5-fluorourasil için polimer/biyoseramik ve grafen oksit içerikli ilaç taşıyıcı malzeme üretimi ve kinetik çalışmaları
Production and kinetic studies of polymer/bioceramic and graphene oxide containing drug carrier materials for 5-fluorouracil
Yazar: EBRU KAHRAMAN
Danışman: PROF. DR. GÜLHAYAT SAYGILI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
İnsan yaşamı için ciddi bir tehdit oluşturan kanser, dünya çapında önde gelen ölüm 
nedenlerinden biri olmaya devam etmektedir. Dünya Sağlık Örgütü (WHO) tarafından 
kanserin 183 ülkenin 112'sinde 70 yaş öncesi için birinci veya ikinci ana ölüm faktörü 
olduğu tahmin edilmektedir. Kanser tedavisi sürecinde karşılaşılan en önemli 
zorluklardan birisi, uygulanan yüksek toksisiteye sahip ilaçların vücut içerisinde ani 
ve kontrolsüz salımının, kanser hücreleri dışındaki sağlıklı dokuları da etkileyerek 
yorgunluk, ateş, saç dökülmesi, deri döküntüsü ve mide bulantısı gibi istenmeyen yan 
etkilere yol açabilmesidir. Bununla birlikte, biyolojik ortamla ilaç arasında meydana 
gelen etkileşimler, aktivite ve terapötik etki kaybına neden olarak tedavinin etkinliğini 
azaltabilmektedir. Bu nedenle, ilaçları uygun terapötik seviyede tutarak yan etkileri
azaltmak ve dış etkenlerden koruyarak tedavinin etkinliğini arttırmak amacı ile 
tasarlanan ilaç taşıyıcı sistem çalışmaları önem taşımaktadır.
5-Fluorourasil (5-FU) ilacı, günümüzde kolon kanseri başta olmak üzere, rektum, 
göğüs, yumurtalık, pankreas, mide, beyin ve cilt kanseri gibi pek çok kanser türünün 
tedavisinde yaygın olarak kullanılan bir anti kanser ajanıdır. Bu ilaç, C(Karbon)-5 
pozisyonunda hidrojen atomu yerine flor atomu bulunan bir urasil primidini analoğu 
türüdür. Anti kanser etkinliği oldukça üstün olmasına rağmen, kan plazmasında 
yarılanma süresi oldukça kısa olan (8-20 dakika) ve kanserli hücreler tarafından 
seçiciliği olmayan 5-FU ilacı sağlıklı hücreleri de etkileyerek istenmeyen yan etkilere 
ve tedavi veriminin düşmesine sebep olabilmektedir. Bununla birlikte, düşük molekül 
ağırlığı ve hidrofilik karakteri, 5-FU ilacının ilaç taşıyıcı sistemlere yüklenme 
kapasitesinin düşük olmasına neden olmakta ve kontrollü bir salımın sağlanmasına 
engel oluşturmaktadır. Bu nedenlerden dolayı, 5-FU'nun vücut içerisinde dolaşım 
süresini arttırabilecek ilaç taşıyıcı malzemelerin geliştirilmesi önem taşımaktadır. 
Grafen oksit (GO), grafenin oksidasyonu ile elde edilen ve oksijen içeren fonksiyonel 
gruplara sahip iki boyutlu bir grafen türevidir. Grafene benzer şekilde katmanlı bir 
yapıya sahip olan grafen oksit; epoksi, hidroksil, karbonil ve karboksilik gruplar gibi 
oksijen içerikli fonksiyonel gruplar bulundurmaktadır. Bu grupların varlığı, grafen 
oksite hidrofilik bir karakter kazandırmakta ve biyolojik ortamda çözünürlüğünü 
arttırarak biyouyumluğunu iyileştirmektedir. Yüksek spesifik yüzey alanı ile birlikte 
- etkileşimi ve hidrojen bağı oluşumuyla ilaç molekülleri ile etkileşeme geçebilme 
kapasitesi, grafen oksitin ilaç yükleme ve salım çalışmalarında tercih edilen bir 
malzeme olarak ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bununla birlikte, grafen oksitin 
vücut içerisinde yalnız başına uygulanması durumunda hücre canlılığında düşüşe 
sebep olabileceği raporlanmış olup, biyouyumluluğunu iyileştirmek ve mümkün
olabilecek toksik etkileri azaltmak için farklı biyomalzemeler ile birlikte 
fonksiyonelleştirilerek kullanımı tercih edilmektedir.
Hidroksiapatit (HAp, Ca10(PO4)6(OH)2), insan vücudu içerisinde diş ve kemik 
yapısında bulunan, biyoseramik yapılı kalsiyum fosfat bir malzemedir. Biyoaktif, 
biyouyumlu, yavaş bozunan, osteokondüktif ve osteoindüktif yapısı nedeni ile diş 
hekimliği, kemik doku mühendisliği alanları başta olmak üzere, ilaç taşıyıcı sistemler 
ve hücre görüntüleme gibi biyomedikal alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. 
Nanoboyutlu hidroksiapatit parçacıklarının farklı kanser hücreleri üzerinde büyümeyi 
önleyici etki gösterebilmesi nedeni ile, hidroksiapatit içeren kompozit malzemeler 
kanser ilaçları için geliştirilen ilaç taşıyıcı sistemlerde tercih edilebilmektedir. Bununla 
birlikte, sert ve kırılgan bir yapıya sebep olmasından kaynaklanan mekanik 
dezavantajları, hidroksiapatitin tek başına klinik uygulamalarda kullanımını 
kısıtlayabilmektedir. Ek olarak, yalnızca hidroksiapatitin taşıyıcı malzeme olarak 
kullanıldığı ilaç salım çalışmalarında yüksek ilk ani salım oranları görülmüştür. Bu 
nedenlerle, mekanik özellikleri ve kontrollü salımı iyileştirebilecek çeşitli 
malzemelerin katkısı ile kompozit halinde kullanımı tercih edilmektedir.
Jelatin (GEL), kollajenin kısmi hidrolizi ile elde edilen doğal bir polimerdir. Asidik
veya bazik prosesler ile elde edilme şekline göre sırası ile A ve B tipi olarak 
sınıflandırılmakta olup; hayvan derisi, kemik, kıkırdak ve bağ dokusundan elde 
edilebilmektedir. Düşük immünojenikliği, toksik olmaması, biyouyumluluğu, 
biyolojik bozunabilirliği ve düşük maliyeti nedeniyle, biyomedikal alanda yaygın 
olarak kullanılan doğal polimerlerden biri olarak ortaya çıkmıştır.
Poliüretan (PU), termoplastik ve termoset polimer sınıfında yer alan, üretimi ve 
kullanım alanı açısından pek çok çeşidi bulunan bir polimerdir. Yapısal olarak 
yumuşak parça ve sert parça olmak üzere iki farklı şekilde sınıflandırılan bloklardan 
oluşan poliüretanlar, moleküler düzeydeki bu parçalı yapıları nedeni ile elastiklik, 
aşınma dayanımı, kimyasal stabilite ve işlenebilirlik gibi avantajlı özellikler 
barınıdırmaktadır. Esneklik ve mekanik dayanımın birlikte sağlanabilmesi, 
poliüretanların medikal alanda kullanımı avantajlı bir malzeme olarak öne çıkmasına 
neden olmuştur. Bununla birlikte, biyouyumlu ve pH değişimine duyarlı özellik 
göstermeleri nedeni ile, kontrollü ilaç salım sistemi çalışmalarında kullanımı tercih 
edilen malzemeler arasında yer almaktadırlar.
Yapılan çalışmanın amacı; 5-FU kanser ilacının in vitro ortamda kontrollü salımını 
sağlayabilecek polimer/biyoseramik ve grafen oksit içerikli ilaç taşıyıcı malzemelerin 
geliştirilmesi, bu malzemelerin ilaç yükleme ve salım performanslarının araştırılması, 
deneysel tasarım ve kinetik modelleme çalışmaları ile optimizasyonun yapılmasıdır. 
Polimer malzemeler olarak jelatin ve poliüretan seçilirken, biyoseramik malzeme 
olarak hidroksiapatit tercih edilmiştir.
İlk olarak, değişen jelatin konsantrasyonları içeren grafen oksit/jelatin (GO/GEL) 
kompozitleri üretilmiş ve bu kompozitlere adsorpsiyon yolu ile 5-FU ilacı 
yüklenmiştir. Deneysel tasarım çalışmaları sonucunda, düşük jelatin konsantrasyonu 
ve pH 8 değerinde 5-FU adsorpsiyonun maksimum olduğu görülmüştür. Adsorpsiyon 
izotermi çalışmaları sonucunda, 5-FU adsorpsiyonu için en uygun modelin Freundlich 
modeli olduğu görülmüştür. In vitro salım çalışmaları sonucunda, düşük jelatin 
konsantrasyonlarında birinci derece kinetik modele ve yüksek jelatin 
konsantrasyonlarında Higuchi kinetik modeline uygunluk görülmüştür. MCF-7 göğüs 
kanseri hücre hattına karşılık yapılan MTT testinde 5-FU yüklü GO/GEL kompoziti 
%22.8'lik bir hücre canlılığı göstermiş, 5-FU ilacının salımını ve etkisini
doğrulamıştır. L-929 fibroblast hücre hattına karşılık yapılan MTT testi sonucu,15 
μg/ml 5-FU yüklü GO/GEL konsantrasyonlarına kadar %80 hücre canlılığı elde 
edilmiş ve kompozitlerin biyouyumluluğu doğrulanmıştır. 
İkinci aşamada, değişen grafen oksit (GO) miktarları içeren grafen oksit/hidroksiapatit 
(GO/HAp) kompozitleri üretilmiş ve adsorpsiyon yolu ile 5-FU ilacı yüklenmiştir. 
Deneysel tasarım çalışmaları sonucunda, düşük pH (pH 2) ve düşük başlangıç 5-FU 
konsantrasyonlarında 5-FU adsorpsiyonu oranının maksimum olduğu görülürken, 
grafen oksitin hafif bir artışa sebep olduğu görülmüştür. 5-FU adsorpsiyonu için en 
uygun modelin Freundlich modeli olduğu görülmüş ve maksimum adsorpsiyon 
kapasitesi (Qm) pH 2.0 koşullarında 36.9 mg/g olarak hesaplanmıştır. In vitro salım 
çalışmalarında, pH 7.4 koşullarında tüm GO oranlarında salımın sıfır derece kinetik 
modele uygunluk görülürken, düşük pH değerlerinde ise Higuchi kinetik modele 
uyum görülmüştür. 
Üçüncü aşamada, GO/HAp kompozitlerinin 5-FU ilacı için adsorpsiyon yüzdesini 
iyileştirmek amacı ile, aminlenmiş grafen oksit üretimi yapılmıştır. Aminlenmiş grafen 
oksit/hidroksiapatit (GO-NH2/HAp) kompoziti sentezlenmiştir ve adsorpsiyon yolu ile 
5-FU ilacı yüklenmiştir. GO/HAp kompoziti ile benzer şekilde, GO-NH2/HAp için 
yüksek GO-NH2, düşük pH ( pH 2) ve düşük başlangıç 5-FU konsantrasyonlarında en
yüksek 5-FU adsorpsiyon oranı görülmüştür. Grafen oksitin aminlenmesi işlemi 
sonrası maksimum adsorplanan ilaç oranında %9.7'lik bir artış belirlenmiştir. 5-FU 
adsorpsiyonu için en uygun modelin Freundlich modeli olduğu görülmüş ve 
maksimum adsorpsiyon kapasitesi (Qm) pH 2.0 koşullarında 21.2 mg/g olarak 
hesaplanmıştır. In vitro salım çalışmalarında, tüm pH koşullarında 5-FU salımı sıfır 
derece kinetik modele uygunluk göstermiştir.
Son aşamada, grafen oksit/poliüretan (GO/PU) kompozit film üretimi yapılmıştır. 
Poliüretan üretimi aşamasında, biyouyumlu ve ekonomik bir alternatif olan ayçiçek 
yağı ve hint yağı hidroksil kaynağı olarak kullanılmıştır. 5-FU yükleme işlemi, üretimi 
aşamasında 5-FU ilacının enkapsülasyonu ile gerçekleştirilmiştir. Deneysel tasarım 
çalışmaları sonucunda, 5-FU'nun GO/PU kompoziti içerisinden salım yüzdesinin, 
yüksek pH (pH 10), yüksek GO miktarı ve düşük başlangıç 5-FU 
konsantrasyonlarında arttığı görülmüştür. Kompozitlerde pH'a duyarlı ilaç salımı 
gerçekleştiği görülmekle birlikte, yüksek GO içeren kompozit için tüm pH 
koşullarında, Higuchi kinetik modeline uygunluk sağlanmıştır. Azalan GO 
miktarlarında ise, salım profilinin sıfır derece kinetik modele uyum gösterdiği 
belirlenmiştir. 
Bu tezin bulguları, sentezlenen GO/GEL, GO/HAP, GO-NH2/HAp ve GO/PU
malzemelerinin 5-FU kanser ilacı için kontrollü salımı sağlayabilecek biyoyumlu ve 
ekonomik ilaç taşıyıcı malzemeler olarak potansiyele sahip olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Cancer, which creates a serious threat to human life, has been remaining one of the 
leading causes of death worldwide. It is estimated by the World Health Organization 
(WHO) that cancer is the first or second major death factor for those before the age of 
70 years in 112 out of 183 countries. One of the main challenges encountered in cancer 
drug treatments is the sudden and uncontrolled release of highly toxic drugs in the 
body after administration, affecting healthy tissues along with the cancer cells and 
causing undesirable side effects such as fatigue, fever, hair loss, skin eruption and 
nausea. In addition, interactions between the biological environment and the drug may 
reduce the effectiveness of the treatment by causing loss of activity and therapeutic 
effect. For that reason, studies on drug delivery systems designed to reduce side effects 
by maintaining drugs at the appropriate therapeutic level and to increase the 
effectiveness of treatment by protecting them from external factors have gained 
importance.
5-Fluorouracil (5-FU) drug is an anticancer agent that is widely used in the treatment 
of many cancer types including colon, rectum, breast, ovarian, pancreatic, stomach, 
brain and skin cancers. This drug is a type of uracil pyrimidine analog with a fluorine 
atom instead of a hydrogen atom at the C(Carbon)-5 position. Even though 5-FU 
displays an excellent anticancer activity, its short half-life in blood plasma (8-20 
minutes) along with non-selectivity for cancer cells can also affect healthy cells, 
inducing unwanted side effects and reduced treatment efficiency. Besides, its low 
molecular weight and hydrophilic character may cause low loading capacity of 5-FU 
drug in drug delivery systems and prevent controlled release. Therefore, developing 
drug carrier materials that provides increasing circulation time in the body for 5-FU is 
important.
Graphene oxide (GO) is a two-dimensional graphene derivative with oxygencontaining functional groups obtained by the oxidation of graphene. Similar to 
graphene structure, graphene oxide includes oxygen-containing functional groups such 
as epoxy, hydroxyl, carbonyl and carboxylic groups. The presence of these groups 
provides graphene oxide a hydrophilic character improving its biocompatibility by 
increasing its solubility in the biological environment. Graphene oxide has emerged as 
a preferred material in drug loading and release studies due to its high specific surface 
area and its capacity to interact with drug molecules through - interaction and 
hydrogen bond formation. However, applying graphene oxide alone in the body may 
cause a decrease in cell viability, which is why it is preferred to be used after 
functionalizing with different biomaterials with the aim of improving its 
biocompatibility and reducing possible toxic effects.
Hydroxyapatite (HAp, Ca10(PO4)6(OH)2) is a bioceramic calcium phosphate material 
found in tooth and bone structure in the human body. Due to its bioactive, 
biocompatible, slowly degrading, osteoconductive and osteoinductive structure, it is 
widely used in biomedical fields including dentistry, bone tissue engineering, drug 
delivery systems and cell imaging. Composite materials containing hydroxyapatite 
have gained attraction in drug delivery systems developed for cancer drugs, since 
nanosized hydroxyapatite particles can have a growth inhibitory effect on different 
cancer cells. However, the mechanical disadvantages including hard and brittle 
structure may limit the use of hydroxyapatite alone in clinical applications. In addition, 
high initial immediate release rates were observed in drug release studies in which 
hydroxyapatite alone was used as the carrier material. For these reasons, it is preferred 
to be used as composite form with the contribution of various materials that can 
enhance mechanical properties and controlled release.
Gelatin (GEL) is a natural polymer derived by hydrolysis of collagen. Gelatin can be 
originated from animal skin, bone, cartilage and connective tissue which can be 
cllassified as acid (Type A) or base (Type B) depending on the treatment conditions 
during production. Because of its low immunogenicity, nontoxicity, biocompatibility, 
biodegradability and low cost, it has been emerged as one of the most well-known 
natural polymer in the biomedical field .
Polyurethane (PU) is a polymer which is in the class of thermoplastic and thermoset 
polymers and has many types in terms of production and usage area. Polyurethanes, 
which consist of two blocks structurally classified as soft parts and hard parts, have 
advantageous properties such as elasticity, abrasion resistance, chemical stability and 
machinability due to these fragmented structures at the molecular level. The ability to 
provide flexibility and mechanical strength at unity emerges polyurethanes in the 
medical field as an advantageous material. Besides, their biocompatibility and 
sensitivity to pH changes bring out polyurethanes among the most preferred materials 
used in controlled drug release system studies.
The current study focuses on developing polymer/bioceramic and graphene oxidecontaining drug carrier materials that can provide controlled release of 5-FU cancer 
drug in vitro, investigation of drug loading and release performances of these materials 
and optimization together with experimental design and kinetic modelling studies. 
While gelatin and polyurethane were chosen as polymer materials, hydroxyapatite was 
preferred as bioceramic material.
Firstly, graphene oxide/gelatin (GO/GEL) composites with varying gelatin 
concentrations were produced and 5-FU drug was loaded through adsorption. As a 
result of experimental design studies, it was observed that 5-FU adsorption was 
maximum at low gelatin concentration and pH 8. Adsorption isotherm studies revealed 
that the most suitable model for 5-FU adsorption was the Freundlich model. As a result 
of in vitro release studies, compatibility with first order kinetic model at low gelatin 
concentrations and Higuchi kinetic model at high gelatin concentrations was observed. 
In the MTT test against the MCF-7 breast cancer cell line, the 5-FU loaded GO/GEL 
composite showed a cell viability of 22.8%, confirming the release and efficacy of the 
5-FU drug. As a result of the MMT test performed against the L-929 fibroblast cell 
line, 80% cell viability was obtained up to 15 μg/ml 5-FU loaded GO/GEL 
concentrations and the biocompatibility of the composites was confirmed.
In the second step, graphene oxide/hydroxyapatite (GO/HAp) composites containing 
varying amounts of graphene oxide (GO) were produced and 5-FU drug was loaded
by adsorption. As a result of experimental design studies, it was observed that the rate 
of 5-FU adsorption was maximum at low pH (pH 2) and low initial 5-FU 
concentrations, while graphene oxide caused a slight increase. It was seen that the most 
suitable model for 5-FU adsorption was the Freundlich model and the maximum 
adsorption capacity (Qm) was calculated as 36.9 mg/g under pH 2.0 conditions. In in
vitro release studies at pH 7.4 conditions, all GO ratios showed compliance with the 
zero-order kinetic model, while at low pH values, compatibility with the Higuchi 
kinetic model was observed.
In the third step, amin modified graphene oxide was produced in order to improve the 
adsorption percentage of 5-FU drug on GO/HAp composites. Aminated graphene 
oxide/hydroxyapatite (GO-NH2/HAp) composite was synthesized and 5-FU drug was 
loaded through adsorption. Similar to the GO/HAp composite, the highest 5-FU 
adsorption rate was seen at GO-NH2/HAp at high GO-NH2, low pH (pH 2) and low 
initial 5-FU concentrations. After the amination of graphene oxide, an increase of 9.7% 
was determined in the maximum adsorbed drug rate. It was seen that the most suitable 
model for 5-FU adsorption was the Freundlich model and the maximum adsorption 
capacity (Qm) was calculated as 21.2 mg/g under pH 2.0 conditions. In vitro release 
studies revealed that 5-FU release at all pH conditions followed a zero-order kinetic 
model.
In the last step, graphene oxide/ polyurethane (GO/PU) composite film was produced. 
During the production of polyurethane, sunflower oil and castor oil, which are 
biocompatible and economical alternatives, were used as hydroxyl sources. The 5-FU 
loading process was carried out by encapsulation of the 5-FU drug during its 
production. As a result of experimental design studies, it was observed that the release 
percentage of 5-FU from GO/PU composite increased at high pH (pH 10), high GO 
content and low initial 5-FU concentrations. pH-sensitive drug release was observed 
from the composites as well as Higuchi kinetic model was provided for the composite 
with high GO under all pH conditions. In decreasing GO amounts, it was determined 
that the release profile followed the zero-order kinetic model.
The findings of this thesis demonstrate that the produced GO/GEL, GO/HAP, GONH2 /HAp and GO/PU materials have potential as biocompatible and economical drug 
carrier materials that can provide controlled release for 5-FU cancer drug.