Antibakteriyel özelliklere sahip ve kendi kendini iyileştirebilen yara örtüsü olarak kullanılabilecek polivilin alkol esaslı hidrojellerin geliştirilmesi
Development of polyvinyl alcohol based hydrogels with antibacterial properties and can be self-heali̇ng used as wound dressings
Yazar: NİMET RUMEYSA KARAKUŞ
Danışman: PROF. DR. MAHMUT ÖZACAR
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
İstatiksel olarak bakıldığında her gün yüzlerce insanın başına gelme ihtimali oldukça 
yüksek olan yanık yaralanmaları gündelik yaşamı olumsuz yönde etkileyebilmektedir.
Yanık yaraları kaynamış su veya sıvılar sebebiyle, ateş, kızartma yağı gibi yaşamsal 
fonksiyonların devam edebilmesi için kullandığımız etmenlerden kaynaklanabileceği 
gibi insan vücudunun dayanamayacağı soğukluk derecesindeki bir ortamdan yahut 
radyasyon, elektriksel olarak yüksek voltaj ile temas etmek gibi daha az karşılaşılan 
faktörlerden de kaynaklı olarak meydana gelebilmektedir. Bu gibi durumlarda 
deforme olmuş doku bölgesinde iyileşme mekanizması devreye girerek hasar tamiratı 
başlar. Bu mekanizma iç içe geçmiş hemostaz, inflamatuar, proliferasyon ve yeniden 
şekillenme evrelerini kapsayan oldukça kompleks bir süreç olmakla birlikte sürecin 
sonunda yaranın iyileşmesi sağlanır.
Hemostaz evresi yaralanmış bölgelerdeki kanama ihtimalini durdurmak için 
trombositler yardımıyla pıhtı oluşumunu sağlayarak bölgede tampon oluşturur 
ardından bir iltihaplanma süreci yani inflamatuar evre gelmektedir ve bu süreçte 
dışarıdaki zararlı etmen ve mikroorganizmaları nötrofil ve makrofaj tarafından 
gerçekleştirilen fagositoz yoluyla yok ederek yara bölgesini korumayı 
hedeflemektedir. Bu evrenin devamında ise hücrelerin çoğalarak hasar almış dokuyu 
onarma cilt fonksiyonlarını eski formuna getirerek yeniden kazandırılmaya 
hedeflediği proliferasyon evresi gelmekte olup devamında ise iyileşmenin son aşaması 
olan hasarlı dokunun gerilim kuvvetini arttırarak yeniden şekillenmesini sağlayarak 
onarımının tamamlandığı olgunlaşma ve yeniden şekillenme evresi ile birlikte süreç 
tamamlanmaktadır.
Bazı durumlarda ise deforme olmuş doku kendini yenileyemeyerek tıbbi müdahaleler 
ile birlikte tedavi edilmesi gerekmektedir. Tedavi edilmeyen dokular zamanla 
kaybedilerek hastanın yaşamı olumsuz yönde etkilenebilir. Bu gibi durumların 
yaşanmaması adına yanık derecesinin tespit edilerek buna uygun olan tedavilerin hızlı 
ve efektif bir şekilde yara lokasyonuna uygulanması gerekir. Yanık derecelerinin tespit 
edilebilmesi için ise deforme olmuş derideki lokasyonunun tam olarak bilinmesi önem 
arz etmektedir. Deri temel olarak epidermis, dermis ve hipodermis olarak adlandırılan 
3 farklı katmana sahip bir yapı olması ile birlikte bütün vücudu kaplayarak en büyük 
yüzey alanı ünvanına sahip bir organdır.
Epidermis tabakasında meydana gelen hasarlar birinci derece yanıklar olarak, dermise 
ulaşan hasar ikinci derece yanıklar, hipodermis tabakasına ulaşan yanıklara üçüncü 
derece yanıklar ve sadece deri değil kas ve kemiğin de etkilendiği büyük boyutta 
hasara neden olan yanıklar ise dördüncü derece yanıklar olarak tanımlanmaktadır. Bu 
tespit yapıldıktan sonra uygun yöntemler seçilerek yara bölgesinin tedavi edilmesi amaçlanır. Bu yöntemlerden bir tanesi ise yara bölgesini dış ortamdan ayırarak 
enfeksiyon riskini azaltmayı amaçlayan hidrojel yara örtüleridir.
Hidrojel yara örtüleri çeşitli doğal veya sentetik polimerlerin ve katkı malzemelerin
bir araya getirilerek oluşturulan yara örtüleri çeşitlerin biridir. Temel amaç olarak 
yaranın nemli kalmasını sağlayarak ihtiyaç duyduğu oksijeni giriş çıkışına imkan 
duyan ve zararlı mikroorganizmaların yara etrafında konumlanmasını engelleyerek 
koruma sağlamaktır.
Bu tez çalışmasında Polivinil alkol (PVA), Polietilen glikol (PEG), Polivinil pirolidon
(PVP), Polietilenimin (PEI) gibi sentetik polimerlerin farklı kombinasyonları tercih 
edilerek yeni bir antibakteriyel esaslı hidrojel yara örtüleri geliştirebilmek 
amaçlanmıştır. Çapraz bağlayıcı olarak tannik asit (TA) kullanılmış olup okaliptus ve 
karanfil gibi uçucu yağların antibakteriyel özelliklerinden yararlanılmak istenmiştir.
Aynı zamanda gentamisin kullanılarak doku iyileştirmesine destekli antibakteriyel 
etkisi yüksek olan farklı hidrojel numuneleri de sentezlenmiştir.
Geliştirilen hidrojel numunelerinin yapısal bağlarının anlaşılabilmesi için FTIR analizi 
uygulanmıştır. Escherichia coli (E. coli) ve Staphylococcus aureus'a (S. aureus) karşı 
antibakteriyel aktivitelerini test edebilmek için bakteri kültürlü ortam içeren petri 
kaplarında 37°C'de 24 saat inkübe edilmiştir. Hazırlanan hidrojellerin su emme, nem 
tutma kapasitesi ve hidrofilik özelliklerinin araştırılması amacıyla şişme testleri, nem 
tutma testleri ve temas açısı ölçümleri gibi karakterizasyonlar yapılmıştır. Ayrıca 
hidrojellerin kendi kendini iyileştirme ve donmama yeteneklerini tespit etmek için 
çizik testi yapılmıştır ve sonuçlar optik mikroskopta gözlemlenmiştir. Gözenek 
yapılarının incelenmesi için SEM analizi ve gentamisin salımının anlaşılması için ise 
UV-spektrofotometre kullanılarak ilaç salım yüzdeleri incelenmiştir. Mekanik 
dayanım için numunelere çekme testi yapılmış olup yapılan karakterizasyon testleri 
analiz edilmiştir.
Test sonuçları incelendiğinde E. coli ve S. aureus bakterilerine karşı iyi antibakteriyel 
etkiye sahip, yüksek hidrofilik özelliklere sahip, yüksek şişme kapasiteli numuneler 
olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar kontrollü ilaç salımı yapar, kendi kendini 
iyileştirme ve donamama özelliklerini sahip hidrojellerin de aralarında bulunduğu 
umut verici numuneler yara örtüsü gelişimi için umut verici olduğunu göstermiştir. 
Mekanik dayanımı kuvvetli olan numuneler sık pansuman değişiminin önüne 
geçebilmek adına güven teşkil ettiği de tespitler arasında yer almaktdır.

Abstract:
Statistically speaking, burn injuries, which are likely to happen to hundreds of people
every day, can negatively affect daily life. Burn wounds can be caused by boiled water 
or liquids, fire, frying oil, etc., which we use for the continuation of vital functions, as 
well as by less common factors such as a cold environment that the human body cannot 
withstand or radiation, electrical contact with high voltage. In such cases, the healing 
mechanism is activated in the deformed tissue area and damage repair begins. This 
mechanism is a very complex process involving intertwined hemostasis, 
inflammatory, proliferation and remodeling phases, and at the end of the process, the 
wound heals. 
The hemostasis phase creates a buffer in the injured area by forming clots with the 
help of platelets to stop the possibility of bleeding, followed by an inflammatory phase, 
which aims to protect the wound site by destroying harmful factors and 
microorganisms outside through phagocytosis by neutrophils and macrophages. This 
phase is followed by the proliferation phase, in which the cells proliferate and aim to 
repair the damaged tissue by restoring the skin functions to its former form, and then 
the process is completed with the maturation and remodeling phase, which is the last 
stage of healing, in which the damaged tissue is repaired by increasing the tensile 
strength of the damaged tissue and reshaping it.
In some cases, the deformed tissue cannot regenerate itself and needs to be treated with 
medical interventions. Untreated tissues may be lost over time and the patient's life 
may be negatively affected. In order to avoid such situations, the degree of burn should 
be determined and the appropriate treatments should be applied to the wound location 
quickly and effectively. In order to determine the degree of burn, it is important to 
know the exact location on the deformed skin. The skin is basically a structure with 3 
different layers called epidermis, dermis and hypodermis, and it is an organ with the 
title of the largest surface area by covering the whole body.
Damages in the epidermis layer are called first-degree burns, and redness can be seen 
on the skin. Damage reaching the dermis layer is examined in two categories. While 
superficial partial burns are observed on the surface of the dermis together with the 
epidermis, dermal partial burns also damage the lower parts of the dermis. In seconddegree burns, there are symptoms such as redness and blistering, and severe pain is 
felt, which means that the nerve endings are not damaged. Third-degree burns that 
reach the hypodermis layer, and burns that cause extensive damage to not only the skin 
but also the muscle and bone, are defined as fourth-degree burns. The absence of pain 
sensation means that the nerves are damaged. After these determinations are made, it 
is aimed to treat the wound area by choosing the appropriate methods. One of these methods is hydrogel dressings, which aim to reduce the risk of infection by separating 
the wound area from the external environment.Hydrogel semi-wound dressings are 
one of the types of wound dressings created by combining various natural or synthetic 
polymers and additives. The main purpose is to provide protection by keeping the 
wound moist, allowing the entry and exit of the oxygen it needs and preventing 
harmful microorganisms from positioning around the wound.
Hydrogel dressings are one of the types of wound dressings synthesized by combining 
various natural or synthetic polymers and additives. The main purpose is to provide 
protection by keeping the wound moist, providing the oxygen it needs in and out, and 
preventing harmful microorganisms from settling around the wound. Its easily 
removable structure offers a treatment process without damaging the wound. These 
wound dressings, which allow gas exchange thanks to the pores in their structure, are 
promising.
In this thesis, first of all, Polyvinyl alcohol (PVA) and Polyethylene glycol (PEG) 
added hydrogel dressings were synthesized. For this, PVA aqueous solution was 
prepared with stirring intensity in the presence of high temperature and magnetic field, 
and PEG polymer was added into it and dissolved. It is preferred to add tannic acid 
(TA) as a crosslinker. Eucalyptus and clove essential oils, which are preferred as 
additives, aimed to increase the antibacterial properties of the hydrogel.
The second dressing study was synthesized by preferring PVA and Polyvinyl prolidine 
(PVP) polymers. It is preferred to add TA as a crosslinker. In this dressing, the drug 
release profile with the drug additive was examined, and the antibacterial properties of 
the medicated and non-medicated hydrogel dressings with the same content were 
compared, and as a result, it was observed that the antibacterial effects of the drugadded hydrogel samples were stronger.
Polyethyleneimine (PEI) polymer doped hydrogel was synthesized together with PVA 
as the third type of wound dressing. As a result of the observations, it was determined 
that PEI polymer dissolves faster in distilled water compared to other polymers. As 
the amount of TA preferred as crosslinker increased in the samples, it was observed 
that the colors became darker. In addition, it was determined that the mechanical 
strength of the samples, which were subjected to the tensile test, decreased inversely 
depending on the increase in the amount of TA.
In PVA/PVP hydrogel samples, it was determined that the gentamicin added samples 
had a very effective antibacterial field against E.coli and S. aureus bacteria. It has also 
been observed that controlled drug release occurs from hydrogel samples with good 
hydrophilic properties. Hydrogel samples, which have been found to be mechanically 
durable, are also thought to be developed for use as wound dressings.
FTIR analysis was applied to understand the structural bonding of the developed 
hydrogel samples. In order to test their antibacterial activity against Escherichia coli 
(E. coli) and Staphylococcus aureus (S. aureus), they were incubated in petri dishes 
containing bacterial culture medium at 37°C for 24 hours. In order to investigate the 
water absorption, moisture retention capacity and hydrophilic properties of the 
prepared hydrogels, characterizations such as swelling tests, moisture retention tests 
and contact angle measurements were performed. In addition, scratch tests were 
performed to determine the self-healing and non-freezing abilities of the hydrogels and 
the results were observed under an optical microscope. 
SEM analysis was used to investigate the pore structures and UV-spectrophotometer 
was used to understand the gentamicin release. Tensile tests were performed on the 
samples for mechanical strength and the characterization tests were analyzed.
When the test results were examined, it was determined that the PEG1 and 
PEG/OCALIPTUS hydrogel samples for the first study were samples with high 
hydrophilic properties, high swelling capacity, with better antibacterial effect against 
S. aureus bacteria. It was also observed that the hydrogel samples with the highest 
mechanical strength were the samples with PEG additives.
In PVA/PVP hydrogel samples, it was determined that the gentamicin added samples 
had a very effective antibacterial field against E.coli and S. aureus bacteria. It has also 
been observed that controlled drug release occurs from hydrogel samples with good 
hydrophilic properties. Hydrogel samples, which have been found to be mechanically
durable, are also thought to be developed for use as wound dressings.
It has been determined that PVA/PEI hydrogel samples have high antibacterial 
properties in drug-free samples, and it has been determined that drug-added samples 
have a very wide range of action against E.coli and S. aureus bacteria. It has also been 
observed that it has good hydrophilic properties. In addition, in this hydrogel study, it 
showed non-freezing property in one of the lyophilized and frozen samples. It has also 
been found that there are wound dressing samples with self-healing properties without 
any external influence or stimulus.
As a result, it was determined that the samples synthesized for the development of 
good and useful wound dressings with higher antibacterial properties were 
successfully developed and promising to be used.