Araştırma Öncelik Alanları
Alt Çalışma Konuları
Anahtar Kelimeler
Nanoteknoloji, nano-biyomalzemeler, hedefleme, kontrollü ilaç salım sistemleri, soft malzemeler, sıfır atık, biyoteknoloji, enerji, ayırma işlemleri, atık teknolojileri, Kontrollü ilaç taşınımı, uyarı cevap sistemleri, lipit nanotaşıyıcılar, biyoteknolojik ilaç, mikro akışkan sistemler, fermantasyon, mikrobiyal kinetik, fermantasyon sistemlerinin matematiksel nodellemesi, fermantasyon sistemlerinde optimizasyon, biyoreaktörler, gazlaştırma, piroliz, termogravimetri, kinetik, polimer, atık, geri dönüşüm, enerji, atık bertarafı, biyobozunur polimerler, polimerik malzemeler, biyomalzemeler, kemik doku mühendisliği, kıkırdak doku mühendisliği, deri doku mühendisliği, sinir doku mühendisliği, kalp kası doku mühendisliği, iskelet kası doku mühendisliği, kornea doku mühendisliği, hücre tabaka mühendisliği, 3 boyutlu biyobaskılanmış doku eşlenikleri, doku iskeleleri, hayvansal hücre kültürü, biyoaktif, biyobozunur, yenilebilir, antimikrobiyal, ozonize zeytinyağı, nanokatalizör, fotokatalitik reaksiyon, heterojen kataliz, Palladyum, yeşil enerji, hidrojen üretimi, mikroküre, nanopartikül, fototermal terapi, fotodinamik terapi, biyoaffinite kromatografisi, nükleik asit, protein, DNA, RNA, immünoglobulin G, biyosensör, nanozim, mikroakışkan sistemler, çip-üstü-lab, BioMEMS, iki-fazlı akış, malzeme bilimi, nanopartikül sentezi, Elektrokimyasal işleme, Enerji optimizasyonu, Biyoteknolojik ilaç; tanı kiti; biyosensör; rekombinant protein; monoklonal antikor fragmanı; aptamer; biyomolekül mühendisliği, fototermal terapi, fotodinamik terapi, CO2 yakalama, katalizör-destekli CO2 desorpsiyonu, enerji azaltımı, CO2’nin yeniden kullanımı, fotokatalitik indirgeme, enerji depolama, nanokatalizör, fotokatalitik reaksiyon, heterojen kataliz, lipit nanopartiküller, Lityum iyon pilleri, atıklardan lityumun kazanımı, biyoetanol, biyodizel, atık değerlendirme
Önemi ve Gerekçesi
Dünya genelinde gün geçtikçe artmakta olan enerji talebine karşın fosil yakıtların sınırlı miktarda bulunması, enerji depolama ve yenilenebilir enerji kaynakları alanında elde edilen gelişmeleri oldukça önemli kılmaktadır. Günümüzde elektrikli araç teknolojilerindeki hızlı gelişmeler ve pandemi sürecinin de etkisiyle taşınabilir elektronik cihazların kullanımında gözlenen ciddi artış, lityum iyon pillere olan talebi de doğrudan arttırmaktadır. Ancak bazı maden yataklarında ve tuzlu sularda sınırlı miktarda bulunan lityumun yer küredeki dağılımı oldukça dengesizdir ve Türkiye lityum rezervi açısından zengin değildir. Bu noktada, mevcut kaynaklardan ve lityum içeren atıklardan düşük maliyetle ve yüksek verimle lityum kazanıldığı takdirde, enerji depolama teknolojilerinde önemli ilerlemeler kaydedilebileceği düşünülmektedir.
Öte yandan, biyoyakıtların yenilenebilir enerji kaynakları arasında oldukça öne çıkan ve büyük ölçekte üretimi mümkün olan yakıt türleri olduğu da bilinmektedir. Bu amaçla hammadde olarak atık biyokütlelerin kullanılması hem üretim maliyetini düşürmekte hem de atıklara katma değer kazandırmaktadır. Atıklardan biyoenerji eldesinde bilimsel gelişmeler bir noktaya kadar gelmiş olsa da büyük ölçekte üretim oldukça kısıtlıdır. Ancak proseslerdeki bazı kısıtlamalar aşıldığında, Türkiye'de üretilen biyoyakıtların doğrudan ya da benzin katkı maddesi olarak kullanılması gayet mümkündür ve bu alandaki çalışmaların oldukça önem taşıdığı düşünülmektedir.
Küresel ısınma, çevreyi ve insan sağlığını tehdit eden en büyük çevresel sorunlardan biri haline gelmiştir. Kömür, ham petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtlar ana enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Bu tür fosil yakıtlar yakıldığında açığa çıkan karbondioksit (CO2) salınımı nedeniyle, atmosferdeki CO2 emisyonu her yıl daha büyük bir ivmeyle artmaktadır ve 2020'de 415 ppm'i aşmıştır. Hızla büyümekte olan küresel ısınma tehdidine karşı önlemler alınabilmesi amacıyla, yaklaşık 200 ülke tarafından 2015 yılında Paris Anlaşması imzalanmıştır. Horizon 2020 sonrası Avrupa Birliği, dijital çağa uygun, iklim açısından nötr ve yeşil bir Avrupa hedefiyle uluslararası işbirliklerine dikkat çekerek 2021-2027 yıllarını kapsayan ‘Horizon-Europe’ planını geliştirmiş ve küresel ısınma sorunu bu planın 5 temel konu başlığı arasında yerini almıştır. Bu durum CO2 emisyonlarını azaltmaya yönelik mevcut çalışmaların önümüzdeki yıllarda çok daha büyük bir ivme kazanacağını göstermektedir. Farklı çözücü ve katalizör sistemleriyle yüksek CO2 absorpsiyon ve desorpsiyon verimine sahip en ekonomik prosesin arayışı hala sürmektedir. Son yıllarda, CO2’nin foto-indirgeme ile değerli kimyasallara dönüştürülmesine yönelik çalışmalar önem kazanmıştır.
Son yıllarda gelişen teknoloji ile özellikle hastalıkların tedavisinde çok fonksiyonlu, yenilikçi ve aynı zamanda biyo-uyumlu malzemelere duyulan ihtiyaç artmıştır. Bu malzemelerin klasik yaklaşımlardaki gibi atfedilen işi başarı ile yapması bu koşullar altında yeterli gelmemekte, birçok işlevi (tanı, tedavi, çoklu ilaç salımı, güdümleme, hedefleme vb.) birlikte ve çoğu zaman programlandığı sırada yapması beklenmektedir. Bu durumda özellikle mühendislik tasarım yaklaşımları kullanılarak tasarlanacak ileri/akıllı/fonksiyonel malzemelerin, özellikle sağlık, gıda ve kozmetik alanında ise biyo-uyumlu yumuşak malzemelerin (soft matter) hazırlanması ve performanslarının ortaya konması oldukça önemlidir. Böylece ülke öz kaynaklarının da göz önünde bulundurularak geliştirilecek biyo/nano malzemelerin birçok alanda kullanımı ve katma değeri yüksek/stratejik ürünleri dönüşümü söz konusu olacaktır.
Günümüzde değerli kimyasalların çeşitli biyoteknolojik prosesler kullanılarak üretilmesi çevre dostu bir üretim olması nedeniyle de büyük önem taşımaktadır. Bu bileşiklerin fermantasyonla üretiminde çeşitli tarımsal ve endüstriyel atık ve artıkların hammadde olarak kullanılması hem proses maliyetini düşürmekte hem de daha ılımlı ortam koşullarında üretim yapılmasına olanak sağlamaktadır. Bu nedenle de katma değeri yüksek, değerli biyokimyasalların biyoteknolojik süreçlerle üretilmesine yönelik araştırmaların giderek arttığı görülmektedir. Bu süreçlerde yer alan, mikrobiyal kinetik, biyoreaktörler tasarım ve işletilmesi, fermantasyon sistemlerinde optimizasyon ve ölçek büyütme çalışmaları da biyoteknolojinin önemli araştırma konularındandır.
Son zamanlarda özellikle iklim değişikliğinin dünya gündemine oturmasıyla birlikte sürdürülebilir çevre, doğal kaynakların verimli kullanılması, atıklardan enerji elde edilmesi gibi konular araştırmaların odağı olmuştur.
Polimerlerin çevre sorunları yaratması nedeniyle yakıt olarak kullanılabilmesi önemlidir. Ayrıca katı yakıtlara karıştırılarak aktivasyon enerjisini düşürmektedir.
Doku mühendisliği, son 30 yıldır üzerinde yoğun çalışmaların devam ettiği disiplinler arası bir bilimsel alanı oluşturmaktadır. Kalıcı tedavi yöntemleri geliştirmeyi hedefleyen doku mühendisliği, insanın yaşam kalitesinin arttırılmasında öncü bir konum üstlenmektedir. Doku mühendisliğinin temel hedefi, doku ve/veya organ hasarı/kaybı durumunda kullanılmak üzere laboratuvar koşullarında organ veya doku oluşturarak organ nakline gerek kalmamasını sağlamaktır. Bazı doku mühendisliği ürünlerinin klinikte çeşitli uygulamalar ile hayata geçirildiği ve oldukça başarılı sonuçlar elde edildiği görülmektedir. Bu nedenle mevcut tedavi yöntemlerinin yerini alacak yenilikçi ve etkili çözümler üreten doku mühendisliği alanında yapılacak her çalışma literatüre büyük katkı sağlayacak ve gelecekte yapılacak uygulamalara ışık tutacaktır. Burada söz konusu insan sağlığı olduğundan, doku mühendisliği ürünleri birçok parametre göz önünde bulundurularak hayata geçirilmeye çalışılmaktadır. Bu parametrelerin temelinde geleneksel doku mühendisliği yaklaşımlarının ana bileşeni olan biyomalzeme seçimi yatar. Geçici olarak hasarlı bölgeyi dolduran, üzerindeki hücreler çoğalırken bir yandan bozunan, doku rejenerasyonunu sağlayan doku iskelelerinin üretiminde hala biyomalzeme kaynaklı sıkıntılar bulunmaktadır. Bu nedenle uygun biyomalzemelerin geliştirilmesi, üretimi ve kullanımı doku mühendisliği alanındaki ilerlemelerin önemli bir bileşenini oluşturmaktadır. Bu alanda yapılacak çalışmalar ile doku mühendisliğinde daha etkili çözümler üretilebilecektir.
Doku mühendisliği, hastalık ya da yaralanma sonrası dokuların işlevini geri kazanmasına destek olabilecek alternatif tedavi yolları sunması nedeniyle sağlık endüstrisi için önemli bir alan olarak kabul edilmektedir. Hücreler, gözenekli doku iskeleleri ve biyoreaktörlerden oluşan doku mühendisliği stratejisinde, biyoreaktörler kütle aktarımı, hücre ekimi ve dokuya özgü fiziksel uyaranlar konularında sağladıkları avantajlar sayesinde verimli hücre ekimi ve üretimi, ayrıca in vitro koşullarda işlevsel dokuların geliştirilmesine olanak sağlamaktadır. Yakın geçmişte biyoreaktörlerin doku mühendisliğinde kullanımına yönelik önemli gelişmeler yaşanmıştır. Bununla birlikte biyoreaktörlerin ölçek büyütme ve standardizasyon konularında geliştirilmesine yönelik önemli bir ihtiyaç vardır. Yeni nesil biyoreaktörlerin klinikte kullanılabilecek doku mühendisliği ürünlerinin üretimi için ekonomik, otomasyona uygun, kalite kontrol işlemlerine izin veren ve regülasyonlara uygun olması beklenmektedir. Doku mühendisliği biyoreaktörler sağlık sektöründe ihtiyaç duyulan rejeneratif tıp ürünlerinin üretilebilmesi için önemli bir role sahiptir, bu nedenle öncelikli alanlar kategorisinde yer alması önerilmektedir.
Biyomolekül mühendisliği ile özellikle sağlık sektöründe dışa bağımlılığımızın azaltılması, katma değeri yüksek ve yüksek teknoloji ürünlerinde know-how birikimi kazanılması hedeflenmektedir.
Nanoteknolojinin gelişmesiyle birlikte nanomalzemeler, kanser önleyici ilaç taşıyıcıları olarak geliştirilmeye başlanmıştır. Nanopartiküllere dayalı ilaç verme sistemleri, kanser tedavisinde umut vaat eden uygulamalar arasındadır. Bu sistemler, sağlıklı hücreleri etkilemeden kanserli hücreleri hedefleme konusunda üstün yetenek gösterir ve konvansiyonel sisteme kıyasla gelişmiş kanser tedavileri için potansiyel sunmaktadır.
Grubumuzda araştırma çalışmaları iki ayrı eksende yürütülmektedir. Bu çalışmalar çeşitli mikro/nanoteknolojik araçlarının kullanımına dayalı nanobiyoteknolojik uygulamalar ve yeşil enerji ve temiz su kaynakları üretmeyi amaçlayan nanokatalitik uygulamalar şeklinde sıralanabilir. Eşboyutlu nano/mikrokürelerin eldesi için sentetik yöntemlerin geliştirilmesiyle ilgili çalışmalar yapılmıştır. Eşboyutlu nano/mikro küreler, orijinal olarak geliştirilmiş sentetik protokollerle gözenekli ve gözeneksiz formlarda elde edilmiştir. Böylece çapraz bağlı polimerik nano/mikro küreler (polistiren, polimetakrilat ve poliakrilamid), metal oksit bazlı nano/mikro küreler (SiO2, TiO2, CeO2 ve MnOx) ve soy metal nanopartiküller (Au, Ag, Pd, Ir, Pt ve geçiş metal oksitleri) elde edilmiştir. Yaklaşık 30 yıldır yapılan çalışmalar ile, birkaç nanometreden birkaç yüz mikrona kadar geniş bir boyut aralığında ve ayarlanabilir gözeneklilik özelliklerine sahip nano/mikroküreleri kapsayan kayda değer bir partikül koleksiyon oluşturulmuştur. Bu koleksiyon günümüzde Bangs Laboratories, Thermo-Fisher ve Dynabeads gibi uluslararası firmaların mevcut kolleksiyonları ile kıyaslanabilir niteliktedir. Yüksek teknoloji tabanlı mikro/nano biyomalzemeler, diagnostik test kitlerinde, özellikle ELISA tabanlı test kitlerinde, biyomoleküllerin tespiti, analizi ve saflaştırılmasında biyoafinite sorbenti veya kromatografik sabit faz olarak kullanılmaktadır.
İnsan plazmasındaki glikoproteinler, glikopeptitler ve nükleik asitlerin zenginleştirilmesi, izolasyonu ve tanımlanması için afinite sabit fazlarının geliştirilmesine yönelik biyoteknolojik çalışmalarda, eşboyutlu gözenekli silika mikrokürelerin üretimi için özgün yöntemler geliştirilmiştir. Bu çalışmalarda DNA, RNA ve nükleotid izolasyon kitleri, fosfopeptid ve fosfoprotein izolasyon kitleri ve histidin işaretli proteinler için zenginleştirme kitleri prototiplerinin geliştirilmesi sağlanmıştır. Günümüzde özellikle genomik ve fosfoproteomik ile ilgili değerli biyomoleküllerin izolasyonu ve tespiti, ileri biyoafinite teknikleri kullanılarak araştırılmaktadır. Peroksidaz benzeri aktiviteye sahip (nanozimler) eşboyutlu mikro/nano mikroküreler kullanılarak yeni ELISA sistemlerinin geliştirilmesi bu alandaki ana konulardan biridir.
Nanobiyoteknoloji odaklı çalışmalarımızın önemli bir ayağı da postoperatif dönemde kullanıma yönelik, çok fonksiyonlu sinerjistik terapi ajanlarının geliştirilmesidir. Laboratuvarımızda üretilen nano ve mikroküre bazlı partiküllere dayalı olarak geliştirilen sözkonusu ajanlar, in-vitro hücre kültürü ve sferoid ortamında kombine fototermal, fotodinamik ve kemodinamik terapi uygulamalarında test edilmekte ve güçlü anti-tümör aktivitesi oluşturabilme potansiyelleri belirlenmeye çalışılmaktadır.
Mikroakışkan ve çip-üstü laboratuvar cihazların kullanılması pikolitre mertebesinde küçük bir hacim içinde düzenli ve homojen bir tepkime ortamı yaratılması, mikro boyutta yüzey etkilerinin artması ve yer çekimi etkisinin azalması, yüzey alanı hacim oranının artması ve bu şekilde kütle ve ısı aktarımının daha etkili kontrol edilebilmesi gibi avantajlı koşullar sağlamaktadır. Mikroakışkan sistemler, ürünlerin eş koşullarda eş özelliklere sahip ve tekrarlanabilir yapıda olmasını mümkün kılmaktadır. Malzemeler mikro mertebesinde kullanılması tasarruf sağlamakta ve maliyetleri düşürmektedir. Konvansiyonel laboratuvarlarda gerçekleştirilen çalışmaların minyatürleştirilerek uyarlandığı çip üstü laboratuvar sistemlerde basınç, kapiler etki, elektrik ve manyetik alan, akustik titreşim gibi fiziksel etkiler kolaylıkla yaratılabilmekte ve kontrol edilebilmektedir. Mikro kanallarda iki fazlı akış ortamında oluşturulabilen ultra küçük tepkime odacıklarında moleküler difüzyon yoluyla kütle ve ısı aktarımının yükselmesiyle büyük ölçekteki tepkimelere kıyasla ürün daha hızlı ve kaliteli olmaktadır.
İlaç teknolojisi, mikroakışkan sistemler: Sağlık sektörü, ilaç sanayi, gibi alanlardaki bilimsel gelişmelere paralel olarak kimyasal/biyokimyasal analiz ve testlere olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Bu testleri yapmak için uzun zaman alan klasik laboratuvar yöntemleri yerine daha küçük hacimlerde, daha hızlı sürede ve düşük maliyetlerde analiz yapan ve kolayca kullanılabilen minyatür sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. 1990 yılının başından bu yana farklı disiplinlerden araştırmacılar, mikro ölçeklerde analiz sistemleri üzerinde çalışmalarını sürdürmektedir. Mikroakiskan sistemler/çipte laboratuvar teknolojisi adı verilen bu yeni teknoloji kimya, biyoloji, sağlık bilimleri alanında çığır açacak ve yaşamımızda yer edinebilecek kritik bir öneme sahiptir. Çipte laboratuvar teknolojisi ile dünyanın birçok ülkesinde özellikle biyomedikal alanda önemli oranlarda yatırımlar yapılmakta ve araştırma alt yapıları oluşturulmaktadır. Ülkemizde çip-üstü laboratuvar teknolojisi ile yapılan araştırmalar, birikimimizin göreceli olarak daha az olduğu ve dünyadaki gelişmelere paralel olarak yetkinliklerimizi hızla geliştirmemiz gereken bir alandır.
Hücre saklanması: Hücre ve dokuların dondurulması ve depolanması amacıyla geleneksel olarak kullanılan kriyoprezervasyon yöntemlerinden farklı olarak, hücre modellerinin yeni teknolojiler kullanılarak (derin süper soğutma) a) ticari dokuların ve b) böbrek, kalp ve karaciğer gibi organların uzun süre sağlıklı şekilde saklanması organ transplantasyonu ve doku transferleri için büyük önem taşımaktadır.
Biyomalzemeler: Biyomalzemeler tıbbi sistemler için biyolojik sistemlerle etkileşime girecek şekilde tasarlanmış malzemeler olup, doku mühendisliğinde birçok alanda kullanılmaktadır. Sağlık sektöründe ihtiyaç duyulan rejeneratif tıp ürünlerinin üretilebilmesi için önemli bir role sahiptir, bu nedenle öncelikli alanlar kategorisinde yer alması önerilmektedir.