Poli (2-hidroksietil metakrilat) aşılanmış manyetik Fe2O3 nanoparçacıkların sentezi ve kontrollü doksorubisin salım uygulaması
Synthesis of poly (2-hydroxyethyl methacrylate) grafted magnetic Fe2O3 nanoparticles and application of controlled doxorubicin release
Yazar: ÖZLEM GÜLÜM İNCİ
Danışman: PROF. DR. MURAT BARSBAY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
İlaç taşıma sistemlerinin geliştirilmesi, modern tıbbın en kritik ve zorlayıcı alanlarından biridir. Etkili ve hedeflenmiş ilaç dağıtımı, tedavi etkinliğini artırabilir ve istenmeyen yan etkileri azaltabilir. Bu nedenle uygun nanotaşıyıcıların tasarımı ve geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Manyetik nanoparçacıklar, spesifik hedefleme yetenekleri ile kanser tedavisinde etkili bir nanotaşıyıcı rolü üstlenebilmektedir. Nanotaşıyıcıların ilaç taşıma ve salım etkinliğini arttırmak amacıyla yüzeyleri, ihtiyaca yönelik olarak çeşitli polimerlerle modifiye edilebilir. 

Bu tez çalışmasında, manyetik Fe2O3 nanoparçacıkların poli(2-hidroksietil metakrilat) (pHEMA) ile modifiye edilmesini takiben, anti-kanser ilacı doksorubisin (DOX) yüklü nanotaşıyıcılar sentezlenmiş ve kontrollü salım çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında, düşük toksisitesi, yüksek su çözünürlüğü ve biyouyumlu olması nedeniyle pHEMA tercih edilmiştir. pHEMA'nın manyetik nanoparçacıklara aşılanma süreci, diazonyum tuzlarının vinilik bir monomer ve indirgeyici bir ajan varlığında sergilediği redoks aktivasyonuna dayanmaktadır. Diazonyum tuzları, indirgeyici ajan ile tetiklenen indirgenme süreçleri neticesinde yüzeyleri polifenilen benzeri ince bir tabaka ile kaplar. Redoks reaksiyonu esnasında oluşan aril radikaller ise, polimer zincirlerinin aşılaması için gerekli aktiviteyi oluşturur. "Diazonium-induced anchoring process" (DIAP) --Diazonyum ile Tetiklenen Bağlama Süreci-- veya "GraftFast" olarak adlandırılan bu süreç, tez çalışmasında, yeşil, hızlı ve verimli bir aşılama prosesi geliştirmek amacıyla, ultrases maruziyeti altında gerçekleştirilmiştir. Ultrasonik polimerizasyon yönteminin DIAP prosesine uyarlanması literatürde oldukça yeni bir yaklaşım olarak dikkat çekicidir. 

Bu yöntem ile sentezlenen pHEMA aşılanmış Fe2O3 nanoparçacıklar (pHEMA@Fe2O3), FTIR, XPS, XRD, TGA, SEM ve TEM yöntemleri ile karakterize edilmiştir. Karakterizasyon sonuçları pHEMA'nın, Fe2O3 nanoparçacıklara aşılandığını doğrulamıştır. Sentezler için optimum ultrases maruziyet süresinin 10 dakika, optimum monomer/diazonyum tuzu mol oranının ise 10:1 olduğu, FTIR ve TGA sonuçlarıyla belirlenmiştir. Optimum koşullarda sentezlenen pHEMA aşılanmış manyetik nanoparçacıklar, model bir ilaç olarak kullanılan doksorubisin HCl (DOX) ile 0,5 mg/mL başlangıç ilaç derişimindeki çözeltide, ortalama %35,68 yükleme kapasitesi sergilemiştir. Farklı pH değerlerinde gerçekleştirilen ilaç salım çalışmalarında, DOX yüklü pHEMA@Fe2O3 nanoparçacıklarının (DOX@pHEMA@Fe2O3), pH'ye bağlı salım davranışları incelenmiştir. Yüklenen ilacın, pH 3'te %87'sinin, pH 5.5'te %46'sının, fizyolojik pH 7,4'te ise %37'sinin salındığı görülmüştür. Tez kapsamında elde edilen sonuçlar, manyetik nanoparçacıkların polimer ile modifikasyonu ve kontrollü ilaç salımı için yenilikçi bir yöntemin geliştirilmesi ve kanser tedavisinde potansiyel bir strateji olarak sunulması açısından önemlidir.

Abstract:
The development of drug delivery systems is one of the most critical and challenging areas in modern medicine. Effective and targeted drug delivery can enhance treatment efficacy and reduce undesirable side effects, making the design and development of appropriate nanocarriers crucial. Magnetic nanoparticles can play an effective role as nanocarriers in cancer therapy due to their specific targeting capabilities. Surface modification of nanocarriers with various polymers tailored to the need may be necessary to enhance drug loading and release efficiency.

In this thesis, after the modification of magnetic Fe2O3 nanoparticles with poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (pHEMA), nanocarriers loaded with doxorubicin exhibiting different release profiles depending on pH were synthesized, and controlled release studies were conducted. pHEMA was selected as the grafted polymer due to its low toxicity, high water solubility, and biocompatibility. The grafting of pHEMA onto magnetic nanoparticles relies on the redox activation exhibited by diazonium salts in the presence of a vinyl monomer and a reducing agent. Diazonium salts coat the surfaces with a thin layer similar to polyphenylene as a result of reduction processes triggered by the reducing agent. Aryl radicals formed during the redox reaction provide the necessary active functionalitiy for polymer chain grafting. This process, termed "Diazonium-induced Anchoring Process" (DIAP) or "GraftFast," was conducted under ultrasound processing to develop a green, rapid, and efficient grafting process in the thesis study. Adapting the ultrasonic polymerization method to the DIAP process is noteworthy as a relatively new approach in the literature.

The synthesized pHEMA-grafted Fe2O3 nanoparticles (pHEMA@Fe2O3) were characterized using FTIR, XPS, XRD, TGA, SEM, and TEM techniques. Characterization results confirmed the grafting of pHEMA onto Fe2O3 nanoparticles. The optimum ultrasound exposure time for synthesis was determined to be 10 minutes, and the optimum monomer/diazonium salt molar ratio was 10:1, as determined by FTIR and TGA results. The pHEMA-grafted magnetic nanoparticles, synthesized under optimal conditions, demonstrated an average loading capacity of 35.68% in a solution containing doxorubicin HCl (DOX) as a model drug, with an initial drug concentration of 0.5 mg/mL. Drug release behavior depending on pH was investigated in drug release studies conducted at different pH values using DOX-loaded pHEMA@Fe2O3 nanoparticles (DOX@pHEMA@Fe2O3), revealing that 87% of the loaded drug was released at pH 3, 46% at pH 5.5, and 37% at physiological pH 7.4. The results obtained within the scope of the thesis are important in terms of developing an innovative method for the modification of magnetic nanoparticles with polymers and controlled drug release, presenting a potential strategy for cancer treatment.