Monodispers-gözenekli titanyum dioksit mikrokürelerin nükleosit izolasyon performanslarının incelenmesi
Investigation of nucleoside isolation performance of monodisperse-porous titanium dioxide microspheres
Yazar: AYKUT BİLİR
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN ALİ TUNCEL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Kromatografi-sıvı = Chromatography-liquid

Özet:
RNA görevini tamamladıktan sonra  nükleosit seviyesine kadar bozunarak idrar ile vücuttan atılmaktadır. Sağlıklı insanlara kıyasla hastaların idrarındaki nükleosit seviyesinin yükselmesi nükleositleri kanser ve birçok hastalığın potansiyel biyolojik göstergesi olarak çalışılmasına imkan tanımıştır. Üriner nükleositlerin tanımlanması ve miktarınının ölçülmesi için kromatografi dahil birçok teknik kullanılmasına rağmen idrarın kompleks matrisi nedeniyle doğrudan analizi hala aşılmayı bekleyen bir güçlüktür.  Ayrıca nükleositler Ebola ve HIV gibi hastalıklar için antibiyotik olarak kullanılmaktadır. Dolayısıyla nükleosit zenginleştirilmesi hem hastalıkların teşhisinde hem de tedavisinde gün geçtikçe önem kazanmaktadır.

Tez kapsamında monodispers-gözenekli titanyum dioksit mikroküreler sol-jel kalıplama yöntemi ile sentezlenmiştir. Çalışmanın ilk kısmında sodyum sülfonat (–SO3Na) bağlı monodispers polimetakrilat mikroküreler ve prekürsör olarak titanyum klorür (TiCl4) kullanılarak ortalama 5.4 mikron çapında ve 91 m2/g yüzey alanına sahip monodispers-gözenekli titanyum dioksit mikroküreler elde edilmiştir. Mikrokürelerin boyut ve yüzey özellikleri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Brunauer-Emmett-Teller (BET) sistemi kullanılarak karakterize edilmiştir. 

Tez kapsamında titanyum dioksit mikrokürelerin sorbent olarak kullanımıyla, adenozin, sitidin, üridin, inozin, guanozin nükleositleri için hem kesikli hem de sürekli mikroakış sisteminde adsorpsiyon/desorpsiyon çalışmaları yürütülmüştür.  Kesikli sistemde adsorpsiyon ortamının pH'ı, başlangıç nükleosit derişimi, desorpsiyon ortamı türü ve sorbent konsantrasyonunun adsorpsiyon ve desorpsiyon üzerindeki etkisi incelenmiştir. Uygun koşulların belirlenmesinin ardından bu partiküller 300 µm iç çapı ve 40 mm uzunluktaki silika kapilere dolgulanarak sürekli mikroakış sisteminde nükleosit izolasyonu performansları incelenmiştir.

TiO2 mikrokürelerin sorbent olarak kullanıldığı kesikli sistemde idrar pH'ında (pH 6,5-7) en iyi adsorpsiyon elde edilmiştir. Başlangıç nükleosit derişimi değiştirilerek 40.5 mg/g bağlanma kapasitesine ulaşılmıştır. Adsorpsiyona Langmuir, Freundlich ve Temkin izotermleri uygulanmış ve nükleositin titanyum dioksit mikroküreler üzerine adsorpsiyonun Langmuir modeline daha uygun olduğu sonucuna varılmıştır. Desorpsiyon ortamının nükleosit izolasyonuna olan etkisi incelenmiş ve formik asitin izolasyonu arttırdığı gözlemlenmiştir. Sorbent derişiminin etkisi incelendiğinde ise, artan sorbent miktarı ile birim sorbent miktarına karşılık gelen adsorplanan nükleosit miktarının azaldığı, desorpsiyon veriminin görece etkilenmediği ve izolasyon verimin arttığı görülmüştür. Tüm bu koşullar değerlendirilerek kesikli sistemde kantitatif desorpsiyon verimine ulaşılmıştır.  Ayrıca yapılan çalışma ile monodispers-gözenekli titanyum dioksit mikroküreler içeren sürekli mikroakış sistemi nükleosit izolasyonu amacıyla ilk defa kullanılmıştır. Bu kolon kromatografi sistemlerine ön ayırma kolonu olarak bağlanarak idrardan doğrudan nükleosit analizini mümkün kılmaktadır.

Abstract:
After performing their tasks, RNA is degraded to nucleoside level and excreted in the urine. In comparison with healthy people, the increment of level of nucleoside in the urine of patients makes nucleosides potential "biological markers" of cancer and various diseases. Although various techniques including chromatography are used for identifying and quantifying urinary nucleosides, the direct analysis of nucleosides is still challenging due to the complex matrix of urine. 

Nucleosides are also used as antibiotics for treatment of many diseases such as Ebola and HIV. Hence nucleoside enrichment is becoming crucial for diagnosis and treatment for many diseases day by day.
Within the scope of the thesis, monodisperse-porous titanium dioxide microspheres were obtained by sol-gel templating method. In the first part of the study, monodisperse-porous titanium dioxide microspheres with the mean size of 5.4 micron and specific surface area of 91 m2/g were obtained by using sodium sulfonate (-SO3Na) attached polymethacrylate microspheres as template and titanium chloride as precursor. 

By using titanium dioxide microspheres as sorbent, adsorption - desorption studies were performed for adenosine, cytidine, uridine, inosine, guanosine in both bacth and continous microfludic systems. In the batch system, the effects of adsorption medium pH, inital nucleoside concentration, type of desorption medium  and sorbent concentration on the adsorption and desorption of nucleosides were investigated. After determination of most appropriate conditions, titanium dioxide microspheres were packed into a silica capillary tubing with 300 µm I.D. and 40 mm length. Then the nucleoside isolation performance  was investigated in the continuous microfluidic system.

The binding capacities  up to 40.5 mg nucleoside/g microspheres were achieved by changing the initial nucleoside concentration in the batch system. Langmuir, Freundlich and Temkin adsorption isotherms were applied to the adsorption process.  Langmuir model exhibited better consistency with the isotherm behaviour. The effect of desorption medium on the nucleoside isolation was also investigated. The nucleoside isolation was enhanced by the formic acid in the desorption medium. The nucleoside adsorption decreased and the isolation yiels increased with the increasing sorbent concentration in the batch system. By evaulating all these conditions quantitative desorption yields were achieved. Moreover, a microfluidic system containing monodisperse-porous titanium dioxide microspheres was first used for nucleoside isolation. The connection of developed microfluidic column to the chromatographic systems as a pre-separation column may enable the direct analysis of nucleosides from the urine.