Protein ilaçların kontrollü salımı için poli (2-hidroksietil metakrilat)-bazlı süpergözenekli hidrojellerin geliştirilmesi
Development of poly (2-hydroxyethyl methacrylate)-based superporous hydrogels for controlled release of protein drugs
Yazar: PINAR TÜRKYILMAZ
Danışman: PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Fibrinojen = Fibrinogen ; Kromatografi-yüksek basınçlı-sıvı = Chromatography-high pressure-liquid ; Sığır serum albümin = Bovine serum albumin

Özet:
Sunulan çalışmada, protein yapıdaki ilaçların oral kullanımına yönelik kontrollü salım sistemi geliştirmek amacıyla, poli(hidroksietil metakrilat), p(HEMA)-bazlı süpergözenekli hidrojeller (SPH), gaz köpükleştirici ajan sodyum bikarbonat varlığında serbest radikalik polimerizasyon yöntemiyle sentezlenmiştir. Plazma proteinleri, sığır serum albümin (BSA) ve fibrinojen (FG) model ilaçlar olarak seçilmiştir. Hidrojellere ait karakterizasyon ve in vitro salım çalışmaları tamamlandıktan sonra, elde edilen sonuçlar protein ilaçların oral salımına yönelik hidrojel sistemin seçimi açısından değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında, N,N'-metilenbisakrilamid ile çapraz bağlanan p(HEMA) SPH'lerin mekanik dayanım, gözeneklilik ve biyoadezyon özelliklerinin geliştirilmesi için yapıya jelatin, polietilen glikol (PEG 600) ve akrilik asit katılarak 6 farklı SPH sentezi gerçekleştirilmiş ve optimum sentez koşulları belirlenmiştir. Bu hidrojeller; p(HEMA) SPH, p(HEMA)-jelatin SPH, p(HEMA)-jelatin SPH-IPN, p(HEMA)-PEG SPH, p(HEMA-ko-AA) SPH ve p(HEMA-ko-AA)-PEG SPH'leridir. Hazırlanan hidrojeller, boyutları 10-600 µm arasında değişen gözeneklere sahiptir.Hidrojellerin yapay mide ortamı (SGF) (pH:2) ve yapay bağırsak ortamı (SIF) (pH:7) içerisinde yürütülen şişme çalışmaları, SPH'lerin kapiler etkiye bağlı olarak hızlı şekilde şişerek, kısa sürede (? 60 sn.) dengeye ulaştığını göstermiştir. Akrilik asit içeren örneklerin pH'ya bağımlı şişme davranışı gösterdiği belirlenmiş, p(HEMA-ko-AA)-PEG SPH'lerin en yüksek denge şişme oranına (Q= 36.13 ± 0.063) sahip oldukları görülmüştür. Jelatin varlığında hazırlanan iç içe geçmiş ağ yapılar (IPN), hidrojellerin mekanik dayanımını iyileştirmiştir. En yüksek mekanik dayanıma sahip olan yapılar ise, p(HEMA)-PEG ve p(HEMA-ko-AA)-PEG SPH'lerdir ve elastik modül değerleri sırasıyla 0.030 ± 0.009 ve 0.035 ± 0.001 N/mm2 olarak belirlenmiştir.İki model protein, BSA ve FG; oda sıcaklığında (~25°C), çözelti emdirme (embedding) yöntemi ile geleneksel hidrojellere göre çok kısa sürede (<30 dk.) ve oldukça yüksek miktarlarda (BSA için 30-370 mg BSA/g kuru jel FG için 37-340 mg FG/g kuru jel) hidrojel disklere (12 mm çap and 4 mm kalınlık) yüklenmiştir. Hidrojellerden BSA ve FG salımı, yapay bağırsak ortamında (pH:7), 37°C'de ve sabit derişim farkı sağlamak üzere salım ortamının sürekli yenilendiği (perfect sink conditions) koşullarda yürütülmüştür. BSA ve FG'in p(HEMA)-bazlı SPH'lerden kümülatif salım profilleri yüksek performans sıvı kromatografisi (HPLC) ile 280nm'de yapılan ölçümler sonucu belirlenmiştir. İn vitro salım çalışmaları 24 saat boyunca sürdürülmüş ve proteinlerin SPH ve SPH-IPN'lerden salımının ilk 30 dk.lık ani salım (burst release) sonrası, BSA için 3 saat, FG için ise 6 saat devam ederek tamamlandığı belirlenmiştir. Her iki proteine ait % salım değerlerinin 80-100 arasında değişmesi, proteinlerin polimerik matris ile tersinmez etkileşime girmediklerini ifade etmektedir. Protein yüklü hidrojeller ile in vitro salım çalışmaları öncesi ve sonrasında yürütülen FTIR-ATR analizleri de polimer matris ile proteinler arasında kimyasal bir etkileşim olmadığını desteklemiştir.Çalışmalardan elde edilen sonuçlar, p(HEMA-ko-AA)-PEG SPH'lerinin yüksek şişme kapasitesi, pH-duyarlı özelliği ve biyoadeziv karakterine bağlı olarak, özellikle yüksek molekül ağırlığına sahip proteinlerin oral kullanımına yönelik uygun taşıyıcılar olduklarını göstermiştir.

Abstract:
In the presented study, for peroral delivery of proteins novel poly(2-hydroxyethyl methacrylate) p(HEMA)-based superporous hydrogels (SPHs) were synthesized by free radical polymerization in the presence of blowing agent, sodium bicarbonate. Plasma proteins, bovine serum albumin (BSA) and fibrinogen (FG), were chosen as model drugs. After characterization studies and in vitro release studies, results were evaluated for the selection of suitable hydrogel system for oral delivery of protein drugs.In order to enhance mechanical strength, porosity and bioadhesive properties of p(HEMA) SPH?s that were crosslinked in the presence of N,N?-methylenebisacrylamide, gelatin, polyethylene glycol (PEG 600) and acrylic acid were added to the structure and synthesis parameters were optimized. Six different type hydrogels were prepared within the study. These hydrogels are; p(HEMA) SPH, p(HEMA)-gelatin SPH, p(HEMA)-gelatin SPH-IPN, p(HEMA)-PEG SPH, p(HEMA-co-AA) SPH and p(HEMA-co-AA)-PEG SPHs. All these hydrogels have pores ranging between 10-600 µm. Swelling studies that were carried out in simulated gastric fluid (SGF) (pH:2) and simulated intestinal fluid (SIF) (pH:7) showed that SPHs reached equilibrium in very short time (? 60 sn) with rapid swelling due to the capillary effect. It is observed that SPHs that contain acrylic acid, showed pH dependent swelling and p(HEMA-co-AA)-PEG SPHs have the highest equilibrium swelling ratio (Q= 36.13 ± 0.063). Interpenetrating structures (IPNs) that were prepared in the presence of gelatin, enhanced mechanical strength of hydrogels. p(HEMA)-PEG and p(HEMA-co-AA)-PEG SPHs showed great improvement in mechanical properties and their elastic modulus values were 0.030 ± 0.009 and 0.035 ± 0.001 N/mm2, respectively.Two model proteins, BSA and FG, were loaded to the hydrogel discs (12 mm diameter and 4 mm thickness) by embedding method in room temperature (~25°C) in very short time (<30 min) with very high capacities (varying between 30-370 mg BSA/g dry gel for BSA and 37-340 mg FG/g dry gel for FG) as a result of high swelling capacity of gels. The release of BSA and FG from hydrogels were performed in simulated intestinal fluid (37°C, pH:7) at perfect sink conditions. Cumulative release of BSA and FG from p(HEMA)-based SPHs were established with high performance liquid chromatography (HPLC) with UV detection at 280 nm. The in vitro release studies continued for 24 h and release profiles from SPHs and SPH-IPNs were characterized with initial burst of proteins during the first 30 min followed by a completed release in 3 h for BSA and 6 h for FG. Release amounts of both proteins in %, varied between 80 and 100 and these results implied that no irreversible interaction occured between polymer and proteins. FTIR-ATR studies performed with loaded hydrogels before and after release studies, supported that no chemical interaction occured between polymer matrix and proteins.The result of the studies indicated that high swelling capacity, pH-sensitivity and bioadhesive characteristic makes p(HEMA-co-AA)-PEG SPH suitable candidate systems especially for peroral delivery of high moleculer weight protein drugs.