Gümüş nanoparçacıklarla ve oksitetrasiklinle modifiye edilmiş süper emici antibakteriyel hidrojellerin sentezi
Synthesis of superabsorbent antibacterial hydrogels modified with silver nanoparticles and oxytetracycline
Yazar: MEHRDAD NIKANFARD
Danışman: PROF. DR. MURAT BARSBAY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Yüksek ilaç taşıma kapasitesine sahip yeni ve etkin antibakteriyel hidrojeller, biyomedikal alandaki çalışmalar arasında dikkat çekici bir konumda yer almaktadır. Bu tez çalışmasında, antimikrobiyal aktivite gösteren gümüş nanoparçacıklar (Ag NP'ler) ile dekore edilmiş yeni bir hidrojel yapısının sentezi ve karakterizasyonu incelenmiştir. Bu kapsamda, poli(vinil alkol) (PVA) hidrojelleri, radyasyon ile başlatılan çapraz bağlama yöntemiyle sentezlenmiş, ardından hidrojellerin yüzeyleri, Atom Transfer Radikal Polimerizasyonu (ATRP) kullanılarak poli(vinil pirolidon) (PVP) ile aşılanmıştır. PVP ile aşılanmış PVA hidrojeller (PVP@PVA), herhangi bir indirgeme ajanı kullanmadan yapılarına absorbe edilen Ag+ iyonlarının ısıl indirgenmesi yoluyla Ag NP'ler ile modifiye edilmiştir (AgNP@PVP@PVA). PVA hidrojeli yapısındaki polimer zincirlerinin hareketlilikleri, çapraz bağlı yapıları nedeniyle kısıtlıdır. Oysa aşılanan PVP zincirleri, PVA'nın tersine daha kolay hareket edebilir ve karakteristik kararlı kılıcı özelliklerine bağlı olarak yapıya eklenen Ag nanoparçacıklarını yüksek düzeyde stabilize etme potansiyeli sergiler. Yüzeye aşılanan PVP katmanı, hidrojel yapısı içindeki Ag NP'lerin kararlılığı için bir matris görevi üstlenmiştir.
Sentezlenen hidrojelleri şişme davranışları ve gözenek yapıları şişme testleri ve SEM analizi ile tespit edildi. Jellerin ilk ağırlıklarının yaklaşık 30 katına kadar su emerek süper emici hidrojel olarak davrandığı görüldü.  PVA jellerin OH grupları bir ATRP başlatıcısıyla modifiye edildi ve bromlanan OH gruplarının miktarı (modifikasyon derecesi), FTIR spektrometresi ile yaklaşık %50 olarak hesaplandı. PVA jellerinin PVP ile modifikasyon derecesinin tespiti için üç farklı yöntem (FTIR ile pik alanlarının hesaplanması, kütle artışı ve TGA spektrometresi) kullanılmaktadır. Her üç yöntemden alınan sonuçlar birbiri ile yakın sonuçlar vererek yaklaşık %20 PVP modifikasyon derecesini elde edildiğini gösterdi. Hazırlanan PVP@PVA hidrojeli, gümüş nanoparçacıkların termal indirgenmesi sonrasında SEM analizi ile karakterize edildi ve ortalama boyutları 80 nm olan Ag nanoparçacıkların hidrojel yüzeyi boyunca homojen olarak dağılmış oldukları tespit edildi. XRD spektrometresi de gümüş nanoparçacıkların boyut dağılımını tespit etmek için kullanıldı. XRD deseninde, metalik Ag NP'lerin (111), (200) ve (220) kristal düzlemlerine karşılık gelen 2θ = 38.0°, 44.1° ve 65.1°'de üç belirgin kırınım zirvesi görüldü. 
Ag NP'ler içeren hidrojellerin antimikrobiyal etkinliği, Proteus mirabilis (gram-negatif bakteri), Staphylococcus epidermidis (gram-pozitif bakteri) ve Candida tropicalis (maya) hücre hatlarına karşı incelendi.  Tez kapsamında sentezlenen PVP@PVA hidrojelleri, karşılaştırmalı bir değerlendirme yapmak amacıyla, yaygın olarak kullanılan bir antimikrobiyal ajan oksitetrasiklin (OTC) ile de yüklenmiştir. Antibiyotikler pek çok uygulamada yaygın kullanılsalar da, bu durumun bakterilerde neden olduğu ilaca direnç gelişimi ciddi bir sorundur. Bu nedenle, yeni antibiyotikler keşfetmek yerine geleneksel antibiyotiklerin dozajını en aza indirmek daha doğru bir yaklaşımdır. Sistemik toksisite düzeyini aşmadan yeterli bakterisidal dozda antibiyotiği doğrudan enfekte bölgeye mümkün olan en düşük ilaç dozajında iletmek oldukça önemlidir. OTC'nin bakterisidal dozunu azaltmak için Ag nanoparçacıklarla eşzamanlı kullanımının araştırılması tez kapsamında araştırılan temel odaklardan biridir. Bu bağlamda, OTC 'nin hidrojel yapısına tek başına (PVP@PVA@OTC) veya Ag NP'ler ile birlikte (Ag@PVP@PVA@OTC) yüklenmesi ile elde edilen hidrojellerin de antimikrobiyal özellikleri araştırılmıştır. Bulgularımız, hem Ag@PVP@PVA hem de Ag@PVP@PVA@OTC'nin bu çalışmada test edilen tüm mikroorganizmaların büyümesini inhibe ettiğini gösterdi. Ancak, sentezlenen hidrojeller arasında 3 klinik izolatın tamamına karşı hem inhibitör hem de mikrobisidal etkiye neden olan tek biyomateryalın Ag@PVP@PVA olduğu görülmüştür. 
Bu sonuçlar, Ag NP yüklü hidrojelin yüksek antibakteriyel işlevsellik gerektiren uygulamalarda, geleneksel antimikrobiyal ajanlara kıyasla daha yüksek aktivite sergileyen bir biyomateryal olabileceğine dair umut vermektedir. Ayrıca Ag nanoparçacıkların bir antibiyotikle eşzamanlı kullanımları, bakteriyel direncin azaltılmasına amacıyla antibiyotik dozajının düşürülmesi için uygulanabilecek bir strateji olabilir. Yüksek oksijen geçirgenliği ve su emme kapasitesine ek olarak yüksek biyouyumluluk özelliği sergileyen PVA hidrojellerine tez kapsamında eklenen antibakterial özellik, bu malzemenin biyomedikal alanda kullanım potansiyelini arttırmaktadır.

Abstract:
New and effective antibacterial hydrogels with high drug carrying capacity occupy a remarkable position among the studies conducted in the biomedical field. In this thesis, the synthesis and characterization of a novel hydrogel structure decorated with antimicrobial silver nanoparticles (Ag NPs) were investigated. In this context, poly(vinyl alcohol) (PVA) hydrogels were synthesized by a radiation-initiated crosslinking method, and then the surfaces of the hydrogels were grafted with poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) using Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP). PVA hydrogels grafted with PVP (PVP@PVA) were modified with Ag NPs via thermal reduction of absorbed Ag+ ions without using any reducing agent (AgNP@PVP@PVA). The mobility of the polymer chains in the PVA hydrogel structure is restricted due to its crosslinked nature. In contrast, grafted PVP chains exhibit higher mobility and, due to their characteristic stabilizing properties, show a high potential to stabilize Ag nanoparticles added later. The PVP layer grafted onto the surface serves as a matrix for the stability of Ag NPs within the hydrogel structure.
The swelling behaviors and pore structures of the synthesized hydrogels were determined by swelling tests and SEM analysis. It was observed that the gels behaved as super absorbent hydrogels by absorbing up to approximately 30 times their initial weight in water. The OH groups of PVA gels were modified with an ATRP initiator, and the amount of brominated OH groups (modification degree) was calculated as approximately 50% using FTIR spectroscopy. Three different methods (calculation of peak areas with FTIR, mass increase, and TGA spectroscopy) were used to determine the degree of modification of PVA gels with PVP. The results obtained from all three methods were close to each other, showing that an approximately 20% PVP modification degree was achieved. The prepared PVP@PVA hydrogel was characterized by SEM analysis after the thermal reduction of silver nanoparticles, and it was found that Ag nanoparticles with an average size of 80 nm were homogeneously distributed along the hydrogel surface. XRD spectroscopy was also used to determine the size distribution of silver nanoparticles. In the XRD pattern, three distinct diffraction peaks corresponding to the (111), (200), and (220) crystal planes of metallic Ag NPs were observed at 2θ = 38.0°, 44.1°, and 65.1°. 
The antimicrobial efficacy of hydrogels containing Ag NPs was investigated against cell lines of Proteus mirabilis (Gram-negative bacterium), Staphylococcus epidermidis (Gram-positive bacterium), and Candida tropicalis (yeast). The PVP@PVA hydrogels synthesized within the scope of this thesis were also loaded with oxytetracycline (OTC), a commonly used antimicrobial agent, for a comparative evaluation. Although antibiotics are widely used in many applications, the development of drug resistance in bacteria is a serious issue. Therefore, instead of discovering new antibiotics, it is more appropriate to minimize the dosage of traditional antibiotics. It is crucial to deliver a sufficient bactericidal dose of the antibiotic directly to the infected area at the lowest possible drug dosage without exceeding systemic toxicity levels. One of the main focuses of this thesis is to investigate the simultaneous use of Ag nanoparticles to reduce the bactericidal dose of OTC. In this context, the antimicrobial properties of hydrogels obtained by loading OTC alone (PVP@PVA@OTC) or with Ag NPs (Ag@PVP@PVA@OTC) into the hydrogel structure were also investigated. Our findings showed that both Ag@PVP@PVA and Ag@PVP@PVA@OTC inhibited the growth of all microorganisms tested in this study. However, among the synthesized hydrogels, Ag@PVP@PVA was the only biomaterial that caused both inhibitory and microbicidal effects against all three clinical isolates.
These results are promising, indicating that the Ag NP-loaded hydrogel could be a biomaterial exhibiting higher activity compared to traditional antimicrobial agents in applications requiring high antibacterial functionality. Additionally, the simultaneous use of Ag nanoparticles with an antibiotic may be a strategy to reduce antibiotic dosage to combat bacterial resistance. The antibacterial property added to the PVA hydrogels within the scope of this thesis, which exhibit high oxygen permeability, water absorption capacity, and high biocompatibility, increases the potential of this material for biomedical applications.