Sulu ortamda radyasyonla başlatılan çapraz bağlanma ile interpolimer komplekslerden nanojel hazırlanması, karakterizasyonu ve farmasötik kullanımı
Preparation of nanogels by radiation-induced cross-linking of interpolymer complexes in aqueous medium, their characterization and pharmaceutical use
Yazar: MOHAMMADREZA GHAFFARLOU
Danışman: PROF. DR. OLGUN GÜVEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Atomik kuvvet mikroskobu = Atomic force microscope ; Işık saçılması = Light scattering ; Kurkumin = Curcumin ; N-vinilimidazol = N-vinylimidazole ; Poliakrilik asit = Polyacrilic acid ; Polimer kompleksler = Polymer complexes ; Sığır serum albümin = Bovine serum albumin

Özet:
Nanojellerin boyutu, yüzey yükü ve işlevselliği spesifik ilaç dağıtım uygulamaları için kontrol edilmesi gereken en önemli özelliklerdir. Boyut, nanojellerin oluşumu esnasında uygulanan deneysel parametrelerin (pH, molekül ağırlığı, çözücü, gibi) ayarlanması ile kontrol edilebilir.  Yüzey yükü, katyonik veya anyonik monomer veya polimer kullanarak ayarlanabilmektedir. İşlevsellik ise, hali hazırda oluşturulmuş nanojellerin kimyasal modifikasyonu veya belirli işlevsellikler taşıyan polimerlerden yola çıkarak nanojellerinin elde edilmesi ile sağlanabilir. Nanojellere uyaranlara duyarlılık gibi akıllı özellikler kazandırmak için fonksiyonel gruplar kullanılır. Bu gruplar, hedeflenen bölgelerde biyoaktif türlerin kontrollü salımı için son derece önemli olan pH, sıcaklık, iyonik şiddet, elektromanyetik alan, ışık vb. farklılıklara yanıt verebilmeleri için nanojellerin yapısına eklenebilir. Bu üç önemli özelliği (boyut, yüzey yükü ve işlevsellik) interpolimer kompleks (IPC) oluşumu yaklaşımı ile nanojellerin yapısına kazandırmak mümkündür.

Poli(akrilik asit) (PAA) pH duyarlı, biyouyumlu, hidrofilik ve anyonik bir polielektrolittir. Bu avantajlı özelliklerine bağlı olarak, ilaç taşıyıcı sistemlerde oldukça geniş bir kullanım alanına sahiptir. Poli(N-vinilimidazol) (PVIm), su içinde polikatyon olarak davranan, hidrofilik, biyouyumlu ve pH'a karşı duyarlı zayıf bir polibazdır ve ilaç taşıyıcı sistemlerde sıklıkla kullanılmaktadır. Poli(N-vinil pirolidon) (PVP), iyonik olmayan, biyouyumlu, biyobozunur ve toksik olmaması nedeni ile FDA tarafından onaylanan sentetik polimerlerden biridir ve gıda sektörünün yanı sıra ilaç, kozmetik, farmasötik ve biyomedikal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. PAA, PVP ve PVIm'ın sahip oldukları avantajlı özelliklerine bağlı olarak, bu polimerlerden oluşacak PAA-PVP ve PAA-PVIm gibi ikili interpolimer kompleksler, nanojel sentezi için umut vadetmektedirler. Bu tez çalışmasında, radyasyonla başlatılan çapraz bağlanma yöntemi ile biyouyumlu, işlevselleştirilmiş interpolimer kompleks (IPC) nanojellerinin sentezi, BSA adsorpsiyonu ve ilaç taşıyıcı özellikleri incelenmiştir.

Çok fonksiyonlu PAA-PVP ve PAA-PVIm IPC nanojelleri radyasyonla başlatılan çapraz bağlanma yöntemi ile, herhangi bir monomer, başlatıcı, çapraz-bağlayıcı ya da diğer tür bir kimyasal ajan kullanılmadan hazırlanmıştır. Bu yöntem, nanojellerin daha yeşil bir kimya protokolü ile elde edilmesine ve çapraz bağlanma derecesinin kontrolüne olanak sağladığı için tercih edilmiştir. PVP, PAA ve PVIm'ın sulu çözeltilerinin termodinamiğini kontrol etmek, IPC yumak boyutlarının da kontrolünü sağlar. IPC yumakları, elde edilecek IPC nanojellerinin öncülü olduğundan, yumak boyut kontrolü aynı zamanda nanojellerin boyut kontrolünü de mümkün kılmaktadır. Tez çalışmasında, PVP, PAA ve PVIm'ın aseton/su ortamında seyreltik çözeltileri hazırlanıp, farklı koşullarda (pH, derişim, molekül ağırlığı, ekleme sırası, karışım oranı, iyonik şiddet, sıcaklık ve aseton oranı) oluşan IPC'lerin boyutları Dinamik Işık Saçılması (DLS) tekniği ile incelenmiştir. PVP ve PVIm çözeltileri, PAA çözeltisi ile etkileştirilip IPC'ler hazırlanmıştır. Hazırlanan IPC örneklerinin DLS ile boyut dağılımı ve kompleks kararlılıkları analiz edilmiştir. İkinci aşamada hazırlanan kompleksler, radyasyona maruz bırakılarak yumak-içi çapraz bağlanmış ve IPC nanojelleri elde edilmiştir. Yumak-içi çapraz bağlanma gerçekleştiği için nanojel boyutları, kendilerini oluşturan IPC yumak boyutundan daha küçük olmuştur. Bu IPC nanojelleri, interpolimer komplekslerin 0,022 kGy/saat doz hızına sahip 60Co gama kaynağında, 3, 5, ve 10 kGy ışınlanması ile elde edilmiştir. Işınlanma sonrası yumak içi oluşan çapraz bağlardan dolayı büzülme meydana gelmiş ve geniş boyut (30-300 nm) aralığına ve -7 ile -44 mV aralığında değişen yüzey yüküne sahip nanojeller elde edilmiştir.  Sentezlenen IPC nanojellerin şişmesini ve yumak içi çapraz bağlanmasını kontrol etmek için pH, sıcaklık ve iyonik şiddet etkileri araştırılmıştır. Işınlanarak sentezlenen IPC nanojellerinin boyut kontrolü sağlandıktan sonra nanojeller, Dinamik Işık Saçılması (DLS), Taramalı Elektron Mikroskopi (SEM) ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanılarak karakterize edilmiştir. Sentezlenen IPC nanojellerin ilaç taşıyıcı sistem olarak performansları, BSA varlığında ve BSA'sız koşullarda, kurkumin yüklemesi ve salım çalışmaları ile incelenmiştir.

Abstract:
The size, surface charge and functionality of nanogels are the most important properties to be controlled for specific drug delivery applications. The size can be controlled by adjusting the experimental parameters (such as pH, molecular weight, solvent) applied during the formation of nanogels. Surface charge can be controlled by using cationic or anionic monomers or polymers in nanogels. Functionality can be introduced using chemical modification of already formed nanogels or polymers with specific functionalities. Functional groups are used to impart stimulus-responsive properties to nanogels. These structures are extremely important for the controlled release of bioactive species in targeted areas such as pH, temperature, ionic strength, electromagnetic field, light, etc. can be incorporated into the structure of nanogels so that they can respond to differences. It is possible to bring these three important features (size, surface charge and functionality) to the structure of nanogels with the approach of interpolymer complex (IPC) formation.

Poly(acrylic acid) (PAA) is a pH sensitive, biocompatible, hydrophilic and anionic polyelectrolyte. For these reasons, it has a wide range of use in drug delivery systems. Poly(N-vinylimidazole) (PVIm) is a weak polybase, polycation in water, hydrophilic, biocompatible and pH sensitive and it is widely used in drug carriers. Poly(N-vinyl pyrrolidone) (PVP) is one of the synthetic polymers approved by the FDA because it is non-ionic, biocompatible, biodegradable, and non-toxic and it is widely used in pharmaceutical and biomedical applications, as well as in the food industry. Due to these advantageous properties of PAA, PVP and PVIm, the interpolymer complexes formed by two of these polymers such as PAA-PVP and PAA-PVIm are quite promising for future nanogel synthesis. In this thesis study, the synthesis, BSA adsorption and drug carrier properties of biocompatible, functionalized interpolymer complex nanogels by the radiation-initiated cross-linking method were aimed.

Multifunctional PAA-PVP and PAA-PVIm interpolymer complex (IPC) nanogels by radiation-initiated crosslinking method were prepared without the use of any monomers, initiators, cross-linking agents, or other chemical agents. This method was preferred because it allows nanogels to be obtained with a greener chemistry protocol and to control the degree of crosslinking. Controlling the thermodynamics of aqueous solutions of PVP, PAA, and PVIm allows control of IPC coil sizes. Because IPC coils are the precursors of IPC nanogels to be obtained, spherical size control also enables the size control of nanogels. In this study, dilute solutions of PAA, PVP and PVIm in an acetone/water environment were prepared and IPCs prepared under different conditions (concentration, pH, molecular weight, addition order, mixing ratio, ionic strength, temperature, and acetone ratio) were investigated by Dynamic Light Scattering (DLS) technique. Interpolymer complexes were prepared by interacting PVP and PVIm solutions with PAA solution. The size distribution and complex stability of the prepared IPC samples were analyzed by DLS. In the second step, the prepared IPCs were exposed to radiation, yielding cross-linked interpolymer complex nanogels. Nanogel sizes were smaller than their constituent IPC coils as intra-coil crosslinking took place. IPC nanogels were obtained by irradiating the IPC coils at 3, 5, and 10 kGy in a 60Co gamma source with a dose rate of 0.022 kGy/h. After irradiation, shrinkage occurred due to the cross-links formed in the coils, and nanogels with wide size distribution (30-300 nm) and surface charge ranging between -7 and -44 mV were obtained. The effects of pH, temperature and ionic strength were investigated to control swelling and intra-coil crosslinking of synthesized IPC nanogels. After the size control of the irradiated IPC nanogels was achieved, they were characterized using DLS, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM). The synthesized IPC nanogels were loaded with curcumin to obtain a drug carrier system in the presence and absence of BSA, and their release studies were investigated.