Biyouyumlu akıllı polimerik nanoparçacık geliştirilmesi ve kontrollü ilaç salınım uygulamaları
Development of biocompatible smart polymeric nanoparticles for controlled drug relase applications
Yazar: MEHMET ULAŞAN
Danışman: PROF. DR. YUNUS ÇENGELOĞLU ; DOÇ. DR. MUSTAFA SELMAN YAVUZ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Biyomühendislik = Bioengineering ; Eczacılık ve Farmakoloji = Pharmacy and Pharmacology

Özet:
Sıcaklık, pH, manyetik alan, indirgenlik gibi çevresel değişikliklere hızlı tepki veren akıllı polimerler son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Bu çalışmada sıcaklık değişimine hassas özellikte olan poli(etilen glikol) metil eter metakrilat (PEGMA)-ko-N-vinil prolidon (NVP) polimer nanoparçacıkları elde edildi. Disülfit bağı içeren çapraz bağlayıcı kullanılarak sentezlenen PEGMA nanoparçacıkları, dinamik ışık saçılımı (DLS) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edildi. Polimerleşme kinetiği, çapraz bağlayıcı ve başlatıcı derişiminin nanoparçacık ortalama hidrodinamik çapı ile polidispersite indeksi üzerindeki etkisi araştırıldı. Sıcaklık değişimine hassa olduğu tespit edilen PEGMA nanoparçacıklarının 22-40 oC arası termal kararlılığı incelendi. Parçacıkların ilaç salım sistemi olarak kullanılabilir özellikte olup olmadığını araştırmak amacıyla, birisi ilaç etkin maddesi, diğeri protein benzeri uzun zincir yapılı olmak üzere iki farklı boyar madde nanoparçacık ortamına hapsedildi. Birinci boyar madde olarak rhodamine B (ƛmax= 554 nm), ikinci olarak PEG (MW= 4000)-Alizarin sarısı (ƛmax= 372 nm) kullanıldı. Aynı nanokapsül içine her iki boyar madde aynı anda hapsedildi. İkili boyar madde taşıyan nanokapsül, ilk olarak oda sıcaklığında daha sonra 37 oC'de ve devamında ditiyotreitol (DTT) indirgen maddesi ile etkileştirilerek içindeki boya salımı UV-Vis cihazı ile takip edildi. Sonuç olarak, boya yüklü nanokapsüllerin oda sıcaklığında salım yapmadığı, 37 oC'nin biraz üzerinde rhodamine B boyar maddesinin büyük oranda salım olduğu ancak PEG-Alizarin sarısının bu sıcaklıkta hiç salım yapmadığı ölçüldü. Devamında, DTT ile etkileştirilen nanopapsüller çapraz bağın kırılması ile PEG-Alizarin sarısı boyanın ortama salım yaptığı tespit edildi. PEGMA nanoparçacıklarının biyouyumlu oldukları 24 ve 48 saatlik hücre uygulaması ile belirlendi. Çalışmanın neticesinde, ilk olarak, disülfit çapraz bağlı PEGMA nanoparçacıklarının ikili ilaç/boyar madde salımına yönelik biyouyumlu polimerik nanoparçacık olarak kullanılabilir olduğu belirlendi.
Çalışmanın 2. aşamasında biyouyumlu bir malzeme olan hidroksietil metakrilat (HEMA) monomerinin hidrojel olarak üretilmesi için uygun koşullar araştırıldı. Kendi kütlesinin beş katı su absorblama kapasitesinin olduğu saptanan PHEMA hidrojelinin, jel formunda sentezinin ancak belirli çözücü karışım limitleri içerisinde mümkün olduğu tespit edildi.
Çalışmanın 3. aşamasında metil metakrilat-ko-vinilfenil boronik asit (PMMA-ko-VFBA) polimerik nanoparçacıkları sentezlendi. Tek aşamada, yüzey aktif maddeye gereksinim olmaksızın, emülsiyon polimerizasyonu ile sentezlenen, PMMA-ko-VFBA nanoparçacıkları dinamik ışık saçılımı (DLS) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edildi. Nanoparçacıklardaki boron içeriği, enerji dağılımı X-ışını (EDX) spektrası ile tespit edildi. Boronik asit fonksiyonel grupları ile diol duyarlı bir nanomateryal olarak geliştirilen nanoparçacıklar, ilk olarak, doğal bir antioksidan bileşik olan kafeik asit için uygun bir taşıyıcı sistem olarak öngörüldü. Kafeik asit ile etkileştirilen nanoparçacıklardan, glukoz ya da fruktoz gibi şeker moleküllerine duyarlı olarak kafeik asit salımı gerçekleştiği, UV-Vis spektral değişim ile takip edildi. PMMA-ko-VFBA nanoparçacıklarının biyouyumlu oldukları 24 ve 48 saatlik hücre uygulaması ile belirlendi.

Abstract:
Smart materials which responds to environmental changes such as temperature, pH, magnetic field and reduction potential have been attracting much attention in recent years. We have synthesized biocompatible thermoresponsive poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PEGMA)-co-vinyl pyrrolidone nanoparticles (PEGMA NPs) with disulfide based crosslinker by surfactant free emulsion polymerization (SFEP) method. Particle characterization studies were carried out by dynamic light scattering (DLS) and scanning electron microscopy (SEM). Polymerization kinetics, effect of crosslinker and initiator concentrations on average hydrodynamic diameter and polydispersity index were investigated. Reversible thermal responses of PEGMA NPs between 22 oC and 40 oC were also examined. Average hydrodynamic diameter of PEGMA NPs decreases with increasing temperature.  As a dual delivery system, rhodamine B, a model of small drug molecule (dye with ƛmax= 554 nm), and PEG (MW= 4000)-Alizarin yellow (dye with ƛmax= 372 nm), a model of large drug molecule, were loaded into PEGMA NPs. At room temperature, there was no dye released from PEGMA NPs. Most of rhodamine B content was released just over 37 oC, which is close to body temperature. Below or above 37 oC there was no PEG-Alizarin yellow dye released from the PEGMA NPs. Furthermore, the PEGMA NPs were treated with dithiothreitol (DTT) which reduces disulfide bonds of PEGMA NPs.  Due to reduction of disulfide bonds to thiols, PEGMA NPs were decomposed and then all remaining PEG-Alizarin yellow content inside the PEGMA NPs was released. PEGMA NPs are not cytotoxic according to cytotoxicity test. As a result, for the first time, we showed that, PEGMA nanoparticles crosslinked with disulfide based crosslinker can be used as a controlled dual drug carrier system.
In the second stage of work, suitable conditions for fabrication of biocompatible poly(hydroxyethyl) methacrylate (PHEMA) hydrogel were investigated. Water embedded by PHEMA hydrogel was recorded as five times of its original weight. We stated that the product PHEMA hydrogel is produced in the gel form only under certain limits of solvent mixture. We presented with this study, the procedure for fabrication of PHEMA gel to science literature. 
In the third stage of work, methyl methacrylate-co-vinyl phenylboronic acid (PMMA-co-VPBA) polymeric nanoparticles were successfully synthesized. The nanoparticles were characterized by dynamic light scattering (DLS) and scanning electron microscopy (SEM).  The boron content in the nanoparticle structure was confirmed by energy dispersive X-ray (EDX) spectra. The nanoparticles combined with caffeic acid which is a natural antioxidant. It is shown for the first time that caffeic acid is released from NPs by glucose or fructose addition. The release of caffeic acid from NPs was monitored by UV-Vis spectral change. Glucose sensitive PMMA-co-VPBA NPs were stated as biocompatible according to cytotoxicity test.