Search

Arslan Yildiz, Ahu/0000-0003-0348-0575, WOS: 000427539200003, The magnetic levitation technique has been utilized to orientate and manipulate objects both in two dimensions (2D) and three dimensions (3D) to form complex structures by combining various types of materials. Magnetic manipulation holds great promise for several applications such as self-assembly of soft substances and biological building blocks, manipulated tissue engineering, as well as cell or biological molecule sorting for diagnostic purposes. Recent studies are proving the potential of magnetic levitation as an emerging tool in biotechnology. This review outlines the advances of newly developing magnetic levitation technology on biological applications in aqueous environment from the biotechnology perspective.

Arslan Yildiz, Ahu/0000-0003-0348-0575; Turker, Esra/0000-0002-9328-5513, WOS: 000447710700007, PubMed: 29700506, Three-dimensional (3D) cell culture has emerged as a pioneering methodology and is increasingly utilized for tissue engineering, 3D bioprinting, cancer model studies and drug development studies. The 3D cell culture methodology provides artificial and functional cellular constructs serving as a modular playground prior to animal model studies, which saves substantial efforts, time and experimental costs. The major drawback of current 3D cell culture methods is their dependency on biocompatible scaffolds, which often require tedious syntheses and fabrication steps. Herein, we report an easy-to-use methodology for the formation of scaffold-free 3D cell culture and cellular assembly via magnetic levitation in the presence of paramagnetic agents. To paramagnetize the cell culture environment, three different Gadolinium(III) chelates were utilized, which led to levitation and assembly of cells at a certain levitation height. The assembly and close interaction of cells at the levitation height where the magnetic force was equilibrated with gravitational force triggered the formation of complex 3D cellular structures. It was shown that Gd(III) chelates provided an optimal levitation that induced intercellular interactions in scaffold-free format without compromising cell viability. NIH 3T3 mouse fibroblasts and HCC827 non-small-cell lung cancer cells were evaluated via the magnetic levitation system, and the formation of 3D cell culture models was validated for both cell lines. Hereby, the developed magnetic levitation system holds promises for complex cellular assemblies and 3D cell culture studies.

Thesis (Master)--Izmir Institute of Technology, Chemistry, Izmir, 2018, Includes bibliographical references (leaves: 48-59), Text in English; Abstract: Turkish and English, Tissue engineering aims to repair and regenerate tissue and organs with functional defects. The most significant developments in tissue engineering emerging as modification of the scaffold used to mimic native extracellular matrix (ECM) and support cell proliferation and differentiation. Hydrogel-based biomaterials are one of the most utilized materials as scaffold providing excellent chemical, physical/biophysical properties, high biocompatibility and functionality necessary for the applications in tissue engineering. In this study, Gelatin methacryloyl hydrogel (GelMA) and Gelatin-urethane hydrogels (GelatinK) are successfully synthesized as scaffold material for tissue engineering applications. Gelatin is modified with methacrylic anhydride for GelMA polymer and with 2-isocyanatoethly methacrylate for GelatinK polymer. The hydrogels of these two novel polymer are produced with photopolymerization reactions in aqueous media using Irgacure 2959 as redox initiator. Hydrogels are freeze-dried to remove solvent in the gel matrix and then they immersed in distilled water to reach equilibrium swelling ratio. The swelling capacity of GelMA hydrogels ranges between 1200 and 300% whereas GelatinK hydrogels has swelling capacity in between 1900-380%. Also, morphology of the hydrogels were investigated with Scanning Electron Microscopy (SEM). GelMA hydrogels has pore sizes between 142-14 µm while GelatinK hydrogels has between 160-56 µm pore sizes. The cell viability assay were also conducted using GelMA and GelatinK hydrogels. The results showed that both hydrogels provide high viability as compared to 2D control assay.

Thesis (Master)--Izmir Institute of Technology, Biotechnology, Izmir, 2018, Includes bibliographical references (leaves: 60-70), Text in English; Abstract: Turkish and English, Tissue engineering combines engineering principles and knowledge of life sciences to improve biological substituents. Three dimensional (3D) supporting structures, namely scaffolds obtained from biomaterials to mimic extracellular matrix (ECM) that provides suitable microenvironment for cell proliferation, migration and differentiation. In this study, poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLLCL) and collagen type I was used to fabricate scaffold by electrospinning method. In literature, collagen was often dissolved in toxic and harmful solvents that creates the major problem for cell culture applications. To overcome this problem “co-spinning” methodology is utilized for the formation of non-toxic collagen-based ECM mimetic scaffold. Collagen mixed with water-soluble carrier materials which is either polyvinylpyrrolidone (PVP) or polyvinyl alcohol (PVA) and co-electrospinning is carried out with PLLCL. Fabricated scaffolds were immersed into water to remove co-spinning agent; PVA or PVP, so only PLLCL/Collagen remained. PLLCL has homogeneous fibers in a diameter of 1.312 ± 0.22μm. The contact angle of PLLCL (136.6° ± 2.6) proved hydrophobic behavior of PLLCL material. The contact angle of the scaffold decreased up to 86.7° ± 0.1 confirming that hydrophobic behavior is decreased with the addition of collagen. Also, collagen-containing scaffolds were saturated at lower amount of protein than PLLCL, PLLCL/PVA and PLLCL/PVP scaffolds. Cytotoxicity analysis of scaffolds showed that PVA containing scaffolds had lower viability than PVP containing scaffolds; so most of the cell studies were carried out with PLLCL/ Collagen scaffolds fabricated by PVP cospinning. Cell proliferation on PLLCL/Collagen scaffolds found to be more favorable than PLLCL and PLLCL/PVP scaffolds., Doku mühendisliği, biyolojik oluşumları geliştirmek için mühendislik prensiplerini ve yaşam bilimleri bilgisini birleştirir. İskele olarak adlandırılan üç boyutlu (3D) destekleyici yapılar biyomalzemelerden elde edilerek, hücre çoğalması, göçü ve farklılaşması için uygun mikro ortamı sağlayan hücre dışı matrisi (ECM) taklit ederler. Bu çalışmada, poli (L-laktit-ko-ε-kaprolakton) (PLLCL) ve kolajen tip I, elektro-eğirme yöntemi ile iskeleleri üretmek için kullanılmıştır. Literatürde, kolajen sıklıkla hücre kültürü uygulamaları için önemli bir problem oluşturan zehirli ve zararlı çözücüler içinde çözülmüştür. Bu problemin üstesinden gelmek için toksik olmayan kolajen bazlı ECM mimetik iskele oluşumu için “eş zamanlı eğirme” metodolojisi kullanıldı. Kolajen, suda çözünen taşıyıcı polivinilpirrolidon (PVP) veya polivinil alkol (PVA) ile karıştırılarak PLLCL ile eş zamanlı elektro-eğirme işlemi uygulandı. Üretilen iskeleden PVA veya PVP eş zamanlı eğirme ajanı uzaklaştırılarak sadece PLLCL/ Kolajen kalır. PLLCL, 1.312 ± 0.22μm çapında homojen liflere sahiptir. PLLCL’un temas açısı (136.6° ± 2.6), mazlemenin hidrofobik özelliğini kanıtlamaktadır. İskelenin temas açısı 86.7° ± 0.1’ye düşmesi, kolajenin ilavesiyle hidrofobik davranışın azaldığını doğrulamaktadır. Ayrıca protein adsorbsiyon analizinde kolajen içeren iskeleler, PLLCL, PLLCL/PVA ve PLLCL/PVP iskelelerine göre daha düşük miktarda protein ile doyurulmuştur. İskelelerin sitotoksisite analizi, PVA içeren iskelelerin, PVP içeren iskelelerden daha düşük canlılığa sahip olduğunu göstermiştir; bu nedenle hücre çalışmalarının çoğu PVP varlığında eş zamanlı eğirme ile üretilen PLLCL / Kolajen iskeleleri ile gerçekleştirilmiştir. PLLCL / Kolajen iskelelerinde hücre çoğalması PLLCL ve PLLCL / PVP iskelelerine göre daha uygun bulunmuştur.

Magnetic levitation though negative magnetophoresis is a novel technology to simulate weightlessness and has recently found applications in material and biological sciences. Yet little is known about the ability of the magnetic levitation system to facilitate biofabrication of in situ three dimensional (3D) cellular structures. Here, we optimized a magnetic levitation though negative magnetophoresis protocol appropriate for long term levitated cell culture and developed an in situ 3D cellular assembly model with controlled cluster size and cellular pattern under simulated weightlessness. The developed strategy outlines a potential basis for the study of weightlessness on 3D living structures and with the opportunity for real-time imaging that is not possible with current ground-based simulated weightlessness techniques. The low-cost technique presented here may offer a wide range of biomedical applications in several research fields, including mechanobiology, drug discovery and developmental biology., Scientific and Technological Research Council of Turkey (215S862)

Doku mühendisliği, biyolojik oluşumları geliştirmek için mühendislik prensiplerini ve yaşam bilimleri bilgisini birleştirir. İskele olarak adlandırılan üç boyutlu (3D) destekleyici yapılar biyomalzemelerden elde edilerek, hücre çoğalması, göçü ve farklılaşması için uygun mikro ortamı sağlayan hücre dışı matrisi (ECM) taklit ederler. Bu çalışmada, poli (L-laktit-ko-ε-kaprolakton) (PLLCL) ve kolajen tip I, elektro-eğirme yöntemi ile iskeleleri üretmek için kullanılmıştır. Literatürde, kolajen sıklıkla hücre kültürü uygulamaları için önemli bir problem oluşturan zehirli ve zararlı çözücüler içinde çözülmüştür. Bu problemin üstesinden gelmek için toksik olmayan kolajen bazlı ECM mimetik iskele oluşumu için `eş zamanlı eğirme` metodolojisi kullanıldı. Kolajen, suda çözünen taşıyıcı polivinilpirrolidon (PVP) veya polivinil alkol (PVA) ile karıştırılarak PLLCL ile eş zamanlı elektro-eğirme işlemi uygulandı. Üretilen iskeleden PVA veya PVP eş zamanlı eğirme ajanı uzaklaştırılarak sadece PLLCL/ Kolajen kalır. PLLCL, 1.312 ± 0.22µm çapında homojen liflere sahiptir. PLLCL'un temas açısı (136.6° ± 2.6), mazlemenin hidrofobik özelliğini kanıtlamaktadır. İskelenin temas açısı 86.7° ± 0.1'ye düşmesi, kolajenin ilavesiyle hidrofobik davranışın azaldığını doğrulamaktadır. Ayrıca protein adsorbsiyon analizinde kolajen içeren iskeleler, PLLCL, PLLCL/PVA ve PLLCL/PVP iskelelerine göre daha düşük miktarda protein ile doyurulmuştur. İskelelerin sitotoksisite analizi, PVA içeren iskelelerin, PVP içeren iskelelerden daha düşük canlılığa sahip olduğunu göstermiştir; bu nedenle hücre çalışmalarının çoğu PVP varlığında eş zamanlı eğirme ile üretilen PLLCL / Kolajen iskeleleri ile gerçekleştirilmiştir. PLLCL / Kolajen iskelelerinde hücre çoğalması PLLCL ve PLLCL / PVP iskelelerine göre daha uygun bulunmuştur. Tissue engineering combines engineering principles and knowledge of life sciences to improve biological substituents. Three dimensional (3D) supporting structures, namely scaffolds obtained from biomaterials to mimic extracellular matrix (ECM) that provides suitable microenvironment for cell proliferation, migration and differentiation. In this study, poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLLCL) and collagen type I was used to fabricate scaffold by electrospinning method. In literature, collagen was often dissolved in toxic and harmful solvents that creates the major problem for cell culture applications. To overcome this problem `co-spinning` methodology is utilized for the formation of non-toxic collagen-based ECM mimetic scaffold. Collagen mixed with water-soluble carrier materials which is either polyvinylpyrrolidone (PVP) or polyvinyl alcohol (PVA) and co-electrospinning is carried out with PLLCL. Fabricated scaffolds were immersed into water to remove co-spinning agent; PVA or PVP, so only PLLCL/Collagen remained. PLLCL has homogeneous fibers in a diameter of 1.312 ± 0.22µm. The contact angle of PLLCL (136.6° ± 2.6) proved hydrophobic behavior of PLLCL material. The contact angle of the scaffold decreased up to 86.7° ± 0.1 confirming that hydrophobic behavior is decreased with the addition of collagen. Also, collagen-containing scaffolds were saturated at lower amount of protein than PLLCL, PLLCL/PVA and PLLCL/PVP scaffolds. Cytotoxicity analysis of scaffolds showed that PVA containing scaffolds had lower viability than PVP containing scaffolds; so most of the cell studies were carried out with PLLCL/ Collagen scaffolds fabricated by PVP co-spinning. Cell proliferation on PLLCL/Collagen scaffolds found to be more favorable than PLLCL and PLLCL/PVP scaffolds. 81

10th Japanese-Mediterranean Workshop on Applied Electromagnetic Engineering for Magnetic, Superconducting, Multifunctional and Nano Materials, JAPMED’10 2017; Izmir; Turkey; 4 July 2017 through 8 July 2017, The rapid developments in nanoscience, and its applications on biomedical areas have a large impact on drug delivery, tissue engineering, sensing, and diagnosis. Gold is widely investigated nanomaterial for the last couple of decades, since it has unique surface properties and very low toxicity to biological environment. In this work, we present a novel synthesis of gold nanoparticles (GNPs) exhibiting both visible and near-IR absorbance without agglomeration. The surface of GNPs were analyzed by routine methods and the binding kinetics were investigated by Surface Plasmon Resonance (SPR) Spectroscopy. The unique optical properties of near-IR asorbing GNP colloids hold promise for biological applications., Izmir Institute of Technology Scientific Research Project (BAP) 2016İYTE70

Altın nanoparçacıklar (GNP'ler) son yıllarda tanı, doku mühendisliği ve ilaç iletimi alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Genel olarak, altın tuzlarının sıfır değerlikli altınlara indirgenmesi, sert kimyasallar ve güçlü indirgeyici ajanların kullanılmasıyla yapılmasından kaynaklı toksisiteye neden olur ve sonuç olarak biyo-uygulamalarını sınırlar. Yeşil sentez, GNP'lerin sentezlenmesi için yeni bir metodolojidir. Özellikle doğal ürünler ve bitki özleri, doğal içeriğine göre yeşil sentez için tercih edilir. Biyomoleküler kaplı GNP'ler, çeşitli uygulamalar için kullanılabilen biyouyumlu nanomalzemelerdir.1-3 GNP'lerin yoğun kullanım alanları sensör uygulamaları ve biyosensörden çevre analizine kadar değişkenlik gösterir.4-5Siyanür iyonu (CN-), hızlı deşarjı nedeniyle suyun ana kirleticilerden biri olarak kabul edilir. CN - farklı sektörlerde kullanılmaktadır: Polimer sentezi6, soy metal madenciliği7, böcek kontrolü8, plastik üretimi, vb. Bununla birlikte, CN- tespit ve izleme için karşılanmamış bir ihtiyaç vardır. GNP'ları kullanarak siyanürün kolorimetrik belirlenmesi pek çok araştırmacı tarafından yapılmıştır.9-10 Bununla birlikte, tüm bu çalışmalarda, GNP'lerin indirgenmesi güçlü indirgeyici maddeler tarafından yapılmıştır. GNP'ların yeşil sentezi, hem çevreye hem de insan sağlığına zararlı olabilecek zehirli yan ürünleri ortadan kaldırır. Yeşil sentezlenmiş GNP'ların CN- algılamasında kullanılması, tüm bu sorunları çözebilmek amaçlı yeni bir platform oluşturur. Sodyum oksitlerin varlığında GNP'ların oksidasyonu, toksik kimyasallar gerektirmeyen doğrudan kullanılabilir, kolorimetrik ve optik bir yöntemdir; bu nedenle su kaynaklarında CN- tespiti için daha yeşil bir yaklaşımdır. Gold nanoparticles (GNPs) have been widely used in diagnostic, tissue engineering, and drug delivery fields, in the last decades. Generally, reducing gold salts to zero valent gold has been accomplished by harsh chemicals and strong reducing agents, which cause toxicity and eventually limiting the bioapplications. Green synthesis is a newly developing methodology to synthesize GNPs. Especially natural products and plants extracts are commonly preferred for green synthesis based on their natural content. Biological molecule-capped GNPs, are more biofriendly and biocompatible nano-materials that can be used for varied applications.1-3 Sensor applications; varying from biosensing to environmental analysis, are an important field that GNPs were intensively utilized.4-5Cyanide ion (CN-) has been considered as one of the main pollutants of water, because of its rapid discharge. CN- is currently being used in industry such as; polymer synthesis6, noble metal mining7, pest control8, plastics production etc., at large scale. However, there is an unmet need for CN- detection and monitoring. Colorimetric detection of CN- that utilizes GNPs has been done by several researchers.9-10 However, in all these studies reduction of GNPs were done by strong reducing agents. Green synthesis of GNPs eliminates the toxic side-products that can be harmful to both environment and human health. To overcome this problem green synthesized GNPs were used to establish the sensor platform, which can be further employed for CN- detection. Oxidation of GNPs in the presence of cyanide molecules is a direct-forward, colorimetric and optical method that requires no toxic chemicals; therefore it is a greener approach towards CN- detection in water resources. 94

Bakteri tayini için kullanılan geleneksel metotlar yeterli duyarlılığa sahip değildir ve uzun tayin süreleri gerektirir. Optik metotlar bu dezavantajların üstesinden gelebilmektedir. Literatüre bakıldığında, biyoalgılama uygulamalarında, yüzey duyarlılığını arttırmak için, yüzeydeki nanopartiküllerin büyütüldüğü ve büyütmenin de yüzeyin büyüme solüsyonuna daldırılması ile yapıldığı görülmektedir. Bu projede ise, yüzeyin refraktif indeks (RI) duyarlılığının arttırılması katı yüzey üzerinde altın büyütülmesi ile sağlanmıştır ve bakteri varlığının tespiti için etiketsiz,kolay ve ucuz yeni bir metodoloji geliştirilmesi hedeflenmiştir. Altın nanopartiküller (ANP'ler) katı yüzey üzerinde 20 μl HAuCl4 / 80 μl NH2OH kullanılarak, zamana bağlı olarak büyütülmüştür. İlk olarak, 20 nm civarında ANP'ler sentezlenmiştir. Kolloidal ANP'ler polisitiren yüzeyler üzerinde immobilize edilmiş ve daha sonrasında partiküller yüzeyde büyütülmüştür. ANP'lerin büyümesi sırasında plazmonik dalga boyunda kırmızıya kayma gözlemlenmiştir. Parçacıkların katı yüzeyde neredeyse homojen immobilizasyonu ve büyümesi morfolojik karakterizasyon ile desteklenmiştir. Plazmonik platformun duyarlılığı, değişen konsantrasyonlarda sükroz, etanol ve BSA solüsyonları kullanılarak valide edilmiş ve plazmonik platformun çok küçük RI değişimlerine tepki verdiği gösterilmiştir. Son olarak, büyütülen altın parçacıkları üzerine E.coli bakterileri adsorbe edilmiştir. Yaklaşık 107 hücre/ml olan E.coli DH5-alfa ve E.coli BL21 (DE3) içeren fosfat tampon çözeltisi ve E.coli BL21(DE3) içeren süt ve elma suyu, büyütülen altın yüzey üzerinde adsorbe edilmiştir. Sonuçlar, bakterilerin artan altın boyutuna paralel olarak bağlanma kinetiğinin de arttığını göstermektedir. Önerilen LSPR-tabanlı etiketsiz metodoloji, su veya gıda örneklerindeki bakteri varlığı tespiti için alternatif olabilir. The traditional methods for pathogen detection have long detection time and insufficient sensitivity. Optical methods can overcome these drawbacks. There are solution based nanoparticle growth in the literature to enhance a surface sensitivity for biosensing applications. In this project, surface refractive index (RI) sensitivity was enhanced on solid support via gold growth to develop a label free, simple and cost-effective methodology for bacteria screening. The gold nanoparticles (GNPs) were grown on solid support by using 20 μl of HAuCl4 / 80 μl of NH2OH at varied incubation times. Firstly, about 20 nm GNPs were synthesized and immobilized on polystyrene surfaces. Then, these GNPs were utilized as seed particles, and grown on solid support. During GNPs growth, a red shift in the plasmonic wavelength was observed. Morphological characterization showed that almost uniform gold growth could be achieved. The plasmonic platform sensitivity was validated by varied concentrations of sucrose, ethanol and BSA solutions, showing that the plasmonic platform gave a response to any small RI change. Next, two different E.coli bacterial strains' adsorption was tested. Adsorption screenings for about 107 E.coli DH5-alpha cells/ml and 107 E.coli BL21(DE3) cells/ml in Phosphate Buffer Saline were made on growth gold surfaces. Further, E.coli BL21(DE3) containing milk and apple juice were also adsorbed on these gold surfaces with a 30 min incubation time. The results showed that these gold surfaces exhibit higher binding kinetics for bacteria. Therefore, the proposed LSPR-based label free methodology can be an alternative to the bacteria screening in water or food samples. 79