Mekanik dayanımları iyileştirilmiş polimerik hidrojel sistemleri
Mechanically enhanced polymeric hydrojel systems
Yazar: MAHİNUR ALEMDAR
Danışman: PROF. DR. DENİZ CEYLAN TUNCABOYLU
Bezm-i Alem Vakıf Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı / Biyoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Yumuşak malzemelerin kullanıldığı pek çok alanda jellerin iyi mekanik özelliklere sahip olmaları kritik önem taşımaktadır. Doğal ya da sentetik polimerlerden elde edilen jeller birtakım avantajlara sahip olsalar da fizyolojik sıvılarda çok fazla şişerek genellikle çok kırılgan bir yapıya dönüşmektedirler. Bu tezin amacı, mekanik özellikleri kontrol edilebilir ve geliştirilebilir hidrojel elde edilebilmesi için, ağ yapıda moleküler seviyede bir enerji dağılım mekanizması oluşturmaktır. Bu amaç doğrultusunda hazırlanan bu tez iki bölüm şeklinde tasarlanmış olup ilk kısımda doğal bir polimer olan nişasta, ikinci kısımda ise sentetik Pluronik F127 (PF127) zincirleri kullanılarak hidrojeller hazırlanmış ve literatürde mevcut nişasta ve PF127 esaslı jellerin mekanik dayanımları arttırılmıştır. 
Tezin ilk bölümünde, sırasıyla lineer ve dallanmış şekilde bağlanan aynı tekrar birimlerine sahip iki homopolimer olan amiloz ve amilopektin zincirlerinden oluşan nişasta kullanılmıştır. Nişasta, yapısında bulunan hidroksil gruplarının varlığından dolayı, hidrojellerin oluşumunu içeren çeşitli uygulamalarda işlevselliğin değiştirilmesi ve geliştirilmesi amacıyla kolaylıkla modifiye edilebilir. Doğrudan çapraz bağlama durumunda, nişasta zincirlerindeki hidroksil gruplarının bir kısmı, iki veya çok işlevli bileşiklerle reaksiyona girmeye duyarlıdır. Nişastayı çapraz bağlamak amacıyla polisakkarit kimyasında en yaygın kullanılan çapraz bağlayıcı olan epiklorohidrin (ECH) kullanılmıştır. ECH üzerindeki epoksi ve halojenür grubu, nişasta yapısındaki hidroksit grubu ile reaksiyona girerek iki polimer zincirini çapraz bağlamaktadır. Bu tezde yüksek amiloz içeriğine sahip nişasta (Hylon VII) - ECH hidrojellerinin viskoelastik özellikleri araştırılmıştır. Reaksiyon bileşenlerinin konsantrasyonuna, nişastanın amiloz oranına ve yapıya başka bir polisakkarit olan Hyaluronik asit (HA) katılımına bağlı olarak jel özelliklerinin değişimi incelenmiştir. Elde edilen malzemeler şişme, viskoelastik ve morfolojik özellikleri açısından değerlendirilmiştir. Elastik ve viskoz modüller, nişasta ve ECH konsantrasyonlarına bağlı olarak artarken, NaOH'ın mol oranının, çapraz bağlama reaksiyonlarında anahtar bir parametre olduğu bulunmuştur. Devamlı basamak-deformasyon testi sırasında düşük amiloz oranı içeren ağ yapının, sol-jel geçişleri sonrası başlangıç mekanik dayanımının yaklaşık %92 ± 4'ünü kaybettiği görülmüştür. Amiloz oranı arttırıldığında ise ağ yapı sol-jel geçişlerinden sonra tamamen orijinal hallerine dönmüştür. Yüksek amiloz oranlı jeller için zamana bağlı relaksasyon testleri gerçekleştirilmiş ve yapısal dinamiklerin, HA'nın daha küçük ve daha kararlı gözenek yapılarıyla birleştirilmesiyle bir miktar bastırıldığı gözlemlenmiştir.
Tezin ikinci kısmında, "Poloksamerler" olarak da bilinen ve FDA tarafından insan kullanımı için onaylanan Pluronikler kullanılmıştır. Bu moleküller hidrofilik polietilen oksit (PEO) ve hidrofobik polipropilen oksit (PPO) zincirlerinin PEO-PPO-PEO üçlü blok şeklinde birleştiği yapılardır. Pluroniklerin en önemli özelliği, konsantrasyona bağlı farklı geçiş sıcaklıklarında ısıya duyarlı misel oluşturmalarıdır. Yüksek konsantrasyonlarda, sol-jel geçişi oda sıcaklığının altında gerçekleşir. Bu nedenle, polimer oda sıcaklığında su içinde çözüldüğünde, PPO'nun hidrofobik doğası nedeniyle miseller kendiliğinden birleşir. Pluronik çözeltileri düşük sıcaklıklarda sıvı halde iken, belirli sıcaklık değerlerinin üzerine çıktıklarında jel formuna geçmekte ve soğutulduğunda tekrar sıvı hale gelmektedir.  Pluronik ailesi içerisinde, medikal ve farmasötik uygulamalarda en çok tercih edilen üye, yüksek suda çözünürlüğü ve nispeten uzun hidrofobik birimleri sayesinde yüksek hidrofobik etkileşimlere sahip Pluronik® F127 (PF127)'dir. Pluronik kopolimerler, belli bir sıcaklıkta çok hızlı bir şekilde sıvı halden jel formuna geçseler de oluşan hidrojellerin mekanik dayanımlarının yetersiz olması nedeniyle fizyolojik koşullarda uzun süre dayanamazlar. Bu durum Pluronik temelli sistemlerin en önemli dezavantajlarından biridir. 
Hem mekanik olarak güçlü hem de enjekte edilebilir jeller elde etmek için sıcaklığa duyarlı PF127 miselleri, ışığa duyarlı kumarin ve azobenzen gruplarını tekrar eden birimler olarak taşıyan amfifilik kopolimerlerle birleştirilmiştir.  Böylece sıcaklığa duyarlı PF127 esaslı akıllı jellerin mekanik dayanımlarının iyileştirilmesinin yanı sıra ışık duyarlılığına sahip enjekte edilebilir yapıların elde edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla toplamda dört monomer sentezlenmiş ve tersinir katılma-ayrılma zincir transfer (RAFT) polimerizasyonu yoluyla polimerize edilmiştir. Sentezlenmiş olan polietilen glikol (PEG) bazlı makroRAFT ajanı kullanılarak amfifilik diblok terpolimerler elde edilmiştir. Kopolimerlerin yapıları, karakterize edilmiş ve amfifilik diblok terpolimerler, suda miseller halinde bir araya getirilmişlerdir. UV ışık altında kromofor grupların varlığına bağlı misel çekirdeklerinin çapraz bağlanması UV spektroskopisi ile incelenmiştir. Jellerin reolojik özellikleri sıcaklık, bileşim, UV maruz kalma süresi, gerinim ve frekansın bir fonksiyonu olarak değerlendirilmiş enjekte edilebilirlikleri analiz edilmiştir. Hazırlanan formülasyonların hem ısıya hem de ışığa cevap verdiği, PF127 yapılarına kıyasla mekanik özelliklerinin iyileştiği ve enjekte edilebilir olduğu ortaya konmuştur. Son aşamada ise sisteme fonksiyonlandırılmış kitosan (f-kitosan) dahil edilmesiyle gözenekler arttırılarak ilaç taşıma uygulamalarında kullanılmaya yönelik ilk adımlar atılmıştır.

Abstract:
In many areas where soft materials are used, it is critical that hydrogels have good mechanical properties. Although gels obtained from natural or synthetic polymers have some advantages, they swell too much in the liquid under physiological conditions and generally turn into a very fragile structure. The aim of this thesis is to provide viscoelasticity in the entire gel by creating a mechanism that provides energy distribution in the network structure at the molecular level to obtain a hydrogel with controllable mechanical properties. This thesis is designed in two parts, in the first part, hydrogels were prepared using a natural polymer starch and in the second part, synthetic Pluronic F127 (PF127) chains were prepared, and various experiments were carried out to mechanically improve the starch and PF127-based gels available in the literature.
In the first part of the thesis, starch consisting of amylose and amylopectin, two homopolymers with the same repeating units connected in linear and branched manner, respectively, was used. The starch's abundant hydroxyl groups can be easily modified to modify and improve its functionality, including the formation of hydrogels to obtain products for a variety of applications. In the case of direct cross-linking, some of the hydroxyl groups in the starch chains are susceptible to reacting with di- or polyfunctional compounds. The use of epichlorohydrin to cross-link starch is most common in polysaccharide chemistry. The epoxy and halide groups on the ECH react with the hydroxide group in the starch structure and cross-link the two polymer chains. In this thesis, viscoelastic properties of high amylose starch (Hylon VII) - epichlorohydrin (ECH) hydrogels were investigated. The effect of the concentration amounts of the reaction components, the amylose ratio and the incorporation of hyaluronic acid, a naturally occurring linear polysaccharide, on the properties of the cross-networks were investigated. The obtained materials were examined in terms of swelling, viscoelastic and also morphological properties. The mole ratio of NaOH was found to be a key parameter in crosslinking reactions, while the elastic and viscous modules increased depending on starch and ECH concentrations. During the continuous step-deformation test, the low amylose cross mesh lost approximately 92 ± 4% of its initial mechanical strength, and the HA and non-HA high amylose gels completely returned to their original state after sol-gel transitions. Time-dependent relaxation tests were performed for high amylose gels, and it was observed that the structural dynamics were somewhat suppressed by combining HA with smaller and more stable pore structures.
In the second part of the thesis, Pluronics, also known as "poloxamers" and approved for human use by the FDA, were used. These molecules are structures where hydrophilic polyethylene oxide (PEO) and hydrophobic polypropylene oxide (PPO) chains combine in the form of PEO-PPO-PEO triblock. The most important feature of the Pluronics is their temperature-based micelles formation thanks to the heat-sensitive PPO units with a concentration-dependent transition temperature. At high concentrations, sol-gel transition occurs below room temperature. Therefore, when the polymer is dissolved in water at room temperature, the micelles self-assemble due to the hydrophobic nature of PPO. While Pluronic solutions are in liquid form at low temperatures, they turn into gel form when they rise above certain temperature values and become liquid again when cooled. Within the Pluronic family, the most preferred member in medical and pharmaceutical applications is Pluronic® F127 due to its high-water solubility and high hydrophobic interactions thanks to its relatively long hydrophobic units. Although Pluronic copolymers change from liquid state to gel form very quickly at a certain temperature, they cannot last for a long time in physiological conditions due to insufficient mechanical strength of the hydrogels formed. This is one of the most important disadvantages of Pluronic-based systems.
To obtain gels that are both mechanically strong and injectable, temperature sensitive Pluronic F127 micelles were combined with amphiphilic copolymers bearing photosensitive coumarin and azobenzene groups as repeating units. Thus, besides increasing the mechanical strength of temperature sensitive PF127 based smart gels, it is aimed to obtain injectable structures with light sensitivity. For this purpose, a total of four monomers were synthesized and polymerized by reversible addition-dissociation chain transfer (RAFT) polymerization. Amphiphilic diblock terpolymers were obtained by using macroRAFT material based on pre-synthesized polyethylene glycol (PEG). The structures of the copolymers were characterized and the amphiphilic diblock terpolymers were combined in water as micelles. Cross-linking of chromophore groups and micelle nuclei under UV light was investigated by UV spectroscopy. The rheological properties of the gels were evaluated as a function of temperature, composition, UV exposure time, strain and frequency, and their injectability was analyzed. It has been revealed that the prepared formulations respond to both heat and light, their mechanical properties are improved compared to PF127 structures, and they are injectable. At the last stage, the first steps were taken to be used in drug delivery applications by increasing the pores by adding f-chitosan to the system.