Kitosan temelli kontrollü salım sistemlerinin sentez ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of chitosan based controlled release systems
Yazar: AHMET KÜÇÜKÇALIK
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT HÜSEYİN ÜNLÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Akılcı ilaç kullanımı = Rational drug use ; Biyokimya = Biochemistry ; Organik kimya = Organic chemistry

Özet:
Kontrollü salınım sistemleri birçok araştırmacının ilgi alanına giren popüler bilim alanlarındandır. Kontrollü salım sistemleri arasında pH'a duyarlı sistemler en çok kullanılan kontrollü salım sistemleridir. Kitosanın asidik ortamda şişme yapması ve bazik ortamda büzülme davranışında bulunması ve büyük polimer yapısının hem insan vücuduna uyumlu hem de suda çözünebilir olması, hücre membranlarından geçebilmesi ve vücutta kalıntı yapmaması sayesinde kontrollü ilaç salım sistemlerinin odak noktasına oturmasına ve araştırmalarda aktif kullanılmasına sebep olmuştur.
Genelde vücuttaki proteinlere bağlanma için temel bir kriter olan katyonik olma gerekliliği bir de buna ek olarak doğal bir polisakkarit olma özelliği ile kitosan gelişmeye açık birçok alan için uygulanabilir bir kimyasal ortam oluşturmakta ve yeri doldurulamaz bir taşıyıcı olarak görülmektedir.
Kitosanın modifikasyona elverişli ve birçok molekülle konjugat oluşturabilen yapısı uygulama alanlarında çok geniş bir esneklik kazandırmaktadır. Ayrıca kitosanın biyofilm oluşturabilir özelliği ile insanda deri oluşumuna sebebiyet veren fibroblast, kolajen ve keratinosit gibi bir takım birimleri harekete geçirmesi sayesinde hızlı iyileşme ve yara kapatma sağlaması birçok in vivo çalışmada yara örtüsü olarak kullanılmasına yol açmıştır. 
Bu çalışmada kapsam kitosanın türevleri olan mevcut modifikasyonlara bir yenisini eklemeye ve bu anlamda bir taşıyıcı koymaya ve bir adım daha atmaya yaramıştır.
Yapılan çalışmada kitosanın seryum amonyum nitrat ile radikal oluşumu sayesinde akrilamit ile graft polimerizasyonu gerçekleştirilmiş ve elde edilen polimer üzerinde çapraz bağlama ajanı olan metilen bisakrilamit kullanılarak polimerin mikro alemde kocaman bir yumak oluşturacak geniş bir matriks temin etmesi sağlanmıştır. Böylece özellikle negative yüklü ilaçlar olmak üzere envai çeşit ilacın istenen bölgede sevk edilmesi ve bu sevkin zamana yayılı şekilde kontrollü olarak yapılmasında kitosanın önemi ziyadesiyle büyüktür. 
Bu amaçla yapılan polimerleşme denemelerinde sıcaklık, monomer konsantrasyonu, başlatıcı kmonsantrasyonu gibi çeşitli parametreler kullanılarak başlatıcı olarak CAN kullanılmış ve kopolimerler sentezlenmiştir. Koşulların değiştirilmesi ele geçen kopolimer miktarı üzerinde etkili olmuştur. En uygun koşullar 0,1 g kitosan ve 0,5 g akrilamit kullanılarak 40 ºC'de 3 saatlik reaksiyon sonunda 0,05 M CAN konsantrasyonunda elde edilmiştir.
Kitosan akrilamit graft kopolimerleri sentezlendikten sonra, kontrollü salım için daha uygun olan çapraz bağlı polimer sentezi yapılmıştır. Çapraz bağlama ajanı olarak metilen bisakrilamit (MBA) kullanılmıştır. Çapraz bağlı kopolimerlerin karakterizasyonları IR, NMR, TGA kullanılarak yapılmıştır.
Çapraz bağlı kopolimerler için üç farklı oranda AAm:MBA oranı 15:1, 20:1 ve 30:1 olarak kullanılarak sentez gerçekleştirilmiştir.
Elde edilen çapraz bağlı kopolimerlere asetil salisilik asit (ASA) yüklenmiş, yükleme literatürde PEC metodu olarak da bilinen bir teknik kullanılarak yapılmıştır. Bu tekniğe göre asidik ortamda bulunan katyonik polimer üzerine bazik ortamda olan anyonik aktif molekül yani yüklenmek istenen molekül eşit hacimde yedirilir.
Taşıyıcı olarak görevlenen yüklenmiş polimerlerin, 2, 6 ve 8,5 olmak üzere üç farklı pH ortamında salımı UV ile dedekte edilmiş ve sonuçlar rapor edilmiştir.
Kontrolü salımda ortam asitliğinin salım davranışını değiştireceği bilindiğinden midenin düşük pH'ında (asit), cilt üzerinde (ılıman asidik, nötrale yakın) ve bağırsakların bazik pH'ında değişimler değerlendirilerek avantaj ve dezavantaj durumları değerlendirilmiştir.
Asidik ortamda kopolimerlerin salımları daha hızlı gerçekleşmiş, nötral ve bazik ortamlarda ise giderek azalan salım davranışı tespit edilmiştir. Bunda polimerin asidik ortamda şişerek üzerine adsorbe ettiği aktif molekülleri ortama bırakması, bazik ortamda ise büzülerek gözeneklerin küçülerek, daha önce yüklenen molekülleri bünyesinde tutması etkili olmuştur.

Abstract:
Controlled release systems one of the most popular fields that take interest for many researchers. Among the controlled release systems, pH-sensitive systems are the most widely used controlled release systems. Thanks to chitosan behaviors of swelling in acidic environment and shrinking in basic environment and although having large polymer structure, being water soluble and biocompatible and could pass through the cell membrane that do not resist in the body which gave it the top position among other controlled drug release systems and cause to active use of it through the researches.
One of the general requisite to binding the proteins in the body is being cationic structure additionally being natural polysaccharide as chitosan properties which present the adjustable chemical medium for many development scopes. Also offer an irreplaceable carrier in the consider of researchers.
Chitosan's available structure for modification that can form conjugate with many active molecules make it wide open for stretchable application. Beside the biofilm forming property and activating the human derm friendly unites like fibroblast, collagen, keratinosites in the body which provides fast healing and wound closing, chitosan is used for in vivo wound dressing studies.
Even though this study is not progressed to test in vivo or in vitro mediums, but to make a new compound addition to current literature of chitosan derivatives and in the name of that works for taking one step beyond.
In this study the graft polymerization of chitosan with acrylamide is realized thanks to cerium ammonium nitrate being radicalic initiator and handled polymer is further crosslinked with methylene bisacrylamide that form a huge matrix in the micro level considering like a yarn ball diffused. So that especially negatively charged drug molecules, dozens of drug molecules could be transferred to the desired region and making this transfer splitting in controlled times chitosan's emerging importance is so big.
As a proof there are many studies that chitosan is used as multiple cancer drug carriers. On the other hand, nowadays top popular targets is brain related neural disease where chitosan could be used for active drug carriers according to my prediction.
That's why it is hard to bind the small drug molecules to big structured proteins however it is much easier to bind the big polymeric structures to the liked-size proteins and interactions of that drug carrier polymers with the proteins gets higher efficiency and higher drug effect than the small drug molecules does.
Although, protein interactions is not estimated in this study, controlled release of acetyl salycylic acid to the medium is determined and the increase or decrease in the release at different pH environment is observed. Related to that advantageous and disadvantageous situations at stomach and small intestines is evaluated. Thus modified chitosan offered opportunities are scientifically understood at drug molecules which pass through the cell membrane and later diffuse in the blood in case of that behavioral differences.
Even though many chitosan derivatives are known, additional of a new one recognition is acquired. Thus, the functionalities and characterization of this new drug carrier matrix alternative is noted.
In this thesis, graft polymerization of chitosan and acrylamide is done firstly, and then crosslinking of handled copolymer is spectrally approved and the way of crosslinking at the acrylamide edge of the same prolonged polymeric chain is proved by the spectral evidences.
There are four copolymers at total, one is only graft copolymer and the other three were different crosslinked ratio copolymers. As a crosslinking agent methylene bisacrylamide (MBA) is used. The decreasing order of AAm:MBA crosslinking ratios are 15:1, 20:1 and 30:1 consequently.
The loading procedure is realized through PEC method in which acetyl salycilic acid is negatively charged meaning of being in basic environment and the copolymers are positively charged meaning of being in acidic environment. So that the encapsulation could be made. The acetyl salycilic acid loaded copolymers is squeezed and pellet form is attained under high pressure.
Purpose of synthesizing copolymers is to form a carrier matrix for active drug molecules and in this case for acetyl salycilic acid. Three different pH environment is exposed to controlled release that are pH 2 (acidic), pH 6 (neutral) and pH 8.5 (basic) mediums.
Four different copolymers and three different medium meaning twelve different release measurements are obtained. The controlled release of copolymers are detected with UV spectrum and the spectral results are reported.
In the acidic medium copolymer release for loaded drug molecule occur fastly comparing to the neutral and basic mediums thanks to chitosans swelling behaviour in acidic medium. And the slowest release is realized through the basic medium where the chitosan is shrinking and copolymer pores get more smaller that not allow the drug molecules to move to the medium.
As the ratio of crosslinking agent gets higher, the copolymer controll on the release is much stronger meaning the highest crosslinked ratio copolymer (15:1) has very slow release compared to other crosslinked ratio copolymers (20:1 and 30:1) which indicates that copolymer release behaviour could be treated with the crosslinking agent amount.
After the results are given the possible progressive suggestions are made for in vitro and further in vivo studies as a forth seeing approach.
The loading procedure is realized through different three mechanism is argued. Those three mechanisms are absorption, encapsulation and adsorption. Effect of loaded active drug molecules via absorption road is contributed with the changing crosslinking agents. Which indicate a controll on physical molecular bond that can not changed easily. For example utilizing epichlorohydrin instead of methylene bisacrylamide can change the drug loading capacity through absorption mechanism so forth.
Drug loading capacity thorugh encapsulation mechanisms could be changed with utilizing different loading techniques instead of PEC method. Also different pH mediums could be applied before mixing the drug solution and the polymer solution. In this study polymer solution was in strong acidic envionment and the drug solution meaning acetyl salycilic acid solution was in strong basic environment. As this could changed the drug loading capacity through encapsulation can be altered.
Lastly adsorption capasity on drug loading can be altered with utilizing diffferent electronic effect active drug molecules. There are lots of active drug molecules that has been studied with chitosan, some of them are positively charged meaning of including –NH and –SH functional groups and some of them are negatively charged meaning of including negatively charged –OH and –COOH groups. In this study the utilized active drug molecule acetyl salycilic acid has negatively charged functional groups. But this could be altered with the mentioned active drug molecules in the thesis so the capacity of adsorption of loading molecules could be manipulated.
As a conclusion obtaining a new drug carrier chitosan derivative and characterization of four differently synthesized copolymers is successfully realized and the results are reported in a way of scientific evidences.