmuştur. Çalışmada, iri ırk bir adet erkek köpeğe ait coxae, femur ve tibia kemikleri kullanılmış ve bu kemikler 3 boyutlu lazer tarayıcı cihazı ile sayısallaştırılmıştır. Daha sonraki aşamalarda kemiklerin üç boyutlu katı modelleri ve montajı SolidWorks yazılımı kullanılarak oluşturulmuştur. İncelenecek hareketlere ait evrelerde arka bacak eklem açıları ölçülmüş ve bilgisayar ortamında hazırlanan model üzerine aktarılmıştır. Analizi yapılacak hareketler SolidWorks Motion eklentisi kullanılarak, model üzerinde simüle edilmiştir. Simülasyon sonunda femur, tibia, kalça eklemi, diz eklemi ve ayak bilek eklemine ait yer değiştirme, hız ve ivme sonuçları elde edilmiştir. Arka bacağın fleksiyonu ve ekstensiyonu esnasında en büyük yer değiştirme, hız ve ivme tibiada görülmüş ve her iki pozisyonda da en büyük ivmeler hareketin başlangıcında ve bitişinde oluşmuştur. Dolayısıyla hareket esnasındaki en büyük kuvvetlerin ve gerilmelerin hareketin başlangıcında ve bitişinde oluşacağı söylenebilir. Bu çalışma ile gerek veteriner klinikte önemli bir yeri olan gerekse insandaki çeşitli hastalıklar için deneysel hayvan modeli olarak kullanılan köpeklerde, eklem hareketlerinin üç boyutlu arka bacak modeli oluşturularak bilgisayar ortamında simülasyonu yöntemi tanımlanmıştır. Bu tür simülasyonlar köpek arka bacak hareket mekanizmasına ait normal ve patolojik durumların canlı hayvan kullanılmadan bilgisayar ortamında incelenebilmesine olanak sağlayabileceği gibi köpeklerde kalça ve diz eklemine ilişkin çeşitli implantların tasarlanmasında kullanılabilir. Anahtar Kelimeler: Biyomekanik, hareket analizi, kinematik, bilgisayar destekli mühendislik. Investigation of Anatomical Structures of Canine Hind Limb and Kinematical Analysis by Computer Modeling Abstract: The goal of this study is to make a three dimensional model of a large-breed canines hind limb s skeleton on computer, to analyze the gait and trotting movements on models and to expose the kinematics parameters of joints and bones of the hind limb skeleton during these motions. In this study, coxae, femur and tibia of a massive dog were used. These bones were digitized with the three dimensional laser scanner. On the next steps, three dimensional models and assemblies of the bones were made by using the SolidWorks software. Joint angles of hind limb was measured at the phases of motion that will be analyzed and transferred to the model which was designed at the computer. Motions been simulated in SolidWorks Motion module. At the end of the simulation, the displacement, velocity and acceleration of femur, tibia, coxae, knee joint, and ankle joints results were obtained. During the flexion and the extension of the hind limb, the greatest displacement, velocity and acceleration was seen on tibia and on each positions the greatest acceleration was seen at the beginning and the end of the motion. Therefore it can be said that the biggest load and stress during the motion occur at the beginning and at the end of the motion. It can be thought that this study is a valuable source for the prosthesis application and definition of 1

2 E.B.KAYHAN, S.TAŞGETİREN physiological diseases for examining human and animal movements. In this study, the canines joint movements are defined with the simulation method with the three dimensional hind limb models on computer. These kind of simulations will be useful for both examining canine s hind limb movement mechanism s normal and pathological cases on computer without using living animal and can be used for designing various grafts for hip and knee joints. Keywords : Biomechanic, kinematic, motion analysis, computer aided engineering. Giriş Bilindiği gibi, bir bilim dalı olarak biyomekanik, biyoloji ve mühendislik bilimlerinin, yaşayan canlılar üzerinde uygulama alanıdır. Biyomekanik çalışmalarında, mühendislik yöntemleri de kullanılarak, canlıların nasıl hareket ettikleri, hareketlerinin nasıl kontrol edildiği, hareket sırasında oluşan kuvvetler ve etkileri, canlı ve cansız dokular üzerindeki zorlanma durumları incelenerek, tedavi yöntemleri geliştirilmektedir. Canlıların hareketlerinin nasıl gerçekleştiği sorusuna kinesioloji, mühendislik, fizik, biyoloji gibi birçok araştırma alanı ilgi duymaktadır. İnsan ve hayvan hareketlerinin tanımlanabilmesi, biyomekaniksel analizler, performans analizleri, kişi tanıma, hareket bozukluklarının belirlenmesi, bilgisayar grafiklerinde sanal insan ve hayvan canlandırmaları gibi uygulama alanlarında önemli rol oynamaktadır. Tarih boyunca bir çok araştırmacı yapısal, fiziksel ve matematiksel modeller kullanarak insan ve hayvan hareketlerini açıklamayı denemişlerdir (Peterson ve Bronzino, 2008; Knudson, 2007). Yürüyüş sırasında birçok iskelet parçası ve kasta süratli ve ardışık hareketler olur, yani yürüyüş dinamik bir süreçtir ve bu sürecin parçalarını yalın göz ile yanılmaksızın ayırt etmek imkansızdır. Bu gerçeğin ortaya konması ile 1830'larda Weber kardeşlerin öncülüğünde modern anlamda yürüyüş analizi çalışmaları başlamıştır. Marey ve Muybridge' in 1870'lerde başlattıkları fotoğraflama yöntemleri yüzyıl içinde süratle gelişmiş ve bugün yerini gelişmiş laboratuarlarda kullanılan elektronik ekipman ve yazılım programlarına bırakmıştır (Muybridge, 1985). Nicholson ve ark., (2007) 160 tazı arasından rastgele olarak seçilen aylık 32 (17 erkek ve 15 dişi) adet tazının arka kalça, diz ve ayak bilek eklemlerinde açı ölçer ile yaptıkları ölçümlerle, arka bacağın fleksiyon ve ekstensiyon hareketlerinde şekillenen eklem açılarındaki farklılıkları ve nedenlerini incelemişlerdir. Bu çalışma ile fleksiyon ve ekstensiyon hareketinde 2 diz ekleminin kalça eklemine etkisini, yarışlarda kullanılan ve antreman yaptırılan tazıların daha esnek olduğunu, antreman çalışmalarının kasların, bağların ve diğer anatomik yapıların uzamasına olumlu etkilerini ortaya koymuşlardır. Akalan ve ark., (2005) pasif diz fleksiyonunun 3 boyutlu biyomekanik simülasyonu adlı çalışmalarında, diz eklemi yüzeylerini, kemikleri, bağları ve kaslarını bilgisayar ortamında modelleyerek simüle etmişlerdir. Çalışmaları sırasında 1.80 boyunda, 80 kg ağırlığında 30 yaşındaki bir kadavranın bilgisayarlı tomografi ile taranmış sağ pelvis, femur, patella, tibia ve fibula kemikleri kullanılmıştır. Bu çalışmayla diz ekleminin gerçek yuvarlanma ve dönme hareketlerini bilgisayar ortamındaki oluşturdukları model üzerinde uyguladıkları hareketlerle karşılaştırmışlardır. Bu çalışma diz ekleminin patalojik mekanizmalarının anlaşılmasına katkı sağlamıştır. Schaefer ve ark.,(1998) köpeklerin tırıs koşma hareketini bilgisayar ortamında inceleyerek arka bacak simetrilerindeki farklıkları tanımlamışlardır. Çalışmalarını 8 adet iri ırk yetişkin köpek üzerinde gerçekleştirerek tırıs koşma hareketinde kalça, diz ve ayak bilek eklemlerindeki fleksiyon, ekstensiyon açılarını ve kinematik değişkenleri hesaplamışlardır. Hareket süresince arka sağ ve sol bacaktaki eklemlerin ortalama fleksiyon ve ekstensiyon eğrilerin farklılıklarını karşılaştırmak için Fourier katsayılarını kullanmışlardır. Çalışma sonucunda arka sağ ve sol bacak arası mesafelerde ve Fourier katsayılarını kullanarak hesapladıkları kinematik değişkinler arasında belirgin farklılıklara rastlanmamıştır. Bu çalışma kas iskelet bozuklukların tedavisine referans bir kaynak olmuştur. Bennett ve ark., (1996) kalça displazi olan köpekler üzerinde bilgisayar destekli 3 boyutlu yürüyüş analizi yöntemini kullanarak yürüme hareketi esnasındaki değişiklikleri

3 E.B.KAYHAN, S.TAŞGETİREN tanımlamışlardır. Normal (12 adet) ve kalça displazi olan (12 adet) toplam 24 adet köpeğin tırıs koşma kinematik ve kuvvet verilerini toplayarak, kalça, diz ve ayak bilek eklemlerinin yer değiştirmelerini, açısal hızlarını, fleksiyon ve ekstensiyon açılarını hesaplamışlardır. Sonuç olarak; kalça displazi olan köpeklerde her eklem için elde ettikleri dinamik fleksiyon ve ektansiyon parametrelerinde az rastlanan karakteristik değişiklere rastlamışlar ve inceledikleri iki gruptaki farklılıkları ortaya koymuşlardır. Bilgisayar destekli kinematik analizinin, karmaşık hareketlerin incelenmesinde ve tanımlanmasında basit ve etkili bir yöntem olduğunu ifade etmişledir. DeCamp ve ark., (1993) sağlıklı tazıların tırıs koşma hareketi sırasında 6 eklemin (kalça, diz, ayak bileği, omuz, dirsek ve el bileği) fleksiyon ve ekstensiyon hareketlerini tanımlayarak incelemişlerdir. Çalışmalarında inceledikleri hareketleri özel olarak geliştirdikleri bir platform üzerinde kameralar kullanarak kaydetmiş ve elde ettikleri görüntüleri bilgisayar ortamında işleyerek tırıs koşma esnasında eklemlerde görülen kinematik parametreleri ortaya koymuşlardır. Bu çalışma ile köpeklerdeki yürüme ve tırıs koşma hareketlerinin bilgisayar ortamında 3 boyutlu modellenerek hareket analizinin yapılabilirliği incelenmiştir. Yapılan bu çalışmanın insan ve hayvan hareketlerinin incelenmesine, fizyolojik bozukluklarının tanımlanmasına ve protez uygulamalarına yönelik yardımcı bir kaynak olacağı düşünülebilir. Materyal ve Yöntem Çalışmamızda kullanacağımız iri ırk erişkin bir erkek köpeğe ait coxae, femur, ve tibia kemikleri Adnan Menderes Üniversitesi Anatomi Anabilim dalı kemik arşivinden alınmıştır. Bilgisayar ortamında incelenecek ve karşılaştırılacak olan yürüme ve tırıs koşma (yürüme ve hızlı koşma arasındaki hareket türü) hareketleri beşer evrede gerçekleşmektedir (Adams 2004). Bu evreler sırasında şekillenen arka bacak iskelet yapısına ait görüntüler Autocad programına eklenerek arka bacak iskeletini oluşturan kemikler ve eklemler vektörel olarak modellenmiştir. Eklemlerde oluşan açısal değişimleri belirlemek için kemiklerin ağırlık merkezlerinden ve eklemlerin temas yüzeyinin merkezinden geçen referans eksenler oluşturulmuştur. Bu eksenler arasındaki açılar, yürüme hareketinin her evresi için ayrı ayrı hesaplanarak analiz esnasında kullanılacak veriler elde edilmiştir (Şekil 1, Şekil 2). Söz konusu açılar ayrıca Çizelge 1 ve Çizelge 2 de verilmiştir. Şekil 1. Yürüme evreleri (Adams 2004). 3

4 E.B.KAYHAN, S.TAŞGETİREN Çizelge 1 Yürüme evrelerinde oluşan eklem açıları. Eklemler Açısal Değişimler (derece) 1.Evre 2.Evre 3.Evre 4.Evre 5.Evre Baş. Bit. Baş. Bit. Baş. Bit. Baş. Bit. Baş. Bit. Kalça eklemi Diz Eklemi Bilek Eklemi Şekil 2 Tırıs koşma evreleri (Adams 2004). Çizelge 2. Tırıs koşma evrelerinde oluşan eklem açıları. Eklemler Açısal Değişimler (derece) 1.Evre 2.Evre 3.Evre 4.Evre 5.Evre Baş. Bit. Baş. Bit. Baş. Bit. Baş. Bit. Baş. Bit. Kalça eklemi Diz Eklemi Bilek Eklemi Hareketin gerek yürümede gerekse tırıs koşma esnasında 1 sn sürede gerçekleştiği kabul edilmiştir. Kemiklerin Sayısallaştırılması Köpek arka bacağına ait coxae, femur ve tibia kemiklerinin bilgisayar ortamına aktarılması için ilk olarak lazer tarama cihazı ile sayısallaştırma işlemi yapılmıştır. Verilerin elde edilme süresini kısaltmak ve doğruluğunu artırmak amacıyla tarama işlemi öncesinde kemikler temizlenerek yüzeylerinde noktalar ve rakamlardan oluşan işaretler oluşturulmuştur. Bu işaretler, elde edilen verilerin birleştirilmesi esnasında referans olarak kullanılmıştır. 4 Sayısallaştırma işlemi için SolidWorks yazılımına tam entegre çalışan ve hassasiyeti 0.1 mm olan NextEngine (Şekil 3) masaüstü lazer tarama cihazı ve cihaz ile birlikte gelen ScanStudio Core (Nextengine Inc. USA) yazılımı kullanılmıştır. Şekil 3 Next engine tarama cihazı. Tarama işlemi ile bilgisayar ortamına aktarılan nokta bulutu model, veriyi iyileştirmek ve ağ

5 E.B.KAYHAN, S.TAŞGETİREN (mesh) yapısı oluşturmak için bir tersine mühendislik yazılımı olan Rapidform a aktarılmıştır. Birinci aşamada Rapidform yazılımına aktarılan model üzerindeki kusurlar Find Defection komutu ile tespit edilerek Healing Wizard komutu ile onarılmıştır. Daha sonra lazer ışığının gidemediği ve dolayısı ile veri elde edilemeyen boşluklar Fill Holes komutu kemik formuna uygun şekilde doldurulmuştur. Son aşamada noktalar üçgensel olarak birleştirilerek hacimsel ağ yapı ve Auto Surfacing komutu ile yüzeyler ve katı model oluşturulmuştur (Şekil 4). ve vücuttaki konumuna getirilerek sabitlenmiştir. Diğer aşamalarda coxae ve femur küresel eklemle, femur ve tibia menteşe tipi eklemle birleştirilmiştir. Ayak bilek kemikleri (tarsi) ve ayak kemikleri karmaşık anatomik yapılarından dolayı tek parça olarak modellenmiş ve yaptığı hareket göz önünde bulundurularak tibia ile elipsoid eklem kullanılarak birleştirilmiştir (Şekil 5) Şekil 5. Arka bacak iskeletinin montajı Montajı tanımlanan arka bacak iskeleti SolidWorks hareket analizi (solidworks motion) eklentisine aktarılarak sınır şartları ve evrelerdeki açısal yer değiştirmeler giriş verileri olarak tanımlanmıştır. Şekil 4 Kemik modelleri Üç boyutlu katı modelleri oluşturulan kemikler.igs dosya türünde kayıt edilerek SolidWorks yazılımında açılarak parça dosya uzantısı (.sldprt) ile kaydedilmiştir. Kemiklerin Montajı ve Arka Bacak İskeletinin oluşturulması Modellenen üç boyutlu kemikler arka bacak eklem tiplerine uygun olarak birleştirilmek için SolidWorks yazılımında montaj dosyasına aktarılmıştır. Montaj aşamasında öncelikle sabit eleman olarak bir pim tanımlanmış ve 0,0,0 koordinatına konumlandırılmıştır. İkinci aşamada coxae sabit pime düzlemsel eklemle birleştirilmiş Bulgular Bilgisayar ortamında oluşturulan köpek arka bacak 3 boyutlu modeli üzerinde yürüme ve tırıs koşma hareketleri Adams 2007 ye göre simüle edilerek diz bölgedeki femur ve tibia kemikleri ile diz ekleminin sagittal düzlemde kinematik parametreleri elde edilmiştir. Elde edilen bu sonuçlar sırasıyla yürüme ve tırıs koşma esnasında femur, tibia ve diz ekleminin yer değiştirmeleri, hızları ve ivmeleri grafikler üzerinde gösterilerek bu bölgeler arasındaki kinematik farklılıklar ortaya konmuştur. Şekil 6, şekil 7 de Yürüme ve tırıs koşma evrelerinde diz eklemi açısal hız ve ivme değişkenine ait sonuçlar verilmektedir.. 5

6 E:B:KAYHAN, S.TAŞGETİREN olmaktadır. İvmelerin büyük olması nedeniyle en büyük kuvvetler hareketin başlangıç ve bitişinde ortaya çıkacaktır. Ayrıca en büyük ivmeler 2, 3 ve 4. evrelerde görüldüğü için hareketin bu dönemlerinde daha fazla zorlanmalar oluşacağı söylenebilir. Yürüme ve tırıs koşma evrelerinde femurun yatay ve düşey eksenindeki doğrusal hızı Şekil 8 ve şekil 9 da verilmiştir. Şekil 6 Diz eklemi yürüme açısal hız -zaman ve ivmezaman grafikleri Şekil 8. Yürüme hareketinde femurun yatay ve düşey eksendeki doğrusal hız-zaman grafiği Şekil 7 Diz eklemi tırıs koşma açısal hız -zaman ve ivme - zaman grafikleri Şekil 6 ve şekil 7 de görüldüğü gibi açısal hız değerleri hareketin başlangıcında ve bitiminde hızla artmakta ve azalmaktadır. Buna karşılık hareketin ortasında yaklaşık sabit bir değerde bulunmaktadır. En büyük hızlar yürüme hareketinde 2. (-73 derece/sn) ve 3. (81 derece/sn) evrelerde koşma hareketinde ise 4. (-72 derece/sn) evrede görülmektedir. Hız davranışında ki en büyük fark 3. ve 5. evrelerde ortaya çıkmaktadır. En büyük ivmeler yürümenin 2. ve 3. evrelerinde koşmanın ise 4. evresinde ortaya çıkmaktadır. Başlangıçta yürümenin 2. evresi için -270 derece/sn² olan ivme, hareketin sonunda 294 derece/sn² olmakta, 3. evresi için başlangıçta 298 derece/sn² olan ivme hareketin sonunda -324 derece/sn² olmakta ve koşma hareketinin 4. evresinde başlangıçta -265 derece/sn² olan ivme hareket sonunda 288 derece/sn² olmaktadır. Hareket boyunca ivme değerleri doğrusal olarak değişmekte başlangıçta negatif olan değerler hareketin sonunda pozitif, başlangıçta pozitif olanlar hareketin sonunda negatif değerlere sahip 6 Şekil 9 Tırıs koşma hareketinde femurun yatay ve düşey eksendeki doğrusal hız - zaman grafiği Hareket evrelerinde femurun yatay eksendeki en yüksek hızları yürümenin 2. evresinde ve koşmanın 4. evresinde görülmektedir ve hızları sırasıyla -132 mm/sn ve 100 mm/sn civarındadır. (Şekil 8 ve şekil 9). Yürümenin 5. koşmanın ise 1,2 ve 5. evrelerinde femurun hızı mutlak değerce birbirine yakındır. Benzer bir durum yürümenin 1. ve 4. koşmanın ise 3. ve 5. evrelerinde geçerlidir. Yürümenin 3. evresinde ise femurun hızı yaklaşık olarak sıfırdır. Yürüme ve koşma hareketleri süresince femurun hız davranışındaki en büyük farklar sırasıyla 3. ve 4. evrede gerçekleşmektedir.

7 E:B:KAYHAN, S.TAŞGETİREN Yürüme esnasında femurun düşey eksendeki en yüksek hızı hareketin 2. evresinde gerçekleşirken koşma esnasında ise 1. evrede gerçekleşmektedir ve hızları sırasıyla 52 mm/sn ve -49 mm/sn dir. En yüksek hızların görüldüğü periyot ise yürümede evrenin saniyesi, koşmada ise 0.4. saniyesidir. Düşey eksendeki diğer hızlar incelendiğinde yürümenin 4. ve 5. koşmanın ise 2. evresinde yaklaşık olarak aynı hız değerleri okunmaktadır ve bu değer yaklaşık olarak -20 mm/sn civarındadır. Yürüme ve koşma hareketleri süresince femurun hız davranışındaki mutlak değerce en büyük farklar sırasıyla 1. ve 5. evrede gerçekleşmektedir. Yürüme ve tırıs koşma evrelerinde tibianın yatay ve düşey eksenindeki doğrusal hızı Şekil 10 ve şekil 11 de verilmiştir. ve hızları sırasıyla -233 mm/sn ve -247 mm/sn dir. En yüksek hızların görüldüğü periyot ise yürümede evrenin saniyesi, koşmada ise saniyesidir. Düşey eksendeki diğer hızlar incelendiğinde yürümenin 5. koşmanın 2. evrelerinde hızları yaklaşık olarak 170 mm/sn civarındadır. Yürüme ve koşma hareketleri süresince tibianın hız davranışındaki en büyük fark sırasıyla 5. ve 1. evrelerde gerçekleşmektedir (Şekil 10; şekil 11). Yürüme esnasında tibianın düşey eksendeki en yüksek hızı hareketin 3. evresinde gerçekleşirken koşma esnasında ise 5. evrede gerçekleşmektedir ve hızları sırasıyla -82 mm/sn ve -85 mm/sn dir. En yüksek hızların görüldüğü periyot ise yürümede evrenin saniyesi, koşmada ise saniyesidir. Düşey eksendeki diğer hızlar incelendiğinde tibia nın 2.,3.,4. ve 5. evrelerde benzer davranış sergilediği görülebilir. Yürüme ve koşma hareketleri süresince tibia nın hız davranışındaki en büyük fark sırasıyla 2. ve 1. evrelerde gerçekleşmektedir (Şekil 10;şekil 11). Yürüme ve tırıs koşma hareketlerinin analizi sonucunda femur için elde edilen teğetsel ivmenin yatay ve düşey eksendeki bileşenine ait sonuçlar Şekil 12 ve şekil 13 de verilmiştir. Şekil 10. Yürüme hareketinde tibianın yatay ve düşey eksendeki doğrusal hız - zaman grafiği Şekil 12 Yürüme hareketinde femurun yatay ve düşey eksendeki doğrusal ivme - zaman grafiği Şekil 11.Tırıs koşma hareketinde tibianın yatay ve düşey eksendeki doğrusal hız - zaman grafiği Yürüme esnasında tibianın yatay eksendeki en yüksek hızı hareketin 2. evresinde gerçekleşirken koşma esnasında ise 5. evrede gerçekleşmektedir 7

8 E:B:KAYHAN, S.TAŞGETİREN Şekil 13 Tırıs koşma hareketinde femurun yatay ve düşey eksendeki doğrusal ivme - zaman grafiği Şekil 12 ve şekil 13 de görüldüğü gibi yürüme ve tırıs koşma esnasındaki yatay eksendeki en büyük ivmeler yürümenin 2. evresinde ve koşmanın 4. evresinde ortaya çıkmaktadır. Yürümede ve koşmada görülen maksimum ivmeler hareketin başlangıç ve bitiminde oluşmaktadır. Her iki hareket göz önünde alındığında ivme davranışındaki en büyük fark 2. evrede ortaya çıkmaktadır. Yürümenin 2. evresinde başlangıçta mm/sn 2 olan ivme hareket sonunda 430 mm/sn 2 olmakta, koşmanın 2. evresinde başlangıçta 208 mm/sn² olan ivme hareket sonunda -24 mm/sn 2 olmaktadır. Yürüme ve koşma hareketlerinin 4. Evrelerindeki ivmeleri karşılaştırdığımızda yürümede başlangıçta 132 mm/sn² olan ivme hareket sonunda -168 mm/sn² olmakta, koşmada ise başlangıçta -370 mm/sn² olan ivme hareket sonunda 364 mm/sn² olmaktadır. Femurun genel ivme davranışına baktığımızda başlangıçta pozitif olan değerler hareketin sonunda negatif ve başlangıçta negatif olan değerler hareketin sonunda pozitif olmaktadır. En büyük ivmeler hareket başlangıcında ve bitiminde görüldüğü için en büyük kuvvetler ve zorlanmaların bu anlarda görüleceği söylenebilir. Şekil 12 ve şekil 13 de görüldüğü gibi yürüme ve tırıs koşma esnasındaki düşey eksendeki en büyük ivmeler yürümenin 2. evresinde ve koşmanın sırasıyla 1., 4. ve 5. evrelerinde ortaya çıkmaktadır. Bu ivmeler sırasıyla yürümenin 2. evresinde başlangıçta -84 mm/sn² hareketin ortasında 174 mm/sn² ve sonunda -313 mm/sn², koşmanın 1. evresinde başlangıçta -219 mm/sn² ve hareketin bitiminde 127 mm/sn², 4. evresinde hareket başlangıcında -57 mm/sn² ortasında 97 8 mm/sn² ve sonunda -182 mm/sn² ve son olarak 5. evresinde başlangıçta 118 mm/sn² ve hareketin sonunda -221 mm/sn² olarak görülmektedir. Yürüme ve tırıs koşma evrelerinde ivme davranışı önemli farklılıklar göstermektedir. Yürümenin 2. koşmanın ise 3. ve 4. evrelerinde başlangıçta ivme negatifken hareketin ortalarına doğru pozitif ve hareketin sonunda negatif olmakta ve en büyük değerine ulaşmaktadır. Diğer evrelerde ise başlangıçta pozitif olan ivme hareket sonunda negatif, başlangıçta negatif olan ivme hareket sonunda pozitif olmaktadır. En büyük ivmeler genelde hareket başlangıcında ve bitiminde görülürken yürümenin 2. evresinde koşmanın 4. evresinde hareketin ortalarına doğru da yüksek ivmeler oluşmaktadır. Bu durumda için en büyük kuvvetlerin ve zorlanmaların grafiklerdeki bu bölgelerde görüleceği söylenebilir. Yürüme ve tırıs koşma hareketlerinin analizi sonucunda tibia için elde edilen teğetsel ivmenin yatay ve düşey eksendeki bileşenine ait sonuçlar Şekil 14 ve şekil 15 de verilmiştir. Şekil 14 Yürüme hareketinde tibianın yatay ve düşey eksendeki doğrusal ivme - zaman grafiği Şekil 15 Tırıs koşma hareketinde tibianın yatay ve düşey eksendeki doğrusal ivme - zaman grafiği

9 E:B:KAYHAN, S.TAŞGETİREN Şekil 14 ve şekil 15 de görüldüğü gibi yürüme ve tırıs koşma sürecinde tibia nın yatay eksendeki en büyük ivmeleri yürümenin 2. evresinde ve koşmanın 5. evresinde ortaya çıkmaktadır. Yürümenin 2. evresinde başlangıçta -835 mm/sn² olan ivme hareket sonunda 798 mm/sn² olmakta, koşmanın 5. evresinde başlangıçta -627 mm/sn² olan ivme hareket sonunda 1069 mm/sn² olmaktadır. Tibianın genel ivme davranışına baktığımızda başlangıçta pozitif olan değerler hareketin sonunda negatif ve başlangıçta negatif olan değerler hareketin sonunda pozitif olmaktadır. En büyük ivmeler hareket başlangıcında ve bitiminde görüldüğü için en büyük kuvvetler ve zorlanmaların bu anlarda görüleceği söylenebilir. Görüldüğü gibi yürüme ve tırıs koşma esnasındaki düşey eksendeki en büyük ivmeler yürümenin 2. ve 3. evrelerinde ve koşmanın sırasıyla 3., 4. ve 5. evrelerinde ortaya çıkmaktadır. Bu ivmeler sırasıyla yürümenin 2. evresinde başlangıçta -222 mm/sn² hareketin ortasında 300 mm/sn² ve sonunda -511 mm/sn², 3. evresinde başlangıçta mm/sn² hareketin ortasında 221 mm/sn² ve sonunda -18 mm/sn², koşmanın 3. evresinde başlangıçta 161 mm/sn² ve hareketin bitiminde mm/sn², 4. evresinde hareket başlangıcında - 56 mm/sn² ortasında 181 mm/sn² ve sonunda -382 mm/sn² ve son olarak 5. evresinde başlangıçta mm/sn², hareketin ortasında 324 mm/sn² ve sonunda -264 mm/sn² büyüklüğündedir. Yürüme ve tırıs koşma evrelerinde ivme davranışı önemli farklılıklar göstermektedir. Yürümenin 2. ve 3. koşmanın ise 2., 4. ve 5. evrelerinde başlangıçta ivme negatifken hareketin ortalarına doğru pozitif ve hareketin sonunda negatif olmakta ve en büyük değerine ulaşmaktadır. Diğer evrelerde ise başlangıçta pozitif olan ivme hareket sonunda negatif, başlangıçta negatif olan ivme hareket sonunda pozitif olmaktadır. En büyük ivmeler genelde hareket başlangıcında ve bitiminde görülürken yürümenin 2. ve 3. evrelerinde koşmanın 4. ve 5. evrelerinde hareketin ortalarına doğru da yüksek ivmeler oluşmaktadır. Bu durumda için en büyük kuvvetlerin ve zorlanmaların grafiklerdeki bu bölgelerde görüleceği söylenebilir. Tartışma ve Sonuç Biyomekanik biliminin amacı, mekanik kavram ve ilkeleri canlı sistemlerin nitelik ve nicelikleriyle ilişkilendirip, elde ettiği sonuçlarla insan ve hayvanların yaşam kalitesini iyileştirmeye yönelik çıktılar ortaya koymaktır. Günümüzde hızlı teknolojik gelişmelerle birlikte, hareket sisteminin sağlıklı insan ve hayvanlarda anlaşılabilmesi yanında, klinik uygulamalarda tanı, tedavi planlaması ve tedavi sonucunun takip edilebilmesi amacıyla kinetik ve kinematik analizlerinin kullanılması giderek yaygınlaşmaktadır. Özellikle, nöromusküler ve ortopedik hastalıklarda çeşitli kas iskelet sistemi sorunlarının tanısında ve tedavisinde yürüme analizi giderek önemli bir yer tutmaktadır. Bu çalışmada köpekte yürüme ve tırıs koşma evrelerindeki arka bacak eklem açıları ölçülmüş ve bilgisayar ortamında hazırlanan model üzerine aktarılmıştır. Analizi yapılacak hareketler Cosmosmotion yazılımı kullanılarak, model üzerinde simüle edilmiştir. Bilgisayar ortamında uygulanan yürüme ve tırıs koşma simülasyonu ile femur, tibia ve diz eklemine ait yer değiştirme, hız ve ivme sonuçları elde edilmiştir. Yürüme esnasında diz eklemindeki en büyük yer değiştirme, hız ve ivme 3. evrede, tırıs koşma esnasında ise 4. evrede görülmüş ve her iki pozisyonda da en büyük ivmeler hareketin başlangıcında ve bitişinde oluşmuştur. Hareket sırasında en büyük kuvvetlerin ve gerilmelerin hareketin başlangıcında ve bitişinde oluşacağı sonucuna varılmıştır. Bu çalışma ile gerek veteriner klinikte önemli bir yeri olan gerekse insandaki çeşitli hastalıklar için deneysel hayvan modeli olarak kullanılan köpeklerde, eklem hareketlerinin, üç boyutlu arka bacak modeli oluşturularak bilgisayar ortamında simülasyonu yöntemi tanımlanmıştır. Bu tür simülasyonlar köpek arka bacak hareket mekanizmasına ait normal ve patolojik durumların canlı hayvan kullanılmadan bilgisayar ortamında incelenebilmesine olanak sağlayabileceği gibi köpeklerde kalça ve diz eklemine ilişkin çeşitli implantların tasarlanmasında kullanılabilir. 9

10 E:B:KAYHAN, S.TAŞGETİREN Kaynaklar Adams D.R Canine Anatomy. Iowa State Press, 8, Akalan N.E., Özkan M., Gülçür H.Ö. ve Temelli Y Pasif diz fleksiyonunun 3 boyutlu biyomekanik simülasyonu. Biyomedikal Mühendisliği Ulusal Toplantısı, BİYOMUT 2005, İstanbul, TÜRKİYE. Bennet R.L., DeCamp C.E., Flo G.L., Hauptman J.G. and Stajich M Kinematic gait analysis in dogs with hip dysplasia. Am J Vet Res. 57(7), DeCamp C.E., Robert W.,Hauptman J., Oliver B., Braden T. and Walton A Kinematic gait analysis of the trot in healty Greyhounds. Am J Vet Res. 59(6), Knudson D Fundamentals of Biomechanics. Springer Science, LLC, USA, 309 Muybridge E Horses and other animals in motion. Dover Publications, USA, 91. Nicholson H.L., Osmotherly P.G., Smith B.A. and McGowan C.M Determinants of passive hip range of motion in adult Greyhounds. Australian Veterinary Journal, 85,6, Peterson D.R. and Bronzino J.D Biomechanics Principles and Applications, CRC Press, USA, 342. Schaefer SL., DeCamp CE., Hauptman JG., Walton A American Journal of Veterinary Research 59(6):

11 Tralleis Elektronik Dergisi e-tralleis 3 (2014) ADÜ Katalaz İmmobilizasyonu için Manyetik Gümüş Nanopartiküllerin Sentezlenmesi ve Karakterizasyonu Sibel CAN 1, Meltem KAPLAN 1, Murat UYGUN 2, Deniz AKTAŞ UYGUN 1 1 Adnan Menderes Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü, Aydın 2 Adnan Menderes Üniversitesi Koçarlı Meslek Yüksekokulu Bitkisel ve Hayvansal Üretim Bölümü, Aydın ESER BİLGİSİ Araştırma Makale - Fen Bilimleri Sorumlu yazar: Murat UYGUN, muygun@adu.edu.tr Yayına Kabul Tarihi: Özet: Yapılan bu çalışmada katalaz enziminin geri dönüşümlü immobilizasyonu için manyetik gümüş nanopartiküller hazırlanmıştır. Bu amaçla, ilk olarak manyetik çekirdek demir(ii) ve demir(iii) çözeltilerinin bazik ortamdaki reaksiyonu ile sentezlenmiştir. Manyetik çekirdeğin üzeri gümüş ile kaplanarak manyetik gümüş nanopartiküller hazırlanmıştır. Sentezlenen manyetik gümüş nanopartiküller N-asetil sistein ile fonksiyonelleştirilmiştir ve Fe 3+ ile kompleksleştirilmiştir. Hazırlanan manyetik gümüş nanopartiküllerin karakterizasyonu SEM, AFM ve EDX ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen manyetik gümüş nanopartiküllerin katalaz immobilizasyonu etkinliği farklı tampon sistemlerinde araştırılmış ve katalaz immobilizasyonuna ph ın etkisi incelenmiştir. Anahtar kelimeler: Katalaz, immobilizasyon, manyetik gümüş nanopartiküller, IMAK Synthesis and Characterization of Magnetic Silver Nanoparticles for Catalase Immobilization Abstract: In this presented work, magnetic silver nanoparticles were synthesized for the reversible immobilization of catalase. For this, magnetic core was synthesized by the reaction of iron(ii) and iron(iii) in basic medium. Magnetic silver nanoparticles were prepared by covering the magnetic core with a thin layer of silver. Synthesized magnetic silver nanoparticles were functionalized N-acetyl cysteine and complexed with Fe 3+. Characterization of prepared magnetic silver nanoparticle was carried out with SEM, AFM and EDX analysis. Catalase immobilization efficiency of synthesized magnetic silver nanoparticles was investigated in various buffer systems and the effect of medium ph on the catalase immobilization was studied. Key words: Catalase, immobilization, magnetic silver nanoparticle, IMAC Giriş Günümüzde nanometre boyutlarına sahip maddelerin anlaşılması ve kontrolü olarak tanımlanan nanoteknoloji, boyutu 100 nm den küçük aygıtların üretilmesi ve uygulamalarını da içermektedir (Mamalis, 2007). Nanoteknoloji son zamanlarda oldukça ilgi çekmektedir ve birçok teknolojik uygulamaya uyarlanmıştır. Bunun temel nedeni, partikül boyutunun küçülmesine karşı değişen ve gelişen eşsiz fiziksel ve kimyasal 11 özelliklerdir. Partikül boyutu küçüldükçe yüzey alanı/hacim oranı artmakta ve birim hacim başına çok yüksek yüzey alanlarına ulaşılabilmektedir. Ayrıca, boyut küçülmesine paralel olarak partiküllerin optik özellikleri de değişmekte ve böylece partiküllerin optik ve floresans uygulamalarında yeni kullanım alanları ortaya çıkmaktadır. Nanopartiküller bununla birlikte, materyallerin sertliklerinin ve esnekliklerinin

12 arttırılmasında ve polimerik yapıların güçlendirilmesinde kullanılmaktadır (Papazoglou ve Parthasarathy, 2007). S.CAN, M. KAPLAN, M. UYGUN, D. AKTAŞ UYGUN yer değiştirir. Böylece proteinin kromatografik desteğe bağlanması sağlanmış olur (Denizli ve Küfrevioğlu, 2007). Manyetik nanopartiküller; proteinler ve enzimlerin immobilizasyonunda, biyoayırmada, immunoanalizlerde, ilaç salınım sistemlerinde ve biyosensörler uygulamaları başta olmak üzere pek çok alanda kullanılmaktadır (Mandal ve ark., 2005). Bir destek materyali olarak manyetik nanopartiküllerin kullanılmasının pek çok avantajı bulunmaktadır: i) İyi kütle transferi özelliklerine sahip olması; ii) Basit bir mıknatısla çok kolay bir şekilde kompleks ortamlardan ayrılabilmesi ve böylece immobilize enzimlerin defalarca kullanılabilmesine olanak sağlaması; iii) Geniş spesifik yüzey alanları sayesinde etkili enzim immobilizasyonuna neden olması (Kuroiwa ve ark., 2008) bunlar arasındadır. Gümüş nanopartiküller eşsiz elektronik, mekanik, manyetik ve optik özelliklerinden dolayı günümüzde oldukça ilgi görmekte ve paketleme ve işleme sistemlerinde, lastik, tekstil, kozmetik ve gıda ürünlerinde, yara bakımı ürünlerinde, terapötik aletlerde, teşhis ve ilaç salınımı gibi medikal uygulamalarda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır (Khan ve ark., 2011). İmmobilize metal iyon afinite kromatografisi (IMAK), bir protein molekülünün metal iyon afinitesi etkileşimleri yardımıyla metal iyonuna bağlanarak saflaştırılması temeline dayanmaktadır (Porath ve ark., 1975). IMAK ile proteinlerin saflaştırılması ve ayrılması işlemleri yanında saflaştırma işlemi sonunda protein denatüre olmadığı için aktivitesini de korumaktadır. IMAK de proteinlerin adsorpsiyon işlemi, protein üzerindeki elektron verici gruplar ile immobilize edilmiş bir metal iyonu arasındaki koordinasyonun oluşumuna dayanır. En yoğun kullanılan metal iyonları elektron çifti kabul etme eğiliminde olan Cu(II), Ni(II), Zn(II), Co(II) ve Fe(II) gibi geçiş metal iyonlarıdır. Kromatografik destek materyaline bağlanan şelat oluşturucu bileşiklerdeki N, S ve O gibi elektron verici atomların varlığı, metaller ile koordinasyon bağı yapılmasını sağlar. Metal iyonunun boş koordinasyon bölgeleri normalde su molekülleri ile işgal edilirken, protein adsorpsiyonu sırasında proteinden gelen uygun elektron verici gruplar ile 12 Katalaz; hayvanlar, bitkiler ve mikroorganizmalarda yaygın olarak bulunan bir enzimdir ve toksik hidrojen peroksitin bertaraf edilmesinde etkili bir rol oynamaktadır. Katalaz enzimi bu özelliğiyle biyolojik ve biyokimyasal sistemlerde antioksidan aktivite göstermekte ve bu şekilde hücreyi oksidatif hasarlara karşı korumaktadır. Katalaz, tetrahedral düzende organize olmuş dört özdeş alt birimden meydana gelen bir tetramerdir ve her bir alt birim yaklaşık 15 kda dur. Enzim aktif merkezinde bir hem grubu içermektedir (Scibior ve Czeczot, 2006). Sunulan bu çalışmada, katalaz immobilizasyonu için kullanılacak olan manyetik gümüş nanopartiküllerin sentezi ve karakterizasyonu çalışmaları yapılmıştır. Sentezlenen manyetik gümüş nanopartiküller N-asetil sistein ile fonksiyonelleştirilmiş ve Fe 3+ ile şelatlaştırılmıştır. Hazırlanan bu immobilize metal iyon afinite desteği katalaz adsorpsiyonunda kullanılmış ve adsorpsiyona ortam ph ının etkisi incelenmiştir. Materyal ve Yöntem Kimyasallar Katalaz, N-asetil sistein, gümüş nitrat ve amonyak Sigma Firmasından (Steinheim, Almanya); demir(iii) klorür, demir(ii) klorür, KH2PO4 ve K2HPO4 Merck Firmasından (Darmstadt, Almanya); asetik asit, sodyum asetat ve etanol Riedel-de Haen Firmasından (Seelze, Almanya); diğer tüm kimyasallar ise Aldrich Firmasından (Milwaukee, ABD) temin edilmiştir. N-Asetil Sistein Bağlı Manyetik Gümüş Nanopartiküllerin Sentezlenmesi Manyetik gümüş nanopartiküller kimyasal indirgenme metodu kullanılarak sentezlenmişlerdir (Akduman ve ark., 2013). Bu amaçla, 1.08 g demir(iii) klorür 100 ml saf su içerisinde, g demir(ii) klorür 100 ml saf su içerisinde çözünmüştür. Hazırlanan çözeltiler birbirine karıştırılarak üzerine 20.0 ml % 26 lık amonyak çözeltisi ilave edilmiş ve 1 saat oda sıcaklığında 100 rpm hızda karıştırılmıştır. Sentezlenen Fe3O4 manyetik nanopartiküller bir

13 mıknatıs yardımı ile ayrılarak iki kez 100 ml saf su ile yakınmıştır (Gupta ve Gupta, 2005). Manyetik nanopartiküllerin yüzeyini gümüş ile kaplamak üzere, taze olarak hazırlanmış bu manyetik nanopartiküllerin üzerine 100 ml saf su ilave edilmiş ve g gümüş nitrat eklenerek 100 rpm hızda karıştırılmış ve 10 mg sodyum borhidrür ile indirgenmiştir. Sentezlenen kahverengimsi manyetik gümüş nanopartiküller bir mıknatıs kullanılarak ayrılmış ve 100 ml saf su ile yıkanmıştır (Xu ve ark., 2007). Hacmi 100 ml ye tamamlanan manyetik gümüş nanopartiküllerin üzerine g N-asetil sistein ilave edilmiş ve 10 mg sodyum borhidrür ile indirgenmiş ve 30 dakika oda sıcaklığında bir manyetik karıtıcı yardımı ile 100 rpm hızda karıştırılmıştır. Sentezlenen N-asetil sistein bağlı manyetik gümüş nanopartiküller bir mıknatıs yardımı ile ayrılmış, 100 ml saf su ile iki defa yıkanmış ve etüvde 65 C de örnek ağırlığı sabit tartıma gelinceye kadar 3 gün boyunca S.CAN, M. KAPLAN, M. UYGUN, D. AKTAŞ UYGUN kurutulmuştur. N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllerin sentez basamakları Şekil1 de şematik olarak gösterilmiştir. Fe 3+ ile Şelatlaştırılmış N-asetil Sistein Bağlı Gümüş Nanopartiküllerin Sentezlenmesi N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllere Fe 3+ şelasyonu işlemi aşağıdaki gibi gerçekleştirilmiştir: Sentezlenmiş ve kurutulmuş N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllerin 3.5 gramı alınarak 100 ml demir(iii) nitrat çözeltisi (2.5 x 10-4 M, ph: 5.0) ile 24 saat süre karıştırılmıştır. Hazırlanan Fe 3+ ile şelatlaştırılmış N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküller manyetik olarak ayrılmış ve 100 ml saf su ile iki defa yıkanarak katalaz adsorpsiyonunda kullanılmıştır (Akduman ve ark., 2013). N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküller üzerine Fe 3+ şelasyonu basamakları Şekil 1 de şematik olarak gösterilmiştir. Şekil 1. N-asetil bağlı manyetik gümüş nanopartiküllerin sentezi ve Fe 3+ ile şelatlaştırılmasının şematik gösterimi. 13

14 Fe 3+ ile Şelatlaştırılmış N-asetil Sistein Bağlı Gümüş Nanopartiküllerin Karakterizasyonu Sentezlenen manyetik gümüş nanopartiküllerin yüzey morfolojisi, boyutu ve şekli SEM (taramalı elektron mikroskobu) ve AFM (atomik kuvvet mikroskobu) cihazları kullanılarak incelenmiştir. SEM analizleri için, manyetik gümüş nanopartiküller kurutulmuş ve toz halindeki örneklerin üzeri altın ile kaplanmış ve SEM cihazı (Philips, XL-30S FEG, Hollanda) kullanılarak fotoğraflanmıştır. AFM analizi için, manyetik gümüş nanopartikül çözeltisi bir cam tabak (1.0 cm x 1.0 cm) üzerine yayılmış, kurutulmuş bir AFM cihazına (Digital Instruments, MMSPM Nanoscope IV, ABD) yerleştirilerek taranmıştır. Manyetik nanopartiküller üzerine N-asetil sistein bağlanması EDX (enerji dağılımlı X-ışını) cihazı (LEO, EVO40, Carl Zeiss NTS, ABD) kullanılarak saptanmıştır. Nanopartiküllere bağlanan N-asetil sistein miktarı bu analizden elde edilen kükürt miktarından yola çıkarak stokiometrik olarak hesaplanmıştır. S.CAN, M. KAPLAN, M. UYGUN, D. AKTAŞ UYGUN nanopartiküllere bağlanan katalaz miktarı hesaplanmıştır (Uygun ve ark., 2012). Q = [(C0-C)V]/m Eşitlik 1. Burada, Q birim nanopartikül kütlesi başına bağlanan katalazın kütlesi (mg/g); C0 ve C sırası ile adsorpsiyondan önceki sonraki katalaz derişimleri (mg/ml); V toplam çözelti hacmi ve m denemelerde kullanılan nanopartikül kütlesidir (g). Bulgular ve Tartışma Fe 3+ ile Şelatlaştırılmış N-asetil Sistein Bağlı Gümüş Nanopartiküllerin Karakterizasyonu Sentezlenen manyetik gümüş nanopartiküllerin bir fotoğrafı Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2 de görüldüğü gibi, gümüş nanopartiküller bir mıknatıs yardımı ile kolaylıkla toparlanabilmektedir. (A) (B) Fe 3+ ile Şelatlaştırılmış N-asetil Sistein Bağlı Gümüş Nanopartiküllere Katalaz İmmobilizasyonu ve İmmobilizasyona ph ın Etkisi Sentezlenen Fe 3+ ile şelatlaştırılmış N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllere katalaz immobilizasyonu kesikli sistemde incelenmiştir. Bu amaçla, manyetik gümüş nanopartiküller katalaz çözeltisinin sulu çözeltisi ile 2 saat boyunca +4 C lik su banyosunda 100 rpm karıştırma hızında muamele edilmiştir. Katalaz adsorpsiyonuna ortam ph ının etkisinin incelenmesi için farklı ph larda tampon çözeltiler kullanılmıştır. Bu amaçla, farklı ph larda tamponlar (ph asetat tamponu; ph fosfat tamponu; ph 9.0 karbonat tamponu) kullanılarak 6.0 ml lik katalaz çözeltileri (0.05 mg.ml -1 ) hazırlanmış ve üzerlerine 0.6 mg nanopartikül eklenerek 2 saat süre ile 100 rpm hızda manyetik olarak karıştırılmıştır. Adsorpsiyon işlemi başında ve sonunda ortamda bulunan katalaz miktarı spektrofotometrik olarak 280 nm de tayin edilmiştir (Shimadzu, 1601, Japonya) ve Eşitlik 1. gereğince manyetik Şekil 2. Fe 3+ ile şelatlaştırılmış N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllerin suda süspanse olmuş (A) ve bir mıknatıs ile ayrılmış (B) durumlarını gösteren fotoğraf. Fe 3+ ile şelatlaştırılmış N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllerin yüzey özellikleri ve şekli SEM analizleri ile incelenmiştir. Şekil 3 de sentezlenen gümüş nanopartiküllerin SEM fotoğrafı görülmektedir. Şekilden de görüldüğü üzere, nanopartiküller küresel formdadır ve birbirlerine yakın konumda istiflenerek agregatlaşmış haldedirler. 14

15 S.CAN, M. KAPLAN, M. UYGUN, D. AKTAŞ UYGUN Şekil 3. Fe 3+ ile şelatlaştırılmış N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllerin SEM fotoğrafı. Hazırlanan gümüş nanopartiküllerin şekil ve boyut özellikleri AFM kullanılarak incelenmiştir ve Fe 3+ ile şelatlaştırılmış N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllerin AFM fotoğrafı Şekil 4 de gösterilmiştir. Şekil 4 den görüleceği üzere, sentezlenen nanopartiküller küresel formdadır ve ortalama partikül çapı 43 nm olarak ölçülmüştür. Şekil 4. Fe 3+ ile şelatlaştırılmış N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllerin AFM fotoğrafı. 15

16 Fe 3+ ile şelatlaştırılmış N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllerin EDX analizi partiküllerin kimyasal bileşimi hakkında bilgi vermektedir. Şekil 5 de manyetik gümüş nanopartiküllerin EDX analizi sonuçları görülmektedir. Şekil den de görüldüğü üzere, hazırlanan nanopartiküller Fe, O, cps/ev S.CAN, M. KAPLAN, M. UYGUN, D. AKTAŞ UYGUN Ag, N, C ve S atomlarından meydana gelmektedir. Gümüş nanopartiküller üzerine bağlanan N-asetil sistein miktarı EDX analiz sonuçlarına göre hesaplanmıştır ve bağlanan N-asetil sistein miktarı kükürt stokiometrisi kullanılarak µmol.g -1 olarak hesaplanmıştır S N C Ag O Fe S Ag Fe kev Şekil 5. Fe 3+ ile şelatlaştırılmış N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllerin EDX spektrumu. Fe 3+ ile Şelatlaştırılmış N-asetil Sistein Bağlı Gümüş Nanopartiküllere Katalaz İmmobilizasyonu ve İmmobilizasyona ph ın Etkisi Fe 3+ ile şelatlaştırılmış N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllere katalaz immobilizasyonuna ph ın etkisi ph aralığında incelenmiştir ve elde edilen sonuçlar Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil den görüldüğü üzere, maksimum katalaz adsorpsiyonu ph 4.0 asetat tamponu kullanılarak elde edilmiştir ve mg katalaz.g -1 nanopartikül olarak hesaplanmıştır. Bu ph değerinin üzerinde ve altında adsorplanan katalaz miktarı azalmıştır. IMAK de protein adsorpsiyonu temelde metal iyonları ile proteinlerin amino asit birimleri arasındaki şelatlayıcı bağlara bağlıdır. Katalazın izoelektrik noktası 5.4 dür ve bu ph değerinde net bir yüke sahip değildir (Samejima ve ark, 1962). ph 4.0 noktasında katalaz iyonize olma eğilimdedir ve bu da IMAK desteği üzerine katalaz adsorpsiyonu etkilemiş olabilir (Erzengin ve ark., 2011; Wong ve ark., 1991). 16 Şekil 6. Fe 3+ ile şelatlaştırılmış N-asetil sistein bağlı gümüş nanopartiküllere katalaz immobilizasyonuna ph ın etkisi (katalaz derişimi: 0.05 mg/ml; inkübasyon zamanı: 2 saat; sıcaklık: 25 C). Sonuç Bu çalışmada, manyetik gümüş nanopartiküllerin sentezi, modifikasyonu ve Fe 3+ ile şelasyonu ve katalaz immobilizasyonunda kullanımı rapor edilmiştir. Sentezlenen nanopartiküller SEM, AFM ve EDX kullanılarak karakterize edilmiş ve partikül boyutunu yaklaşık 69 nm olduğu ve küresel yapıya sahip olduğu bulunmuştur. Sentezlenen nanopartiküllere katalaz immobilizasyonun farklı ph lardaki tampon çözeltilerinin etkisi incelenmiş ve maksimum katalaz adsorpsiyonun ph 4.0 asetat tamponu

17 kullanılarak elde edildiği bulunmuştur. Sonuç olarak, sentezlenen nano boyuttaki metal iyon afinite desteğinin katalaz adsorpsiyonu kapasitesi oldukça yüksek olmasından ve kompleks ortamlardan dahi manyetik olarak basitçe ayrılabilme potansiyeline sahip olmasından dolayı katalaz adsorpsiyonunda ayırma teknolojisinde ve immobilize formda ise biyoteknolojik uygulamalarda etkili bir şekilde kullanılabileceği ön görülebilir. KAYNAKLAR Akduman, B., Uygun, M., Uygun, D.A., Antalik, M Fe 3O 4 magnetic core coated by silver and functionalized with N-acetyl cysteine as novel nanoparticles in ferritin adsorption. Journal of Nanoparticle Research, 15: Denizli, A., Küfrevioğlu, Ö.İ Protein kromatografisi ve yeni nesil polimerik sistemler, Yaz Okulu Notları, pp. 133, Erzurum. Erzengin, M., Ünlü, N., Odabaşı, M A novel adsorbent for protein chromatography: supermacroporous monolithic cryogel embedded with Cu 2+ -attached sporopollenin particles. Journal of Chromatography A, 1218: Gupta, A.K., Gupta, M Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications. Biomaterials, 26: Khan, Z., Al-Thabaiti, S.A., Obaid, A.Y., Al-Youbi, A.O Preparation and characterization of silver nanoparticles by chemical reduction method. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 82: Kuroiwa, T., Noguchi, Y., Nakajima, M., Sato, S., Mukataka, S., Ichikawa, S Production of chitosan oligosaccharide using chitosanase immobilized on amylase-coated magnetic nanoparticles. Process Biochemistry, 43: Mamalis, A.G Recent advances in nanotechnology. Journal of Materials Processing, 181: Mandal, M., Kundu, S., Ghosh, S.K., Panigrahi, S., Sau, T.K., Yusuf, S.M., Pal, T Magnetite nanoparticles with tunable gold silver shell. Journal of Colloid Interface Science, 286: Papazoglou, E.S., Parthasarathy, A BioNanotechnology, Morgan & Claypool Pub. ABD. Porath, J., Carlsson, J.A.N., Olsson, I., Belfrage G Metal chelate affinity chromatography, a new approach to protein fractionation. Nature, 258: Samejima, T., Kamata, M., Shibata, K Dissociation of bovine liver catalase at low ph. The Journal of Biochemistry, 51: Scibior, D., Czeczot, H Catalase: structure, properties, functions. Postepy Higieny i Medycyny Doswiadczalnej, 60: Uygun, D.A., Akduman, B., Uygun, M., Akgöl, S., Denizli, A Purification of papain using Reactive S.CAN, M. KAPLAN, M. UYGUN, D. AKTAŞ UYGUN 17 Green 5 attached supermacroporous monolithic cryogel. Applied Biochemistry and Biotechnology, 167: Wong, J.W., Albrigth, R.L. Wang, N.H.L Immobilized metal ion affinity chromatography (IMAC) chemistry and bio-separation applications. Separation and Purification Methods, 20: Xu, Z., Hou, Y., Sun, S Magnetic core/shell Fe 3O 4/Au and Fe 3O 4/Au/Ag nanoparticles with tunable plasmonic properties. Journal of American Chemical Society, 129:

18 Tralleis Elektronik Dergisi e-tralleis 3 (2014) ADÜ Coxiella burnetii nin Küçük Baş Hayvanlar ve İnsanlarda Önemi Dilek KESKİN Adnan Menderes Üniversitesi Çine Meslek Yüksekokulu, dkeskin@adu.edu.tr ESER BİLGİSİ Derleme - Fen Bilimleri Sorumlu Yazar: Dilek KESKİN, dkeskin@adu.edu.tr Yayına Kabul Tarihi: Özet: Query (Q) humması birçok ülkede görülen zorunlu hücre içi, Gram negatif bir bakteri olan Coxiella burnetii nin neden olduğu zoonotik bir hastalıktır. Hastalık insanları, küçükbaş hayvanları, arthropodları, kuşları ve evcil hayvanları etkiler. İnsanlarda akut grip benzeri hastalığa, pnömöni, hepatit ve kronik endokarditite ve hayvanlarda yavru atma ve infertiliteye neden olabilir. Hayvanlardan insanlara bulaştığı için halk sağlığı açısından da büyük önem taşımaktadır. Enfeksiyonlar, mikroorganizma ile kontamine taze keçi peynirlerinin veya sütlerinin solunması sonucunda halk arasında yayılmaktadır. Q hummasının tanısında İmmunfluoresans, enzim bağlı immunosorbent assay ve kompleman fiksasyon, mikroaglutinasyon, kapiller aglutinasyon gibi geleneksel yöntemler kullanılmaktadır. Bu derlemede Q hummasının teşhisi, epidemiyolojisi ve Türkiye deki yaygınlığı ele alınmıştır. Anahtar kelimeler: Coxiella burnetii, epidemiyoloji, teşhis, küçükbaş hayvan, insan Importance of Coxiella burnetii among Small Ruminats and Human Abstract: Query (Q) fever, a zoonotic disease caused by C. burnetti, an obligate, intracellular, Gram negative bacteria, is seen in most countries. The disease affects humans, smal ruminants, arthropods, birds, and pets. Q fever may cause acute flu-like illness, pneumoniae, hepatitis, and chronic endocarditis in humans and abortion or infertility in animals. It has major importance for public health. Humans are infected mainly inhalation of contaminated aerosols or by ingestion of raw milk or fresh goat cheese. Conventional diagnosis of Q fever is mainly based on serological tests, such as immunofluorence, enzyme linked immunosorbent assay, and microaglutination, capiller aglutination complement fixation. This review summarizes that the diagnosis, epidemiology and seroprevalence of Q fever. Key words: Coxiella burnetii, epidemiology, diagnosis, small ruminat, human Giriş Q humması C.burnetii tarafından oluşturulan zoonoz bir enfeksiyondur. Enfeksiyon hayvanlarda yavru atma ve kronik mastitisler dışında belirgin semptomlar göstermeden seyreder (Aitken, 1989; Leloğlu, 1977). Hastalık hayvanların aksine insanlarda daha belirgin klinik bulgularla kendini göstermektedir. İnsanlardaki en önemli klinik belirtiler yüksek ateş ve şiddetli baş ağrılarıdır. C.burnetii enfeksiyonu sonucu insanlarda endokarditis, perikarditis ve pnömöni 18 görülebilir (Reimer, 1993; Behymer ve Rieman, 1989; Palmer ve ark., 1983). C.burnetii birçok fiziksel ve kimyasal faktörlere karşı dirençli olduğundan çevrede uzun süre canlı kalabilme yeteneğine sahiptir. Bu özellik hastalığın kontrolünde önemli bir engel oluşturmaktadır (Reimer, 1993; Behymer ve Rieman, 1989; Little, 1983). Hayvanlar enfeksiyonu kenelerden ve hastalıklı materyalle direkt temas ile alırlar (Arda ve ark., 1992; Htwe ve ark., 1992; Little, 1983; Leloğlu, 1977).

19 İnsanlar etkenle bulaşık tozların solunum yolu ile alınması ve pastörize edilmemiş kontamine sütün tüketilmesi sonucu hastalığa yakalanır (Reimer, 1993; Behymer ve Rieman, 1989). Ayrıca keneler vasıtasıyla da hastalık insanlara bulaşabilmektedir (Arda ve ark., 1992; Stoenner, 1980; Waldhalm ve ark., 1978). Kene, sinek, sivrisinek, tahtakurusu, bit gibi çok sayıdaki eklem bacaklı konakçı olarak tanınmaktadır. Ancak bunların en önemlilerinden birisi, vahşi hayvanlarda bulunan ve evcil hayvanlara da taşınabilen kenelerdir. Günümüze kadar C.burnetii yaklaşık 60 kene türünde saptanmıştır. Kenelerde enfekte olan organların tipi, çoğalması, hücrelerin canlılıkları farklıdır. Bulaşmaların çoğu kuruyan dışkının taşınması yoluyla gerçekleşmekte ve vahşi evcil hayvanlar özellikle toz, toprak, gıda vs ile enfekte edebilmektedir. Kenelerle olan pasajlar C.burnetii nin virülenslik özelliğini artırmaktadır. Hastalık bölgelerinde kuşlarda epidemiyolojik döngüde yer almıştır. Keneler insanların enfeksiyonunda ikincil öneme sahiptir. Bu derlemede Q hummasının bulaşma şekilleri, tanı ve tedavisi, hastalığın bölgelere göre oranı hakkındaki çalışmaların değerlendirilmesi yapılacaktır. Bulaşma şekilleri Küçükbaş hayvanlar, enfeksiyonu, hastalıklı materyal ile direkt temas ile alırlar (Htwe ve ark., 1992). İnsanlar sıklıkla infekte hayvanların dışkıları, sütleri, plasentaları, vücut sıvıları ile etrafa saçılan kontamine aerosollerin inhalasyonuyla infekte olurlar. C.burnetii nin bulaşması genellikle, çiğ ya da pastörize edilmemiş süt, peynir, enfekte doğum yapan hayvanla temas, enfekte tavşan derisini yüzme, kan transfüzyonu, enfekte kene ile temas, enfekte hayvanı otopsi etme, evcil ruminantların ve özellikle koyunların yavru atma atması sonucu ortaya çıkmaktadır (Arricau-Bouvery ve Rodolakis, 2005). Koyun ve keçilerin kırkma ve yavrulamanın olduğu ilkbahar döneminde çevresel kontaminasyona yol açarak ilkbahar ve yaz başlangıcında hastalığın insanlardaki insidensinde artış olduğu bildirilmiştir (Hellenbrand ve ark., 2001). C.burnettii nin çevrede uzun süre canlı kalması uzaklara rüzgarla taşınmasını sağlar (Carrieri ve ark., 2002; Hellenbrand ve ark., 19 D. KESKİN 2001). Böylece Q humması küçükbaş hayvanlarla herhangi bir teması olmayan insanlarda da görülebilir (Maurin ve Raoult, 1999). İnsanlar kontamine yün, gübre veya dışkı ile kontamine elbiselere elle dokunmayla infekte olabilirler (Arricau-Bouvery ve Rodolakis, 2005). Q humması veteriner, çiftçi ve süt işletmesi çalışanlarında bir meslek hastalığı olarak bilinmektedir. Tanı ve Tedavi Q humması etkeni olan C. burnetii, C.burnetii zorunlu hücre içi, küçük ( ile μm), pleomorfik, hareketsiz, flajellasız ve kapsülsüz bir bakteridir (Maurin ve Raoult, 1999). Gramnegatif bakterilere benzer dış membrana sahip olmalarına rağmen Gram boyama ile değil Castaneda ve Gimenez boyası ile boyanırlar. Coxiella cinsi içindeki tek türdür. Spor benzeri formunun bulunması nedeniyle zor yaşam koşullarına dayanıklıdır. C.burnetii 60 o C de 60 dakika ve %5 formalinde 4 saat canlı kalabilir. Soğukta saklanmış taze sütlerde bir aydan fazla canlılığını koruyabilir (Marrie ve Rould, 2000; Maurin ve Raoult, 1999). C. burnetii nin tanısında genellikle Komplement Fiksasyon, İmmunofluoresens, Enzim bağlı İmmunosorbent Assay (ELİSA) kullanılmaktadır. C.burnetii nin izolasyonu tehlikeli ve zaman alıcıdır. Ayrıca mikroorganizmanın izolasyonunda biyogüvenlik seviye 3 laboratuvarlarında çalışma yapmak uygun olmaktadır (Field ve ark., 2000). Mikroorganizmanın laboratuar çalışanlarına geçme riskinden dolayı hızlı ve güvenilir yöntemlere gerek duyulmaktadır. Son zamanlarda ise biyolojik örneklerden mikrorganizmanın saptanması ve tanısında PZR (Polimeraz Zincir Reaksiyonu) tekniği kullanılmaktadır (Muramatsu ve ark., 1996; Yuasa ve ark., 1996; Willems ve ark., 1994; Frazier ve ark., 1990). Son yıllarda yapılan tanı ve tedavi çalışmalarında ise Akgün ve ark. (2006) hasta serum ve kan örneklerinden C. burnetii genomuna ait 27 kda büyüklüğünde bir dış membran proteinini kodlayan com1genini amplifiye etmek için dizayn edilmiş iki çift nükleotid primerinden yararlanarak Nested-PCR yöntemini kullanmışlardır. Seyitoğlu ve ark. (2006) 230 sığır ve 92 sağlıklı çiftçiden kan örneği alınarak C. burnetii antikorları ticari ELİSA kiti ile araştırmışlardır.