Bone fracture, one of the widespread injuries all around the world, is associated with individual disability and loss of social productivity resulting in very high treatment costs exceeding billion dollars. Well-designed scaffold implants are good alternatives in bone tissue engineering known to result in effective healing. An ideal bone scaffold should be biocompatible, porous, interconnected and strong, i.e. multi-functional. Therefore, composite materials with multi-scale porosities stand out as key desired scaffold features. Solid free-form fabrication (SFF) techniques exist with mechanical and biological functions tailorable to specific bone defects. However, only a few attempts have been made to create scaffolds with macro-micro porosity, despite their potential to more closely mimic the hierarchical architecture of native bones. Non-solvent induced phase separation technique (NIPS), mostly used in literature for the fabrication of membranes, is an effective technique capable to produce scaffolds with desired tunable porosities at different scales and offers the potential to be integrated to 3D printing. Towards that goal, this thesis focuses on an in-depth study of the pore morphology and its dependence on the composition of porous poly(ε-caprolactone) (PCL)/hydroxyapatite (HA) composites substrates at various thicknesses using the NIPS process. More specifically, the aim of this study is to fabricate and characterize PCL-nHA composite porous scaffolds having various nHA content (0, 10, 20% w/w) and thicknesses (800-900 and 1600-1800 microns) based on NIPS and understand its potential to produce 3D scaffolds when integrated to 3D printing. Effect of PCL concentration, nHA content and scaffold thickness were investigated on scaffold porosity and morphology such as pore size and its distribution, pore orientation and overall porosity. Internal micro-structure of the substrates are analyzed by micro-CT and SEM analysis was used for surface porosity analysis and validation of micro-CT results. Pore size distrubution, overall porosity and anistropy of pore network were evaluated based on micro-CT images and CTAnalyzer software. Rheological anlysis and UTM tests were also performed to analyze the solution's viscosity and resulting composite's strength. Atomic composition evaluation of scaffolds was conducted with EDS. Bone mineral density -for the detection of amount of Hydroxyapatite- measurement was computed by micro-CT. In addition to analysis of film scaffolds, the NIPS process is used to produce 2D layers of interconnected scaffolds using a commercial bioprinter as an initial step towards its use for the production of 3D scaffolds with controlled macro-porosity. Our results demonstrated that scaffold thickness and addition of nHA both enhance pore diameter in size. Micro-CT and SEM analyses showed that PCL-nHA scaffolds with various nHA content have multiscale porosities in micro (<50 microns) and macro (>50 microns) scale. While increase of thickness enhances pore size, increase of PCL concentration decreases pore size and overall porosity. Addition of nHA is linked to higher strength and lower viscosity upto a threshold value whereas leading to overall porosity, larger pore size, higher pore network orientation (anisotropy). SEM images confirm the pore size distribution result obtained by micro CT at the cross section and inhomogeneous porosity at the surface as well as a more homogeneous porosity distribution in the cross sections of both film scaffolds and the printed 2D grid scaffold. For surface functionalization, the scaffolds were coated with p(HEMA-co-EGDMA) via iCVD to increase surface hydrophilicity which is known to improve cell adhesion. Result of FTIR, and ellipsometer demonstrated that scaffold surface was coated successfully, and contact angle measurement showed that a hydrophilic surface was obtained. This thesis has demonstrated that NIPS can be integrated to 3D printing and successfully produce scaffolds with well controlled macro-pores and tunable micro-pores.

Dünya genelinde gerçekleşen yaygın yaralanmalardan biri olan kemik kırığı sakatlık ve sosyal üretkenlik kaybı ile ilişkili olup tedavi maliyetleri milyar doları aşmaktadır. İyi tasarlanmış doku iskele implantları, etkili iyileşme ile sonuçlandığı bilinen kemik dokusu mühendisliğinde etkili olmaktadır. İdeal bir kemik iskelesi biyolojik olarak uyumlu, gözenekli ve gözeneklerin birbirine bağlı olduğu bir yapıda çok işlevli olmalıdır. Bu nedenle, çok ölçekli gözeneklere sahip olan kompozit malzemeler istenen iskele özellikleri olarak öne çıkmaktadır. Katı serbest formlu imalat (SFF) teknikleri, spesifik kemik kusurlarına atfedilebilen mekanik ve biyolojik fonksiyonlarla mevcuttur. Bununla birlikte, doğal kemiklerin hiyerarşik yapısını daha fazla taklit etme potansiyellerine rağmen, literatürde makro-mikro gözenekli iskeleler oluşturmak için yeterli sayıda çalışma mevcut değildir. Çoğunlukla membranların imalatı için literatürde kullanılan, çözücü olmayan kaynaklı faz ayırma tekniği (NIPS), farklı ölçeklerde istenen ayarlanabilir gözeneklere sahip iskeleler üretebilen ve 3D baskıya entegre olma potansiyeli olan etkili bir tekniktir. Bu amaca yönelik olarak, bu tez gözenek morfolojisinin derinlemesine bir incelemesine ve bunun gözenekli poli (ε-kaprolakton) (PCL) / hidroksiapatit (HA) bileşiklerinin NIPS işlemini kullanarak çeşitli kalınlıklardaki bileşimine bağımlılığına odaklanmaktadır. Daha spesifik olarak, bu çalışmanın amacı, NIPS'e dayanan çeşitli nHA içeriğine (ağırlıkça% 0, 10,% 20) ve kalınlığa (800-900 ve 1600-1800 mikron) sahip PCL-nHA kompozit gözenekli iskeleleri üretmek ve karakterize etmektir. Bunlara ek olarak, bu tez kapsamında, bu metot sonucu elde edilen solüsyonun 3D baskıya entegre edildiğinde 3D iskeleler üretme potansiyelinin anlaşılması amaçlanmıştır. PCL konsantrasyonunun, nHA içeriğinin ve iskele kalınlığının iskele gözenekliliği ve iskelenin morfolojik özelliklerine (gözenek büyüklüğü ve dağılımı, gözenek yönü ve genel gözeneklilik) etkileri incelenmiştir. Üretilen substratların iç mikro yapısı mikro-CT ile analiz edilmiş ve yüzey-porozite analizi ve mikro-CT sonuçlarının doğrulanması için SEM analizi kullanılmıştır. Gözenek büyüklüğünün dağılması, genel gözeneklilik ve gözeneklerin yöne bağımlılığı, mikro-CT görüntüleri ve CTAnalyzer yazılımı kullanılarak değerlendirildi. Çözümün viskozitesini ve sonuçta ortaya çıkan kompozitin gücünü analiz etmek için reolojik analiz ve UTM testleri de yapıldı. Yapı iskelelerinin atomik kompozisyon değerlendirmesi EDS ile yapılmıştır. Kemik mineral yoğunluğu (Hidroksiapatit miktarının tespiti) ölçümü, mikro-CT ile hesaplandı. Film yapı iskelelerinin analizine ek olarak, NIPS işlemi, kontrollü makro gözenekliliğe sahip 3D yapı iskelelerinin üretimi için kullanımına yönelik ilk adım olarak ticari bir bioprinter kullanan bir 2D bağlantı birbirine bağlanmış yapı iskelesi katmanları üretmek için kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar iskele kalınlığının ve nHA ilavesinin hem gözenek çapını arttırdığını göstermiştir. Micro-CT ve SEM analizleri, çeşitli nHA içeriğine sahip PCL-nHA yapı iskelelerinin mikro (<50 mikron) ve makro (> 50 mikron) ölçeğinde çok ölçekli gözeneklere sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca, kalınlık artışının gözenek boyutunu arttırdığı, PCL konsantrasyonunun artışının gözenek boyutunu ve genel gözenekliliği azalttığı görülmüştür. nHA ilavesi, genel gözeneklilik, daha büyük gözenek boyutu, daha yüksek gözenek ağının oryantasyonuna (anizotropi) yol açan eşik değere kadar daha yüksek mukavemet ve daha düşük viskozite ile bağlantılıdır. SEM görüntüleri, kesitte mikro CT tarafından elde edilen ve yüzeyde homojen olmayan bir gözeneklilik ve hem film yapıların hem de 2D ızgara iskelenin kesitlerinde daha homojen bir gözeneklilik dağılımı sergileyen gözenek büyüklüğü dağılım sonucunu teyit etmektedir. Tezin ikinci kısmında, yüzey modifikasyonlarının yapılması için iskeleler yüzey hidrofilisitesini arttırmak için iCVD yoluyla hücre tutunumuna yardımcı olduğu bilinen p (HEMA-ko-EGDMA) ile kaplandı. FTIR ve elipsometre sonuçları, iskele yüzeyinin başarıyla kaplandığını ve temas açısı ölçümü de hidrofilik yüzeyin elde edildiğini göstermiştir.