Biyomedikal uygulamalar için çok fonksiyonlu metal oksit esaslı biyonanokompozitlerin sentezi ve incelenmesi
Fabrication and investigation of multifunctional metal oxide based bionanocomposites for biomedical applications
Yazar: EZGİ TAN
Danışman: DOÇ. DR. SELCAN KARAKUŞ ; PROF. DR. AYBEN KİLİSLİOĞLU
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizikokimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Nanoteknolojideki ilerlemeler, mükemmel özelliklere sahip biyo-nanomalzemelerin geliştirilmesine olanak sağlamaktadır. Özellikle biyomedikal alanda etkin kullanılabilen sensörler ve ilaç taşıyıcı sistemlerin geliştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar oldukça ilgi çekmektedir. Bu tez çalışmasında; ters emülsiyon destekli solvotermal yöntem kullanılarak kolloidal kararlılığı yüksek, monodispers çinko katkılanmış mangan oksit esaslı nanokompozitler (Zn:MnO2 NCs) sentezlenmiştir. Daha sonra sentezlenen nanokompozitler biyosensör ve antikanser özellikleri karşılaştırmalı olarak tartışılmıştır. Sentezlenen yapıların bileşimi, morfolojisi ve kimyasal yapısı; TEM, SEM, XPS, XRD, DLS ve FTIR analizleri ile aydınlatılmıştır. Bu kapsamda ilk olarak; Zn:MnO2 NCs ile yüksek hassasiyet ve seçiciliğe sahip akıllı telefona destekli kolorimetrik ve enzimatik olmayan elektrokimyasal sensör sistemleri tasarlanmıştır. Sonuçlara göre; Zn:MnO2 NCs ile kaplanmış kağıt sensör sistemleri sırasıyla 2.89, 3.88 ve 7.81μM tespit limit değerleri (LOD) ile dopamin, gallik asit ve tannik aside karşı seçici kolorimetrik sensör özelliği göstermiştir. Ayrıca, hızlı tepki süresi (<1 dakika) ve 239 nM'lik düşük tespit limiti ile askorbik asit saptamasına karşı duyarlı enzimatik olmayan elektrokimyasal sensör davranışı sergilemiştir. Son olarak; Zn:MnO2 NCs'ler içeren gallik asit- poli laktik asit-aljinat esaslı polimerik nanotaşıyıcılar (GA-PLA-Alg) sentezlenmiş ve betülinik asit (BA), seranib-2'nin (Cer) ve BA-Cer ilaç kombinasyonu bu nanotaşıyıcılara yüklenerek PC-3 prostat kanseri ve HUVEC normal hücrelerine karşı in-vitro antikanser aktiviteleri MTT testi ile incelenmiştir. Sonuçlara göre; nanotaşıyıcılar ve ilaç yüklü nanoformülasyonları HUVEC hücrelerine karşı toksik etki göstermezken, BA/Zn:MnO2@GA- PLA-Alg NCs, BA-Cer/Zn:MnO2@GA-PLA-Alg NCs ve serbest BA-Cer'in PC-3 prostat kanser hücrelerine karşı IC50 değerleri sırasıyla 6.498, 7.351 ve 18.571 μg/mL olarak bulunmuştur. BA-Cer'in prostat kanser hücreleri üzerindeki in-vitro antikanser etkisi ispatlanmıştır. Ayrıca ilaç yüklü nanotaşıyıcı, serbest BA-Cer'in antikanser aktivitesini yaklaşık 3 kat artırmıştır. Sonuç olarak; geliştirilen biyo-nanokompozitler çok işlevli seçici bir sensör sistemi ve etkili bir antikanser ajan özelliği göstermiştir. Ayrıca, BA-Cer ikili ilaç kombinasyonunun, diğer kanser türleri için de etkili bir ajan olabileceği öngörülmektedir.

Abstract:
Advancements in nanotechnology have provided opportunities for the development of bionanomaterials with excellent properties. Particularly, research on the development of sensors and drug delivery systems that can be effectively used in the field of biomedicine has gained significant attention. In this thesis, colloidal-stable, monodisperse zinc-doped manganese oxide-based nanocomposites (Zn:MnO2 NCs) were synthesized using the reverse emulsion assisted solvothermal method. Subsequently, the synthesized nanocomposites were comparatively discussed in terms of their biosensor and anticancer properties. The composition, morphology, and chemical structure of the synthesized structures were elucidated through TEM, SEM, XPS, XRD, DLS, and FTIR analyses. Firstly, smart phone-supported colorimetric and non-enzymatic electrochemical sensor systems with high sensitivity and selectivity were designed using Zn:MnO2 NCs. According to the results, paper-based sensor systems coated with Zn:MnO2 NCs exhibited selective colorimetric sensor properties against dopamine, gallic acid, and tannic acid with detection limit values (LOD) of 2.89, 3.88, and 7.81 μM, respectively. Additionally, it demonstrated selective non-enzymatic electrochemical sensor behavior for ascorbic acid detection with a rapid response time (<1 minute) and a low detection limit of 239 nM.  Lastly, gallic acid-poly(lactic acid)-alginate-based polymeric nanocarriers (GA-PLA-Alg) containing Zn:MnO2 NCs were synthesized, and betulinic acid (BA), seranib-2 (Cer), and BA-Cer drug combinations were loaded into these nanocarriers. The in-vitro anticancer activities of these nanocarriers and drug-loaded nanoformulations against PC-3 prostate cancer and HUVEC normal cells were examined using the MTT assay. According to the results, the nanocarriers and drug-loaded nanoformulations exhibited no toxic effects against HUVEC cells, while BA/Zn:MnO2@GA-PLA-Alg NCs, BA-Cer/Zn:MnO2@GA-PLA-Alg NCs, and free BA-Cer had IC50 values of 6.498, 7.351, and 18.571 μg/mL, respectively, against PC-3 prostate cancer cells. The in-vitro anticancer effect of BA-Cer on prostate cancer cells was proven, and the drug-loaded nanocarrier increased the anticancer activity of free BA-Cer by approximately threefold. In conclusion, the developed bio-nanocomposites exhibited multifunctional selective sensor systems and effective anticancer agent properties. Furthermore, the BA-Cer combination drug is expected to be an effective agent for other types of cancer as well.