İlaç taşıyıcı olarak halloysit içeren nanosüngerlerin tasarımı, sentezi ve karakterizasyonu
Design, synthesis and characterization of halloysite containing nanosponges as drug carrier
Yazar: BURCU AKAR
Danışman: PROF. DR. HATİCE KAPLAN CAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Günümüzde nanomalzemeler, özel nitelikleri ve kullanım alanları nedeniyle birçok endüstride oldukça önem taşımaktadır. Küçük boyutları ve yüksek yüzey alanı/hacim oranları nedeniyle nanomalzemeler benzersiz özellikler gösterirler. Hedefe yönelik bir ilaç taşıma sisteminin oluşturulması, nanoteknolojideki son gelişmelerin sonucudur.Bununla birlikte, bir molekülün, belirli bir bölgeye başarılı bir şekilde hedeflenmesi için özel bir ilaç taşınım sistemine ihtiyaç duyulmaktadır. Hem hidrofilik hem de hidrofobik ilaçları barındırabildikleri için nanosünger (NS) nanomalzemelerin geliştirilmesi, ilaç toksisitesi, düşük biyoyararlanım ve ilaç taşınımı gibi bazı sorunların çözümünde çok önemli bir adım haline gelmiştir. Nanosüngerlerin gözenekli yapısı onlara ilaç moleküllerini hapsetme ve istenen şekilde taşınımının sağlaması konusunda özel bir nitelik kazandırır. Nanosüngerler, vücutta hedef bölgelere doğru hareket edebilen ve yüzeylere yapışarak ilaçları istenen şekilde taşınmasını sağlayan viskoelastik yapıdaki nano boyutta süngerlerdir. Benzersiz yapıları nedeniyle nanosüngerler çok çeşitli kimyasalları absorplayabilir. Nanosüngerlerin yüksek yüzey alanı en önemli özelliklerinden biridir. Yapıları nedeniyle nanosüngerler birim hacim başına çok sayıda gözenek içerebilir. Gözenekleri sayesinde sıvı veya gaz halindeki malzemeleri absorplaması mümkündür. Nanosüngerlerin uygulamaları oldukça çeşitlidir. Bunlar ilaç dağıtımı, tıbbi uygulamalar, çevre kirliliği, doku mühendisliği ve malzeme bilimi dahil olmak üzere çok çeşitli sektörlerde yer almaktadır. Örneğin nanosüngerler biyomedikal alanda belirli bölgeleri hedeflemek veya yara iyileşmesini hızlandırmak için kullanılabilir. Nanosüngerlerin özellikleri ve uygulamaları, nanoteknolojinin sağladığı yeni çözümlerde hayati bir rol oynamaktadır. Bu tez çalışmasındaki temel amaç kanser tedavisinde kullanılan hidroksiürenin, farklı çapraz bağlayıcılar ile sentezlenen betasiklodekstrin (βCD) temelli nanosüngerler ile hem yan etkilerinin azaltılması hem de vücutta pasif taşınımının sağlanmasıdır. Ayrıca sentezlenen nanosünger malzemelerin halloysit kil ile konjugasyonunun elde edilmesi ile birlikte yüzey alanı çok daha yüksek ve ilacı kendine bağlayabilme kapasitesi arttırılmış nanomalzeme elde edilmiştir. Maleik anhidrit (MA), epiklorohidrin (EPI) ve maleik anhidrit-epiklorohidrin (MA-EPI) varlığında sentezlenen üç farklı nanosünger malzeme sentezlenirken çözelti yöntemi kullanılmış olup halloysit ile etkileşimleri ise in-situ ve ex-situ metodu ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen üç farklı yapı ile nanosünger-ilaç konjugatları elde edilmiş olup, bu üç farklı nanosünger yapının HNT katkısı sonrasında elde edilen nanosünger-kil nanokompozitlerinin ve HNT katkısız nanosünger yapıların ilaç ile etkileşimi karşılaştırılmıştır.Ayrıca çapraz bağlayıcılarla birlikte nanosünger yapılarının özellikleri incelenerek, malzemeler arasındaki farklılıklar belirlenmiş ve en az toksik etkiye sahip nanosünger 
yapıları belirlenmiştir. Tez çalışmasında, maleik anhidrit yapısının toksik etkisinin daha 
az olması nedeniyle, oldukça toksik olan epiklorohidrin yapısını içeren nanosüngerler 
ile karşılaştırılmış ve maleik anhidrit içeren nanosünger yapıları epiklorohidrin içeren 
nanosünger yapılarından farklılaştırılmıştır.Tüm sentezlenen malzemelerin yapıları ATR-FTIR (Attenuated Total ReflectionFourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi), Proton Nükleer Manyetik Rezonans (1HNMR), X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) kullanılarak aydınlatılmıştır. Termal 
Gravimetrik Analiz (TGA) ile sentezlenen malzemelerin bozunma sıcaklıkları incelenmiştir. Nanomalzemelerin camsı geçiş sıcaklığı ve ısıl geçişleri hakkında bilgi veren Dinamik 
Mekanik Analiz (DMA) ile malzemenin dinamik mekanik özellikleri hakkında bilgi edinilmiştir. Nanomalzemelerin yüzey morfolojisini inceleyebilmek için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) analizi yapılmıştır. Bu tez çalışmasında, sentezlenen nanosünger hidroksiüre konjugatlarının hücresel 
etkileri HEK293 hücresi, insan embriyonik böbrek hücreleri üzerinde gerçekleştirilmiştir. Yapılan sitotoksisite deneylerinde, konjugatların hücre içi etkileşimleri ve hücre üzerindeki etkileri incelenerek, potansiyel biyomedikal uygulamaları belirlemeye çalışılmıştır. Elde edilen bulgular, nanosünger-hidroksiüre konjugatlarının hücreler üzerindeki etkinliğinin anlaşılmasına ve gelecek çalışmalar için temel oluşturmuştur.

Abstract:
Nanomaterials are of significant importance in many industries today due to their 
special properties and usage areas. Due to their small size and high surface area-to-volume ratios, nanomaterials exhibit unique characteristics. The development of a targeted drug delivery system is a result of recent advancements in nanotechnology. However, the successful targeting of a molecule to a specific region requires a specialized drug delivery system. The development of nanosponges (NS) based on nanomaterials, capable of hosting both hydrophilic and hydrophobic drugs, has become a crucial step in addressing certain issues such as drug toxicity, low bioavailability, and drug transportation. The porous structure of nanosponges grants them a unique ability to trap drug molecules and facilitate their transportation as desired. Nanosponges are nano-sized, viscoelastic 
structures capable of moving towards target areas in the body and adhering to surfaces 
to facilitate the transportation of drugs in the desired manner. Due to their unique structures, nanosponges can absorb a wide variety of chemicals. One of the most significant features of nanosponges is their high surface area. Their structures allow them to contain numerous pores per unit volume, enabling them to absorb materials in liquid or gas states. The applications of nanosponges are diverse, including drug delivery, medical applications, environmental remediation, tissue engineering, and materials science. For instance, nanosponges can be used in 
biomedicine to target specific areas or accelerate wound healing. The properties and applications of nanosponges play a vital role in the novel solutions provided by nanotechnology. The primary aim of this thesis is to utilize β-cyclodextrin (βCD) based nanosponges synthesized with different binders to enhance the passive transportation and reduce the side effects of hydroxyurea, commonly used in cancer treatment. Additionally, by conjugating the synthesized nanosponge materials with 
halloysite clay, a nanomaterial with a significantly increased surface area and enhanced 
drug binding capacity is obtained. Three different nanosponge materials are synthesized 
in the presence of maleic anhydride (MA), epichlorohydrin (EPI), and maleic anhydride-epichlorohydrin (MA-EPI), using a solution method, and their interactions  with halloysite are realized through in-situ and ex-situ methods. Three different structures of nanosponge-drug conjugates were obtained, and the interaction of these three different nanosponge structures with drugs was compared between nanosponge-clay nanocomposites obtained after the addition of HNT and nanosponge structures without HNT addition.Additionally, by investigating the properties of nanosponge structures in conjunction with cross-linkers, differences between materials have been identified, and nanosponge structures with the least toxic effects have been determined. In the thesis study, nanosponges containing maleic anhydride structures were compared with nanosponges 
containing epichlorohydrin structures, which are highly toxic due to the lesser toxic 
effect of maleic anhydride structure.The structures of all synthesized materials are elucidated using Attenuated Total Reflection-Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR), Proton Nuclear 
Magnetic Resonance (1H-NMR), and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Thermal Gravimetric Analysis (TGA) is utilized to examine the decomposition temperatures of the synthesized materials. Dynamic Mechanical Analysis (DMA) provides insights into the dynamic mechanical structure of the material by providing information on the glass transition temperature and thermal transitions of nanomaterials. Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis is conducted to examine the surface 
morphology of nanomaterials.In this thesis study, the cellular effects of synthesized nanosponge-hydroxyurea conjugates are evaluated on HEK293 cells, human embryonic kidney cells. Through 
cytotoxicity experiments, the intra-cellular interactions and effects on cells of the conjugates are investigated to determine potential biomedical applications. The findings obtained contribute to the understanding of the effectiveness of nanosponge-hydroxyurea conjugates on cells and lay a foundation for future studies.