Katı lipit nanopartiküller kullanılarak kolloidal mikrokapsül üretimi
Colloidal microcapsule production by using solid lipid nanoparticles
Yazar: GÖKÇE DİCLE KALAYCIOĞLU
Danışman: PROF. DR. NİHAL AYDOĞAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Kontrollü ilaç salımı = Controlled drug release

Özet:
Nanopartiküller, son yıllarda, hem bilimsel çalışmalar hem de medikal ve teknolojik uygulamalarda kullanılabilirliği nedeniyle oldukça ilgi çekmektedir. Metalik, polimer ve lipit başlıcaları olmak üzere, çeşitli yapıtaşları kullanılarak nanopartiküller sentezlenebilmektedir. Nanopartiküllerin hangi malzemeden oluştuğu, boyutu, şekli ve yüzey fonksiyonelliği, kullanılacağı hedef alana göre değişmekte ve görecelilik kazanmaktadır. Çeşitli fizyolojik lipitler, emulsifiye edici ajanlar ve su kullanılarak sentezlenen katı lipit nanopartiküller (KLN); 1990lı yıllarda ilk defa, alternatif bir nanotaşıyıcı olarak kullanılmaya başlanmıştır. KLNler biyouyumluluk, yüksek dayanım ve çeşitli malzemelerin enkapsülasyonuna olanak sağlaması gibi avantajlarıyla, özellikle biyomedikal ve farmasötik başta olmak üzere birçok alanda diğer nanotaşıyıcılardan öne çıkmaktadır. Ayrıca KLNlerin sentez yöntemine göre, bünyesinde taşıyacağı etken maddenin salım özelliklerinin kontrollü şekilde ayarlanabiliyor olması ve fizyolojik olarak tolere edilebilen lipitler kullanılarak sentezleniyor olması; vücut içinde, çok çeşitli kullanım amaçları ve uygulama yolları için ideal bir alternatif olmalarını sağlamaktadır. Yapılan çalışmanın ilk aşamasında, uygun boyut ve yüzey özelliklerinde KLNlerin hazırlanması, karakterize edilmesi ve ilaç alım/salım kapasitelerinin hesaplanması ile bu bağlamda sentezlenen nanopartiküllerin hastalık teşhisinde sensör veya tedavisinde çeşitli molekülleri (gen, ilaç vb.) taşıma ajanı olarak biyomedikal uygulamalarda kullanılabilirliğinin araştırılması hedeflenmiştir. Sentez yöntemi olarak "Mikroemülsiyon Yöntemi" kullanılan çalışmanın bu ilk kısmında, hazırlanan KLNlerin Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve Dinamik Işık Saçınımı (DLS) ile boyut, boyut dağılımı ve geometrileri hakkında bilgi edinirken, zeta potansiyel ölçümleri de gerçekleştirilip yüzey yük yoğunlukları hesaplanmıştır. Bunun yanı sıra Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) tekniği ile de KLNlerin termal özellikleri ve morfolojik yapısı detaylı şekilde incelenmiştir. KLNlerin literatürde geçen önemli avantajlarından biri olan yüksek uzun dönemli stabilitesinin de değerlendirilebilmesi için, sentezin ardından 3 ay sonra boyut ve yüzey özellikleri tekrar ölçülmüştür. İstenen özelliklerde hazırlanan KLNlerin ilaç alım/salım kapasitelerinin değerlendirilmesi için model ilaç molekülleri olarak askorbik asit (AA) ve metilen mavisi (MM) kullanılmıştır. Elektrostatik etkileşimden faydalanılarak MM partikül yüzeyine tutturulurken, sentez aşamasında eklenerek AA partikül yapısı içine yüklenmiştir. Kullanılan partiküller için ilaç alım/salım kapasiteleri UV-vis spektroskopisi kullanılarak analizlenmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında istediğimiz boyut ve yüzey özelliklerinde hazırlayabildiğimiz biyouyumlu, dayanımı yüksek ve ilaç alım/salım performansları test edilmiş KLNler yapıtaşı olarak kullanılarak kolloidal mikrokapsüller hazırlanmıştır. Kolloidal mikrokapsüller, kabuk kısmında yapıtaşı olarak kolloidal partiküller kullanılarak sentezlenen kapsüller olup, günümüzde daha çok metal ya da polimerik nanopartiküller kullanılarak sürdürülmektedir. KLNler kullanılarak hazırlanan bu yapılar, hem kabuk kısmını oluşturan nanopartiküller sayesinde gelişmiş alım kapasitesi ve fonksiyonellik gösteren, hem de yüksek dayanım ve biyouyumluluğa sahip lipit bazlı kolloidal mikrokapsüllerin (MK) üretimi literatürde ilk kez sağlanmıştır. Çekirdek malzeme olarak polistiren partiküller ile Ibuprofen ilaç kristalleri kullanılırken, kabuk kısmında KLNler, altın nanopartiküller ve kitosandan faydalanılmıştır. Oluşturulan MKların kabuk kısmı zıt yüklü malzemelerin elektrostatik etkileşiminden faydalanılarak "Tabaka-tabaka kaplama yöntemi" kullanılarak hazırlanmıştır. Her bir tabaka kaplanmasının ardından zeta potansiyel değişimi ile tabakaların kaplanma performansı takip edilmiştir. Ayrıca Taramalı Elektron Mikroskobu kullanılarak da tabakalar görüntülenmiştir. Hazırlanan MKlar ile belirlenen model moleküller için alım/salım denemeleri yine KLNler için uygulanan prosedürler kullanılarak yapılmıştır. Yapılan çalışmalar doğrultusunda KLN kullanılarak MK üretiminin tamamlanmasıyla, literatürde ilk defa yapıtaşı olarak lipit bazlı nanopartikül kullanılarak hazırlanmış olan kolloidal MK üretimi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca MK yapısına eklenen altın nanopartiküller sayesinde hem teşhis hem de terapi amaçlı kullanılabilecek yeni nesil kolloidal yapılar elde edilmiştir.

Abstract:
Nanoparticles have been driving much attention in the last years since they can be used both in scientific studies and in medical and technological applications, Nanoparticles can be synthesized by utilizing a variety of constituents, among which the most studied ones are metallic, polymeric and lipid based nanoparticles. The size, shape, and the surface functionalities of nanoparticles as well as the material which is synthesized vary in accordance with and relative to their target applications. Solid lipid nanoparticles (SLNs), which are synthesized by using various physiological lipids, emulsifiers and water, have first come into use as an alternative nanocarrier in 1990s. Due to their high biocompatibility, stability and availability/efficiency to encapsulate various active materials, SLNs are positively distinguished from other alternatives in many fields, pharmaceutical and biomedical applications in particular. In addition, since they possess biocompatible and physiologically related raw materials and adjustable release kinetics which depend on the synthesis method, SLNs are an ideal alternative to be used in the body for different purposes and with various administration routes. In the first stage of the study, it has been aimed to prepare and characterize SLNs with proper size and surface functionalities to calculate their drug encapsulation/release capacities. In order to characterize the SLNs which are prepared by using "Microemulsion Method", Atomic Force Microscopy (AFM) and Dynamic Light Scattering (DLS) have been utilized to get information regarding size, the polydispersity, and geometry, while zeta potential measurements have brought out surface charge density of the SLNs prepared. Moreover, thermal properties and morphological structures of SLNs have been studied in detail with Differential Scanning Calorimetry (DSC) technique. The size and zeta potential values of SLNs have been re-measured three months after the synthesis in order to evaluate high long-term stability feature, which is cited as one of the major advantages of SLNs in literature. Ascorbic acid (AA) and methylene blue (MB) have been used as model drugs to evaluate the drug encapsulation/release capacities of SLNs prepared with certain specifications. MB has been attached to the surface of the SLNs with electrostatic interaction whereas AA has been loaded in the particle structure during the synthesis. Drug encapsulation/release capacities have been analyzed by UV-vis spectrophotometry. In the second part of the study SLNs have been used as building block to prepare colloidal microcapsules. It is very common to use metallic nanoparticles to prepare microcapsule structure. The synthesis of MCs whose shell-side is constructed by SLNs, is the first in literature. While polystyrene particles and Ibuprofen drug crystals have been used as the core material, SLNs, gold nanoparticles and chitosan have been used in the shell-side. The shell of the MCs has been prepared with "Layer-by-layer method" with use of electrostatic interaction of materials. The coating performance of each layer has been monitored by measuring zeta potential changes after each layer of coating. In addition, the layers have been viewed with Scanning Electron Microscope (SEM). In addition, encapsulation/release performance of MCs was investigated by using these predetermined model molecules. As a result,  the introduced MCs by this thesis which has produced by using SLNs as building blocks has been achieved for the first time in literature and a good alternative for both multiple drug delivery and as a diagnostic tool which will launce lots of new project for more functional drug delivery vehicles. What is more, with gold nanoparticles added to the MC structure, new- generation colloidal structures have been produced which can be used in both diagnosis and treatment.