Kontrollü salım için biyouyumlu çitosan türevlerinin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of biocompatible chitosan derivatives for controlled release
Yazar: BURCU YEĞİNER
Danışman: PROF. DR. OYA ATICI ; DOÇ. DR. CÜNEYT HÜSEYİN ÜNLÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Biyouyumlu materyaller = Biocompatible materials ; Eugenol = Eugenol ; Folik asit = Folic acid ; Kontrollü salım = Controlled release ; Modifikasyon = Modification ; PMMA =   ; Polimerler = Polymers ; Polimerleşme = Polymerization ; Polivinilpirollidon = Polyvinylpyrrollidone ; Vanilin = Vanillin

Özet:
Çalışmada çitosanın hidrofilik/hidrofobik dengesinin ayarlanması, çözünürlük, şişme kapasitesi ve antibakteriyel aktivitenin geliştirilmesi, salım çalışmasında kullanılabilecek biyouyumlu sistemlerin eldesi amaçlandı. Sistemler, graft polimerizasyon ile polimerik çitosan temelli salım sistemleri ve Steglich reaksiyonu ile modifikasyon yoluyla türevlendirilmiş çitosan temelli salım sistemleri olarak oluşturuldu. Elde edilen dört farklı polimerik çitosan temelli asetilsalisilik asit (Asa) yüklenmiş sistemin ve üç farklı Asa ile türevlendirilmiş çitosan temelli sistemin pH 1.2 ve pH 7.4'te in-vitro salım özelliklerinin incelenmesi amaçlandı.
Çitosan metil metakrilat/vinil pirolidon, metakriloiloksietil fosforil kolin ve eugenol kullanılarak türevlendirildi, çitosandan elde edilen karboksimetil çitosan metakriloiloksietil fosforil kolin kullanılarak türevlendirildi ve dört farklı polimerik çitosan temelli salım sistemi elde edildi.
İlk sistem olarak; çitosanın hidrofobik-hidrofilik dengesini ayarlamak ve in-vitro salım özelliklerini incelemek için biyouyumlu polimetilmetakrilat ve polivinil pirolidon ile türevlendirilmesi amacıyla, seryum amonyum nitrat asidik başlatıcı çözeltisi kullanılarak serbest radikal emülsiyon polimerizasyonu ile çitosan-graft-poli(metil metakrilat-ko-vinil pirolidon) Cs-g-P(MMA-ko-VP) elde edildi. Kopolimerlerde, blank örneğe kıyasla polimer niteliğinde gerçekleşen değişimlerden kaynaklı [η] değerlerinin artış gösterdiği, konsantrasyon arttıkça eksponansiyel bir azalış motifi gösterdikleri belirlendi. FTIR, temel bileşenler analizi ve NMR analizleriyle kopolimerin yapısı belirlendi. XRD desenleri bağlanmadan sonra önemli ölçüde değişti. TGA analizlerinde maksimum kütle kaybının gerçekleştiği sıcaklık ve termal olayların gerçekleştiği aşamalarda değişimler oluştu. DSC termogramına göre 300°C civarındaki egzotermik pikin yüksek sıcaklıklara kayması kopolimerlerde çitosana kıyasla termal kararlılığın arttığını gösterdi. SEM mikrografları yüzey morfolojisinin kopolimerleşme ile küre benzeri görünüme dönüştüğünü gösterdi. Kopolimerlerin gram pozitif (B. subtilis, S. aureus) ve gram-negatif (E. coli, P. aeruginosa) bakterilere karşı antibakteriyel aktivite gösterdiği belirlendi. 
Bu kopolimerle kontrollü salım sistemleri eldesi için ilk olarak Asa yüklemesi %68-90 etkinlikle yapıldı. Ardından polimerin komonomer oranlarına, yüklemede kullanılan kopolimer/Asa oranına ve ortam pH değerine göre farklı mekanizmalarla ve hızlarda salım yaptığı gözlendi. Genel olarak salım kinetiği PVP ağırlıklı Cs-g-P(MMA-ko-VP) sistemlerde pH 1.2 ve pH 7.4'te difüzyon modeli, PMMA ağırlıklı Cs-g-P(MMA-ko-VP) sistemlerde pH 1.2 ve pH 7.4'te çözünme, difüzyon, erozyon/degradasyon modeli olarak belirlendi. PVP ağırlıklı sistemde Asa ile matriks veya zincirler arasında H-bağı etkileşimi artışının PMMA ağırlıklı sisteme göre salım hızını azalttığı düşünüldü. Kopolimer matriksi konformasyonunun pH değeri ile değişimi ve çözelti-matriks etkileşimlerinin artışı PVP ağırlıklı sistemde özellikle pH 1.2'de daha hızlı salım ile sonuçlandı. Asa salımının tamamen gerçekleşmemesinin PVP ile Asa arasındaki güçlü etkileşimlerden kaynaklandığı düşünüldü.
Elde edilen Cs-g-P(MMA-ko-VP) kopolimeri ve Asa ile matriks tabletler oluşturuldu. Tabletlerden salım mekanizmalarının ve salım hızının çitosan içeriğine, komonomer oranlarına ve ortam pH değerine göre farklılık gösterdiği belirlendi. Genel olarak salım kinetiği PMMA ağırlıklı Cs-g-P(MMA-ko-VP) tablette pH 1.2 ve pH 7.4'te difüzyon modeli olarak belirlendi. PVP ve çitosan ağırlıklı Cs-g-P(MMA-ko-VP) tabletlerde salım kinetiği pH 1.2'de difüzyon modeli, pH 7.4'te difüzyon, erozyon/degradasyon modeli olarak belirlendi. Çitosan ağırlıklı kopolimer tablette Asa-kopolimer matriksi etkileşimi artışının salımın daha kontrollü ve uzun sürede gerçekleşmesine neden olduğu düşünüldü. Çözelti-matriks etkileşiminin artışı PVP ağırlıklı kopolimer tablette pH 1.2 ve pH 7.4'te baştaki salım hızının artışına neden oldu. Tabletlerde pH 1.2'de ilk olarak patlama salımı gerçekleşti.
İkinci sistem olarak; çitosanın biyouyumluluğunu artırmak, suda çözünürlük özelliği sağlamak ve in-vitro salım uygulamasında kullanmak üzere protein ve kanla  uyumlu, biyouyumlu ve antibakteriyel polimetakriloiloksietil fosforilkolin ile türevlendirilmesi amacıyla, seryum amonyum nitrat asidik başlatıcı çözeltisi kullanılarak serbest radikal emülsiyon polimerizasyonu ile suda çözünen çitosan-graft-polimetakriloiloksietil fosforil kolin elde edildi. FTIR, SEM analizleri ile graft polimerin yapısı belirlendi. Polimerin test edilen gram pozitif ve gram negatif bakteri türlerine karşı inhibisyon zonu çapının arttığı belirlendi. Ardından iyonik jelleşme tekniğiyle Asa yüklenmiş TPP çapraz bağlı çitosan-graft-polimetakriloiloksietil fosforil kolin %71 etkinlikle elde edildi. Graft polimerin ortam pH değerine göre farklı mekanizmalarla ve hızlarda salım yaptığı belirlendi. pH 1.2'de iyonize amin gruplarının zincirleri açması ve matriks erozyonunun salım hızı artışına neden olduğu düşünüldü ve salım kinetiği çözünme, difüzyon ve erozyon/degradasyon modeli olarak belirlendi. pH 7.4'te salım kinetiği çözünme ve difüzyon modeli olarak belirlendi. 
Üçüncü sistem olarak; öncelikle çitosanın sudaki çözünürlüğünü arttırmak için karboksimetil çitosan elde edildi. Karboksimetil çitosanın biyouyumluluğunu artırmak ve in-vitro salım uygulamasında kullanılmak üzere biyouyumlu, protein ve kanla  uyumlu polimetakriloiloksietil fosforilkolin ile türevlendirilmesi amacıyla, seryum amonyum nitrat asidik başlatıcı çözeltisi kullanılarak serbest radikal emülsiyon polimerizasyonu ile suda şişme özelliği olan karboksimetil çitosan-graft-polimetakriloiloksietil fosforilkolin elde edildi. FTIR, 1H NMR ve SEM analizleri ile graft polimerin yapısı belirlendi. Polimerin, test edilen gram pozitif ve gram negatif bakteri türlerine karşı inhibisyon zonu çapında artış olduğu belirlendi. Ardından Asa yüklenmiş karboksimetil çitosan-graft-polimetakriloiloksietil fosforilkolin %75 etkinlikle elde edildi. Graft polimerin ortam pH değerine göre farklı mekanizmalarla ve hızlarda salım yaptığı belirlendi. pH 7.4'te iyonize karboksil gruplarının polimer-polimer/çözelti etkileşimlerini değiştirmesi, hidrasyon ve şişme sonucu salım hızının arttığı düşünüldü, salım kinetiği difüzyon modeli olarak belirlendi. pH 1.2'de salım kinetiği çözünme ve difüzyon modeli olarak belirlendi ve salım daha yavaş gerçekleşti.
Dördüncü sistem olarak; çitosanın in-vitro salım uygulamasında kullanmak üzere antioksidan, antibakteriyel, antivirüs, antifungal, antiinflamatuar aktivitesi olan doğal eugenol ile, seryum amonyum nitrat asidik başlatıcı çözeltisi kullanılarak serbest radikal emülsiyon polimerizasyonu ile suda şişme özelliği olan çitosan-graft-polieugenol elde edildi. FTIR, 1H-NMR ve SEM analizleri ile graft polimerin yapısı belirlendi. Reopektik histeresis etkisi, dilatant akış karakteristiği belirlendi. Ardından iyonik jelleşme tekniğiyle Asa yüklenmiş TPP çapraz bağlı çitosan-graft-polieugenol elde edildi. Graft polimerin ortam pH değeri ve yüklemede kullanılan polimer/Asa oranına göre farklı mekanizmalarla ve hızlarda salım yaptığı belirlendi. pH 7.4'te çapraz bağların tersine çevrilmesinin başta daha hızlı salıma neden olduğu düşünüldü ve salım kinetiği difüzyon modeli olarak belirlendi. Buna karşın çapraz bağların kararlı olmasının pH 1.2'de kontrollü ve uzun süreli salıma neden olduğu düşünüldü ve salım kinetiği çözünme, difüzyon ve erozyon/degradasyon modeli olarak belirlendi.
Çitosan asetilsalisilik asit (Asa), Asa/timin-1-asetik asit ve folik asit/vanilin ile türevlendirildi, üç farklı türevlendirilmiş çitosan temelli salım sistemi elde edildi.
İlk sistem olarak; steglich tepkimesi ile in-vitro salım özelliklerini incelemek amacıyla Asa modifiye çitosan elde edildi. FTIR, 1H-NMR ve SEM analizleri ile yapısı belirlendi. Sudaki şişme kapasitesi %400 olarak belirlendi. Sistemden Asa salımı pH seçiciliğiyle ve amid/ester bağlarının hidroliziyle aşamalı olarak gerçekleşti. pH 1.2'de çitosan omurgasının hidrolizi, bozunması ve sistem erozyonuyla ester/amid bağı hidrolizi ve salım hızı artmıştır. pH 7.4'te salım daha kontrollü gerçekleşmiştir. 
İkinci sistem olarak; steglich tepkimesi ile biyolojik aktivite sağlamak, in-vitro salım özelliklerini incelemek amacıyla Asa ve timin-1-asetik asit modifiye çitosan elde edildi. FTIR, 1H-NMR ve SEM analizleri ile yapısı belirlendi. Sudaki şişme kapasitesi %3500 olarak belirlendi. Sistemden Asa salımı ortam asitliğine bağlı olarak amid/ester bağı hidroliziyle kademeli ve uzun süreli gerçekleşti. pH 1.2 ortamında ana zincir hidrolizi, bozunması ve sistem erozyonunun salım hızını artırdığı düşünüldü. 
Üçüncü sistem olarak; öncelikle steglich tepkimesi ile hedefleme özelliği sağlamak amacıyla folik asit  modifiye çitosan elde edildi. FTIR, 1H-NMR ve UV analizleri ile yapısı belirlendi. Sudaki şişme kapasitesi %153 olarak belirlendi. Ardından salım hızında değişime neden olabilecek doğal, antioksidan çapraz bağlayıcı vanilin kullanılarak vanilin aldehit grubu ve çitosan amin grubu arasındaki schiff reaksiyonu ile vanilin çapraz bağlı folik asit modifiye çitosan  elde edildi. Sudaki şişme kapasitesi %1000 olarak belirlendi. Daha sonra Asa yüklenmiş vanilin çapraz bağlı folik asit modifiye çitosan %27 etkinlikle elde edildi. Sistemin ortam pH değerine göre farklı mekanizmalarla ve hızlarda salım yaptığı belirlendi. pH 1.2'deki patlama salımının, yükleme değerinden farklı pH değerinde oluşan sterik gerginlikten kaynaklandığı düşünüldü, salım kinetiği çözünme ve yüzey erozyonu modeli olarak belirlendi. pH 7.4'te salım kinetiği difüzyon modeli olarak belirlendi ve salım daha yavaş gerçekleşti.
Salım sistemlerinde ilk aşamadaki patlama salımı; yüzeye yakın adsorbe olan Asa'nın salımı ikinci aşamadaki kontrollü salım; daha derin bölgelerde adsorbe olan Asa'nın difüzyon mesafesine göre salımı ile ilişkilidir. Asidik ortamdaki daha hızlı salımın; iyonize amin gruplarının zincirleri açarak solvent penetrasyonunu artırmasıyla ilişkili olabileceği düşünüldü. Sonuç olarak çitosanın çeşitli biyouyumlu vinil tipi monomerlerle graft polimerizasyonuyla çözünürlük özellikleri iyileştirilip suda şişme davranışı gösteren çeşitli graft polimerler elde edildi ve antibakteriyel aktivitelerinde gelişmeler sağlandı. Bunun yanında çitosanın amid, ester bağı oluşturularak modifiye edilmesiyle suda şişme kapasitesine sahip çitosan türevleri elde edildi. Asa yüklenen graft polimerlerin ve Asa ile modifiye edilmiş çitosan türevlerinin pH 1.2 ve pH 7.4'deki in-vitro salım çalışmalarına göre bazı sistemlerin uzun süre salım yapabildiği ve salım hızının ortam asitliğine bağlı olarak ayarlanabileceği sonucuna varıldı.

Abstract:
The aim of the study was to adjust the hydrophilic/hydrophobic balance of chitosan, to improve solubility, swelling capacity and antibacterial activity, and to obtain biocompatible systems that can be used in release studies. The systems were formed as polymeric chitosan-based release systems by graft polymerisation and derivatised chitosan-based release systems by modification with Steglich reaction. The in-vitro release properties of four different polymeric chitosan-based acetylsalicylic acid (Asa) loaded systems and three different Asa derivatised chitosan-based systems were investigated at pH 1.2 and pH 7.4.
Chitosan was derivatised using methyl methacrylate/vinyl pyrrolidone, methacryloyloxyethyl phosphoryl choline and eugenol, carboxymethyl chitosan obtained from chitosan was derivatised using methacryloyloxyethyl phosphoryl choline and four different polymeric chitosan based release systems were obtained.
As the first system; in order to adjust the hydrophobic-hydrophilic balance of chitosan and to examine its in-vitro release properties by derivatising with biocompatible polymethyl methacrylate and polyvinyl pyrrolidone, chitosan-graft-poly(methyl methacrylate-co-vinyl pyrrolidone) Cs-g-P(MMA-co-VP) was obtained by free radical emulsion polymerisation using cerium ammonium nitrate acidic initiator solution. It was determined that the [η] values of the copolymers increased due to changes in polymer nature compared to the blank sample and showed an exponential decreasing pattern as the concentration increased. The structure of the copolymer was determined by FTIR, principal component analysis and NMR analyses. XRD patterns changed significantly after binding. In TGA analyses, changes occurred at the temperature of maximum mass loss and at the stages of thermal events. According to the DSC thermogram, the shift of the exothermic peak around 300°C to higher temperatures showed an increase in the thermal stability of the copolymers compared to chitosan. SEM micrographs showed that the surface morphology changed to sphere-like appearance upon copolymerisation. The copolymers showed antibacterial activity against gram-positive (B. subtilis, S. aureus) and gram-negative (E. coli, P. aeruginosa) bacteria.
In order to obtain controlled release systems with this copolymer, Asa loading was first performed with 68-90% efficiency. Then, it was observed that the polymer released by different mechanisms and at different rates according to the comonomer ratios, the copolymer/Asa ratio used in the loading and the pH value of the medium. In general, the release kinetics were determined as diffusion model at pH 1.2 and pH 7.4 in PVP-dominated Cs-g-P(MMA-co-VP) systems and dissolution, diffusion, erosion/degradation model at pH 1.2 and pH 7.4 in PMMA-dominated Cs-g-P(MMA-co-VP) systems. The increase in H-bond interaction between Asa and matrix or chains in the PVP-dominated system was thought to decrease the release rate compared to the PMMA-dominated system. The change of the copolymer matrix conformation with pH value and the increase of solution-matrix interactions resulted in faster release in the PVP-dominated system, especially at pH 1.2. The incomplete release of Asa was thought to be due to the strong interactions between PVP and Asa.
Matrix tablets were formed with the obtained Cs-g-P(MMA-co-VP) copolymer and Asa. It was determined that the release mechanisms and release rate from the tablets differed according to the chitosan content, comonomer ratios and ambient pH value. In general, the release kinetics was determined as diffusion model at pH 1.2 and pH 7.4 in PMMA-dominated Cs-g-P(MMA-co-VP) tablets. The release kinetics of PVP and chitosan dominated Cs-g-P(MMA-co-VP) tablets were determined as diffusion model at pH 1.2, diffusion and erosion/degradation model at pH 7.4. It was thought that the increase in the Asa-copolymer matrix interaction in the chitosan-dominated copolymer tablet caused the release to occur in a more controlled and longer time. The increase in the solution-matrix interaction caused an increase in the initial release rate at pH 1.2 and pH 7.4 in the PVP-dominated copolymer tablet. Initial burst release occurred in the tablets at pH 1.2.
As the second system; in order to increase the biocompatibility of chitosan, to provide water solubility and to derivatise it with protein and blood compatible, biocompatible and antibacterial polymethacryloyloxyethyl phosphorylcholine for use in in-vitro release application, water-soluble chitosan-graft-polymethacryloyloxyethyl phosphorylcholine was obtained by free radical emulsion polymerisation using cerium ammonium nitrate acidic initiator solution. The structure of the graft polymer was determined by FTIR and SEM analyses. It was determined that the inhibition zone diameter of the polymer increased against the tested gram positive and gram negative bacterial species. Then, Asa loaded TPP cross-linked chitosan-graft-polymethacryloyloxyethyl phosphoryl choline was obtained by ionic gelation technique with 71% efficiency. It was determined that the graft polymer released with different mechanisms and rates according to the ambient pH value. At pH 1.2, it was thought that the opening of the chains by ionised amine groups and matrix erosion caused the release rate increase and the release kinetics were determined as dissolution, diffusion and erosion/degradation model. At pH 7.4, the release kinetics were determined as dissolution and diffusion model.
As the third system; carboxymethyl chitosan was firstly obtained to increase the solubility of chitosan in water. In order to increase the biocompatibility of carboxymethyl chitosan and to derivatise it with biocompatible, protein and blood compatible polymethacryloyloxyethyl phosphorylcholine to be used in in-vitro release application, water swelling carboxymethyl chitosan-graft-polymethacryloyloxyethyl phosphorylcholine was obtained by free radical emulsion polymerisation using cerium ammonium nitrate acidic initiator solution. The structure of the graft polymer was determined by FTIR, 1H NMR and SEM analyses. It was determined that the polymer showed an increase in the inhibition zone diameter against the tested gram positive and gram negative bacterial species. Then, Asa loaded carboxymethyl chitosan-graft-polymethacryloyloxyethyl phosphorylcholine was obtained with 75% efficiency. It was determined that the graft polymer released by different mechanisms and at different rates according to the ambient pH value. At pH 7.4, the release rate was thought to increase as a result of ionised carboxyl groups changing the polymer-polymer/solution interactions, hydration and swelling, and the release kinetics was determined as diffusion model. At pH 1.2, the release kinetics was determined as dissolution and diffusion model and the release occurred more slowly.
As the fourth system; chitosan-graft-polyugenol was obtained by derivatising with antioxidant, antibacterial, antivirus, antifungal, anti-inflammatory and natural eugenol by free radical emulsion polymerisation using cerium ammonium nitrate acidic initiator solution for in-vitro release application of chitosan. The structure of the graft polymer was determined by FTIR, 1H-NMR and SEM analyses. Reopectic hysteresis effect and dilatant flow characteristics were determined. Then, Asa loaded TPP crosslinked chitosan-graft-polieugenol was obtained by ionic gelation technique. It was determined that the graft polymer released by different mechanisms and at different rates according to the ambient pH value and the polymer/Asa ratio used in the loading. Reversal of cross-links at pH 7.4 was thought to cause initially faster release and the release kinetics was determined as diffusion model. On the other hand, the stability of cross-links was thought to cause controlled and prolonged release at pH 1.2 and the release kinetics were determined as dissolution, diffusion and erosion/degradation model.
Chitosan was derivatised with acetylsalicylic acid (Asa), Asa/thymine-1-acetic acid and folic acid/vanillin, three different derivatised chitosan-based delivery systems were obtained.
As the first system; Asa modified chitosan was obtained by Steglich reaction to investigate in-vitro release properties. Its structure was determined by FTIR, 1H-NMR and SEM analyses. The swelling capacity in water was determined as 400%. Asa release from the system occurred gradually with pH selectivity and hydrolysis of amide/ester bonds. At pH 1.2, hydrolysis of the chitosan backbone, degradation and system erosion increased ester/amide bond hydrolysis and release rate. At pH 7.4, release was more controlled.
As the second system; Asa and thymine-1-acetic acid modified chitosan were obtained by Steglich reaction in order to provide biological activity and to examine in-vitro release properties. Its structure was determined by FTIR, 1H-NMR and SEM analyses. The swelling capacity in water was determined as 3500%. Asa release from the system was gradual and prolonged by amide/ester bond hydrolysis depending on the ambient acidity. Main chain hydrolysis, degradation and system erosion at pH 1.2 were thought to increase the release rate.
As the third system; firstly, folic acid modified chitosan was obtained by Steglich reaction to provide targeting properties. Its structure was determined by FTIR, 1H-NMR and UV analyses. The swelling capacity in water was determined as 153%. Then, vanillin cross-linked folic acid modified chitosan was obtained by schiff reaction between vanillin aldehyde group and chitosan amine group using vanillin, a natural antioxidant cross-linker that may cause a change in release rate. The swelling capacity in water was determined as 1000%. Then Asa loaded vanillin crosslinked folic acid modified chitosan was obtained with 27% efficiency. It was determined that the system released by different mechanisms and at different rates according to the ambient pH value. The burst release at pH 1.2 was thought to be caused by steric tension at pH different from the loading value, and the release kinetics was determined as dissolution and surface erosion model. At pH 7.4, the release kinetics was determined as diffusion model and the release occurred more slowly.
In the release systems, burst release in the first stage is related to the release of Asa adsorbed near the surface and controlled release in the second stage is related to the release of Asa adsorbed in deeper regions according to the diffusion distance. The faster release in acidic medium was thought to be related to the ionised amine groups opening the chains and increasing solvent penetration. In conclusion, by graft polymerisation of chitosan with various biocompatible vinyl-type monomers, various graft polymers with improved solubility properties and swelling behaviour in water were obtained and their antibacterial activities were improved. In addition, chitosan derivatives with water swelling capacity were obtained by modifying chitosan by forming amide and ester bonds. According to the in-vitro release studies of Asa loaded graft polymers and Asa modified chitosan derivatives at pH 1.2 and pH 7.4, it was concluded that some systems can release for a long time and the release rate can be adjusted depending on the ambient acidity.