İpek fibroini ve insan saçı keratini kullanılarak mikroiğneli yama geliştirilmesi: transdermal ilaç salım sistemi uygulaması
Development of a microneedle patch using silk fibroin and human hair keratin: application of transdermal drug delivery system
Yazar: SAHRA EZGİ SÜNGÜ
Danışman: DOÇ. DR. ÖMER AKTÜRK ; DOÇ. DR. BENGİ YILMAZ
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, Bombyx mori ipek böceği kozasından ve insan saçından izole edilen ipek fibroin (SF) ve keratin (K) biyopolimerleri kullanılarak bir deri yaması üretilmesi ve bunun transdermal bir ilaç salım sistemi olarak uygulanabilirliğinin araştırılması amaçlanmıştır. İlaç geçirgenliğini artırmak ve hasta dostu bir uygulama yöntemi olması için yamalar, mikroiğneli yapılarla birleştirilmiştir. Böylelikle minimal invazif, ağrısız, yüksek ilaç salımı sağlayan, oral yolla alınan ilaçların dermal yolla hızlı bir şekilde sistemik sirkülasyona karışabildiği ve hipodermik iğnelere alternatif bir yöntem geliştirilmesi hedeflenmiştir. 
Yamaları üretmek için elektroeğirme yöntemi tercih edilmiştir. Elektroeğirme çalışma parametreleri (mesafe = 23,5 cm, voltaj = 8 kV, akış hızı = 0,8 mL/h) sürekli, düzgün dağılımlı ve sağlam yapıda fiberler elde edecek şekilde optimize edildikten sonra SF/K karışım gruplarından bolca hazırlanmış ve bunlar %75 etanol (EtOH) buharında yapıları daha sağlam hale getirmek için 1 gün boyunca muamele edilmiştir. Grupların kimyasal yapısı, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, fiberli yapısı Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), gözenek dağılımları Civalı Porozimetre ve termal özellikleri Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) analizleri ile incelenmiştir. Daha sonraki testlerde; sadece EtOH ile işlem görmüş grupların hidrolitik degradasyon, su tutma, su temas açısı, çekme testi ve mikroiğne delme deneyleri de yapılmıştır. Bütün EtOH ile işlem görmüş gruplara asetilsalisilik asit (ASA) ilacı kaplama yoluyla yüklenmiş ve in vitro ilaç salım çalışması, son olarak da L929 hücre hattı kullanılarak in vitro biyouyumluluk testleri yapılmıştır.
Bütün yama gruplarının fiber çapları 1 µm civarındadır. Keratin eklenen gruplarda ortalama fiber çapları azalmıştır. EtOH işleminden sonra grupların gözenekleri daha homojen hale gelmiştir. Ayrıca, EtOH işleminden sonra grupların kimyasal yapısında da değişimler meydana gelmiştir, yani Amit bantlarında belirgin değişimler (rastgele sarım/α-sarmal yapıdan β-yaprak yapısına dönüşümler) görülmüştür. Kesilen mikroiğnelerin boyutu 500-1000 µm arasında değişmektedir. Deney gruplarının sulu ortama kararlılığı (%8-9 civarında çözünmüşlerdir) su tutma (kuru ağırlıklarının 10-16 katı kadar) ve hidrofilik özellikleri yüksektir. Mekanik özelliklere göre; keratin içermeyen grup daha esnek iken, keratinle birlikte daha kırılgan hale gelmiştir. Kullanılan sert destek sayesinde mikroiğneli yamaların delme derinliği yüksektir. Mikroiğneli yamalarda ilaç geçirgenliği ve ilaç salım hızı artmış ve serbest ilaçla yarışır düzeye gelmiştir. Bütün grupların MTT analizi ile %94 hücre canlılık oranı ile mükemmel biyouyumlulukları olduğu teyit edilmiş, hücre yapışması, yayılması ve çoğalmasını destekler özellikleri olduğu görülmüştür.
Sonuç olarak, metalik mikroiğnelerle kaplı bu SF/K lifleri (özellikle de 50K grubu) sahip olduğu gelişmiş fiziko-kimyasal özellikler ve mükemmel biyouyumlu yapısı ile transdermal deri yamaları olarak önemli bir potansiyele sahiptir ve bu sebeple ASA yüklü grupların gelecekteki klinik uygulamalarda umut vadeden hasta dostu bir biyomalzeme olarak uygulanabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
In this thesis, it was aimed to produce a skin patch using silk fibroin (SF) and keratin (K) biopolymers isolated from Bombyx mori silkworm cocoon and human hair and to investigate its applicability as a transdermal drug delivery system. To increase drug permeability and provide a patient-friendly application method, the patches were combined with microneedle structures. Thus, it was aimed to develop a technique that is minimally invasive, painless, provides high drug release, allows oral drugs to be rapidly mixed into the systemic circulation via the dermal route, and is an alternative to hypodermic needles.
The electrospinning method was preferred to fabricate the patches. After optimizing the electrospinning operational parameters (distance = 23.5 cm, voltage = 8 kV, flow rate = 0.8 mL/h) to obtain continuous, uniformly distributed, and robust fibers, SF/K mixture groups were prepared in large quantities and treated in 75% ethanol (EtOH) vapor for 1 day to make the structures more stable. The chemical structure of the groups was investigated by Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, the fibrous structure by Scanning Electron Microscopy (SEM), pore distributions by Mercury Porosimeter, and thermal properties by Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis. In the subsequent tests; hydrolytic degradation, water uptake, water contact angle, tensile test, and microneedle insertion experiments of only EtOH-treated groups were also performed. All EtOH-treated groups were loaded with acetylsalicylic acid (ASA) drug by coating and an in vitro drug release study was conducted, finally in vitro biocompatibility tests were performed using the L929 cell line.
Fiber diameters of all patch groups were around 1 µm. Average fiber diameters decreased in the groups with keratin. After EtOH treatment, the pores of the groups became more homogeneous. Also, after EtOH treatment, changes occurred in the chemical structure of the groups, namely, significant changes in the amide bands (transformations from random coil/α-helical structure to β-sheet structure) were observed. The size of the cut microneedles varied between 500-1000 µm. The stability of the experimental groups in aqueous medium (they dissolved around 8-9%), water uptake (10-16 times their dry weight), and hydrophilicity properties were high. According to mechanical properties; while the group without keratin was more flexible, it became more brittle with keratin. Thanks to the hard support used, the penetration depth of microneedle patches is high. Drug permeation and drug release rate increased in microneedle patches and reached a level that competed with the free drug. All groups were confirmed to have excellent biocompatibility with a 94% cell viability rate by MTT analysis, and it was observed that they supported cell adhesion, spreading, and proliferation.
As a result, these SF/K fibers coated with metallic microneedles (especially the 50K group) have significant potential as transdermal skin patches with their improved physicochemical properties and excellent biocompatible structure, and it is therefore supposed that ASA-loaded groups can be applied as a promising patient-friendly biomaterial in future clinical applications.