Biyomedikal uygulamalar için katyonik polimerlerin sentezi
Synthesis of cationic polymers for biomedical applications
Yazar: EDA NUR YETİŞKİN MORKAN
Danışman: DOÇ. DR. MURAT TOPUZOĞULLARI ; DOÇ. DR. TÜLİN ÖZBEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: 4-vinilpiridin = 4- vinylpyridine ; Antibakteriyel ajanlar = Anti-bacterial agents ; Kuaternizasyon = Quaternization ; Polikatyon = Polycation ; Transfeksiyon = Transfection

Özet:
Polikatyonlar, sahip oldukları pozitif yükler sayesinde negatif yüklü yapılarla elektrostatik etkileşimde bulunarak çeşitli biyomedikal uygulamalarda etkin rol oynamaktadır. Bu sebeple, üretilecek polikatyonların biyolojik etkinliklerinin anlaşılabilmesi büyük önem taşımaktadır.
Tez çalışmasında, 4-vinilpiridin (4VP) ve oligo etilen glikol metil eter metakrilat (OEGMA) esaslı kopolimerlerin sentezi ve farklı alkilleyici ajanlar ile kuaternerleştirilmesiyle yapısında farklı fonksiyonel gruplar bulunan polikatyonların üretilmesi amaçlanmıştır. Üretilen kopolimerlerin antibakteriyel etkinlikleri, gen aktarım kabiliyetleri ve biyouyumlulukları in vitro incelenerek farklı fonksiyonel grupların polikatyonların biyolojik etkinliği üzerindeki etkisi araştırılmıştır.
Kopolimerler, serbest radikal polimerizasyonu ile sentezlenmiş ve kopolimerler 7 farklı ajanla kuaternerleştirilmiştir. Üretilen kopolimerler, GPC, NMR, FTIR, DLS ve ELS spektroskopileri kullanılarak karakterize edilmiştir. Kopolimerlerin kuaternerleşme dereceleri %35-43 ve zeta potansiyelleri +19,2 ile +28,2 mV arasında değişmektedir. Buna göre, kopolimerler başarılı şekilde kuaternerleştirilmiş ve pozitif yüklü polikatyonlar elde edilmiştir.
Üretilen polikatyonların, S. aureus (Staphylococcus aureus) ve E. coli (Escherichia coli) bakterileri üzerinde antibakteriyel aktiviteleri incelenmiş ve farklı ajanların polimerlerin antibakteriyel aktiviteleri üzerine etkileri karşılaştırılmıştır. Buna göre, antibakteriyel özellik gösteren kopolimerlerin E. coli'deki minimum inhibisyon konsantasyonu (MIC) değerleri 4-16 µg/mL aralığında iken, S. aureus'daki MIC değerleri 2-32 µg/mL aralığında elde edilmiştir. Polikatyonların biyouyumlulukları incelenmiş ve üretilen polikatyonların tümünün MIC değerlerinden daha yüksek konsantrasyonlarda biyouyumlu olduğu gösterilmiştir. Üretilen polikatyonlar, plazmit DNA (pDNA) ile polielektrolit kompleksler haline getirilmiş ve kompleksler DLS ve ELS spektroskopileri ile karakterize edilmiştir. Ardından üretilen komplekslerin her birinin transformasyon ve transfeksiyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir.
Sonuçlar, kendiliğinden antibakteriyel özellik gösteren ve biyouyumlu 4VP ve OEGMA esaslı katyonik kopolimerlerin başarıyla üretildiğini ve yapıya eklenen farklı fonksiyonel grupların biyolojik etkinliğe önemli etkisinin olduğunu göstermiştir. Üretilen katyonik polimerler, birçok farklı biyomedikal uygulamalarda kullanılabilecek bir malzeme olma potansiyeline sahiptir.

Abstract:
Polycations play an active role in various biomedical applications by interacting electrostatically with negatively charged structures thanks to their positive charges. Therefore, it is crucial to understand the biological activities of the polycations.
In this thesis, it is aimed to synthesize 4-vinylpyridine (4VP) and oligo ethylene glycol methyl ether methacrylate (OEGMA) based copolymers and to produce polycations with different functional groups by quaternization with different alkylating agents.The antibacterial activities, gene transfer abilities and biocompatibilities of the copolymers were examined in vitro and the effect of functional groups on polycations' biological activity was investigated.
The copolymers were synthesized by free radical polymerization and quaternized by using 7 different agents. The copolymers were characterized using GPC, NMR, FTIR, DLS and ELS spectroscopies. Quaternization degrees and zeta potentials vary between 35-43% and +19.2 and +28.2 mV, respectively. Accordingly, copolymers were successfully quaternized and positively charged polycations were obtained. 
The antibacterial activities of the polycations on S. aureus and E. coli bacteria were investigated and the effects of different agents on antibacterial activities were compared. Consequently, the MIC values varied between 4-16 µg/mL in E. coli and 2-32 µg/mL in S. aureus. The biocompatibility of the polycations was analyzed so all polycations were biocompatible at higher concentrations than the MIC values. Polyelectrolyte complexes were formed between polycations and plasmid DNA. The complexes were characterized by DLS and ELS spectroscopies. Then, transformation and transfection studies of the complexes were performed.
The results showed that biocompatible 4VP and OEGMA based inherent antibacterial cationic copolymers were successfully produced and different functional groups had a significant effect on the biological activity of the copolymers. Produced cationic polymers have the potential to be used in many different biomedical applications.