Enjekte edilebilir hibrit biyomalzemelerin geliştirilmesi ve kontrollü salım etkinliklerinin incelenmesi
Development of injectable hybrid biomaterials and investigation of controlled release efficiencies
Yazar: ZEYNEP ÇİMEN
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN DEMİREL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Kanser tedavisinin klinik uygulamaları göz önüne alındığında enjekte edilebilir, pH duyarlı, kendi kendini iyileştirebilen hibrit hidrojeller lokalize, kontrollü ve uzun süreli ilaç salım sistemleri için ümit vadeden biyomalzeme setleri olarak görülmektedir. Bu kapsamda bu çalışmada jelatin adipik asit dihidrazit (Jel-ADH) polimerindeki hidrazit fonksiyonel grupları ile polietilen glikol dibenzaldehit (diBA-PEG2000) polimerindeki aldehit fonksiyonel gruplarının hidrazon bağı ile çapraz bağlanması sonucu Jel-ADH/diBA-PEG2000 enjekte edilebilir bir hidrojel sistemi geliştirilmiştir. Bu hidrojelin kemoterapötik ilaç deposu olarak işlev görmesi için anti kanser ilacı doksorubisin (DOX) yüklü laponit (LAP) nanodisk, jel oluşturma esnasında hidrojele entegre edilerek Jel-ADH/diBA-PEG/LAP@DOX hibrit hidrojel biyomalzeme seti oluşturulmuştur. Sentezlenen hidrojeller ATR-FTIR, SEM-EDX ve reolojik analizler ile karakterize edilmiştir. Hibrit hidrojelin jelleşme süresi 80 sn iken Jel-ADH/diBA-PEG2000 hidrojelinin jelleşme süresi 137 sn'dir. LAP'in hidrojele entegre edilmesiyle jelleşme süresi kısalırken mekanik dayanım da artmıştır. Ayrıca sentezlenen hibrit hidrojel hidrazon bağının tersinir olması nedeniyle kendi kendini iyileştirebilme, pH duyarlı olma ve enjekte edilebilme özellikleri göstermektedir. DOX ilacının hidrojellerden in-vitro salımı ise 37˚C'de üç farklı fosfat tamponu ortamında (pH=5,0; 6,8; 7,4) incelenmiştir. DOX ilacının hibrit hidrojellerden salımı pH duyarlı olup 10 günden fazla devam ederken Jel-ADH/diBA-PEG2000@DOX hidrojellerine göre daha yavaş ve uzun süreli bir salım gerçekleşmiştir. Jel öncül bileşenleri (Jel-ADH, diBA-PEG2000 ve LAP) ve hidrojellerin sitotoksisiteleri insan meme epiteli hücre hattı (SVCT) ve endotel hücre hattı (HUVEC) kullanılarak belirlenmiştir. Jel öncül bileşenleri ve hidrojeller mükemmel bir biyouyumluluk göstermelerinin yanı sıra hücre çoğalmasını da sağlamıştır. Ayrıca DOX yüklü hibrit hidrojellerin toksisiteleri insan meme kanseri hücre hatları (MCF-7 ve MDA-MB-231) üzerinde çalışılmıştır. Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında lokal kanser tedavisi için büyük bir umut vaat eden, uzun süreli ve kontrollü ilaç salım yapabilen yeni nesil pH duyarlı, kendi kendini iyileştirebilen, enjekte edilebilir hibrit hidrojel sistemi geliştirilmiştir.

Abstract:
Considering the clinical applications of cancer therapy, injectable, pH sensitive, and self-healable hybrid hydrogels stand out as promising biomaterial sets for localized, controlled, and sustained drug release systems. Within this scope, in this study, injectable hydrogel system was fabricated through the cross-linking of hydrazide functional groups in gelatin adipic acid dihydrazide (Gel-ADH) polymer and aldehyde functional groups in polyethylene glycol dibenzaldehyde (diBA-PEG2000) polymer with hydrazone bond. For this set of materials, to perform as a chemotherapeutic drug depot, laponite (LAP) nanodisc loaded with the anticancer drug doxorubicin (DOX) was integrated into the hydrogel during gel formation yielding to hybrid Gel-ADH/diBA-PEG/LAP@DOX. The synthesized hydrogels were characterized by ATR-FTIR, SEM-EDX and rheological analysis. The gelation time of hybrid hydrogel is 80 s while the gelation time of Gel-ADH/diBA-PEG2000 hydrogel is 137 s. With the integration of LAP into the hydrogel, the gelation time of hydrogel decreased, and mechanical strength increased. Additionally, the synthesized hybrid hydrogel exhibits self-healing, pH-sensitive, and injectable properties due to the reversibility of the hydrazone bond. In-vitro DOX release from hydrogels was evaluated in three different phosphate buffer environments (pH=5.0; 6.8; 7.4) at 37˚C. The release of DOX from the hybrid hydrogels was found to be pH sensitive and long-term sustained release continued for over 10 days. Compared to the Gel-ADH/diBA-PEG@DOX hydrogels, hybrid hydrogels exhibited a slower and longer release behaviour. The cytotoxicity of the gel precursor components (Gel-ADH, diBA-PEG2000, and LAP) and the hydrogels was determined using the human breast epithelial cell line (SVCT) and endothelial cell line (HUVEC). Gel precursors and hydrogels showed excellent biocompatibility as well as cell proliferation. Moreover, the cytotoxicity of DOX loaded hybrid hydrogels was investigated on human breast cancer cell lines (MCF-7 and MDA-MB-231). In conclusion, within the scope of this thesis, a new generation pH sensitive, self-healable, and injectable hybrid hydrogel system, which is capable of long-term and controlled drug release, has been developed with great promise for local cancer treatment.