Doğal akciğer yüzey aktif maddesinin arayüzey davranışı üzerine nanopartiküllerin etkisi
Effects of nanoparticles on the interfacial behavior of natural pulmonary surfactant
Yazar: VİCDAN PINARBAŞI
Danışman: PROF. DR. NİHAL AYDOĞAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Nanopartiküller, nanoteknolojik çalışmalar içerisinde büyük bir payı olan önemli konulardan biridir. Nanopartiküllerin sağladığı birçok faydalı özelliğin yanında, yaratabileceği sorunlar da bulunmaktadır. Bu sorunlardan oldukça önemli olan bir tanesi ise son yıllarda çalışmaları sürdürülen nanopartikül orijinli akciğer rahatsızlıklarıdır. Nanopartiküllerin solunmasının ölümle sonuçlanabilen solunum ve devamında kalp kardiyorespiratuar  hastalıklarıyla ilişkili olduğu bilinmektedir. Özellikle 100 nm altındaki nanopartiküller, solunduklarında akciğer savunma mekanizması tarafından bertaraf edilememekte ve alveollerin yüzeyini kaplayan akciğer yüzey aktif maddesi ile etkileşmektedir. Akciğer yüzey aktif maddesi yapısında lipit ve proteinler bulunduran bir karışım olup yüzey gerilimini düşürerek solunumu kolaylaştırmanın yanında arayüzey akışkanlığını ve moleküllerin arayüzeyde dizilimini düzenleyerek solunum prosesini sürdürmesinde kritik rol oynamaktadır. Nanopartiküllerin akciğer yüzey aktif madde karışımı ile etkileşimi sonucu gözlenen fonksiyon bozukluklarının sistematik olarak incelenmesi oldukça önemlidir. Bu çalışma kapsamında, kullanımı yaygın olan üç farklı nanopartikülün (altın, hidroksiapatit ve titanyumdioksit nanopartikülleri) akciğer yüzey aktif madde karışımının arayüzey davranışı üzerine etkileri farklı yaklaşımlar kullanılarak incelenmiştir. Gelişmiş özelliklerinden dolayı özellikle medikal uygulamalar olmak üzere birçok alanda yaygın olarak kullanılan altın nananopartiküller Turkevich yöntemi kullanılarak sentezlenmiş ve 0,5 ve 1 µM konsantrasyonlarında DTT (ditiyotreitol) kullanılarak farklı boyutlarda altın nanopartikül kümeleri elde edilmiş ve böylece partiküllerin akciğerlerde kümeleşmesi, birikmesi sonucu olabilecek etkileri de incelenmiştir. Biyouyumluluğu nedeniyle diş protezi, kemik implantları gibi biyo malzemelerinde yaygın olarak hidroksiapatit nanopartikülleri kimyasal çöktürme yöntemiyle ve son zamanlarda nanomalzeme olarak güneş kremlerinde ve kozmetikte yaygın olarak kullanılan titanyumdioksit nanopartikülleri satın alma yöntemiyle elde edilmiştir. Kullanılan model akciğer yüzey aktif madde karışımı ise sığır akciğerinden özütleme yöntemi ile elde edilmiş ve saflaştırma işlemlerinden sonra deneylerde kullanılmak üzere veziküler forma getirilmiştir. Nanopartiküllerin karakterizasyonu AFM (Atomik Kuvvet Mikroskobu), UV-vis Spektrometresi, FT-IR (Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi) ve LS (Işık Saçınımı);  akciğer yüzey aktif madde veziküllerinin karakterizasyonun ise floresans mikroskobu, LB-minitrough (Langmuir-Blodgett minitrough), AFM ve askıda damla cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Nanopartiküllerin gerçek vücut ortamında akciğer yüzey aktif maddesi ile girebileceği olası etkileşimler düşünülmüş ve çalışma kapsamında temel olarak iki farklı yaklaşım kullanılmıştır. Öncelikle solunum yolu ile alveollere ulaşan nanopartiküllerin ilk olarak alveol arayüzeyini kaplayan akciğer yüzey aktif madde tekli tabakasıyla etkileşime girdiği düşünülerek LB-minitrough yardımıyla fosfat tampon/hava arayüzeyinde oluşturulan akciğer yüzey aktif madde tekli tabakası ile farklı özelliklere sahip nanopartiküllerin kısa süreli ve uzun süreli etkileşimleri incelenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda nanopartiküllerin akciğer yüzey aktif madde tekli tabakasının arayüzey davranışını değiştirdiği ve arayüzeyden altfaza geçebildiği sonucuna ulaşılmıştır. Elde edilen bu sonuç doğrultusunda da alt faza geçen nanopartiküllerin arayüzeyin hemen altında bulunan ve rezervuar görevi gören tübüler miyelin ile girdiği etkileşimler düşünülerek nanopartiküller ve tübüler miyelin yapısına benzerlik gösteren akciğer yüzey aktif madde vezikülleri etkileştirilmiştir. Yapılan incelemede nanopartiküllerin akciğer yüzey aktif madde veziküllerinin yapısına zarar verdiği ve dolayısı ile arayüzey davranışı üzerinde belirgin ve olumsuz etkilerinin olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Nanoparticles are one of the most important topic which has a large share in the research field of nanotechnology. Although nanoparticles have multiple beneficial features, there are also some problems that they might cause. One of them is the lung disease which originates from nanoparticles and under investigation in recent years. It is known that inhaled nanoparticles cause respiratory disorder and cardiorespiratory diseases which may result in death. When inhaled, especially nanoparticles, which are less than 100 nm cannot be eliminated by the defense mechanism of the lungs and can interact with the lung surfactants that covers the alveole surface. Lung surfactant, which is a mixture of lipids and proteins, besides reducing the surface tension in order to ease breathing also play a critical role in sustaining the respiration process by organizing interface fluidity and permutation of molecules at the interface. It is quite important to systematically investigate observed functional disorders which are caused by the interaction between nanoparticles and lung surfactant. Within the scope of this study, the effects of three widely used nanoparticles (gold, hydroxyapatite and titanium dioxide nanoparticles) on the interfacial behavior of lung surfactant are investigated by using different  approaches. Gold nanoparticles, which are commonly used in many fields, especially in medical applications due to their advanced features, are synthesized by Turkevich method and different sized nanoparticle clusters are obtained by using DTT (dithiothreitol) with the concentrations of 0.5 and 1 µM. By this way, the aggregation of the particles in the lung and the effects of this aggregation on lung function are examined. The hydroxyapatite nanoparticles, which are commonly used in biomaterials such as dental prosthesis and bone grafting, are obtained by the chemical precipitation method and the titanium dioxide nanoparticles, which are widely used in sun creams and cosmetics recently, are purchased. The experimental model lung surfactant is obtained from a cattle lung with extraction method and it was brought into the vesicular form after purification in order to use in the experiments. Nanoparticle characterization is done by AFM (Atomic Force Microscopy), UV-vis Spectrometer, FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) and LS (Light Scattering) whereas lung surfactant vesicles are characterized by Fluorescence Microscope, LB-minitrough (Langmuir-Blodgett minitrough), AFM and Pendant drop tensiometer. Possible interactions between the nanoparticles and lung surfactants in real body environment are discussed and two different approaches are used as basis within the scope of this study. First, it is assumed that nanoparticles, which reach to alveoles through respiration, first interact with the lung surfactant monolayer which covers the alveole interface. Considering this phase, the short and long term interaction between nanoparticles with different properties and the lung surfactant monolayer which is constructed at the phosphate buffer/air interface are examined by using LB-minitrough. As a result of the conducted experiments, it is deduced that the nanoparticles change the interface behavior of the lung surfactant monolayer and can penetrate to the subphase. In accordance with the obtained result, the nanoparticles and the lung surfactant vesicles, which show similarities with the tubular myelin structure, are put into interaction by considering the interactions between the nanoparticles,  which penetrate to the subphase and the tubular myelin which are located right under the interface and act as a reservoir. It was our second approach. It is concluded from the result that nanoparticles cause damage to the vesicular structure of lung surfactants and therefore have a distinct and negative effect on the interfacial behavior of lung surfactant.