Kontrollü ilaç salımı için enjekte edilebilen kitosan kriyojel mikrokürelerin geliştirilmesi
Development of injectable chitosan cryogel microcheres for controlled drug release
Yazar: DİDEM DEMİR KARAKUŞ
Danışman: PROF. DR. NİMET KARAGÜLLE
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Kontrollü ilaç salım uygulamaları etken maddeyi istenen zamanlarda terapotik doz aralığında salabilen sistemlerdir. Canlı vücuduna implante edilebilen bu sistemlerin taşıması gereken temel özellikler vardır. Biyouyumluluk, mekanik stabilite, bozunur olma, bozunma ürünlerinin toksik olmaması, mikroorganizmalara karşı antimikrobiyal aktivite göstermesi gibi özelliklerin yanında implante edilecek malzemenin enjekte edilebilir olması büyük önem taşımaktadır. Aynı zamanda ilaç salım sisteminin birbiri ile bağlantılı bir gözenek yapısı sergilemesi doku rejenerasyonu ya da yeni doku oluşumuna destek sağlayabilecek ilaçların taşınması ve kontrollü salımı için oldukça önemlidir.
Bu kapsamda tez çalışmasında enjekte edilebilir özellikte ve gözenekli yapıda, doku onarımında kullanılmak üzere farklı fizyolojik koşullar için kontrollü ilaç salımı yapabilen mikroküreler geliştirilmiştir. Mikrokürelerin üretiminde enjekte edilebilir özellikte olması için oda koşullarında yağ/su emülsiyon faz oluşturma ve gözenekli bir yapı sergilemesi için kriyojenik koşullarda çapraz bağlama teknikleri birarada kullanılmıştır. Oldukça yeni bir teknik olan kriyojenik jelasyon tekniğinin kullanılması üretilen malzemelerin yenilikçi tarafıdır.
Çalışmanın ilk bölümünde optimum koşullarda kitosan doğal polimeri kullanılarak kriyojel mikroküreler üretilmiş ve temel karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Kimyasal olarak çapraz bağlanan kriyojel mikroküreler, çapraz bağlama ajanı olarak gluteraldehit kullanılarak sentezlenmiştir. Mikrokürelerin kimyasal yapısı, partikül boyutu ve gözeneklilik dağılımını ortaya koyan morfolojik görüntüleri, enjekte edilebilirliği, farklı fizyolojik koşullar için şişme davranışı, şişme kinetiği ve bozunma profilleri incelenmiştir.
Çalışmanın ikinci bölümünde, karakterizasyon analizleri tamamlanan mikrokürelerin model ilaç olarak hidrofilik (Rhodamine-B) ve hidrofobik (Nile-Red) özellik gösteren boyar maddeler kullanılarak farklı sıcaklık, karıştırma hızı ve boyar madde konsantrasyonuna bağlı olarak ilaç yükleme kapasiteleri belirlenmiştir. Optimum ilaç yükleme parametreleri belirlenen mikrokürelerin yapay mide, yapay bağırsak ve yapay gözyaşı sıvıları içerisinde salım profilleri incelenmiş ve kinetik modelleri belirlenmiştir.
Çalışmanın üçüncü bölümünde fare embriyonik fibroblast (MEF) (CF-1) (ATCC1SCRC-1040™) hücre hattı ile in vitro biyouyumluluk testleri yapılmıştır. Mikrokürelerin biyouyumluluğunu test etmek için 3-(4,5-dimetiltiyazol-2-il)-2,5- difeniltetrazolyum bromür analizi ve hücre morfolojisini gözlemlemek için taramalı elektron mikroskopu (SEM) kullanılmıştır. Son olarak, malzemelerin implantasyona dayalı enfeksiyonuna ve biyofilm oluşumuna izin vermemek için, antimikrobiyal özellikleri belirlenmiştir. Bu amaçla, biyolojik aktiviteyi arttırmak için, mikrokürelerin üzerinde gümüş nanopartiküller (AgNP'ler) sentezlenmiş, karakterize edilmiş ve biyomedikal uygulamalar için antimikrobiyal özellikleri değerlendirilmiştir. Kitosan mikrokürelerin test edilen antimikrobiyal türler üzerinde, dikkate değer antimikrobiyal aktivite gösterdiği ve AgNP sentezi ile bu aktivite değerlerinin arttığı görülmüştür.
Yapılan çalışmalar sonucunda, kitosan jel mikrokürelerin sergiledikleri biyobozunur, biyouyumlu ve antimikrobiyal özellikler ile seçilecek hedef bölgeye minimum invazyonlar implante edilerek hem hidrofilik hem de hidrofobik ilaçlar için uygun bir kontrollü salım profili ile doku onarımı uygulamaları için potansiyel bir ürün olduğu ortaya konmuştur.

Abstract:
Controlled drug release applications are systems that can release the active substance in the therapeutic dose range at desired times. These systems, which can be implanted in the living body, have basic properties. In addition to features such as biocompatibility, mechanical stability, degradability, non-toxicity of degradation products, antimicrobial activity against microorganisms, it is of great importance that the material to be implanted is injectable. At the same time, the interconnected pore structure of the drug delivery system is very important for the transport and controlled release of drugs that can support tissue regeneration or new tissue formation.
In this context, injectable and porous microspheres that can controlled release of drugs for different physiological conditions have been developed to be used in tissue repair in the thesis study. In the production of microspheres, oil/water emulsion phase formation at room conditions to be injectable and cryogenic conditions to exhibit a porous structure were used together. The use of the cryogenic gelation technique, which is a fairly new technique, is the innovative side of the produced materials.
In the first part of the study, cryogel microspheres were produced using chitosan natural polymer under optimum conditions and basic characterization analyzes were performed. Chemically crosslinked cryogel microspheres were synthesized using glutaraldehyde as the crosslinking agent. The chemical structure, particle size and porosity distribution of the microspheres, injectability, swelling behavior for different physiological conditions, swelling kinetics and degradation profiles were investigated.
In the second part of the study, the drug loading capacities of the microspheres, whose characterization analyzes were completed, were determined by using hydrophilic (Rhodamine-B) and hydrophobic (Nile-Red) dyestuffs as a model drug, depending on different temperature, mixing speed and initial dyestuff concentration. The release profiles of the microspheres, for which optimum drug loading parameters were determined, were examined in artificial gastric, artificial intestinal and artificial tear fluids and their kinetic models were determined.
In the third part of the study, in vitro biocompatibility tests were performed with the mouse embryonic fibroblast (MEF) (CF-1) (ATCC1SCRC-1040™) cell line. 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide analysis was used to test the biocompatibility of the microspheres and scanning electron microscopy (SEM) was used to observe the cell morphology.
Finally, the antimicrobial properties of the materials were determined to prevent implantation-based infection and biofilm formation. For this purpose, silver nanoparticles (AgNPs) on microspheres were synthesized in situ and characterized to increase biological activity, and their antimicrobial properties were evaluated for biomedical applications. It was observed that chitosan microspheres showed remarkable antimicrobial activity on the tested antimicrobial species and these activity values increased with AgNP synthesis.
As a result of the studies, it has been revealed that the biodegradable, biocompatible and antimicrobial properties of chitosan gel microspheres are a potential product for tissue repair applications with a controlled release profile suitable for both hydrophilic and hydrophobic drugs by implanting minimum invasions into the target area to be selected.