Elektroeğirme tekniği ile yeşil nanoteknoloji temelli nanofiberlerin üretimi ve tıbbi uygulama alanlarının incelenmesi
Production of green nanotechnology-based nanofibers by electrospinning technique and assessment of their medical application areas
Yazar: EZGİ EMÜL
Danışman: PROF. DR. NECDET SAĞLAM
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: Antiinflamatuar ajanlar = Anti inflammatory agents ; Antimikrobiyal etki = Antimicrobial effect ; Bitki özütü = Plant extract ; Elektroeğirme yöntemi = Electrospinning method ; Nanolif = Nanofiber ; Nanoteknoloji = Nanotechnology

Özet:
Çoğu hastalığın tedavisinde bitkilerin kullanımı eski çağlardan beri araştırılmakta ve uygulanmaktadır. Günümüzde kullanılan yüzlerce ilacın temelinde bitki özütleri yer almaktadır. Ancak, bu ekstraktların medikal alanda farklı formlarda kullanılması ile ilgili fazla çalışma bulunmamaktadır. Pek çok bitki mikroorganizmalar için toksik etkisi olan kendisine özgü biyoaktif bileşenler içermektedir. Bitkilerin sahip oldukları fenol bileşikleri, alkaloidler ve terpenoidler gibi çeşitli fitokimyasalların antimikrobiyal özellikleri sayesinde nanoteknoloji alanında kendilerine yer edinmişlerdir. 

Elektroeğirme ile nanofiber üretiminde bitkilerin kullanılması yeni gelişen bir alandır. Bu yöntemle bitkilerin daha stabil bir yapıya katılması sağlanarak daha fazla etki kazanıldığı görülmüştür. Nanofiberlerin diğer tüm nanomalzemeler gibi yüksek yüzey alanı/hacim oranına, poroziteye, elastisiteye ve mekanik dayanıma sahip olması ve işlenebilirliği gibi özellikleri nanotıp alanında doku mühendisliği ve ilaç taşıma sistemleri için uygun bir malzeme olmasına yol açmaktadır.

Sunulan doktora tezinde, antimikrobiyal ve antiinflamatuvar etki gösteren ve bu konuda fazla çalışması olmayan bitki özütlerinin nanofiber yapısındaki etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla farklı derişimlerdeki soğan ekstraktları elektroeğirme yöntemi ile nanofiber haline getirilmiştir. Üretilen nanofiberlerin karakterizasyon (FTIR, EDX ve SEM) testleri yapılmış ve bunların sonucuna göre en iyi nanofiber davranışı gösteren üç derişim (1:50, 1:25 ve 1:12.5) seçilmiştir. SEM analizlerinde soğan ekstraktı derişimi arttıkça fiber çaplarının küçüldüğü (ort. 694,24 nm, 529,23 nm, 525,38 nm, 422,4 nm ve 377,7 nm) ve fiber morfolojisinin bozulduğu görülmüştür. 

Seçilen derişimlerdeki soğan ekstraktı örneklerine antibakteriyel etkileri bilinen bitkisel malzemelerden olan Baicalein ve propolis eklenmiş ve nanofiber üretimi yapılmıştır. Ayrıca bitki ekstraktında AgNP çöktürülmesi sağlanarak, AgNP içeren nanofiberler de üretilmiştir. Elektroeğirme ile üretilen soğan ekstraktı ve Baicalein, propolis, AgNP içeren nanofiberlerin FTIR, EDX ve SEM testleri yapılmıştır. Üretilen AgNP nanofiberlerinde soğan ekstrakt derişimi arttıkça yapıda yassılaşma görülmüş ve fiber çaplarında artış meydana gelmiştir (ort. 315,37 nm, 389,01 nm ve 481,92 nm). Baicalein içeren nanofiberlerde ise soğan ekstrakt derişimi arttıkça ortalama fiber çaplarında düşüş meydana gelmiştir (ort. 611,25 nm, 583,57 nm ve 476,47 nm). Propolis içeren nanofiberlerde de benzer şekilde gittikçe nanofiber çapında azalma görülmüştür (ort. 1179,01 nm, 731,87 nm ve 729,03 nm). 

Üretilen tüm nanofiberlerin VRE ve MRSA'ya karşı antibakteriyel testleri de gerçekleştirilmiştir. Soğan ekstrakt örneklerinde en yüksek derişimde (1:5) %100lük bir canlılık kaybı görülmüştür. AgNP, Baicalein ve propolis örneklerinde ise soğan ekstrakt derişimi arttıkça canlılıkta belirgin düşüşler gözlenmiştir. AgNP içeren nanofiber örneklerinde soğan ekstrakt derişimi max. iken VRE için %97,33 ve MRSA için %95,17 oranlarında bakteri giderimi sağlanmıştır. Baicalein içeren nanofiber örneklerinde ise soğan ekstrakt derişimi max. iken VRE için %98,50 ve MRSA için %99,67, propolis örneklerinde ise VRE için %70,83 ve MRSA için %71,83 oranlarında canlılık kaybı görülmüştür.

Dolayısıyla soğan ekstraktının nanofiber formunda ilk defa antibakteriyel analizleri gerçekleştirilerek başarılı sonuçlar elde edilmiş olup Baicalein, propolis ve AgNP gibi malzemelerin de mevcut antibakteriyel etkisini arttırdığı görülmüştür. Elde edilen sonuçlar, özellikle medikal alanda, soğan ekstraktının tek başına veya bitkisel malzemeler ile birlikte yara örtüsü veya greft gibi nanofiber formunda kullanılabileceğini göstermiştir. Yapılan bu tez çalışması ile yeşil nanoteknoloji üretim yöntemleri ve bitkisel malzemelerin nanoteknolojide kullanımı konularında literatüre katkı sağlanacağı düşünülmektedir. 

Bu çalışma YÖK'ün 100/2000 Doktora Burs Programı tarafından desteklenmiştir.

Abstract:
The use of plants in the treatment of many diseases has been researched and practiced since ancient times. Plant extracts are the basis of hundreds of drugs used today. However, there are not many studies on the use of these extracts in different forms in the medical field. Many plants contain specific bioactive components that are toxic to microorganisms. Through the antimicrobial properties of various phytochemicals that plants have, such as phenol compounds, alkaloids and terpenoids, they have taken their place in the field of nanotechnology. 

Using plants in the production of nanofibers by electrospinning is an emerging field. It has been observed that more effect is gained by ensuring the plants to a more stable structure with this method. Nanofibers, like all other nanomaterials, have high surface area/volume ratio, porosity, elasticity and mechanical strength, and their processability make them suitable materials for tissue engineering and drug delivery systems in nanomedicine.

In the presented doctoral thesis, the antimicrobial and anti-inflammatory effects of plant extract based nanofibers, which have not studied much, were investigated. For this purpose, onion extracts in different concentrations were produced as nanofibers by electrospinning method. Characterization (FTIR, EDX and SEM) tests of the produced nanofibers were performed and three concentrations (1:50, 1:25 and 1:12.5) showing the best nanofiber behavior were selected according to their results. In SEM analysis, it was observed that as the onion extract concentration increased, the fiber diameters decreased (avg. 694,24nm, 529,23 nm, 525,38 nm, 422,4 nm and 377,7 nm) and the fiber morphology deteriorated. 

Baicalein and propolis, which are herbal materials with known antibacterial effects, were added to the onion extract samples with selected concentrations and nanofiber production was carried out with them. In addition, AgNP-containing nanofibers were produced by precipitating AgNP in the plant extract. FTIR, EDX and SEM tests of nanofibers containing onion extract and Baicalein, propolis, AgNP were also performed. As the onion extract concentration increased in the produced AgNP nanofibers, the ribbon structure was observed and the fiber diameters increased (avg. 315,37 nm, 389,01 nm and 481,92 nm). In Baicalein-containing nanofibers, as the onion extract concentration increased, the mean fiber diameters decreased (avg. 611,25 nm, 583,57 nm and 476,47 nm). Similarly, nanofibers containing propolis decreased in diameter gradually (avg. 1179,01 nm, 731,87 nm and 729,03 nm). 

Antibacterial tests against VRE and MRSA were also performed with all produced nanofibers. Onion extract samples showed a loss of 100% viability at the highest concentration (1:5). In AgNP, Baicalein and propolis samples, as the onion extract concentration increased, significant decreases in viability were observed. While the onion extract concentration was max. in AgNP containing nanofiber samples, bacteria removal rates were 97,33% for VRE and 95,17% for MRSA. In Baicalein-containing nanofiber samples, these ratios were 98,50% for VRE and 99,67% for MRSA. In propolis samples, 70,83% for VRE and 71,83% lose viability for MRSA were observed. 

Therefore, successful results were obtained by performing antibacterial analyzes of onion extract in nanofiber form for the first time, and the extract increased the existing antibacterial effects of Baicalein, propolis and AgNP. The results showed that onion extract can be used alone or in combination with herbal materials in the form of nanofibers as wound dressings or grafts, especially in the medical field. It is thought that this thesis will contribute to the literature on green nanotechnology production methods and the use of plant materials in nanotechnology.

This study was supported by the 100/2000 PhD Scholarship Program of Council of Higher Education.