Nanoparçacık yüklü hidrojeller
Nanaoparticle loaded hydrogels
Yazar: HÜSNA KILIÇ
Danışman: PROF. DR. DENİZ CEYLAN TUNCABOYLU
Bezm-i Alem Vakıf Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı / Biyoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: Nanopartiküller = Nanoparticles

Özet:
Dokuların veya organların polimer bazlı bir malzeme ile desteklenmesinde veya değiştirilmesinde biyofonksiyonellik ve biyouyumluluk önemlidir. Yüksek su içeriğine sahip, çapraz bağlı hidrofilik polimer zincirlerinden oluşan hidrojeller, son yıllarda klasik malzemelerden, uyaranlara duyarlı akıllı malzemelere dönüşmüşlerdir. 
Akıllı jeller tasarlamak üzere yola çıkılan bu tezin ilk kısmında stearil metakrilat (SM) ve vinilpirolidon (VP) bazlı, kendini iyileştiren ve şekil hafıza özelliklerine sahip biyouyumlu SM-x ağları hazırlandı. Çeşitli potansiyel biyouygulamalardaki gereksinimleri karşılayan jeller elde etmek için mol oranları kademeli olarak hidrofilikten hidrofobik birimlere %10 ila %90 arasında değiştirildi. Elde edilen jellerin zamana bağlı bir viskoelastik karaktere sahip olmalarının yanı sıra, jellerin mekanik özellikleri, reaksiyon ortamına verilen SM miktarı ile kontrol edildi. Düşük SM içerikli jeller başlangıç modül değerlerine tam olarak geri dönemezken, ≥%60 konsantrasyonlarda elde edilen jellerin kendini iyileştirme davranışında da etkili olan dinamik hidrofobik etkileşimler nedeniyle tamamen geri dönüşümlü olduğu gözlendi. Ayrıca tüm ağlar kalıcı şekillerini saniyeler içinde tamamen geri çağırarak şekil hafıza özelliğine sahip olduğu ortaya konulmuş oldu. Suyla temas açısı ile yakından ilişkili olarak SM-x hidrojelleri üzerine ekilen insan derisi fibroblast hücrelerinin canlılığının, tüm x değerlerinde %82'nin üzerinde olduğu bulundu. Bulgular neticesinde, SM-x jel numunelerinin geniş özellik yelpazesi, çeşitli biyomedikal uygulamalardaki ihtiyaçları karşılamak üzere önemli bir potansiyele sahip olduğu ortaya kondu. 
Tezin ikinci kısmında ise farklı geometrilerde ve yapılardaki metalik nanoparçacıkların özellikleri optimize edilen SM-x hidrojel ağlarına dahil edilmesiyle nanokompozit hidrojeller geliştirildi. Bu durum tamamen farklı iki malzeme türünün yenilikçi bir kombinasyonu ve yapısal bir çeşitliliğidir. Nanoparçacıkların daha az aglomare olması, mekanik güç ve uyaranlar karşısında sinerjistik özellik göstermesi sayesinde ileri fonksiyonel gelişmiş malzemeler oluşturuldu. Sıcaklığa duyarlı SM-VP hidrojellerinin ağ yapılarına akıllı malzeme özelliklerinin arttırılması için altın nanoküre (AuNS) ve gümüş nanoküp (AgNC) parçacıkları farklı oranlarda dahil edildi. Elde edilen nanokompozitler jellerin (Nc) nanoparçacıklar varlığında fototermal etkiye etkiye sahiptirler. Bu özellik Nc'ler hem ışığa hem de ısıya duyarlı jeller haline getirildi. Sentezlenen Nc jeller uygulanacak alana özgü testlerle farklı özellikler sergiledi. Örneğin, ışık kaynağı altında kendini iyileştirme özelliği AgNc 0.08 jellerinde en iyi sonucu verirken, şekil hafıza özelliği açısından AgNc-0.02 jellerinde sonuç belirgin bir farklılık gösterdi. Matriks içindeki nanoparçacıklar sayesinde SM-x versiyonuna kıyasla sıcaklık altında AgNc-0.08 jelleri kendini iyileştirme özelliği gösterirken, AgNc-0.02 jelleri ise şekil hafıza özellikleri açısından belirgin bir farklılık gösterdi. Nc-x hidrojelleri üzerine ekilen insan derisi fibroblast hücrelerinin canlılığı, tüm x değerlerinde %80'in üzerinde olduğu bulundu. Bu tez kapsamında nanoparçacık yüklü hidrojellerin, uyaranlar karşısında değişimler göstererek teknolojide yumuşak robotiklerden 4D sistemlere, biyomalzemelerden tıbba kadar çeşitli alanlarda uygulamalar için potansiyel adaylar olabileceği gösterildi.

Abstract:
Biofunctionality and biocompatibility are important when supporting or replacing tissues or organs with a polymer-based material. Hydrogels consisting of cross-linked hydrophilic polymer chains with high water content have transformed from classical materials to smart materials sensitive to stimuli in recent years. 
In the first part of this thesis, which set out to design smart gels, biocompatible SM-x networks with self-healing and shape memory properties were prepared based on stearyl methacrylate (SM) and vinylpyrrolidone (VP). The mole ratios were gradually changed from hydrophilic to hydrophobic units from 10% to 90% to obtain gels meeting the requirements in various potential bioapplications. Besides having a time-dependent viscoelastic character of the obtained gels, the mechanical properties of the gels were controlled by the amount of SM introduced into the reaction medium. While the gels with low SM content could not fully return to the initial modulus values, it was observed that the gels obtained at ≥60% concentrations were completely reversible due to dynamic hydrophobic interactions, which also had an effect on the self-healing behavior. In addition, it was revealed that all networks have shape memory feature by fully recalling their permanent shapes in seconds. Closely related to the angle of contact with water, the viability of human skin fibroblast cells seeded on SM x hydrogels was found to be over 82% at all x values. As a result of the findings, the wide range of properties of SM-x gel samples revealed that it has significant potential to meet the needs in various biomedical applications. 
In the second part of the thesis, nanocomposite hydrogels were developed by incorporating metallic nanoparticles of different geometries and structures into SM-x hydrogel networks whose properties were optimized. This is an innovative combination and structural variation of two completely different material types. Advanced functional materials have been created thanks to the fact that nanoparticles are less agglomerated and show synergistic properties against mechanical power and stimuli. Gold nanospheres (AuNS) and silver nanocubes (AgNC) particles were included in different proportions to increase smart material properties in the network structures of temperature-sensitive SM-VP hydrogels. The obtained nanocomposites have a photothermal effect in the presence of gels (Nc) nanoparticles. This prope rty made Ncs into both light- and heat-sensitive gels. The synthesized Nc gels exhibited different properties with the tests specific to the area to be applied. For example, the self-healing property under light source gave the best results in AgNc-0.08 gels, while the result showed a significant difference in AgNc-0.02 gels in terms of shape memory roperty. Thanks to the nanoparticles in the matrix, AgNc-0.08 gels showed a self healing feature under temperature compared to the SM-x version, while AgNc-0.02 gels showed a significant difference in shape memory properties. The viability of human skin fibroblast cells seeded on Nc-x hydrogels was found to be over 80% at all x values. Within the scope of this thesis, it has been shown that nanoparticle-loaded hydrogels can be potential candidates for applications in various fields, from soft robotics to 4D systems, from biomaterials to medicine, by showing changes in response to stimuli.