Kollajen esaslı polimerik kompozit malzeme sentezi, karakterizasyonu ve biyomalzeme olarak değerlendirilebilirliği
Collagen-based polymeric composite material synthesis, characterization and evaluation
Yazar: MEHTAP ŞAHİNER
Danışman: PROF. DR. BEHZAT ORAL BİTLİSLİ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Deri Mühendisliği = Leather Engineering

Özet:
Kollajen, deri yapısını oluşturan temel proteindir. Doktora tezinde, kollajen çeşitli sentetik monomerler ile iki yöntem kullanılarak kollajen esaslı kompozit hidrojeller üretilmiştir. Elde edilen kompozit hidrojellerin biyomedikal uygulama potansiyelleri incelenmiştir. 
Birinci yöntemde kollajenin kral suyu (3 mol hidroklorik asit ve 1 mol nitrik asit karışımı) ile muamele edilerek elde edilen kolajen parçalarının nötralizasyonundan sonra akrilamit (AAm) ve 2-hidroksil etilmetakrilat (HEMA) monomerleri ile ayrı ayrı karıştırılarak redoks polimerizasyon yöntemi kullanarak hidrojel kompozitleri sentezlenmiştir. Poli(akrilamit) (p(AAm)) ve poli(2-hidroksil etilmetakrilat) (p(HEMA)) hidrojelleri kontrol amaçlı sentezlenmiştir. Sentezlenen poli(akrilamit/kollajen) (p(AAm/Coll), poli(2-hidroksil etilmetakrilat/kollajen) (p(HEMA/Coll)) hidrojellerinin ve p(AAm) ve p(HEMA) hidrojellerinin morfolojik yapıları için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve termal davranışlarının belirlenmesi için termal gravimetrik (TGA) analizleri yapılmıştır. Sentezlenen hidrojel yapılarına lenfosit hücreleri kullanarak sitotoksisite tayini için COMET ve genotoksitite MTT testleri uygulanmıştır. Sentezlenen hidrojellere gallik asit etke maddesi, trimetroprim ve naproksen ilaçları etanol çözeltilerinden yüklenerek fosfat tampon çözelti (PBS) içinde in vitro salımı 37,5 oC de incelenmiştir. Hazırlanan hidrojellere antimikrobiyel özellik kazandırmak için bakır (Cu) ve gümüş (Ag) iyonları sulu ortamlardan yüklenmiş ve NaBH4 ile indirgenerek Cu ve Ag metal nanopartikülleri hidrojellerin içinde oluşturulmuştur. Elde edilen kompozit hidrojellerin çeşitli bakterilerine karşı antimikrobiyal testleri yapılmıştır. Kontrol hidrojel matrikslerine göre sırasıyla Cu ve Ag nanopartikül içeren kompozit hidrojeller daha antimikrobiyal özellikler göstermiştir. 
Çalışmanın ikinci bölümünde, kollajen, tannik asit (TA) ile modifiye edilerek modifiye kollajen (m-Coll) hazırlanmıştır. AAm monomeri ile m-Coll karıştırlarak poli(Akrilamit/m-Coll) (p(AAm/m-Coll)) hidrojeller kompozitleri sentezlenmiştir. Poli(akrilamit/tannik asit) (p(AAm/TA)) hidrojelleri kontrol amaçlı sentezlenmiştir. Hazırlanan hidrojellerin 37,5 oC'de farklı pH'larda şişme testleri, PBS ortamında hidrolitik bozunma davranışları ve TA salımları incelenmiştir. P(AAm/m-Coll) esaslı hidrojellerin SEM, TGA, FT-IR analizleri ile karakterizasyonları yapılmıştır. Sentezlenen hidrojellerin toplam fenol miktarı ve troloks eşdeğeri antioksidan kapasite tayini ile antioksidanlık testleri yapılmıştır. Ayrıca hazırlanan hidrojellerin üç farklı bakteriye karşı antimikrobiyellik testleri yapılmıştır. Sitotoksisite testleri fibroblast ve akciğer kanser hücreleri kullanılarak p(AAm/m-Coll) esaslı hidrojellerin değişik konsantrayonlarında süspansiyon çözeltilerine karşı WST-1 testi ve apaptoz ve nekroz tayini içinde ikili boyama testi yapılmıştır. Bu testlerden p(AAm/m-Coll) hidrojelleri p(AAm)'e göre daha çok hücre canlılığı sağladığı bulunmuştur.
Sonuç olarak, kollajen esaslı polimer matriksler kolayca hazırlanabilen, biyomedikal uygulamlar için uygun şişme özelliğine sahip, antimikrobiyel hale getirilebilen, biyouyumlu olan, ilaç ve aktif madde salımı sistemi olarak da kullanılabilen yapılar olarak dizayn edilebilmiştir. Bu sebeplerden dolayı kollajen esaslı polimer matriksler yara kaplama uygulamalarında ve diğer bazı biyomedikal alanlarda büyük potansiyel sahiptir.

Abstract:
Collagen is the main protein that constitutes hides. In the doctoral thesis, collagen based hydrogel composites were produced using synthetic monomers in two ways. The potential biomedical applications of the obtained composite hydrogels were investigated.
In the first method, hydrogel composite synthesis was completed via redox polymerization by mixing acrylamide (AAm) and 2-hydroxy ethyl methacrylate (HEMA) monomers separately with neutralized collagen particles obtained by treatment with aqua regia (1 mol nitric acid and 3 mol hydrochloric acid mixture). Poly (acrylamide) (p(AAm)) and poly (2-hydroxy ethyl methacrylate) (p(HEMA)) are prepared for the control purpose. The prepared poly(acrylamide/Coll) (p(AAm/Coll)) and poly(2-hydroxy ethyl methacrylate/Coll) (p(HEMA/Coll)) and p(AAm) and p(HEMA) hydrogels morphological structure was determined with a scanning electron microscope (SEM) whereas their thermal behaviors were analyzed via thermogravimetric analyzer (TGA). Furthermore, the swelling behaviors of the hydrogels were examined in distilled water. The Comet test for cytotoxicity determination and MTT assay for genotoxicity were completed for the synthesized hydrogels by using lymphocyte cells. Some drugs such as trimethoprim, gallic acid and naproxen were loaded into the hydrogels in ethanol and water and in vitro release studies were examined in PBS at 37.5 oC. To gain antimicrobial properties for potential wound healing applications, copper (Cu) and silver (Ag) were loaded into the synthesized hydrogels and then Cu and Ag metal nanoparticles were formed within the hydrogels. The composite hydrogels obtained were tested for antimicrobial ability against various bacteria.
In the second part of the study, collagen was modified with tannic acid (TA) to prepare modified collagen (m-Coll). By mixing AAm monomer and and m-Coll, poly (Acrylamide/m-Coll/) p(AAm/m-Coll) macro hydrogels were synthesized. Poly(acrylamide/tannic acid) (P(AAm/TA)) hydrogels were synthesized for control purposes. The swelling analysis, hydrolytic degradation behavior and TA release studies of the prepared hydrogels were investigated in PBS at 37.5 oC in a shaking bath at different pH values. P(AAm/M-coll)-based hydrogels were characterized by SEM, TGA and FT-IR analysis. Synthesized hydrogels were tested for antioxidant ability using the total phenol capacity and trolox equivalent antioxidant capacity test. Furthermore, antimicrobial ability was tested against three kind of bacteria for the synthesized hydrogel matrices. By using fibroblast and lung cancer cells, with different concentrations (0–200 µg/mL) of p(AAm/m-Coll)-based hydrogel suspension solutions, WST-1 cytotoxicity test and the double staining method for apoptosis and necrosis were completed. From the test results, the p(AAm/m-Coll) hydrogel had greater % cell viability than p(AAm) hydrogel. 
In conclusion, collagen-based polymeric matrices were designed to be easily synthesized, with suitable swelling capacity for biomedical applications, with induced antimicrobial ability, biocompatibility, and utility as a drug release system for therapeutic agent and drug release. For all these reasons, it was determined that collagen-based hydrogel matrices have great potential for wound healing applications and in other biomedical fields.