Farklı morfolojilerde titanyum dioksit nanosistemlerin üretilmesi, karekterizasyonu ve biyolojik uygulamaları
Production, characterization and biological applications of titanium dioxide nanosystems in different morphologies
Yazar: NURAY SERGİNAY
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET YILMAZ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Proses ve Reaktör Tasarımı Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Amaç: Tez kapsamında biyo-esinlenmiş bir malzeme olan L-DOPA'nın polimer formu (PLDOPA) kullanılarak  farklı morfolojilere sahip TiO2 nano yapıların (nanotel (NW) ve nanoçiçek (NF)) gümüş (Ag) nano yapılar ile dekore edilmesi (TiO2@PLDOPA@Ag) ve bu nano yapıların antibiyotiğe dirençli Gram-negatif (Escherichia coli) ve Gram-pozitif (Staphylococcus aureus) bakterilere karşı antibakteriyel aktiveteleri ile akciğer sağlıklı (MRC5) ve kanser (A549) hücre hatları üzerindeki sitotoksik etkilerinin belirlenmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: TiO2 NW nano yapıları hidrotermal, TiO2 NF nano yapıları ise solvotermal yöntemle sentezlenmiş ve ardından, L-DOPA'nın oksidatif polimerizasyonu vasıtasıyla TiO2 NP'ler (TiO2@PLDOPA) üzerine konformal ince bir PLDOPA filmi biriktirilmiştir. Bu işlem, katekol ve amin gibi çeşitli fonksiyonel gruplara sahip olan PLDOPA ince filminin, Ag iyonlarını TiO2 NP'lerin yüzeyine indirgeyerek Ag nanopartikül (NP) birikimini sağlamıştır. Bu yöntem sayesinde elde edilen nanokompozitler, herhangi bir yüzey aktif madde veya indirgeyici ajan kullanılmaksızın yüksek stabilitede üretilmiştir. Ag iyonlarının konsantrasyonu değiştirilerek, TiO2@PLDOPA koloidal kompozit sistem (TiO2@PLDOPA@Ag NP) üzerine dekore edilmiş Ag nano yapıların boyutu, morfolojisi ve parçacıklar arası mesafe hassas bir şekilde kontrol edilebilmiştir. Elde edilen tüm sistemlerin E.coli ve S. Aureus üzerine antibakteriyel etkileri ile akciğer sağlıklı (MRC5) ve kanser (A549) hücre hatları üzerindeki sitotoksik etkileri uygun yöntemler ile belirlenmiştir.
Bulgular: TiO2 NW'ler, 50 ila 130 nm çapında değişen, ortalama uzunluğu 85 nm olan nano yapılar olarak elde edilmiştir. Aynı şekilde, TiO2 NF'lerin çapı 0.8 ile 1.7 μm arasında değişiklik gösterirken, ortalama boyutları 1.4 μm olarak elde edilmiştir. Ag  nano yapılarının boyutu, yoğunluğu ve morfolojisi, Ag iyonlarının miktarı değiştirilerek kontrol edilebilmiştir. Önerilen sistem, hem Gram-negatif (E. coli) hem de Gram-pozitif (S. aureus) bakterilere karşı doza bağlı bir şekilde belirgin antibakteriyel aktivite sergilemiştir. Biriken Ag nano yapılarının miktarının, TiO2 NW@PLDOPA@Ag NP ve TiO2 NF@PLDOPA@Ag NP sistemlerinin antibakteriyel aktivitesi ile yüksek düzeyde ilişkili olduğu gözlenmiştir. Benzer şekilde TiO2 NW@PLDOPA@Ag ve TiO2 NF@PLDOPA@Ag nano yapısı, kimyasal yöntemle sentezlenen Ag NP'lere kıyasla daha düşük sitotoksisite göstermiştir.
Sonuç: Ag NP'lerin boyutu, sayı yoğunluğu ve parçacıklar arası mesafesi, Ag iyonlarının sayısı değiştirilerek kontrol edilmiştir. Gümüş dekorasyonu ile iki ayrı morfolojik yapıya sahip TiO2 NP'lerin antibakteriyel ve sitotoksik özellikleri önemli ölçüde artmıştır ve bu metodun farklı morfolojilerdeki partiküllere uygulanabilirliği başarılı bir şekilde gösterilmiştir.
Anahtar Kelimeler: PLDOPA, TiO2 nano yapılar, TiO2 nanoçiçekler, TiO2 nanoteller,gümüş nano yapılar, antibakteriyel ajan, Gram-negatif bakteri, Gram-pozitif bakteri, sitotoksik etki, kanser hücre hatları.

Abstract:
Objective: Within the scope of the thesis, it is aimed to decorate TiO2 nanostructures with different morphologies (nanowire (NW) and nanoflower (NF)) with silver (Ag) nanostructures (TiO2@PLDOPA@Ag) using the polymer form of L-DOPA (PLDOPA), a bio-inspired material, and to decorate these nanostructures with antibiotic-resistant Gram-. antibacterial activity against Gram-negative (Escherichia coli) and Gram-positive (Staphylococcus aureus) bacteria and cytotoxic effects on lung healthy (MRC 5) and cancer (A549) cell lines.
Method: TiO2 NW nanostructures were synthesised hydrothermally and TiO2 NF nanostructures were synthesised solvothermally and then a conformal thin film of PLDOPA was deposited on TiO2 NPs (TiO2@PLDOPA) by oxidative polymerisation of L-DOPA. This process enabled the deposition of Ag NPs by reducing Ag ions to the surface of TiO2 NPs by PLDOPA thin film having various functional groups such as catechol and amine. The nanocomposites obtained by this method were produced with high stability without the use of any surfactant or reducing agent. By varying the concentration of Ag ions, the size, morphology and inter-particle distance of Ag nanostructures decorated on TiO2@PLDOPA colloidal composite system (TiO2@PLDOPA@Ag NP) could be precisely controlled. Antibacterial effects of all the obtained systems on E. coli and S. Aureus and cytotoxic effects on lung healthy (MRC 5) and cancer (A549) cell lines were determined by appropriate methods.
Results: TiO2 NWs were obtained as nanostructures ranging from 50 to 130 nm in diameter, with an average length of 85 nm. Likewise, the diameter of TiO2 NFs varied between 0.8 and 1.7 μm, with an average size of 1.4 μm. The size, density and morphology of Ag nanostructures could be controlled by varying the amount of Ag ions. The proposed system exhibited significant antibacterial activity against both Gram-negative (E. coli) and Gram-positive (S. aureus) bacteria in a dose-dependent manner. It was observed that the amount of Ag nanostructures deposited was highly correlated with the antibacterial activity of TiO2 NW@PLDOPA@Ag NP and TiO2 NF@PLDOPA@Ag NP systems. Similarly, TiO2 NW@PLDOPA@Ag and TiO2 NF@PLDOPA@Ag nanostructures showed lower cytotoxicity compared to Ag NPs.
Conclusion: The size, number density and interparticle distance of ag nps were controlled by varying the number of ag ions. The antibacterial and cytotoxic properties of TiO2 nps with two different morphological structures were significantly enhanced by silver decoration and the applicability of this method to particles with different morphologies was successfully demonstrated.
Keywords: PLDOPA, TiO2 nanostructures, TiO2 nanoflowers, TiO2 nanowires, silver nanostructures, antibacterial agent, Gram-negative bacteria, Gram-positive bacteria, cytotoxic effect, cancer cell lines.
caktır.