Atmosferik soğuk plazma ile fonksiyonelleştirilmiş nano ve mikro boyutlu ilaç taşıyıcı sistemlerin tasarımı ve nanotıp uygulamaları
Design and nanomedicine applications of atmospheric cold plasma functionalized nano and micro-sized drug delivery systems
Yazar: YUNUS EMRE BÜLBÜL
Danışman: PROF. DR. AYŞEGÜL ÖKSÜZ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Fizikokimya = Physical chemistry ; Malzeme bilimi = Material science

Özet:
Son yıllarda, ilaç taşıyıcı sistemlerin geliştirilmesi, biyoteknoloji, malzeme bilimi ve ilaç endüstrisinde önemli bir araştırma alanı haline gelmiştir. İlaç taşıyıcı sistemler, ilaçların hedefe yönlendirilmesi, istenilen etki süresinin sağlanması ve yan etkilerin azaltılması gibi avantajlar sunarak ilaç tedavisinin etkinliğini artırmayı hedeflemektedir. Bu amaçla, yeni nesil taşıyıcı sistemlerin tasarlanması ve geliştirilmesi önemli bir gereklilik haline gelmiştir. Bu tezin temel amacı, atmosferik soğuk plazma yöntemi kullanılarak fonksiyonelleştirilmiş quercetin yüklü grafen oksit nanoparçacık temelli ve PCL nanofiber, PCL/GO kompozit ilaç taşıyıcı sistemlerinin geliştirilmesidir. Çalışma üç ana aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada, grafitten grafen oksit (GO) sentezlenmiş ve atmosferik soğuk plazma (ASP) ile farklı sürelerde (0, 1, 5 ve 10 dakika) modifiye edilmiştir. Bu modifikasyonun amacı, GO'nun yüzey özelliklerini ve biyolojik uyumluluğunu iyileştirmektir. İkinci aşamada, polikaprolakton (PCL) temelli ilaç taşıyıcı sistemler geliştirilmiştir. Bu süreçte, PCL ve quercetin (QU) içeren PCL/QU çözeltileri, elektrospinning öncesinde 0, 0,5, 1 ve 3 dakika sürelerle ASP ile modifiye edilmiştir. Plazma modifikasyonunun, PCL'nin yüzey morfolojisi ve ilaç yükleme kapasitesi üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Son aşamada, ilk bölümde geliştirilen GO ve ASP ile fonksiyonelleştirilmiş GO'lar PCL ile harmanlanarak, PCL/GO temelli kompozit nanofiber ilaç taşıyıcı sistemler geliştirilmiştir. Bu kompozit yapıların morfolojik, fizikokimyasal özellikleri ile birlikte QU'in salım profili ve sitotoksik özellikleri araştırılmıştır. Geliştirilen bu sistemlerin etkinliği, MDA-MB-231 meme kanseri hücre hattı kullanılarak test edilmiştir. Yapısal ve morfolojik analizler, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanılarak yapılmıştır. Fizikokimyasal özellikler, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve X-ışını kırınımı (XRD) ile incelenmiştir. İlaç salım profilleri, UV-Vis spektroskopisi kullanılarak değerlendirilmiş ve salım kinetikleri hesaplanmıştır. Hücre proliferasyonu ve apoptoz testleri ise akış sitometrisi ile gerçekleştirilmiştir.
Elektrospinning öncesi PCL çözeltilerinin ASP işlemi ile modifikasyonu, sonuçta elde edilen nanofiber ilaç taşıyıcı sistemler üzerindeki önemli etkisini göstermektedir. Elektrospinning öncesi, PCL çözeltileri 0.5, 1 ve 3 dakika süreyle ASP işlemine tabi tutulmuştur. ASP işlemi süresi nanofiber morfolojisini ve boyutunu etkilemekte olup, daha uzun süreler daha büyük fiberlerin elde edilmesine neden olmaktadır. QU'nun eklenmesi fiber çapını azaltırken, ilaç taşıyıcı sistemleri kontrol ederek özelliklerini değiştirme fırsatları sunmaktadır. ASP işlemi, elektrospinning sırasında istenmeyen kimyasal değişikliklerin veya PCL nanofiberlerinin bozunmasının olmamasını sağlayarak polimer yapısının bütünlüğünü garanti altına almaktadır. XRD sonuçları, PCL nanoliflerinin ASP koşullarında stabilitesini doğrulamaktadır. ASP işlemi ayrıca nanofiber hidrofobisitesini etkilemektedir, kısa sürelerin hidrofilikliği daha fazla arttırdığı görülmektedir. QU salınım yüzdeleri ASP işlem süresine göre değişmektedir ve PCL/CAP-0.5-QU en yüksek salınım yüzdesine (56±2.2%) sahip olarak öne çıkmaktadır, bu da modifiye edilmemiş PCL/QU'yu geçmektedir. Ayrıca, QU ve ASP işlemi kombinasyonunun kanser hücresi canlılığını sinerjik olarak azalttığı, QU salımını artırdığı ve ilaç yükleme verimliliğini artırdığı görülmüştür, bu da ilaç taşıyıcı sistemlerin uygulamaları için umut verici bir yaklaşım yapmaktadır.

Abstract:
In recent years, the development of drug delivery systems has become a significant research area in biotechnology, materials science, and the pharmaceutical industry. Drug delivery systems aim to enhance the effectiveness of drug therapy by offering advantages such as targeted drug delivery, achieving the desired duration of effect, and reducing side effects. Therefore, the design and development of next-generation carrier systems have become an important necessity. The primary aim of this thesis is to develop functionalized quercetin-loaded graphene oxide nanoparticle-based and PCL nanofiber, PCL/GO composite drug delivery systems using the atmospheric pressure cold plasma method. The study consists of three main stages.
In the first stage, graphene oxide (GO) was synthesized from graphite and modified with atmospheric pressure cold plasma (APCP) for different durations (0, 1.5, 10 minutes). The purpose of this modification is to improve the surface properties and biological compatibility of GO. In the second stage, polycaprolactone (PCL)-based drug delivery systems were developed. During this process, PCL and quercetin (QU) containing PCL/QU solutions were modified with APCP for 0, 0.5, 1, and 3 minutes before electrospinning. The effects of plasma modification on the surface morphology and drug loading capacity of PCL were examined in detail. In the final stage, the GO and modified GO developed in the first stage were blended with PCL to develop PCL/GO-based composite nanofiber drug delivery systems. The controlled release and biocompatibility properties of quercetin in these composite structures were investigated. The effectiveness of these developed systems was tested using the MDA-MB-231 breast cancer cell line. Structural and morphological analyses were performed using scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). Physicochemical properties were examined using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD). Drug release profiles were evaluated using UV-Vis spectroscopy, and release kinetics were calculated. Cell proliferation and apoptosis tests were carried out using flow cytometry.
The modification of PCL solutions with the APCP process before electrospinning shows a significant impact on the resulting nanofiber drug delivery systems. Before electrospinning, PCL solutions were subjected to the APCP process for 0.5, 1, and 3 minutes. The duration of the APCP process affects the morphology and size of the nanofibers, with longer durations resulting in larger fibers. The addition of QU reduces fiber diameter while offering opportunities to control and modify the properties of the drug delivery systems. The APCP process ensures the integrity of the polymer structure by preventing unwanted chemical changes or degradation of PCL nanofibers during electrospinning. XRD results confirm the stability of PCL nanofibers under APCP conditions. The APCP process also affects nanofiber hydrophobicity, with shorter durations increasing hydrophilicity. QU release percentages vary according to the duration of the APCP process, with PCL/CAP-0.5-QU standing out with the highest release percentage (56±2.2%), surpassing unmodified PCL/QU. Additionally, the combination of QU and the APCP process synergistically reduces cancer cell viability, increases QU release, and enhances drug loading efficiency, making it a promising approach for drug delivery system applications.