Antimikrobiyal ajan salan hidrojel bazlı doku genişleticilerin geliştirilmesi
Development of antimicrobial agent releasing hydrogel-based tissue expanders
Yazar: SAHAR SHAHİR
Danışman: PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Sunulan tez çalışmasının ana hedefi, halen klinikte kullanılmakta olan mevcut yumuşak doku genişletici hidrojellere alternatif olabilecek ve onların neden olduğu komplikasyonları minimum düzeye indirebilen, doku onarımını sağlayabilecek antimikrobiyal özellikte yeni bir hidrojel bazlı doku genişletici geliştirmek ve bu hidrojelin karakterizasyonunu gerçekleştirmektir. Bu amaca yönelik olarak, çalışma kapsamında, grubumuzca daha önce geliştirilen ve doku genişletici olarak en uygun özellikleri taşıdığı belirlenen poli(akrilamid-ko-2-hidroksietil metakrilat) p(AAm-ko-HEMA) hidrojeli kullanılmıştır. Bu hidrojel, dokunun en zayıf olduğu döneminde oluşabilecek enfeksiyon riskini minimize etmek üzere amoksisilin (AMX) isimli antimikrobiyal ajanın salımını yapacak şekilde tasarlanmıştır. Ayrıca, geliştirilen doku genişletici modifiye edilerek, şişme hızı kontrolünün iyileştirilmesi de hedeflenmiştir. Hidrojeller  silikon bir kılıfla kaplanmış ve silikon kılıfa bir delik açılmıştır. Delik, elektroeğirme yöntemiyle üretilen polikaprolakton-amoksisilin (PCL-AMX) nanofiberlerle kapatılmıştır. Hidrojeller, serbest radikalik zincir polimerizasyonu ve çapraz bağlanma reaksiyonu ile sentezlenmiştir. Polimerizasyonda, akrilamid (AAm) ve 2-hidroksietil metakrilat (HEMA) monomerleri molce % 94.5:5.5 oranında kullanılmıştır. Çapraz bağlayıcı olarak N,N'-metilen bisakrilamid (BIS) ve başlatıcı çifti olarak da amonyum persülfat (APS) ve N,N,N',N'-tetrametilendiamin (TEMED) kullanılmıştır. Bu çalışmada, gliserinli ve gliserinsiz, iki tür hidrojel sistemi üretilmiştir. Nanofiberlerin üretimi için hekzafloroizopropanol (HFIP) içerisinde %11'lik (kütle/hacim) PCL çözeltisi hazırlanmış ve amoksisilin, PCL'in kütlesine oranı % 3 veya 5 olacak şekilde çözeltiye eklenmiş ve 40 veya 80 dk elektroeğirilmiştir. Bunun yanı sıra, hidrojellerin, PCL ve PCL-AMX nanofiberlerin yapısal karakterizasyonu taramalı elektron mikroskobu (SEM), ısısal özellikleri termogravimetrik analiz (TGA), mekanik özellikleri sıkıştırma testi ve çekme testi ile incelenmiştir. PCL-AMX matrislerden ilaç salımı, spektrofotometrik olarak 229 nm dalga boyunda belirlenmiştir. Dinamik şişme çalışmalarına (PBS, pH:7.4) göre, gliserinsiz ve gliserinli hidrojellerin 60 gün sonundaki denge su içerikleri, sırasıyla yaklaşık % 586 ve % 458  olarak bulunmuştur. Hidrojellerin şişme hızı, çalışmanın ilk 10 günü için, 5 mm x 5 mm boyutlarında ve 90-100 µm kalınlığındaki PCL-AMX nanofiber matrisin silikon kılıf üzerindeki delik üzerine kapatılmasıyla azaltılmış ve istenilen hızda şişme sağlanmıştır. Gliserinli ve gliserinsiz hidrojelleri içeren doku genişleticilerin denge su içerikleri, ilk 10 günde sırasıyla % 90 ve % 54 olarak hesaplanmıştır. PCL matrisin bozunması ile şişme oranları 10. güne göre çok daha hızlı artmaya devam etmiş ve aynı hidrojeller için bu oranlar 60. günde % 130 ve % 190 olarak belirlenmiştir. PCL-AMX nanofiberlerin in-vitro salım çalışmalarında, ani patlama etkisi (burst effect) görülmüş ve ilk 2 saatin sonunda matristen 55 µg AMX/mg PCL matris ilaç salımı gerçekleşmiştir. AMX salımı, ilerleyen sürelerde kontrollü bir şekilde devam etmiş ve 10 günün sonunda % 5'lik 80 dk elektroeğrilmiş silikon kılıflı  PCL-AMX nanofiber matrislerden 149 µg AMX/mg ve silikon kılıfsız PCL-AMX matrislerden 81  µg AMX/mg salımı elde edilmiştir. Tüm sonuçlar birlikte değerlendirildiğinde, kontrol edilebilir şişme özellikleri ve antimikrobiyal yapısıyla, amoksisilin salan p(AAm-ko-HEMA) hidrojelinin, umut vaat eden bir malzeme olarak klinikte doku genişletici olarak kullanılabileceği düşünülmektedir.


Anahtar kelimeler: Doku genişletici, akrilamid, hidroksietil metakrilat, hidrojel, amoksisilin, kontrollü salım.

Abstract:
The aim of this study is to develop a novel tissue expander based on the poly (acrylamide-co-hydroxyethyl methacrylate) hydrogel, p(AAm-co-HEMA), which is eliminating the problems seen in the current soft tissue expanders. P(AAm-co-HEMA) hydrogel which has desired properties, was put in a silicon shell to reduce and control the swelling rate. The hole on the shell was closed by using poly (ε-caprolactone) (PCL) nanofibrous mat to allow wound healing for approximately in ten days. Furthermore, an antibiotic, amoxicillin (AMX) was added into the PCL matrix and in-vitro release kinetics of AMX from tissue expander were investigated. In this study, hydrogel based tissue expanders were synthesized by free radical chain polymerization and cross-linking reaction. AAm and HEMA (94.5/5.5, mole ratios) were used as monomers whereas N,N'-Methylenebis acrylamide (BIS) and ammonium persulphate and (APS)/N,N,N',N'-Tetramethylenediamine (TEMED) were used as crosslinker and initiator system, respectively. Hydrogels were also modified by glycerin for easy manipulation and to obtain the shape memory hydrogel. Hydrogel was put in a silicon shell and the hole on the shell was closed with AMX loaded PCL (Mw 80,000) nanofiber matrix that was produced by electrospinning method. Before electrospinning process, PCL 11% (w/v) with 3 or 5% (w/w) AMX was dissolved in hexafloroisopropanol (HFIP). Solution was electrospinned during 40 or 80 min. For characterization, swelling studies were carried out with two types of hydrogel, i. glycerin containing (3 mm x 10 mm) and ii. without glycerin (2 mm x 10 mm). Swelling and in-vitro AMX release studies were carried out in a shaking bath at 37°C and 70 rpm. AMX concentration was determined by spectrophotometrically at 229 nm. Morphologies of the hydrogels and PCL-AMX nanofibers were determined by SEM. All data were expressed as mean ± standard deviations of representative of three similar experiments carried out in triplicate. According to the results of the dynamic swelling tests, equilibrium water contents of hydrogels with glycerin and without glycerin, in dry basis were approximately 458 % and 586 % for 60 days, respectively. The swelling rate of hydrogel was reduced and controlled with silicone shell that containing PCL nanofiber mat (5 mm x 5 mm, 90-100 µm thickness) during first ten days. On the  10th day of swelling studies, the water contents of hydrogels with glycerine and without glycerine were calculated as 90 % and 54 %, respectively. By depending upon degradation of PCL mat, swelling ratios continued to increase faster than that of first ten days and were determined as 130 % and 184 % for hydrogel with glycerine and without glycerin, respectively. The release of AMX continued in a controlled manner and at the end of ten days 149 mg AMX/µg mat was released from silicon shell/PCL-AMX/80 min and 81 mg AMX/µg mat was released from PCL-AMX/80 min 5% (w/w) samples. In conclusion, AMX releasing p(AAm-co-HEMA) hydrogel based tissue expander is a novel and promising vehicle with its controllable swelling properties.


Keywords: Tissue expander, acrylamide, hydroxyethyl methacrylate, hydrogel, amoxicillin, controlled release.