İyileştirilmiş özelliklere sahip nişasta temelli nanokompozit hidrojeller
Starch based nanocomposite hydrogels with improved properties
Yazar: ŞEYMA NUR KİRMİÇ COŞGUN
Danışman: PROF. DR. DENİZ CEYLAN TUNCABOYLU
Bezm-i Alem Vakıf Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı / Biyoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Doğal polimerler biyouyumluluğu, biyobozunurlukları, toksik olmaması gibi birçok özelliği sebebiyle özellikle biyomedikal uygulamalarda kullanılmak üzere hidrojel sentezinde tercih edilmektedir. Bu tez kapsamında hidrojel sentezinde en çok kullanılan doğal polimerlerden biri olan nişastanın avantajlarından faydalanarak uygulama alanını genişletmek amacıyla özgün nişasta jelleri hazırlamaya karar verildi. Amiloz/Amilopektin oranının nişasta jelleri üzerindeki bilinen etkisi dikkate alınarak çalışmalar için yüksek Amiloz içeren nişasta Hylon VII kullanıldı. Ancak birçok doğal polimerle hazırlanan hidrojelde olduğu gibi nişastadan elde edilen hidrojellerinde en büyük dezavantajı mekanik dayanıksızlığıdır. Kırılma, bükülme, katlanma gerektiren uygulamalarda bu kırılgan hidrojeller gereksinimleri tam olarak karşılayamamaktadır. Tez kapsamında nişasta hidrojellerinin mekanik dayanımını iyileştirmek amacıyla ağ yapıda enerji dağılımını moleküler seviyede sağlayan bir mekanizma oluşturulması ve böylelikle viskoelastik dağılımın arttırılması için iki yöntem kullanıldı. İlk olarak bir nano yapı birimi olan epoksi gruplarıyla fonksiyonlandırılmış 8 kollu kübik glisidil-Polihedral Oligomerik Silseskioksan (g-POSS) nişastanın çapraz bağlanması için kullanıldı ve özgün tek ağ yapılı nanokompozit bir jel elde edildi. İkinci olarak tek ağ yapı varlığında 2 farklı monomer ile ikinci bir ağ yapı oluşturularak çift ağ yöntemi kullanıldı.
Elde edilen nanokompozit nişasta jellerinin karakterizasyon çalışmaları jel fraksiyonu, şişme ölçümleri, temas açısı, SEM analizi, reolojik analizler ve tek eksenli basma-çekme ölçümleriyle ayrıntılı olarak incelendi. Mekanik dayanımı iyileşmiş jeller için çalışmanın son aşamasında protein salım uygulamalarında kullanılmak üzere in vitro salım ortamı oluşturuldu. Hidrojellerin enzim gibi uyaranlara yanıt verebilmesi protein salımını kontrol etmek ve hedeflendirmek için önemli bir özelliktir. Bu doğrultuda nişastanın katalizini sağlayan a-amilaz varlığında jellerin bozunması sağlandı ve a-amilaz yokluğunda aynı salım ortamı sağlanarak protein salım kinetiği kıyaslandı. Gelecek çalışmalar için a-amilaz enzimine duyarlı mekanik dayanımı iyileşmiş jeller, protein veya ilaç salım sistemlerinde potansiyel ilaç taşıyıcı sistem olarak kullanılması bakımından umut vaad etmektedir.

Abstract:
Natural polymers are preferred especially in hydrogel synthesis for use in biomedical applications due to their many features such as biocompatibility, biodegradability and non-toxicity. Within the scope of this thesis, it was decided to prepare novel starch gels in order to expand the application area by utilizing the advantages of starch, which is one of the most used natural polymers in hydrogel synthesis. Considering the known effect of Amylose/Amylopectin ratio on starch gels, Hylon VII starch with high Amylose was used for the studies. However, as in hydrogels prepared with many natural polymers, the biggest disadvantage of hydrogels obtained from starch is its low mechanical strength. Within the scope of the thesis, two methods were used to create a mechanism that provides energy distribution in the network structure at the molecular level in order to improve the mechanical strength of starch hydrogels and thus to increase the viscoelastic distribution. Firstly, 8-armed cubic glycidyl-Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (g-POSS) functionalized with epoxy groups, which is a nanostructure unit, was used for the crosslinking of starch and a unique single network nanocomposite gel was obtained. Secondly, in the presence of a single network, a second network structure was formed with 2 different monomers and the double network method was used.
The characterization studies of the obtained nanocomposite starch gels were examined in detail with gel fraction, swelling measurements, contact angle, SEM analysis, rheological analyzes and uniaxial compression tensile measurements. For gels with improved mechanical strength, an in vitro release medium was created to be used in protein release applications at the last stage of the study. In this direction, gels were degraded in the presence of a-amylase, which catalyzes starch, and protein release kinetics were compared by providing the same release environment in the absence of a-amylase. For future studies, gels sensitive to a-amylase enzyme with improved mechanical strength show promise as a potential drug delivery system in protein or drug delivery systems.