Nanolif yara örtücü yüzeylerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of nanofiber wound dressings
Yazar: ZARİFE DOĞAN
Danışman: PROF. DR. ALİ DEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering
Dizin: Gümüş = Silver ; Gümüş sülfadiazin = Silver sulfadiazine ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Polimer malzemeler = Polymer materials ; Yanıklar = Burns

Özet:
Yara örtüleri, yaralı bölgenin mikrop ve enfeksiyondan korunmasını sağlayan iyileşme sürecine yardımcı olan medikal tekstil ürünleridir. Günümüzde yeni nesil biyopolimerlerin bulunması ve yeni üretim tekniklerinin geliştirilmesiyle geleneksel yara örtülerine alternatif olarak modern yara örtücülerin üretilmesi mümkündür.Nanolifler; yüksek gözeneklilik, spesifik yüzey alanları, doğal hücre dışı matris yapısını (Extra Cellular Matrix; ECM) taklit edebilme, ilaç taşıyıcı olarak kullanılabilme, hücre çoğalmasına uygun ortam oluşturma gibi özelliklerinden dolayı doku iskeleleri, yara örtüleri, yapay damar gibi medikal alanlarda kullanım alanı bulmaktadır.Elektroüretim yöntemi nanolif ve nanoağ (nanoweb) üretimi için en etkin yöntemdir. Bu yöntemde çözelti ya da eriyik haldeki polimer malzeme, küçük çaplı bir boru halindeki besleyicinin (iğne, düze) ucuna beslenir. Daha sonra polimer çözeltisi/eriyiği ve besleyicinin açık ucunun yakınındaki bir toplayıcı levhaya yüksek voltaj değerlerinde (5-80kV) gerilim uygulanır. Besleyici iğnenin veya düzenin ucunda asılı durumda duran polimer damlası kritik bir voltaj değerinden sonra, yüzey geriliminin uyguladığı kuvvetleri yenerek, toplayıcıya doğru yüksek hızda hareket eder. Bu hareket esnasında polimer çözeltisinin çözücüsü buharlaşır ve lif üretimi gerçekleşir.Yara örtücü, doku iskelesi gibi medikal uygulamalarda kullanılan polimerlerlerin biyouyumlu ve biyobozunur olmaları istenir. Elektroüretim yöntemi ile yapılan yara örtücü denemelerinde biyouyumlu ve biyobozunur olan polikaprolaktan (PCL) ve polietilen oksit (PEO) polimerleri kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan polimerlerden PCL hidrofobik, PEO ise hidrofilik yapıdadır. Yara örtücünün temel yapısını oluşturan PCL; esneklik ve mukavemet gibi mekanik özellikleriyle ön plana çıkması ayrıca endotel hücrelerin yaşayabilirlilik ve büyümesine karşı olumlu bir süreç gösterdiğinden yara örtücü uygulamalarında kullanılmaktadır. Polietilenoksit ise; hücre adhezyonuna uygun ortam oluşturur ve düşük toksisite gösterir. Hidrofilik özelliği nedeniyle vücut sıvısı ile etkileşerek hızlı bozulmaya uğradığı için ilaç taşıyıcı olarak, yara örtüleri ve doku iskeleleri gibi medikal uygulamalarda tercih edilmektedir.Polimerlerin karışım ve katman olmak üzere iki şekilde yara örtücü denemeleri mevcuttur. Çalışmada seçilen ve geliştirilen model ise PCL/PEO+Etkin Madde/PCL şeklindeki üç katmanlı modeldir. Bu modelin seçilmesindeki amaç, hidrofilik karakterdeki PEO tabakasını hidrofob PCL tabakaları arasında muhafaza ederek ilaç salınımı yapabilmektir. Geliştirilmekte olan nanolif yara örtücünün iyileştirmesi beklenen yara modeli üçüncü derece (tam kat) yanıklardır. Yanık yaralarının tedavisinde gümüşlü ürünler oldukça sık kullanılmaktadır. Bu nedenle, tasarlanan yara örtücü modelinde etkin madde olarak, nanogümüş tozları ve gümüş sülfadiazin tercih edilmiştir.Deneysel çalışmalarla önce elektroüretim parametreleri optimize edilerek nanolif yüzeylerin üretimi gerçekleştirilmiş ve geliştirilmekte olan nanolif yara örtücünün karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. İkinci aşamada ise, nanolif yara örtülerinin in vitro ve in vivo çalışmalarla antifungan ve antibakteriyel aktiviteleri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, ideal bir yara örtücüden beklenen fiziksel özelliklerin karşılanmasına büyük bir katkı sağlayacaktır.Nanolif yara örtücü numunelerinin hava geçirgenlik ve su buhar geçirgenliği değerlerine bakıldığında, test sonuçları kabul edilebilir sınırlar içerisindedir. Su geçirgenlik test sonuçları ise, yara örtücüden istenen değerlerin biraz altında kaldığından, geliştirilmekte olan nanolif yara örtücülerin yüksek performansta su geçirmez olduklarından bahsedilemez. Su buhar geçirgenliği, hava geçirgenliği ve su geçirmezlik değerlerinin hepsi bir arada düşünüldüğünde, istenilen özellikteki malzeme yapısına yaklaşılmıştır.Yapılan mekanik testler esnasında PCL polimerinin çok esnek yapıda olması nedeniyle numunelerde kopma gerçekleşememiştir. Bu sebeple, kopma mukavemeti ve kopma uzama değerleri hakkında net veriler elde edilemesede numunelerin kopmamış olması mukavemetli malzemeler olduğunun bir göstergesidir.Nanolifli yüzeylerin gözenek boyutları incelendiğinde ortalama por çaplarının 1,1- 2,5 µm aralığında olması büyük oranda bakteri geçişine engel olacağını göstermekte iken en büyük ve en küçük por çapı büyüklüğünün 1,5- 4,5 µm aralığında değişmesi tahmin edilen değerden daha fazla sayı ve türde bakteri geçişine izin vereceğinin göstergesidir. Ortalama por çapı değerleri ve en büyük-en küçük por çapı büyüklükleri aralığındaki rakamsal fark, gözenek büyüklükleri dağılımının homojen olmadığına işaret eder.Yapılan antibakteriyel etkinlik testleri, ise gümüş sülfadiazin katkılı numunelerde olumlu sonuçlar vermiştir. Fakat nanogümüş tozları katkılı numunelerde ise sadece bakteri üremesini durdurucu etki (bakteriostatik) görülmüş asıl kıstas kabul edilen bakterileri öldürücü etki (bakterisidal) gözlemlenmemiştir. Dolayısıyla nanogümüş tozlarının bakterilere karşı direnci oldukça sınırlı kalmıştır.Sıçanlar üzerine yanık yarası açılarak yapılan in vivo çalışmalarla geliştirilmekte olan nanolif yara örtücülerin bakteriyel ve fungal etkinlikleri araştırılmıştır. Çalışma sonucunda gümüş sülfadiazin içeren nanolif yara örtücünün; nanogümüş katkılı nanolif yara örtücü, Aquacel Ag ve gümüş sülfadiazin krem uygulamalarına göre daha etkili olduğu anlaşılmıştır.Özetle, ilaç katkılı üç katmanlı nanolifli yara örtücü modeli başarı ile elde edilmiştir. İn vivo ve in vitro çalışmalarla desteklenen, fiziksel ve mekanik özellikleriyle gelecek vaad eden modern bir yara örtücü için ilk adımlar atılmıştır. Bundan sonraki çalışmalarda ise nanolif yara örtücülerde kontrollü ilaç salınımı üzerine yoğunlaşılacaktır.

Abstract:
Materials having diameter less than 100 nanometers are regarded as nanomaterials. Among nanomaterials, fibrous materials are of great practical and fundamental importance. Nanofibers are solid state linear nanomaterials characterized by high aspect ratio, flexibility and superior directional strength. There have been many methods for producing nanofibers such as phase separation, vapor grown, template method and electrospinning. Electrospinning is the cheapest and most convenient mean to produce nanomaterials. Considering promising opportunities provided by nanofibers there is an increasing interest in nanofiber technology. Electrospun nanofibrous materials are of crucial importance for scientific and economic renewal of developing countries.In this work, electrospinning is the process for fabricating the wound dressing. Electrospinning or electrostatic spinning is the most suitable and scalable way for nanofibrous material production. The technique is scaled up and previously used in production of industrial products such as barrier, air filter media and separation materials. Fibers having diameter from 50 nm to 800 nm can spun effortlessly into webs. Electrospun nanofibers are too small when compared to conventional natural and synthetic textile fibers. The unique combination of high specific surface area, flexibility and superior directional strength makes the nanofibers desired materials.Electrospinning can be in the form of melt or solution. Most of the publication on electrospinning has been focused on solution based electrospinning process rather than on melt electrospinning owing to higher capital requirements and obstacles in generating submicron fibers by melt electrospinning. This is why solution based electrospinning was chosen as production technique. In this nonmechanical, electrostatic method, a high electric field is created between a polymer solution in syringe with capillary tip and a grounded collector. When the voltage reaches a critical value, the electric force overcomes the surface tension of the polymer solution. Then a jet is produced. The electrically charged jet undergoes much electrically induced bending instability during its passage to the grounded collector. This elongation process is associate with the rapid evaporation of the solvent molecules that reduces the diameter of the, in a cone-shaped area called ?envelop cone?. The dry and solid fibers are accumulated on the surface of the collector resulting in a nonwoven arbitrary fiber mesh of nano to micron diameter fibers. The process can be adapted to control the fiber diameter by altering the material (concentration) or process parameters (voltage, flow rate, distance). Moreover, aligned fibers can be generated by precise control of the electrodes or high speed rotating drum.Wound dressings are a therapy to fix the damage skin by ambustion and injury. Hitherto, nanofibrous membranes showed the promising potential in wound dressings area. Wound dressing attained by nanofibrous membrane can meet requirements such as enough oxygen and water vapor permeation and protection of wound from infection and dehydration. A nanofibrous membrane gives porosity and good barrier for wound dressing. For this reason, material should be selected deliberately and the structure must be controlled to confirm that it is good barrier properties and oxygen permeability. The rate of epithelialization was increased and dermis was well organized in electrospun nanofibrous membrane and provided a good support for wound healing. The nanofibrous wound dressing should exhibit controlled evaporative water loss, excellent oxygen permeability and promoted fluid drainage ability owing to the nanofibers with porosity.The nanofibrous mat enables skin growth, and if a convenient drug is integrated into the nanofibers, it can be released into the healing wound in a homogenous and controlled manner. Commonly, different drugs with antiseptic and antibiotic effects, as well as growth and clotting factors, are available for wound healing. PEO is also electrospun into fibers and used in wound dressings.Several papers describe the electrospinning of silk and silk-like polymers, chiefly for biomedical applications. Chitin and chitosan could be electrospun as pure materials and as blends. Especially noteworthy is the antibacterial activity of fibers spun from chitosan/PVA blends. On the other hand, Biodegradable polycaprolactone (PCL) is potentially useful for replacement of implanted material by the repair of tissues by coating collagen and improves the mechanical integrity of the matrix the PCL and the collagen nanofiber structure provides a high level of surface area for cells to attach owing to its 3D feature and its high surface to volume ratio. Tissue engineering scaffolds are required to exhibit a dwell time but do not compromise complete space filling by new tissue at the wound site. Cell interaction study proves fibroblasts that migrated inside the collagen nano fibrous matrices showed morphologically similar to dermal substitute.In this work, an advanced wound dressing material fabricated via electrospinning method. Fascinating properties of nanofibers such as mimicking extra cellular matrix, high porosity and drug delivery give great insight for producing nanofibrous wound dressing. Policaprolactone (PCL) and polyethylene oxide (PEO) was used as raw materials due to biocompatibility and biodegradability. While PEO is hydrophilic, PCL is hydrophobic. PCL which is fundamental structure of the wound dressing is used commonly in the biomedical applications because of the fact that PCL is flexible and rigid and contribute endothelial to grow. Moreover, PEO creates suitable conditions for cell adhesion and has low toxicity. Because PEO interact with the body fluid due to hydrophilicity quickly that result in degradation, it is used commonly in biomedical applications such as wound dressing and scaffolds.Combination PEO and PCL is preferred in the wound dressing due their unique properties. Because many wound dressings are layered, model of the wound dressing consist of three layers which are PCL, PEO and PCL respectively. Furthermore, second layer which is produced by PEO consists of the drug. Hydrophilic PEO layer which is surrounded by PCL layers makes drug delivery. Third degree burns is desired to heal with the novel wound dressing. In addition, silver based materials are used in when burning healing is considered. For this reason, nanosilver powders and silver sulfadiazine were used as drug.Firstly, electrospinning parameters optimized and nanofibrous membranes are fabricated and physical characterization of the nanofiber samples is analysed. At the second step, antibacterial and antifungal activity of the wound dressings are carried out with in vitro and in vivo studies. Results indicated great insight for fabricating desired wound dressing which are mechanically appropriate. The designed material should be water vapor permeable and permits oxygen penetration. In other words, it should be breathable. For this reason, characterization methods of air permeability, water vapor permeability and water permeability were studied. Results showed that they were between acceptable limits. When mechanical properties of the wound dressing were investigated, results indicated that because PCL is so elastic, no sample was broken. However, they have enough strength for the goal. Pore diameters of nanofibrous membrane produced for the wound dressing material range from 1,1 to 2,5 µm. This porosity prevents the bacteria to penetrate into wounds easily. Moreover, difference between the maximum and minimum pore size showed that distributions of the pore size were not uniformly distributed over the whole structure.Antibacterial activities of the silver sulfadiazine loaded wound dressing were positive. However, antibacterial activities of the nanosilver loaded wound dressing were not satisfactory. Nanosilver stopped the bacteria proliferation (bacteriostatic effect). The real issue was that drug should kill the bacteria (bactericidal). As a result, resistivity of the nanosilver loaded wound dressings was limited.In vivo studies show that, silver sulfadiazine loaded nanofiber wound dressings are more effective on fungus and bacteria than nanosilver loaded wound dressing, silver sulfadiazine cream and Aquacel Ag.As a consequence, silver sulfadiazine and nanosilver loaded wound dressings were fabricated successfully. The wound dressing were three layered which are PCL, PEO, and PCL respectively. The drug was loaded into second layer (PEO layer). Physical and mechanical properties of the wound dressing material showed that this material were suitable for wound healing.This work is going to be proven by the controlled drug release studies.