Hidroksiapatit/poliakrilik asit kompozit malzeme üretimi ve 5-fluorourasil taşınım performansının incelenmesi /
Yazar: ESRA KADI
Danışman: PROF. DR. GÜLHAYAT SAYGILI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Polimer kompozitler = Polymer composites

Özet:
Hidroksiapatit (HAp) birim hücre formülü Ca10(PO4)6OH2 olan biyoseramikler grubuna bağlı kemik türevi bir malzemedir. HAp malzemeler, kemik dolguları, kemik dokusu mühendisliği iskeleleri, biyoaktif kaplamalar, yumuşak doku onarımları, ilaç / protein/gen yükleme ve taşıma sistemleri ve mükemmel biyouyumlulukları, osteokondüktif özellikleri ve insan kemiklerinin inorganik bileşenine benzerlikleri nedeniyle biyomoleküllerin hızlı parçalanması için kolon kromatografisi gibi kullanımlar da dahil olmak üzere biyomedikal malzemeler olarak yaygın şekilde uygulandıkları için araştırmacılardan büyük ilgi görmektedir. Bu mükemmel biyouyumluluğunun yanı sıra HAp'ın mekanik özellikleri zayıftır. Bu yüzden medikal uygulamaları sınırlıdır, çeşitli polimerlerle kompozit oluşturularak mekanik zayıflıklarının azaltılması ve medikal alanda kullanımlarının arttırılması hakkında pek çok çalışma mevcuttur.
Biyolojik olarak parçalanabilir polimerlerin eklenmesi, çeşitli bozunma hızları ve mekanizmalarına sahip çok çeşitli farklı polimerler olduğu için ilaç salımı profillerini etkileyebilir. İlaç verilmesi için kullanılan yaygın polimerler, polilaktik / poliglikolik asit, proteinler (kolajen, jelatin, fibrin, vb. Gibi), karbonhidratlar (kitin, kitosan, nişasta, aljinat vb.) ve diğer polimerlerdir (polikarbonat, poli (propilen fumarat), poli (etilen) glikol, naylon, polipropilen, vb.). Polimerin özel olarak parçalanabilirliği ve seramik yapı iskeletlerinin gözenekliliği nedeniyle, uygun bozunma ve ilaç salım özelliklerine sahip iskeleleri modellemek mümkündür. Poliakrilik asit (PAAc) biyouyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilir olduğu için özellikle ilgi çekicidir. Karboksilik asit işlevi, hayvan dokuları ile temas ettiğinde çok yüksek yapışma gücü sağlar ve ilaç taşıyıcı sistemlerde de kullanılmaktadır.
5-Fluorourasil (5-FU) gastrointestinal sistem, pankreas, yumurtalık, karaciğer, beyin, meme, vb. türdeki kanserlerin tedavisinde kullanılan bir ilaçtır. İlaçın toksisitesi fazla olmasına rağmen kanserli hücreler üzerindeki öldürücü etkisinden dolayı kullanılmaktadır. Bu ilaçların hem toksik etkisini azaltmak hem de ilacın verimliliğini arttırmak için kontrollü ilaç salım sistemleri geliştirilmektedir. Bu ilaç taşıma sistemlerinde hedeflenen, hedef hücreye ilacın kontrollü bir şekilde salınmasını sağlayıp vücutta diğer dokulardaki sağlıklı hücrelere en az hasarı vermektir.
Bu çalışmada öncelikle HAp/PAAc kompozit malzemesinin, ex-situ ve in-situ yöntemlerle sentezlenmesi ve çözelti ortamında 5-FU yüklemesinin ardından ilaç salım performansının incelenmesi amaçlanmıştır. Ex situ HAp/PAAc kompozit malzemesinin üretim aşamasında farklı HAp ve PAAc miktarları ile çalışılarak HAp-PAAc oranlarının ilaç salım profili üzerine etkisi incelenmiştir. Elde edilen veriler doğrultusunda çalışmanın son aşaması olarak in situ yöntemle HAp/PAAc kompoziti üretilirken eş zamanlı 5-FU yüklemesi yapılıp salım performansı incelenmiştir. In situ HAp/PAAc kompozit malzemesinin üretim aşamasında çapraz bağlayıcı olarak bisakrilamid (BIS) kullanılmıştır. Farklı çözelti ortamlarındaki ilaç yükleme ve salım çalışmaları gerçekleştirilerek pH'ın ilaç salım profilinin üzerindeki etkileri incelenmiştir. İlaç salım profillerinin kinetik modellere uyumu çerçevesinde Sıfır Derece, Birinci Derece, Higuchi, Korsmeyer-Peppas ve Hixson-Crowell modellerine göre incelenmiştir.
Elde edilen kompozitlerin karakterizasyonu Fourier Transform Infared Spektrometresi (FTIR), Enerji Dağıtıcı Spektroskopi ile Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM-EDS) ve X Işını Difraktometresi (XRD) kullanılarak yapılmıştır. 
In situ yöntemle üretimi yapılan ve farklı çözelti ortamlarında ilaç yüklemesi ve salımı yapılan kompozitlerde, salım ortamı bazikleştikçe ilk ani salımlar artmıştır ve stabil olmayan salım davranışları görülmüştür. In situ kompozit üretilirken eş zamanlı olarak yüklenen 5-FU'nun salım deneyleri ise daha stabil bir davranış göstermiştir ve salım süresi diğer deneylere göre daha uzun sürmüştür.

Abstract:
Biomaterials are used to treat, evaluate, repair and/or replace any organ, tissue or function of the body, which increases the quality and duration of human life. Biomaterials offer promising solutions and can be used to replace or support damaged parts in the human body. Materials that closely resemble biological apatite (apatite: group of phosphate minerals) are easily digested and dissolved in the host tissue without any adverse effects on the host tissue. Hydroxyapatite (HAp) is a bone-derived material belonging to the bioceramics group, whose unit cell formula is Ca10(PO4)6OH2. HAp materials include uses such as bone fillers, bone tissue engineering scaffolds, bioactive coatings, soft tissue repairs, drug/protein/gene loading and delivery systems, and column chromatography for rapid degradation of biomolecules due to their excellent biocompatibility, osteoconductive properties, and similarity to the inorganic component of human bones. They are of great interest to researchers because they are widely applied as biomedical materials, including Besides this excellent biocompatibility, the mechanical properties of HAp are poor. Therefore, its medical applications are limited, there are many studies on reducing mechanical weaknesses by forming composites with various polymers and increasing their use in the medical field.
The mechanisms of biomolecule immobilization on the surface of HAp particles or implant materials are discussed in very few papers. In order to achieve a controlled and sustained drug loading effect on cells, it seems beneficial to develop biomaterial surfaces with covalently immobilized ligands that provide controlled release of proteins or drugs. A number of approaches have been developed for the conjugation of therapeutic agents or targeted ligands on the surface of nanoparticles and can be classified into two main groups. The other is conjugation of the drug by fissile covalent bonds and the other is binding via physical interactions.
The addition of biodegradable polymers can affect drug release profiles as there is a wide variety of different polymers with varying degradation rates and mechanisms. Common polymers used for drug delivery are polylactic/polyglycolic acid, proteins (such as collagen, gelatin, fibrin, etc.), carbohydrates (chitin, chitosan, starch, alginate, etc.), and other polymers (polycarbonate, poly (propylene fumarate), poly (ethylene) glycol, nylon, polypropylene, etc.). Due to the particular degradability of the polymer and the porosity of the ceramic scaffolds, it is possible to model scaffolds with suitable degradation and drug release properties. PAAc has found widespread use as a superabsorbent polymer, a dispersant, and many other applications. PAAc is of particular interest as it is biocompatible and biodegradable. The carboxylic acid function provides very high adhesive strength when in contact with animal tissues and is also used in drug delivery systems.
The development of a new drug molecule is expensive and time consuming. Improvement of the safety efficacy ratio of "old" drugs has been attempted using different modalities such as individualization of drug therapy, dose titration and therapeutic drug monitoring. Controlled rate of drug release, slow administration, targeted delivery are other methods of interest and are being followed. Numerous animal and human studies have led to a better understanding of the pharmacokinetic and pharmacodynamic principles that govern the action and regulation of potent analgesics, inhalation anesthetics, sedatives/hypnotics, and muscle relaxants. These studies suggest that the skin, cheek, and nasal mucous membranes can be used as alternative routes of analgesic and anesthetic administration. Similar developments with other compounds have spawned numerous new devices, concepts and techniques, together called controlled release technology.
Cancer is one of the most common diseases today. Treatment is expensive and takes a long time. Along with all these, the side effects of cancer treatment are also many.       5-Fluorouracil (5-FU) gastrointestinal tract, pancreas, ovary, liver, brain, breast, etc. It is a drug used in the treatment of various types of cancer. Uracil is a base in our RNA, and during DNA replication it transforms into a Thymine base and takes part in cell division and therefore reproduction. 5-FU, on the other hand, is the fluorine atom attached to the 5th carbon of the uracil ring, and in this state it prevents the conversion of uracil to thymine and cell proliferation. In this way, cancer treatment, which is uncontrolled cell proliferation, is treated by preventing cell replication. Although the toxicity of the drug is high, it is used because of its lethal effect on cancerous cells. However, direct or intravenous administration of 5-FU has several side effects such as diarrhea, nausea, vomiting, pain in the mouth, stomach pain, anemia, reduction in platelets and white blood cells. Cardiac, haematological, neural and dermatological toxic side effects are also severe via intravenous administration. In addition, due to the high metabolic rate in the body, maintaining a therapeutic serum concentration requires continuous administration of high doses; this produces a serious toxic effect if it induces concentrations above a certain limit. Due to the side effects of the drug and the development of drug resistance, the use of 5-FU with controlled drug release has gained great importance in recent years. In these drug delivery systems, the desired target cell is to be released in a controlled manner and to cause minimal damage to healthy cells in other tissues in the body.
In this study, it was primarily aimed to synthesize HAp/PAAc composite material by ex-situ and in-situ methods and to examine the drug release performance after 5-FU loading in solution medium. The effect of HAp-PAAc ratios on the drug release profile was investigated by working with different amounts of HAp and PAAc during the production phase of the ex situ HAp/PAAc composite material. In line with the data obtained, as the last step of the study, while producing HAp/PAAc composite with in situ method, simultaneous 5-FU loading was performed and the release performance was examined. Bisacrylamide (BIS) was used as a crosslinker during the production of the in situ HAp/PAAc composite material. The effects of pH on the drug release profile were investigated by performing drug loading and release studies in different solution environments. The drug release profiles were examined according to Zero Degree, First Order, Higuchi, Korsmeyer-Peppas and Hixson-Crowell models within the framework of compliance with kinetic models.
Characterization of the obtained composites was performed using Fourier Transform Infared Spectrometer (FTIR), Energy Dispersive Spectroscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM-EDS) and X-Ray Diffractometry (XRD).
In composites produced by in situ production method and drug loading and release in different solution environments, the initial immediate releases increased as the release medium became alkaline, unstable release behaviors and short release time were observed. 
The release experiments of 5-FU, which was loaded simultaneously while producing the in situ composite, showed a more stable behavior and the release time took longer than the other experiments.