Deri içine ilaç gönderimi gerçekleştirecek polimer destekli karbon nanotüp mikro iğne dizisi fabrikasyonu
Polymer reinforced carbon nanotube micro needles fabrication for transdermal drug delivery
Yazar: NUR ÜNVER
Danışman: PROF. DR. GÖKÇEN DEMİREL ; DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN TOLGA GÜL
Ankara Hacı Bayram Veli Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Amino asitler = Amino acids ; Enjeksiyonlar-deri içi = Injections-intradermal ; Karbon nanotüp = Carbon nanotube ; Mikroiğneleme = Microneedle ; Polimerler = Polymers ; İlaçlar = Drugs

Özet:
Hastalık tedavilerinde oral yolla alınan ilaçların mide bağırsak kanalında ve böbreklerde emilimi ve enzimatik çözünümü yetersiz olduğundan deri altı ilaç enjeksiyonu daha çok tercih edilen bir yöntemdir. Fakat hem uygulama aşamasındaki sorunlar hem de kullanılan ilaç dozu ile tesiri kıyaslandığında görülmektedir ki bu yöntemin de yetersiz yanları bulunmaktadır. Bu  nedenle geleneksel enjektör-iğne kullanımı ile gerçekleştirilen deri altı ilaç enjeksiyonu yerini yeni ilaç gönderim yöntemlerine  bırakmaya hazırlanmaktadır. Yeni yöntemlerin başında mikro iğne (Mİ) enjeksiyonu ile deriyi hedef alan ilaç gönderimi  gelmektedir. Deri altı ilaç enjeksiyonundan kaynaklı olumsuzlukların en başında uygulama aşamasında hastaya verdiği acı,  uygulanan bölgede meydana gelen kanama ve deformasyon ve bu nedenlerden dolayı hastada oluşan iğne korkusu ve endişe 
ön plana çıkmaktadır. Diğer taraftan Mİ kullanılarak deriye ilaç gönderiminde, iğnelerin boyutları çok küçük olduğundan bu  yöntem hastada acı hissi, kanama ve deformasyon oluşturmamakta ve böylece iğne korkusu ve endişeye yol açmamaktadır. Ayrıca Mİ kullanımı oldukça pratik olduğundan herhangi bir teknik beceri gerektirmeden hastanın kendisi tarafından kolayca 
uygulanabilir ve böylece geleneksel enjektör-iğne kullanımında meydana gelen kazalardan ve yaralanmalardan da kaçınılmış  olur. Mİ enjeksiyonu ile hedef alınan deri, antijen bakımından oldukça zengin hücrelere ev sahipliği yapmaktadır. Derideki 
epidermis tabakası çok sayıda langerhans hücreleri barındırırken, dermis tabakasında da dendritik hücreler bulunmaktadır. Bu  nedenle ilaçların deri altına değil de deriye gönderilmesi ile hem ilacın etkisi arttırılmış hem de kullanılan ilacın dozajını  düşürebilme imkanı sağlanmış olur.
Büyük bir potansiyele sahip olan Mİ ile ilaç gönderim yönteminin yaygın olarak kullanılması için birçok araştırmacı  tarafından farklı malzeme ve fabrikasyon teknikleri kullanılarak farklı işlevselliğe sahip Mİ çeşitleri üretilmektedir. Yöntemin  uygulanabilirliği ve başarısı büyük ölçüde Mİ'lerin kolay üretilebilmesi ve işlevselliğine bağlıdır. Bu nedenle fabrikasyon 
aşamasında üreticiye kolaylık ve yapısal esneklik sağlayabilecek bir malzemenin seçilmesi büyük öneme sahiptir. Mİ'lerin  yapısını oluşturan malzemenin silikon veya metaller arasından seçilmesi, fabrikasyondaki işlem basamaklarını büyük ölçüde arttırmakta, üretim süresini uzatmakta ve maliyeti yükseltmektedir. Ayrıca fabrikasyonunun yukarıdan aşağı yerine aşağıdan 
yukarı yaklaşımla gerçekleştirilmesi Mİ'nin yapısında ölçeklendirmeye ve büyük bir esnekliğe izin vermektedir. Sentezindeki  esneklik ve kolaylık göz önüne alındığında karbon nanotüpün (KNT) Mİ yapımında kullanılabilecek ideal bir malzeme olduğu  görülmektedir. Tek adımdan ibaret KNT sentezi ile kanal dahil Mİ'yi meydana getiren bütün bileşenlerin oluşturulabilmesi 
fabrikasyonda önemli ölçüde kolaylık sağlamaktadır. Yapılan literatür araştırmasında silikon, metal, cam ve polimer gibi  malzemeler kullanılarak Mİ yapımı birçok grup tarafından rapor edilirken, KNT tabanlı Mİ fabrikasyonunun sadece bir grup  tarafından rapor edildiği görülmüştür. Rapor edilen çalışmada üretilen Mİ dizisindeki iğne sayısının sadece 9 olduğu görülmekte 
ve bu sınırlı sayıdaki kanal aracılığı ile ilaç gönderiminin uzun zaman aldığı düşünülmektedir. Ayıca Mİ'ler ile yapılan ilaç  gönderim testlerinde derinin iğne ucuna uyguladığı baskı nedeniyle ilaç gönderim hızının büyük ölçüde düştüğü de rapor 
edilmiştir. Bu soruna Mİ'nin deriye girdikten sonra bir miktar geri çekilmesi veya Mİ'nin ucunun eğik bir biçimde tasarlanması  gibi çözümler önerilmektedir. Fakat Mİ'ler çok kısa olduğundan pratik olarak geri çekilmeleri mümkün olmayabilir. Bu sebeple önerilen projesinin amacı, deriye ilaç gönderimi yapacak, dikey KNT yığınlarından oluşan, polimer ile
desteklenmiş, uçları deri baskısını engelleyen orijinal bir başlığa sahip, içi boş kanallı Mİ'ler dizisi fabrikasyonu ve bu Mİ'lerin  dayanıklılığının ve ilaç gönderim hızının test edilmesidir.
Önerilen projede kimyasal buhar çökeltme (KBÇ) yöntemi kullanılarak dikey olarak büyütülecek olan KNT'ler, Mİ'lerin  iskelesini oluşturacaktır. KNT'lerin sentezlenmesine aracılık eden Fe katalizör parçacıklar SiO2 alttaş üzerine optik litografi ve  elektron demeti buharlaştırma tekniği kullanılarak içi boş halkalar şeklinde konulacak ve böylece sadece bu bölgelerden KNT  büyümesi sağlanacaktır. Sonuç olarak dikey olarak büyüyecek KNT yığınları içi boş, silindirik Mİ'lerin şeklini alacaktır. KNT  yığınlarından oluşan bu yapı gözeneklere sahip olduğundan fiziksel baskılara karşı az dayanıklıdır. Bu durumun üstesinden  gelmek için gözenekler döndürmeli kaplama cihazı kullanılarak polietilenglikoldiakrilat (PEGDA) polimer ile doldurulacak ve  böylece yapı mekanik olarak sağlamlaştırılacaktır. PEGDA ile desteklenen KNT Mİ'ler dış deri tabakasını (stratum corneum) 
aşarak deriye nüfuz edebilecek dayanıklılığa ulaşacaktır. PEGDA'nın KNT'ler ile kuracağı kimyasal bağlar sayesinde yığındaki  her bir KNT kimyasal olarak işlenmiş olacaktır. Böylece işlenmemiş KNT'lerin literatürdeki tartışmalı toksisitesi de biyo uyumlu
PEGDA ile kaplanmalarıyla ortadan kaldırılacaktır. Gözeneklerin dolması ile artan polimerin tabana yığılması ile Mİ'leri  tabandan destekleyecek ve silikondan ayrılmasını sağlayacak bir polimer tabaka oluşacaktır. Litografi ve sentez parametrelerinin değiştirilmesi ile çeşitli boyutlarda KNT Mİ fabrikasyonu gerçekleştirilebilir. Bu da farklı  boy ve çaplarda Mİ üretimine olanak sağlamaktadır. Mİ'lerin ucundaki deri baskısını engelleyeceği düşünülen başlık da  bölgesel katalizör desenleme ve litografi sayesinde yine KNT sentezi sırasında oluşacaktır. İlaç gönderim hızını arttırmak  amacıyla bir dizide en az 25-100 arası Mİ olması düşünülmektedir. Böylece literatürdeki KNT tabanlı Mİ çalışmasında elde  edilen ilaç gönderim süresini 3-10 kat arasında iyileştirmeyi planlanmaktayız. Fabrikasyon ve polimer katkısının ardından Mİ'ler, polidimetilsiloksan (PDMS)'den üretilecek, uygulamayı kolaylaştıracak olan bir düzeneğe monte edilecektir. Bu düzenek sayesinde üretilecek olan KNT Mİ'ler halihazırdaki ince serum hortumlarına veya enjektöre monte edilerek kullanılabilecektir.  Mİ'lerin dayanıklılığı ve sıvı gönderim hızı hidrojel ve ölü sıçan derisi üzerinde test edilecektir. KNT Mİ'ler test öncesi ve sonrası 
SEM ile görüntülenecek ve böylece dayanaklılığı ve yapısında bozulma olup olmadığı kontrol edilecektir. Önerilen projenin başarılı bir şekilde sonuçlanması ile üretimi kolay, ölçeklenebilir ve maliyetli düşük olmasının yanı sıra acı  vermeyen, kansız ve yüksek ilaç gönderim hızına sahip bir Mİ geliştirilecektir. Üretimindeki avantajlar göz önüne alındığında, KNT Mİ'lerin uygulamada kendine yer bulma potansiyelinin oldukça yüksek olduğu görülmektedir.

Abstract:
The subcutaneous injection is a more preferred method in desease treatments since oral administration of drugs is not  feasible because of poor drug absorption or enzymatic degradation in the gastrointestinal tract or liver. However, it is seen that  this method is also inadequate in some aspects beacause of issues emerged in its practice and use of high dose madications
to be effected. For these reasons, the subcutaneous injection carried out by hypodermic needles is about to yield next generation drug delivery methods. The transcutaneous delivery by microneedle (MN) injection is the foremost among these  methods. Among all concerns associated with the subcutaneous injection, pain caused by a needle insertion, bleeding and 
deformation in the applied region, and as a result needlephobia and anxiety in patients are prominents. On the other hand, MNs  facilitate transdermal delivery without pain, bleeding and deformation since their size is so small, thus being applied without stimulating fear and anxiety. Morever, since MN application is very practical, it can be self-administred by patient itself without  required technical skill, thus preventing accidental needle stuck injuries occurred in use of hypodermic needles. The skin  targeted by MN injection is a residence of wealthy antigen presenting cells. Langerhans cells are abundant in the epidermis 
while dendritic cells are found in the dermis. Therefore, targeting the skin with MN injection increases efficient use of drugs and  enables significant dose sparing compared to the subcutaneous or intramascular injection by hypodermic needles. MN types of various functionalities have been fabricated by many researchers using various materials and fabrication  techniques so that MN mediated drug delivery, which has a great potential, is widely used. The applicability and success of the  MN mediated drug delivery largely depend on the simplicity of the fabrication and functionalities of MNs. Therefore, choosing a  material which provides convenience in fabrication and structural flexibility to manufacturer has a great importance. The 
selection of building materials of MNs as a silicon or metals increases the number of processing steps in the fabrication and the  production time and cost. Besides, bottom-up approach allows more scalable and flexible fabrication to create structures of  MNs compared to top-down approach. In this respect, carbon nanotube (CNT) looks an ideal material in MN fabrication when  the simplicity and flexibility of its synthesis are considered. The capability to form the entire geometry of the MN, including the  lumen, with a single step of CNT synthesis considerably facilitetes the fabrication. Based on the literature searches, it has been 
seen that CNT based MN fabrication was reported by only one group while silicon, metal, glass and polymer based MN  fabrications have been reported so many times by many groups. In the reported study of CNT based MN fabrication, the  number of MNs in a single array is just 9 and it is considered that the drug delivery via this limited number of channels takes  long time. Moreover, it has been reported many times that the flow rate, from drug delivery tests, is significantly slowed down by  the skin compression to the tip of hollow MNs. Some solutions to this problem, such as partial retraction of the MN and designing a beveled MN tip, have been recomended. But, since the length of MNs are very short, partial retraction may not be 
carried out practically. For these reasons, the aim of this proposed project is fabrication of an array of hollow MNs for transdermal drug delivery  using vertically aligned CNTs, reinforced with a polymer and designed with a novel head preventing the skin compression, and  to test their robustness and fluid flow rate. In the proposed project, vertically grown CNTs by chemical vapor deposition (CVD) method will form the scaffold of the  hollow MNs. Fe nanoparticles which catalyze CNT synthesis will be patterned on SiO2 as hollow circles by using  photolitography and electron beam evaporation technique, thus CNTs will grow up from only these regions. As a result,  vertically grown CNT bundle will have the shape of hollow, cylindrical MNs. The vertically alligned CNT scaffold has a porous  structure which has less strength against physical pressures. To overcome the issue and provide a mechanical strength, the  pourus scaffold will be filled with polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) polymer by using spin coater. The CNT MNs  reinforced with PEGDA will reach the mechanical strength in order to penetrate the outermost layer of the skin (stratum 
corneum). Each individual CNT in the bundle will be functionalized by chemical bonds formed between PEGDA and CNTs. Hence, the controversial toxicitiy of unfunctionalized CNTs in the literature will be eleminated by coating with biocompatible  PEGDA. The remaining polymer will pour on SiO2 and will form a polymer layer which will mechanically support the array of  CNT MNs from the bottom and will help to separate it from SiO2 surface. It is possiple to fabricate the various sizes of CNT MNs by changing the litography and synthesis parameters. This allows to  fabricate MNs with different heights and diameters. The head of the CNT MN, thought to prevent the skin compression, will aslo 
be formed during the CNT synthesis thanks to a catalyst patterning and litography. The number of CNT MNs in a single array is  considered as at least between 25-100 in order to increase the fluid flow rate. Therefore, we are planning to improve the flow  rate in the reported CNT MN study in the literature for between 3-10 fold. After the CNT synthesis and polymer contribution, in  order to facilitate its application, MN array will be attached to an apparatus made from polydimethylsiloxane (PDMS). Thanks to  this apparatus, CNT MNs can be used by attaching to a syringe or a thin silicon tubing. The mechanical strength and fluid flow  rate of CNT MNs will be tested in hydrogel and in cadaver rat skin (in vitro). Before and after the application, CNT MNs will be  viewed by SEM to check its strength and whether its structure would be damaged. With the successful completion of the proposed project, an alternative MN which provides simple, scalable and low cost  fabrication, as well as painless, bloodles and high flow rate transdermal drug delivery will be developed. When the advantages  in the CNT MN fabrication are considered, it is seen that CNT MNs have a high potential to find a chance in application.