Uyarıya duyarlı biyopolimer jellerin sentezi, karakterizasyonu ve ilaç salımında kullanımlarının incelenmesi
The synthesis and characterization of stimuli responsive biopolymer gels and the investigation of their usages in drug release
Yazar: ZEHRA ÖZBAŞ
Danışman: PROF. DR. GÜLTEN GÜRDAĞ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, kitosan (CS) doğal polimeri ile farklı oranlardaki akrilamid (AAm) ve N-hidroksimetil akrilamid (HMA) monomerleri kullanılarak CS:AAm, CS:AAm:HMA ve CS:HMA yarı-IPN hidrojelleri hazırlanmıştır. Polimerizasyon reaksiyonları, toplam monomer başlangıç konsantrasyonu sabit tutularak (0.5 M), kitosanın %2 (v/v)'lik asetik asitteki %1 ve 2 (w/v)'lik çözeltisinde, başlatıcı olarak monomer/monomerlerin molce %1'i oranında amonyum persülfat (APS), hızlandırıcı olarak APS miktarına eşit ağırlıkta N,N,N',N'-tetrametiletilendiamin (TEMED) kullanılarak 40oC'da 24 saat sürede gerçekleştirilmiştir. Sadece AAm monomerinin kullanıldığı jellerde çapraz bağlayıcı olarak monomer miktarının molce %1'i oranında N,N'-metilenbisakrilamid (NMBA) kullanılmıştır. Karşılaştırma amacıyla CS içermeyen AAm ve HMA homopolimerleri ile AAm-HMA kopolimerleri de hazırlanmıştır. Hazırlanan diğer bir grup polimer de CS'ın glutaraldehit (GA) ile çapraz bağlanması ile elde edilen CS jelleri (CS:GA)'dir. İlaç yüklü hidrojeller, model ilaç 5-fluorouracil (5-FU)'in polimerizasyon öncesinde besleme karışımına ilave edilmesiyle elde edilmiştir. 
İlaç yüklenmiş ve yüklenmemiş jellerin FTIR, XRD ve DSC/TGA analizleri yapılarak yapısal ve termal özellikleri karşılaştırılmıştır. CS içeren veya içermeyen ilaç yüklü jellerin, 37oC'de destile su ve farklı pH değerlerine (pH=2.1 ve 7.4) sahip tampon çözeltilerdeki şişme kinetiği ve bu jellerin 5-FU ilacının salımında kullanılabilirliği incelenmiştir. Bunun yanı sıra, jellerin basma elastik modülü değerleri belirlenmiştir.
Karakterizasyon çalışmaları sonucunda 5-FU ilacının yarı-IPN jellerde homojen olarak dağıldığı tespit edilmiştir. CS:AAm, CS:AAm:HMA ve CS:HMA yarı-IPN hidrojellerinin, asidik ortamdaki (pH=2.1) şişme denge değerleri pH=7.4'tekine göre CS'daki amino gruplarının protonasyonu nedeniyle daha yüksek bulunmuştur. Jelde yüksek hidrofilliğe sahip AAm miktarının artmasıyla şişme denge değerinin arttığı tespit edilmiştir. Jellere su diffüzyonunun non-Fickian davranışla uyumlu olduğu belirlenmiştir. İlaç yükleme miktarının artan AAm ve CS miktarı ile artış gösterdiği gözlenmiştir. Jeldeki HMA miktarının artmasıyla N-metilol gruplarından kaynaklanan çapraz bağlanma, çapraz bağ yoğunluğunda artışa neden olmakta ve bu durum jelde ilaç ile etkileşim yapacak fonksiyonel grup miktarının da azalmasına yol açmaktadır. Bu nedenle, jelde HMA içeriğinin artışı ilaç yükleme kapasitesi ve dolayısıyla ilacın % salım miktarının da azalmasına neden olmuştur. Çapraz bağlanma yoğunluğu düşük olan CS:AAm jellerinde ilaç salımı oldukça hızlı ve fazla olmaktadır. Jellerin basma elastik modülleri HMA içeriğinin artması ile ek çapraz bağlanma nedeniyle artmıştır. Jellerin CS içeriğinin artmasının da elastik modül değerlerinde artışa neden olduğu görülmüştür.

Anahtar kelimeler: Kitosan, akrilamid, N-hidroksimetil akrilamid, hidrojel, yarı-IPN, 
şişme, 5-fluorouracil, basma elastik modülü.

Abstract:
In this study, CS:AAm, CS:AAm:HMA, and CS:HMA semi-IPN hydrogels have been synthesized from chitosan (CS) natural polymer, acrylamide (AAm) and N-hydroxymethyl acrylamide (HMA) monomers by varying the monomer contents. The polymerization reactions have been performed in the solutions of 1 w/v % or 2 w/v % chitosan in aqueous acetic acid  (2 v/v %) by keeping the total initial monomer concentration at 0.5 M and using ammonium persulfate (APS) and N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TEMED) as initiator and accelerator, respectively, at 40oC for 24 hours. While APS was used in the amounts of 1 mol % of monomer content in the feed, TEMED was used in the equal weight of APS. N,N'-methylenebisacrylamide (NMBA) was used in the amount of 1 mol % of monomer content in feed as the crosslinker only in the preparation of the gels which was prepared from AAm monomer. For comparison purpose, AAm and HMA homopolymer and AAm-HMA copolymer gels without CS were also prepared. Another group of polymer synthesized in this work was CS gels (CS:GA) which were prepared by the crosslinking of CS with glutaraldehyde (GA). Drug loaded hydrogels have been obtained by the addition of model drug 5-FU to the feed before the polymerization.
The structural and thermal characterization of drug-loaded or -unloaded hydrogels have been performed by FTIR, XRD and DSC/TGA analysis, and their properties were compared with each other. The swelling kinetics of drug-loaded gels with or without CS in both distilled water and buffer solutions with pH of 2.1 or 7.4 at 37oC were determined, and the application potential of these gels in the release of 5-FU was investigated. In addition, the compression elastic moduli of these gels were also determined.
The characterization studies indicated that the drug was dispersed homogeneously in the semi-IPN gels. It has been determined that the equilibrium swelling values of CS-containing semi-IPN hydrogels (CS:AAm, CS:AAm:HMA and CS:HMA) in acidic medium (pH=2.1) were higher than those at pH 7.4 due to the protonation of amino groups of CS. In addition, it was also determined that the equilibrium swelling values increased with the increase in AAm content of the gel which has high hydrophilicity. The diffusion of water into the gels was compatible with non-Fickian diffusion behaviors. The amount of drug loading increased with the increase in AAm and CS content of gels. The crosslinking density of gels increased with HMA content of gel due to its methylol groups and it led to decrease in the functional groups which may interact with drug. The release of the drug was quite fast and high amount for CS:AAm gels with low crosslinking density. In addition, the compression elastic moduli of gels increased with their HMA content because of the additional crosslinking. It was also observed that the compression elastic moduli of gels increased with the increase in their CS content.


Keywords: Chitosan, acrylamide, N-hydroxymethyl acrylamide, hydrogel, semi-IPN, 
swelling, 5-fluorouracil, compression elastic moduli