Manyetik demir oksit (Fe3O4) nanopartikülleri ile desteklenmiş gözenekli biyopolimer malzemelerin kanser tedavisi için geliştirilmesi
Development of porous biopolymer materials supported with magnetic iron oxide (Fe2O3) nanoparticles for cancer therapy
Yazar: SAYNUR ARSLAN
Danışman: DOÇ. DR. KERİM EMRE ÖKSÜZ
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
İlerleyen teknoloji ile birlikte, manyetik nanopartiküllerin biyomedikal uygulamalarda
kullanımı giderek artmaktadır. Bu nanopartiküllerin küçük boyutları ve geniş yüzey
alanları, in vivo ilaç taşıma süreçlerinde avantaj sağlar ve manyetik özellikleri hedefli ilaç
dağıtımını kolaylaştırır. Demir oksit nanopartiküllerinin manyetik özellikleri, koloidal ve
kimyasal stabilitesi ile yüksek biyouyumluluğu, onları biyomedikal uygulamalarda,
özellikle kanser tedavisi ve hipertermi tedavisinde ideal ilaç taşıyıcıları yapmaktadır.
Bu çalışma, sitrik asit kaplı Fe₃O₄ nanopartiküllerinin sentezi, DOX yüklemesi ve bu
nanopartiküller ile kombine edilmiş gözenekli biyosüngerlerin üretimi üzerine
odaklanmaktadır. Çalışmanın amacı, kanser tedavisinde kullanılmak üzere, yüzeyi
modifiye edilmiş Fe₃O₄ nanopartiküllerine DOX yükleyip, bu nanopartikülleri
sentezlenen biyosünger ile birleştirerek bir kontrollü ilaç salınım sistemi geliştirmek ve
optimize etmektir.
Fe₃O₄ nanopartikülleri, birlikte çöktürme yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Fe₃O₄
manyetik nanopartiküller, FeSO₄·7H₂O ve FeCl₃·6H₂O tuzlarının NaOH ile reaksiyonu
sonucunda elde edilmiştir. Nanopartiküller, sitrik asit (C₆H₈O₇), oleik asit (C₁₈H₃₄O₂) ve
polivinil alkol (PVA) gibi kaplama ajanları kullanılarak kontrollü deneysel koşullarda
modifiye edilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları sonucunda en uygun kaplama ajanı
vii
seçilmiş ve nanopartiküller, 100 µg, 300 µg, 500 µg ve 800 µg konsantrasyonlarında
hazırlanan DOX çözeltileri ile yüklenmiştir. İlaç yükleme verimliliği formülü
kullanılarak DOX konsantrasyonu belirlenmiş ve bu konsantrasyon ile yüklenen modifiye
Fe₃O₄ nanopartikülleri, çapraz bağlayıcı olarak formaldehit kullanılan PVA-pirinç
nişastası bazlı biyosünger ile kombine edilmiştir.
Nanopartiküllere DOX yüklenerek manyetik alan ile kontrollü ilaç salınımı sağlanmıştır.
Ayrıca, gözenekli biyosüngerlerin sentezlenmesi ve nanopartiküllerle kombinasyonunun
biyouyumluluk ve ilaç salınım verimliliği üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Sitrik asit kaplaması, nanopartiküllerin boyutunu 29.12 nm'den 26.82 nm'ye düşürerek
daha homojen bir yapı sağlamıştır. Zeta potansiyeli ölçümleri, nanopartiküllerin pH 5
seviyesinde optimal stabilite gösterdiğini ortaya koymuştur.
İlaç yükleme çalışmaları, 800 µg/mL DOX konsantrasyonunda %82.1 yükleme
verimliliği ile en yüksek verimliliği göstermiştir. İlaç salınımı testlerinde, SA-Fe₃O₄
nanopartikülleri başlangıçta hızlı bir salınım sağlarken, 720. dakikada %95.21 salınım
yüzdesine ulaşmıştır. DOX/SA-Fe₃O₄/BS sisteminde ise başlangıçta %32.85 olan salınım
yüzdesi, 720. dakikada %90.66'ya ulaşmıştır.
Biyosüngerler, yüksek gözeneklilikleri sayesinde antibakteriyel aktivite göstermiş ve
pirinç nişastası bazlı biyosüngerlerin su absorpsiyon kapasitesi %400'e kadar çıkmıştır.
Biyobozunurluk testleri, biyosüngerlerin zamanla artan bir biyobozunma eğilimi
sergilediğini göstermiştir.
Sonuç olarak, sitrik asit kaplı Fe₃O₄ nanopartikülleri ve biyosüngerlerin kombinasyonu,
manyetik alan ile tetiklenebilir kontrollü ilaç salınımı sağlayarak tedavi etkinliğini
artırabilir ve yan etkileri minimize edebilir. Bu sistem, özellikle kanser tedavisi gibi hedef
odaklı terapötik uygulamalarda önemli bir potansiyele sahiptir.

Abstract:
With advancing technology, the use of magnetic nanoparticles in biomedical applications
is increasingly on the rise. The small sizes and large surface areas of these nanoparticles
provide advantages in in vivo drug delivery processes, while their magnetic properties
facilitate targeted drug distribution. The magnetic characteristics of iron oxide
nanoparticles, along with their colloidal and chemical stability and high biocompatibility,
make them ideal drug carriers in biomedical applications, particularly in cancer therapy
and hyperthermia treatment.
This study focuses on the synthesis of citric acid-coated Fe₃O₄ nanoparticles, the loading
of doxorubicin (DOX), and the production of porous bioscaffolds combined with these
nanoparticles. The objective of the research is to develop and optimize a controlled drug
release system by loading modified Fe₃O₄ nanoparticles with DOX for use in cancer
treatment and by combining these nanoparticles with the synthesized bioscaffold.
Fe₃O₄ nanoparticles were synthesized using the co-precipitation method. The magnetic
Fe₃O₄ nanoparticles were obtained from the reaction of FeSO₄·7H₂O and FeCl₃·6H₂O
salts with NaOH. The nanoparticles were modified under controlled experimental
conditions using coating agents such as citric acid (C₆H₈O₇), oleic acid (C₁₈H₃₄O₂), and
polyvinyl alcohol (PVA). Characterization studies determined the most suitable coating
agent, and the nanoparticles were loaded with DOX solutions prepared at concentrations
of 100 µg, 300 µg, 500 µg, and 800 µg. The concentration of DOX was determined using
ix
the drug loading efficiency formula, and the modified Fe₃O₄ nanoparticles loaded with
this concentration were combined with a PVA-rice starch-based bioscaffold using
formaldehyde as a crosslinker.
The loading of DOX into the nanoparticles enabled controlled drug release via a magnetic
field. Additionally, the synthesis of porous bioscaffolds and the effects of their
combination with the nanoparticles on biocompatibility and drug release efficiency were
examined. The citric acid coating reduced the size of the nanoparticles from 29.12 nm to
26.82 nm, resulting in a more homogeneous structure. Zeta potential measurements
revealed that the nanoparticles exhibited optimal stability at a pH of 5.
The drug loading studies showed that at an 800 µg/mL concentration of DOX, the highest
loading efficiency of 82.1% was achieved. In drug release tests, SA-Fe₃O₄ nanoparticles
initially provided rapid release, reaching a release percentage of 95.21% by the 720th
minute. In the DOX/SA-Fe₃O₄/BS system, the release percentage increased from 32.85%
initially to 90.66% by the 720th minute.
The bioscaffolds exhibited antibacterial activity due to their high porosity, with the water
absorption capacity of the rice starch-based bioscaffolds reaching up to 400%.
Biodegradability tests indicated that the bioscaffolds demonstrated an increasing
tendency for biodegradation over time.
In conclusion, the combination of citric acid-coated Fe₃O₄ nanoparticles and bioscaffolds
can provide magnetically triggered controlled drug release, enhancing therapeutic
efficacy while minimizing side effects. This system holds significant potential, especially
in targeted therapeutic applications such as cancer treatment.