Polimer katkılı hidroksiapatit eldesi
Production of hydroxyapatite with polymer addition
Yazar: TUĞBA BAŞARGAN ÖZSAĞIROĞLU
Danışman: PROF. DR. GÜLHAYAT SAYGILI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Hidroksiapatit (HAp), kemik ve dişin inorganik fazı, biyomedikal alanda geniş ölçekte kullanılmaktadırlar. Özellikle ilaç taşınımı olarak kullanımı bozunan ürünleri Ca+2 ve PO3-4 gibi vücudun doğal yapısında bulunan maddeler olması sebebiyle ilgi çekmektedir.
Literatürde HAp üretimi için birçok yöntem bulunmaktadır. Sulu ortamda çöktürme en yaygın olarak kullanılanlarındandır. Bunun yanında sol-jel, hidroliz ve hidrotermal gibi tekniklerde bulunmaktadır. 
Öte yandan kemik yapısını taklit etmek amacıyla birkaç çalışmada yapay vücut sıvısı varlığında çöktürme yöntemi de incelenmiştir. Ancak, bu çalışmalarda ya yapısal araştırmalar yapılmış ya da üretilen HAp'in mekanik özellikleri incelenmiştir. Fakat, bu yöntemle üretilen HAp üzerinde ilaç yükleme ve ilaç salım çalışmaları uygulanmamıştır. Ayrıca, yine bu yöntem dahilinde HAp-Polimer üretimini inceleyen çalışma sayısı da azdır. 
Bu çalışmanın ana amacı, Hidroksiapatit-Polimer kompozitleri yapay vücut sıvısı varlığında üretmektir. Kurutucu ortam olarak püskürtmeli kurutucu kullanılmıştır. Polimer olarak kitosan (CTS) ve jelatin (GEL) seçilmiştir. Çalışmanın başka bir amacı ise oluşturulan kompozitlerin ilaç taşıyıcı ortam olarak kullanımının araştırılmasıdır. Bu kapsamda, 5-Floroürasil (5-FU) seçilmiştir.
İlk aşamada klasik in-sitü yöntemiyle HAp-CTS ve HAp-GEL ihtiva eden kompozitler, Hidroksiapatit-Polimer oranları (1:1), (1:2) ve (1:4) olacak şekilde in-sitü yöntemle elde edildikten sonra püskürtmeli kurutucuya verilmiştir. Daha sonra, SBF ortamında bekletilerek in-vitro çalışmalar yapılmıştır. İn-vitro çalışmalar kapsamında, HAp-CTS kompozitlerinde polimer ağırlık değişiminin etkisi incelenirken HAp-GEL kompozitinde ise çapraz bağlayıcı ajan (Gluteraldehit, GA) etkisi irdelenmiştir. 
İkinci aşamada SBF varlığında HAp-Polimer üretimi incelenmiştir. HAp-Polimer ağırlık oranı ((1:1), (1:2), (1:4)) ve GA miktarı (%1, %2, %5) parametre olarak incelenmiştir.
Üçüncü aşamada, SBF ortamında üretilen HAp-GEL ve HAp-CTS kompozitlerine ilaç enkapsüle edilmiştir. Bu kapsamda ilaç katkısız numunelerle aynı şekilde, HAp-Polimer ağırlık oranı ((1:1), (1:2), (1:4)) ve GA miktarı (%1, %2, %5) parametre olarak incelenmiştir.
Dördünce aşamada, ilaç salımı deneyleri fosfat tampon varlığında yürütülmüştür. HAp-CTS-5-FU analizlerinde temel olarak GA etkisine bakılırken, HAp-GEL-5-FU analizlerinde GEL miktarının etkisi incelenmiştir. Ayrıca, ilaç salımını modellemek için yine 5 farklı kinetik model denenmiştir; 0 derece modeli, 1. Derece modeli, Higuchi modeli, Hixson Crowell modeli ve Korsemeyer–Peppas modeli.
Üretilen kompozitlere X-Işınları Difraktometresi (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscope (SEM), Termo Gravimetrik Analiz (TGA) ve partikül boyut (Mastersizer) analizleri uygulanmıştır. Ayrıca, in-vitro analizler için SBF ortamının pH'ı, numunelerin SBF absorpsiyon ve degradasyon oranları ölçülmüştür.
Çalışma kapsamında hem klasik yöntemle hem de SBF varlığında hidroksiapatit-polimer kompozitleri başarıyla üretilmiştir. In-vitro çalışmalara göre, üretilen kompozitler vücut ortamında kullanıma uygundur.
Daha sonra SBF ortamında üretilen HAp-CTS ve Hap-GEL kompozitleri üretilmiştir. Enkapsülasyon yönteminin uygulanmasıyla HAp-CTS-5-FU ve HAp-GEL-5-FU numuneleri yine başarılı bir şekilde ve yüksek ilaç yükleme verimliliğiyle üretilmiştir.
HAp-CTS-5-FU numunelerinde, kitosan miktarının artışı yüksek viskoz yapıya neden olmakta ve enkapsülasyonu engelleyerek ilaç yükleme verimliliğini düşürmektedir. En yüksek ilaç verimliliğini sağlayan GA değerinin %2 olduğu görülmüştür. HAp-GEL-5-FU numunesinde ise enkapsülasyon verimliliği GA artışıyla doğru orantılıdır.
İlaç salımı çalışmalarında elde edilen sonuçlara göre, HAp-CTS-5-FU ve HAp-GEL-5-FU hızlı salım göstermiş ve Fickian difüzyon gözlenmiştir. GA miktarı arttıkça salımyavaşlamaktadır. HAp-CTS-5-FU çalışmasında partikül boyutunun da salımı etkilediği gözlenmiştir. HAp-GEL-5-FU numunelerinde ise GEL miktarı arttıkça ilaç salımında artış gözlenmiştir. 
Sonuç olarak, SBF ortamında HAp-GEL ve HAp-CTS numuneleri SBF ortamında başarıyla üretilip ilaç enkapsüle edilmiştir. İlaç salımı özelliklerinin daha da geliştirilmesiyle bahsedilen ilaç taşınım sistemlerinin vücut içerisinde kullanımlarının da yolu açılabilir.

Abstract:
Hydroxyapatite (HAp), inorganic phase of bone and teeth, has been using widely in the field of biomedical. It is known that mineral phase of human bone and teeth has a similar chemical structure like HAp, including various substitutions with several ions such as sodium, floride, magnesium  
Particularly, the use as a drug carrier has been attracted due to the fact that their decomposed products such as Ca+2 and PO3-4 naturally present in the human body. 
In the literature, several production methods for HAp are available, such as wet precipitation, which is one of the most common method applied, sol – gel, hydrolysis, hydrothermal technique.
Moreover, in order to mimic natural bone, in few works, simulated body fluid is applied as a dissolution medium utilizing precipitation method in the presence of Ca and P sources. However, these studies are mostly on the structure of the synthesized HAp or mechanical strength of the materials. To our best knowledge, drug loading and release studies have never conducted on the samples produced with this methodology before. Also, the incorparation of HAp with polymer in the presence of simulated body fluid are rare.
The main object of this study is to produce Hydroxyapatite-Polymer in the presence of simulated body fluid. As a drying medium, spray dryer is used. Selected polymers are chitosan (CTS) and gelatin (GEL). Another object of the current work is to determine the potential of produced microspheres as drug carriers. For this, 5-Fluoracil (5-FU) is chosenfor drug loading and drug release studies.
5-FU, applicable to colon, head cancers, has been accepted as the best anti-tumor medicine. Regarding chitosan, a natural polymer, it is not only biocompatible but also biodegradable in body. Also, it owns a regenerative effect on connective gum tissue and antitumor properties. On top of that, it has the capability of bone formation acceleration. Gelatin is a biocompatible, non-toxic and hydrophilic polymer. In human body, gelatin facilitates the cell fastening on contact area. Also, gelatin matrix decomposites and displaces with new tissue.
This work can be divided in to four (4) different stages.
At the first stage, HAp-CTS and HAp-GEL composites are prepared by in-situ biomimetic method (so-called classical method) at different weight ratios, namely, (1:1), (1:2) ve (1:4) using spray dryer. To our best knowledge, the effect of weight ratios on HAp-GEL and HAp-CTS composites has not been investigated before. Then, in-vitro studies in simulated body fluid (SBF) are conducted.  In this context, the effect of polymer weight change on in-vitro studies is investigated through HAp-CTS composites while the impact of crosslinking agent is observed at HAp-GEL composites. 
Secondly, the synthesize of HAp-Polymer composites in the presence of simulated body fluid are examined. At this stage, while trying to catch the structure of HAp, CaP-Polymer composites are synthesized. As a result, the methodology is renewed and the desired HAp and HAp-Polymer composites are produced at the existence of SBF. Furthermore, in-vitro studies are conducted on CaP-Polymer composites, as well in order to make a comparison with the ones produced by classical method.
Thirdly, HAp-GEL and HAp-CTS composites produced in the presence of SBF are encapsulated via spray dryer. As far as we know, drug loading studies about HAp-GEL and HAp-CTS composites synthesized in the presence of SBF have not been conducted before. For this, the same weight ratios are adapted as in the classical method ((1:1), (1:2) and (1:4)). Moreover, glutaraldehydes (GA), cross linker with a low cost and high stabilization efficiency, ratios are selected as (%1, %2 and %5). For the weight ratio yielding highest drug loading efficiency, GA amounts are investigated for the composites.
At the last stage, drug release studies at phosphate tampon solution are performed. HAp-CTS-5-FU composites are mainly examined for the impacts of GA amount while HAp-GEL-5-FU composites are for the effect of polymer amount. Besides, five (5) different kinetic models are carried out, namely, zero order model, the first order model, Higuchi model, Hixson Crowell model and Korsemeyer-Peppas model.
Additionally, to decide on the drug loading methodology, adsorption and encapsulation are explored on HAp as a pre-study. The highest drug loading efficiency is found at encapsulation method, thus, for drug loading studies, encapsulation is applied.
Composites are analyzed by X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscope (SEM), Thermogravimetric analysis (TGA) ve particle size distribution (Mastersizer). 
Furthermore, regarding to in-vitro analysis, pH of SBF where soaked pellets are waited for a period, SBF absorption and degradation of pellets are estimated.
According to analysis, composites, produced both by classical method and in the presence of SBF, are successfully synthesized. Considering to in-vitro studies, HAp-GEL and HAp-CTS composites are applicable to be used in the human body. 
About the pre-study of drug loading studies, encapsulation is favored rather than adsorption due to the highest drug loading efficiency of the former. Furthermore, it is observed that the drug loading efficiency of the composites synthesized in the existence of SBF is higher than the ones with classical method. 
Regarding HAp-CTS-5-FU composites, the increase in the amount of CTS facilitates the viscous structure leading to inhibation in the encapsulation. The highest drug loading efficiency is performed at the ratio of %2 GA. 
Considering HAp-GEL-5-FU composite, GA is directly rational to the encapsulation efficiency. 
The results obtained by drug release studies present the burst release for both composites regardless polymer weight ratio and crosslinking agent amount. Fickian diffusian is the dominant in the release systems. The usage of GA slows down the drug release. 
In the drug release of HAp-CTS-5-FU, the mean particle size is effective. For the case of HAp-GEL-5-FU composites, GEL amount is pre-dominant and accelarates drug release rate. 
In conclusion, in the presence of SBF, HAp-CTS and HAp-GEL are synthesized by precipitation method and drug is encapsulated on them at a high drug loading efficiency using spray dryer. Controlling burst release effect can give way to the possible usage in the human body.