Temel bileşeni n-izopropilakrilamit olan, özellikleri değiştirilmiş kompozit hidrojellerin şişme, ilaç salım ve mekanik davranışlarının incelenmesi
Investigation of swelling, drug release and mechanical properties of modified n-isopropylacrylamide based composite hydrogels
Yazar: BESTENUR YALÇIN
Danışman: PROF. DR. CANDAN ERBİL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
N-izopropilakrilamit (NIPAAm) sıcaklığa duyarlı doğrusal ve/veya çapraz bağlı polimer sentezinde yaygın olarak kullanılan monomerlerden biridir. Bu çalışmada, geleneksel poli(N-izopropilakrilamit) (PNIPAAm) hidrojellerinin (gNH) başta mekanik özelliklerinin değiştirilmesi/iyileştirilmesi olmak üzere, şişme, ilaç salım ve biyouyumluluk gibi özelliklerinin de geliştirilmesi amacıyla çeşitli modifikasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu modifikasyonlar; (i) polimerizasyon çözücüsü olarak gNH'lerinin sentezinde sıklıkla kullanılan destile deiyonize su (DDS) yerine 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltilerinin kullanılması (modifiye geleneksel PNIPAAm hidrojelleri:mgNH), (ii) çapraz bağlayıcı olarak N,N'-metilenbisakrilamit (BIS) yerine laponit (LP), Na-montmorillonit (MMT) ve oktadesilamin-montmorillonit (ODA-MMT) gibi inorganik çok tabakalı smektitlerin kullanılması (modifiye kompozit PNIPAAm hidrojelleri:mkNH), (iii) sentez çözücüsü ve tabakalı silikatların dispersiyon ortamı olarak kullanılan 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltilerinin aynı zamanda polimerizasyon hızlandırıcısı olarak da görev yapması ve böylece geleneksel PNIPAAm hidrojellerin sentezinde sıklıkla kullanılmış olan polimerizasyon hızlandırıcısının (N,N,N',N'-tetrametiletilenediamin – TEMED) reaksiyon ortamından çıkarılması, (iv) katyonik ve zwitteriyonik komonomerler kullanılarak modifiye geleneksel ve modifiye kompozit kopolimer PNIPAAm hidrojellerinin sentezlenmesi (modifiye geleneksel kopolimer PNIPAAm hidrojelleri:mgkNH ve modifiye kompozit kopolimer PNIPAAm hidrojelleri:mkkNH) ve (v) mekanik özellikler bakımından yeterli değişmenin/iyileşmenin sağlanamadığı mkkNH'lerinin tam-içiçe geçmiş ağyapılarının (IPN) sentezlenmesidir (modifiye tam-IPN kopolimer PNIPAAm hidrojelleri:m(IPN)kNH). Özetle bu tez çalışmasındaki hidrojel sentezleri polimerizasyon hızlandırıcısı ve organik çapraz bağlayıcı molekülün olmadığı, sentez ortamında olabilecek en az sayıdaki organik bileşenin bulunduğu ve en yüksek biyouyumluluğu sağlayacak koşulların yaratıldığı bir ortamda gerçekleştirilmiştir.  
Bu modifikasyonlar sonucunda elde edilmiş olan mgNH, mkNH, mgkNH, mkkNH ve m(IPN)kNH'lerinin (a) 30o-45oC aralığındaki tek eksenli sıkıştırma testlerinden elde edilen sıkıştırma modülü değerleri, (b) hidrojel disklerin 30o-45oC aralığındaki çap ve yükseklik ölçümlerinden yararlanılarak hesaplanan V/Vo değerleri, (c) XRD, FTIR, SEM-EDS ve kondüktometrik titrasyonlar ile belirlenen yapısal ve yüzeysel özellikleri, (d) kan uyumlulukları, (e) E.coli'ye karşı antibakteriyel aktiviteleri, (f) tuzlu fosfat tampon (PBS) (pH 7.4) içerisindeki dinamik şişme davranışları, (g) 30oC ve pH 2.0-12.0 aralığındaki faz geçiş davranışları ve (h) Gentamisin (GS) salım özellikleri incelenmiştir. 
Bu tezde, modifiye PNIPAAm hidrojellerinin malzeme özellikleri üzerine polimerizasyon süresinin etkileri de incelenmiştir. Özellikle kompozit hidrojellerin sıkıştırma modül değerlerinin sentez süresine bağlı olarak artış göstermesi polimerizasyon reaksiyonlarının iki hafta boyunca polimerizasyon koşullarına da bağlı olarak devam ettiğini göstermiştir. Ayrıca, bu tez çalışmasında literatür çalışmalarından farklı şekilde, polimerizasyon ortamı olarak kullanılan 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltilerinin ve uzun polimerizasyon sürelerinin NIPAAm esaslı hidrojeller üzerine hidroliz edici bir etkisi olup olmadığını görmek amacıyla, seçilen örnekler ile kondüktometrik titrasyonlar yapılmıştır. Kontrol hidrojeli olarak seçilen, DDS içerisinde TEMED varlığında ve 24 saatlik polimerizasyon süresi ile sentezlenmiş gNH'inde gözlenen –COOH grubu varlığı % 0.66 mol olarak tespit edilmiştir. 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltilerinde polimerizasyon süresinin 2 haftaya kadar uzatıldığı mgNH'lerinde de hesaplanan -COOH grubu miktarları % 0.69-0.88 mol civarındadır. Elde edilen kıyaslamalı bulgular, 0.1N ve 0.2N NaOH çözelitleri içerisinde ve maksimum iki haftalık reaksiyon süreleriyle sentezlenen mgNH'lerinde hidroliz yüzdesinin geleneksel PNIPAAm hidrojellerinden farklı olmadığını göstermiştir. mkNH'leriyle yapılan kondüktometrik titrasyon  sonuçları da benzer bulgular vermiştir. 
Ayrıca, mgNH ve mkNH'leri ile birlikte bu hidrojellerde çapraz bağlayıcı olarak kullanılan 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltileri ile muamele edilmiş kil örneklerinin XRD ve FTIR analizleri yapılarak, alkali polimerizasyon ortamının çapraz bağlayıcı olarak kullanılan kil yapılara ve kompozit hidrojellerin yapısal özellikleri üzerine etkileri incelenmiştir. NIPAAm esaslı ağyapılardaki amit, hidroksil, izopropil ve silanol (kompozit hidrojellerde) gibi temel fonksiyonel grupların varlığını koruduğu kanıtlanmıştır.
Biyouyumlu malzemelerin sentezinde de kullanılan hidrojellerin en dikkat çekici iki temel özelliği, mekanik özelikler ve hidrofiliklik bakımından canlı dokularla yarışan özelliklere sahip olmalarıdır. Bu tez çalışmasında, hidrojel sentezleri için, DDS yanında, literatür çalışmalarından farklı olarak 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltileri de polimerizasyon ortamı olarak kullanılmıştır. Bu çalışmadaki sentez koşullarından 0.1N NaOH'in hidrojellerin şişme kapasitelerini koruduğu ve 30o-45oC aralığındaki sıkıştırma modül değerlerinde de önemli iyileşme sağladığı bulgusuna ulaşılmıştır. 
mkNH'leri ve mkkNH'lerinde çapraz bağlayıcı olarak kullanılan inorganik çok fonksiyonlu kil yapıların (NIPAAm'a göre ağırlıkça %10 oranında) hidrojellerin sıkıştırma modülü değerlerini, sentez koşullarına da bağlı olarak değiştirdiği, esnekliği arttırdığı ve malzemelerin hidrofilik karakterlerini güçlendirdiği sonuçlarına ulaşılmıştır. Özellikle, ODA-MMT'nin kullanıldığı mkNH ve mkkNH'lerinde fizyolojik sıcaklık olan 37oC'da incelenen sıcaklık aralığındaki en yüksek elastik modül değerleri de elde edilmiştir.  
Bu tez çalışmasının temel amaçlarından bir diğeri, özellikleri değiştirilmiş geleneksel ve kompozit PNIPAAm hidrojellerine pH duyarlılığı ile birlikte antibakteriyel aktivite kazandırmaktır. Bu nedenle, herbiri birer amid türevi olan ve molekül yapısı bakımından temel bileşen olan NIPAAm'e benzerlik gösteren üç farklı komonomer; N-[3-(dimetilamino)propil]metakrilamit (DMAPMAAm), 3-(metakrilamino)propil trimetilamonyum klorür (MAPTAC) ve N,N-dimetil-N-(3-metakrilamidopropil)-N-(3-sülfopropil) amonyum betain (SBMAAm) kullanılmıştır. mgkNH'leri çapraz bağlayıcı olarak BIS, mkkNH'leri ise ODA-MMT kullanılarak sentezlenmişlerdir. mgNH'leri ve mkNH'lerinin tek eksenli sıkıştırma testlerinden elde edilen bulgular dikkate alınarak, kopolimer hidrojellerin sentezi için polimerizasyon ortamı 0.1N NaOH ve polimerizasyon süresi bir hafta olarak belirlenmiştir. 
BIS ile çapraz bağlanmış eşdeğerlerine kıyasla daha düşük modül değerlerine sahip olan PNIPAAm/MAPTAC ve PNIPAAm/SBMAAm kompozit hidrojellerinin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla, m(IPN)kNH'leri de sentezlenmiştir. m(IPN)kNH'lerine uygulanan tek eksenli sıkıştırma testleri, (i) PNIPAAm/DMAPMAAm IPN hidrojelin başlangıç modül değerinin, geleneksel ve kompozit PNIPAAm/DMAPMAAm hidrojelleri arasında olduğunu, buna karşılık esnekliğin ve dayanımın ise IPN hidrojelde belirgin derecede yüksek olduğunu, (ii) PNIPAAm/SBMAAm IPN hidrojelde başlangıç modül değerinin, geleneksel ve kompozit SBMAAm hidrojellerinden düşük olduğunu, ancak IPN hidrojelin geleneksel ve kompozit PNIPAAm/SBMAAm hidrojellerine kıyasla çok daha yüksek dayanıma sahip olduğunu, (iii) PNIPAAm/MAPTAC IPN hidrojellerinde ise, başlangıç modül değerlerinin geleneksel PNIPAAm/MAPTAC hidrojeline kıyasla düşük ve dayanımın ise yüksek olduğunu göstermiştir. PNIPAAm/MAPTAC geleneksel kopolimer hidrojelinde gözlenen kırılma, MAPTAC varlığında sentezlenen m(IPN)kNH'inde ortadan kalkmıştır.   
Sentezlenen hidrojeller arasından seçilen örneklerin oda sıcaklığında PBS içerisindeki dinamik şişme davranışları, 30oC'daki pH'a bağlı (pH 2-12) şişme davranışları ve fizyolojik koşullardaki (37ׄoC ve pH7.4) ilaç salım davranışları da incelenmiştir. Korsmayer-Peppas modeli başta olmak üzere, sıfırıncı mertebe, birinci mertebe, Hixon-Crowell ve Higuchi yarı(ampirik) salım modelleri ve kinetik denklemler kullanılarak hidrojellerin dinamik şişme davranışları ve ilaç salım mekanizmaları belirlenmiştir. 
Bunun yanında kuvvetli katyonik MAPTAC ve pH'a bağlı olarak iyonize olabilen DMAPMAAm'i %2.5 mol oranında içeren kopolimer hidrojellerin, bu komonomerlerin etkisi ile gösterebilecekleri olası bakterisit özellikler, agar disk difüzyonu metodu (modifiye Kirby-Bauer disk difüzyonu metodu) ile Escherichia coli (E.coli)'ye karşı incelenmiştir. Özellikle gram negatif bakteri grupları üzerinde etkili bir antibiyotik olan Gentamisin kullanılarak, seçilen hidrojellerin ilaç salım özellikleri ve antibakteriyel özellikleri sırasıyla UV-Vis spektroskopisi ve agar disk difüzyonu metodu ile incelenmiştir. Hem geleneksel ve kompozit PNIPAAm hidrojelleri hem de kopolimer PNIPAAm hidrojelleri üzerine uygulanmış disk difüzyonu test sonuçları, gentamisin yüklenmiş hidrojel diskler tarafından oluşturulan inhibisyon alanı çaplarının hidrojellerin, inkübasyon sıcaklığı olan 37oC'daki modül değerleri ile ilişkili olduğunu göstermiştir. Ayrıca, DDS ve 0.1N NaOH ortamlarında sentezlenmiş mgkNH'lerinin, mgNH'lerinden (BIS/0/1 ve BIS/0.1/1) daha düşük modül değerleri ve daha geniş inhibisyon alanlarına sahip oldukları da gözlenmiştir. 
mgNH, mkNH, mgkNH ve mkkNH'lerinden seçilen örnekler ile, 0.1N NaOH çözeltisi ile muamele edilmiş ODA-MMT örneklerinin hemolitik aktiviteleri, biyolojik bir membran sistemi olarak, sağlıklı insan eritrositleri kullanılarak incelenmiştir. 37°C'da 180 dakika süreyle gerçekleştirilen inkübasyon ardından, hidrojel örnekler ile temas halinde bulunan eritrositlerin % hemoliz oranları, UV-görünür alan spektrofotometre ile belirlenen absorbans değerleri kullanılarak hesaplanmıştır. Sonuçlar, incelenen mgNH, mkNH, mgkNH, mkkNH ve m(IPN)kNH örnekleri için, hemoliz oranlarının kan uyumluluğuna sahip polimerik malzemeler için kabul edilebilir en yüksek hemoliz seviyesi olan %5'in oldukça altında olduğunu göstermiştir. Çalışma kapsamında sentezlenen PNIPAAm hidrojelleri, biyomedikal alanda kullanılacak biyouyumluluğu yüksek, özellikle fizyolojik sıcaklıktaki modül ve dayanımı iyileştirilmiş malzemelerin geliştirilmesi bakımından önemli bir başlangıç çalışmasıdır.

Abstract:
N-isopropylacrylamide (NIPAAm) is one of the monomers commonly used in temperature-sensitive linear and / or crosslinked polymer synthesis. In this study, several modifications were made to improve the properties of conventional poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) hydrogels (gNH), such as altering/improving the mechanical properties, swelling, drug release and biocompatibility. These modifications are (i) the use of 0.1N and 0.2N NaOH solutions instead of distilled deionized water (DDS), which is often used in gNH synthesis as the polymerization solvent (modified conventional PNIPAAm hydrogels:mgNH), (ii) the use of inorganic multilayer smectites such as laponite (LP), Na-montorillonite (MMT) and octadecylamine montmorillonite (ODA-MMT) instead of N,N'-methylene bisacrylamide (BIS) as cross-linker (modified composite PNIPAAm hydrogels:mkNH) (iii) the use of 0.1N and 0.2N NaOH solutions as synthesis solvent and dispersion medium of the and layered silicates also function as polymerization accelerators thus removing the polymerization accelerator component (N, N, N ', N'-tetramethyl ethylenediamine- TEMED), which has frequently been used in the synthesis of conventional PNIPAAm hydrogels, from the reaction medium (iv) synthesis of modified conventional (mgkNH) and modified composite (mkkNH) PNIPAAm copolymer hydrogels using cationic and zwitterionic comonomers (modified conventional copolymer PNIPAAm hydrogels:mgkNH and modified composite copolymer PNIPAAm hydrogels:mkkNH) and (v) synthesis of mkkNHs in the form of modified full-IPNs in which sufficient modification/improvement of mechanical properties can not be provided (modified full-IPN copolymer PNIPAAm hydrogels:m(IPN)kNH). In summary, hydrogel syntheses in this thesis have been carried out in an environment in which polymerisation accelerator and organic cross-linker molecule are not present, the minimum number of organic components that may be present in the synthesis medium are present, and conditions providing the highest biocompatibility are created.
As a result of these modifications, the properties of mgNH, mkNH, mgkNH, mkkNH and m(IPN)kNHs (a) compression moduli obtained from uniaxial compression tests between 30o- 45oC (b) V/Vo values calculated from the diameter and height measurements of hydrogel disks in the same temperature range (c) structural and morphological properties determined by XRD, FTIR, SEM-EDS and conductometric titrations (d) blood compatibility (e) antibacterial activities against E. coli (f) dynamic swelling behavior in PBS (pH 7.4) (g) pH dependent volumetric swelling (pH 2.0, 4.0, 6.0, 8.11, 9.20, 10.74 and 11.66) and (h) Gentamicin (GS) release properties were examined.
In this study, the effects of the polymerization time on the material properties of the modified PNIPAAm hydrogels were also investigated. In particular, the increase in the compression modulus values of composite hydrogels due to the duration of the synthesis has shown that the polymerization reactions continue for two weeks depending on the polymerization conditions.
In this thesis study, in order to see whether the 0.1N and 0.2N NaOH solutions preferred as polymerization medium and the long polymerization times have hydrolysing effect on NIPAAm-based hydrogels, conductometric titrations were made with selected hydrogel samples. The presence of a -COOH group of 0.66 mol% was found in the PNIPAAm/BIS hydrogel synthesized in the presence of TEMED and in 24 hours polymerization, which can be regarded as a control hydrogel. In hydrogel samples synthesized in the 0.1 and 0.2N NaOH solutions for 2 weeks  -COOH group of 0.69-0.88 mol% was found. The obtained comparative findings have shown that the percentage of hydrolysis in mgNHs synthesized in 0.1N and 0.2N NaOH solutions and maximum reaction times of two weeks is not different from the conventional PNIPAAm hydrogels. Conductometric titration results with mkNHs also gave similar findings.
XRD and FTIR analyzes of conventional and composite hydrogels and clay samples treated with 0.1N and 0.2N NaOH solutions were performed. The effects of alkaline polymerization medium on the structural properties of the crosslinkers and composite hydrogels were examined and the existence of basic functional groups such as amide, hydroxyl, isopropyl and silanol (in composite hydrogels) in NIPAAm based networks were proved.
Two of the most striking features of the hydrogels used in the synthesis of biocompatible materials are their mechanical properties and their ability to compete with living tissues for hydrophilicity. In this thesis study, 0.1N and 0.2N NaOH solutions were used as the polymerization medium for hydrogel synthesis, besides DDS, different from literature studies. In this study, we have found that the synthesis conditions of 0.1N NaOH maintain the swelling capacity of the hydrogels and provide significant improvement in the compression modulus values in the range of 30o-45oC.
It has been found that inorganic multifunctional smectites, which are used as crosslinkers at a ratio of 10% by weight with respect to NIPAAm (in mkNH and mkkNH), change the compression modulus values of the hydrogels depending on the synthesis conditions, increase the flexibility and durability and strengthen the hydrophilic characteristics of the materials. PNIPAAm / DMAPMAAm, which is flexible and brittle, has become hard and durable as the cross-linking component being changed from BIS to ODA-MMT. Particularly, in the PNIPAAm homopolymer and copolymer hydrogels in which the ODA-MMT was used, the elastic modulus values at the physiological temperature of 37oC, which reached the highest values in the examined temperature range, were also obtained.
Another of the main objectives of this thesis study is to impart antibacterial activity along with pH sensitivity to modified traditional and composite PNIPAAmhydrogels. Three different comonomers that resemble NIPAAm (the key component in the molecular structure) have been used in the synthesis of the modified PNIPAAm hydrogels of the conventional and composite copolymers; N-[3-(dimethylamino)propyl]methacrylamide (DMAPMAAm), 3-(methacrylamino) propyl trimethylammonium chloride (MAPTAC) ve N,N-dimethyl-N-(3-methacrylamidopropyl)-N-(3-sulfopropyl) ammonium betaine (SBMAAm). In the data obtained from uniaxial compression tests of mgNHs and mkNHs, the polymerization medium for the synthesis of copolymer hydrogels was determined to be 0.1N NaOH and the polymerization time was one week. mgkNHs were synthesized using BIS as crosslinker and mkkNHs were synthesized using ODA-MMT. In order to improve the mechanical properties of the PNIPAAm/MAPTAC and PNIPAAm/SBMAAm composite hydrogels, which have lower moduli than the BIS cross-linked equivalents, (m(IPN)kNH) hydrogels have also been synthesized. m(IPN)kNHs uniaxial compression tests show that (i) the initial modulus value of PNIPAAm/DMAPMAAm IPN hydrogel is between conventional and composite PNIPAAm/DMAPMAAm hydrogels, whereas the flexibility and strength is significantly higher in IPN hydrogel (ii) the initial module value of PNIPAAm/SBMAAm IPN hydrogel was lower than that of conventional and composite SBMAAm hydrogels but that IPN hydrogel had much higher strength than conventional and composite PNIPAAm/SBMAAm hydrogels and (iii) in the PNIPAAm/MAPTAC IPN hydrogels, the initial module values were lower than the conventional PNIPAAm/MAPTAC hydrogel. 
Dynamic swelling behaviors in PBS at room temperature, swelling behavior at pH 30 (pH 2-12), and drug release behavior in physiological conditions (37oC and pH 7.4) were also investigated in the samples selected from the synthesized hydrogels. Dynamic swelling behaviors and drug release mechanisms of hydrogels have been determined using the Korsmayer-Peppas model, the zeroth order, the first order, Hixon-Crowell and Higuchi half (empirical) emission models and kinetic equations.
Possible bactericidal properties of copolymer hydrogels containing strongly cationic MAPTAC and pH-depending ionic DMAPMAAm at 2.5% by mol were investigated against E. coli by the agar disk diffusion method (modified Kirby-Bauer disc diffusion method). The drug release properties and antibacterial properties of selected hydrogels were examined by UV-Vis spectroscopy and agar disc diffusion method, respectively, using Gentamycin, an effective antibiotic, especially on gram negative bacteria strains. Disk diffusion test results show that the inhibition zone diameters generated by gentamicin loaded hydrogel discs are associated with module values at 37oC. It has been observed that conventional copolymer hydrogels synthesized in DDS and 0.1N NaOH media have lower modulus values and wider inhibition areas than conventional homopolymer hydrogels (BIS/0/1 and BIS/0.1/1).
Hemolytic activities of conventional and composite homopolymer PNIPAAm hydrogels at concentrations of 1 mg/ml and 5 mg/ml and ODA-MMT samples treated with 0.1 N NaOH solution were investigated using healthy human erythrocytes as a biological membrane system. After incubation for 180 minutes at 37oC % haemolysis rates of erythrocytes in contact with hydrogel specimens were calculated using absorbance values determined by UV-visible spectrophotometer. The results showed that, for the mgNH, mkNH, mgkNH, mkkNH ve m(IPN)kNH specimens studied, hemolysis rates were below 5%, the highest acceptable hemolysis level for polymeric materials with blood compatibility. The hydrogels synthesized within the scope of the study are important starting points for the development of materials with high biocompatibility to be used in the biomedical field, especially those with improved module and strength at physiological temperatures.