Sarı kantaron yağı ve A vitamini katkılı polimer nanolif yara örtüsü malzemelerinin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of wound dressing materials containing hypericum perforatum oil and vitamin A
Yazar: FUNDA NUR KAŞIKÇI
Danışman: PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Nanoteknoloji, boyutları 1-100 nm arasında değişen malzemeleri inceleyen çalışma alanıdır. Nanoboyutta malzemeler iyi gerilme mukavemeti, gözeneklilik, yüzey modifikasyon yeteneği, geçirgenlik ve kararlılık gibi benzersiz özelliklere sahip olabilirler. Bu özellikleri sayesinde akıllı tekstil polimer nanokompozitleri, akıllı paketleme, çevre koruma ve iyileştirme, su arıtma, enerji üretimi, katalizörler, biyosensörler, ilaç salımı ve biyotıbbi uygulamalar gibi birçok farklı kullanım alanlarına sahiptirler.
Nanomalzemelerden olan nanoliflerin ayırt edici özellikleri arasında bulunan yüksek yüzey alanı/hacim oranı, yüksek gözeneklilik ve küçük gözenekler sayesinde filtre ortamına sıvı adsorpsiyonu için uygun bir koşul sunarak bakterilerin nüfuz etmesini önlerler. Nanolifler biyouyumluluğu, yükleme verimliliği ve hücre dışı matrisi taklit etmesi nedeniyle ilaç salımı ve doku mühendisliğinde çok fazla kullanılan nanomalzemelerdir. İdeal bir yara örtüsü gaz değişimine (su buharı, oksijen) izin vermeli, yara ve pansuman ara yüzeyinde nemli bir ortam sağlamalı, fazla yara eksüdasını gidermeli,  yara oluşumunu en aza indirmeli ve zehirli olmamalıdır. Nanolifler sayesinde bu özellikleri taşıyan yara örtüleri üretilebilmektedir. Polimerler yeniden yapılandırılacak dokuya bağlı olarak doğal, sentetik veya her ikisinin bir kombinasyonu olabilirler. Farklı yöntemlerle elde edilen polimer matrikse, çeşitli biyoaktif malzemeler eklenerek bu malzemelerin antibakteriyel, analjezik, anti-inflamatuvar ve antioksidan özelliklerinden yararlanılmaktadır.
Kolajenden türetilen ve doğal bir polimer olan jelatin, biyouyumluluğu, biyolojik olarak parçalanabilirliği ve jelleşme özelliklerinin yanı sıra şekillendirilebilirliği ve maliyet açısından uygunluğu nedeniyle yara örtüsü uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak jelatinin yetersiz mekanik dayanım ve zayıf termal stabilite gibi özelliklerinin iyileştirilmesi için çapraz bağlama işlemine ihtiyaç duyulmaktadır. Genellikle çapraz bağlama ile jelatinin yapısını değiştirerek, fonksiyonel özellikleri iyileştirilmekte ve  böylece jelatinin endüstrideki uygulamalarını genişletilmektedir.
İyileşme sürecini hızlandırmak ve yara iyileşmesi için gerekli tüm gereksinimleri sağlamak amacıyla, alternatif tıp (bitkisel yağ tedavileri) ile birlikte modern yara örtüsü malzemeleri kullanılarak entegre polimerik yara örtüsü malzemeleri üretilmektedir. Sarı kantaron yağı bu amaçla kullanılan ve modern yara örtüsü malzemesine entegre edilebilen yağlardan biridir ve bu yağ küçük kesikler, yanıklar, cilt ülserleri, bölgesel viral enfeksiyonlar dahil olmak üzere farklı cilt problemlerinde uzun yıllardan beri geleneksel olarak kullanılan bir halk ilacıdır.
A vitamini eksikliğinin, azalan kolajen sentezi ve yeni oluşan kolajenin çapraz bağlanması ile epitelizasyonun ve yara iyileşmesinin gecikmesine neden olduğu bilinmektedir. Çeşitli çalışmalarla A vitamininin epidermal döngüyü uyardığı, yaralı ciltte yeniden epitelizasyon oranını arttırdığı ve epitel yapısını eski haline getirdiği gösterilmiştir.
İncelenen literatür çalışmalarından yola çıkarak bu çalışmada, elektrospinning yöntemi ile sarı kantaron yağı ve A vitamini içeren, yara örtüsü malzemesi olarak kullanılabilecek çapraz bağlı jelatin nanolif membranların üretimi amaçlanmıştır. Deneysel çalışmalarda ilk olarak, jelatinin çapraz bağlanması üzerinde durulmuştur. Çapraz bağlama işleminde tanik asit ile çapraz bağlama ve gluteraldehit ile çapraz bağlama olmak üzere iki farklı yöntem kullanılmıştır. Tanik asit ile çapraz bağlamada jelatinin ve tanik asidin derişimi, gluteraldehit ile çapraz bağlamada ise, jelatinin derişimi ve gluteraldehit buharında bekletme süreleri optimize edilmiştir. Tanik asit ile çapraz bağlamada yapılan optmizasyon işlemlerinden sonra jelatinin derişimi %15 (ağırlık/hacim) olarak belirlenmiştir. Çözücü olarak asetik asit sulu çözeltisi kullanılmıştır. Jelatinin ağırlığının %15'i olacak şekilde tanik asit eklenerek çapraz bağlama işlemi yapılmıştır. Glutaraldehit ile çapraz bağlama işleminde ise %22'lik (ağırlık/hacim) jelatin çözeltisi kullanılarak hazırlanan membranlar 20 dakika glutaraldehit buharında bekletilerek çapraz bağlanmıştır.
Deneysel çalışmaların ikinci kısmında polimerin ağırlığı temel alınarak % 50 sarı kantaron yağı ve % 5 A vitamini katkılı jelatin nanolif membranlar üretilmiştir. Üretilen membranların SEM, FTIR ve TGA analizleri ile karakterizasyonları yapılmıştır. SEM görüntülerinde Jt-TA-%50 SK yağ-%5 A vit ve %22 Jt-GA-%50 SK yağ içeren membranların homojen nanolif yapısına sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca nanoliflerin Escherichia coli bakterisine karşı antimikrobiyal testleri yapılmış ve tanik asit içeren nanoliflerin antimikrobiyal özellik taşıdığı görülmüştür.
Sonuç olarak hem küçük nanolif çaplarına sahip olması hem de antimikrobiyal özellik taşıması sebebiyle %50 SK yağı ve % 5 A vitamini içeren tanik asit ile çapraz bağlanmış nanolif membranların, yara örtüsü malzemesi olarak kullanılabileceği öngörülmüştür.

Abstract:
Nanotechnology is the field of study that examines materials ranging in size from 1 to 100 nm. Nanomaterials can have unique properties such as good tensile strength, porosity, surface modification ability, permeability and stability. Due to these features, they have many different usage areas such as smart textiles polymer nanocomposites, smart packaging, environmental protection and improvement, water treatment, energy generation, catalysts, biosensors, drug distribution and biomedical applications.
The distinguishing features of nanofibers are their high surface area / volume ratio, high porosity and small pores, providing a suitable condition for liquid adsorption into the filter media, preventing the penetration of bacteria. Nanofibers are widely used nanomaterials in drug release and tissue engineering due to their biocompatibility, loading efficiency, and extracellular matrix mimicy. An ideal dressing should allow gas exchange (water vapor, oxygen), maintaining a moisture at the environment of wound and dressing interface, remove excess wound exudate and minimize wound formation. 
Electrospinning is an easy and effective process to produce ultra-fine fibres with diameters ranging from micrometers to a few nanometers. The electrospinning process requires a high voltage to produse an electrically charged jet of polymer solution, which dries to form a polymer fiber. A high-voltage power supply, a syringe with a spinneret, a syringe pump, and a collecting plate are the main components of electrospinning. It can be controlled the porosity, specific surface area, mechanical strength, and morphology of the electrospun materials by regulating the electrospinning process parameters, such as applied voltage and flow rate of the polymer solution. This technique has been reutilized especially for biomedical applications such as wound dressing, drug delivery, tissue engineering that use the characteristics such as high-specific surface area, high aspect ratio and high porosity, with small pore size. Small pores are important to prevent bacterial penetration, high surface area is also important for liquid adsorption and dermal drug delivery. The electrospun mats can mimic the extracellular matrix (ECM) and thus they could have functional properties such as antimicrobial actions, cell migration and proliferation-enhancing. 
In order to accelerate the healing process and provide all the necessary requirements for wound healing, integrated polymeric dressing materials are produced using modern wound dressing materials together with alternative medicine. There are various modern wound dressing films, in which different natural polymers such as gelatin, collagen, alginate and synthetic polymers poly(l-lactide), poly(lactide-co-glycolide), poly(ε-caprolactone) and composites of these polymers can be used to produce electrospun mats. 
Among these polymers gelatin, which is derived from partial hydrolysis of collagens, has been widely utilized  for wound dressings, pharmaceuticals due to its biocompatibility, biodegradability and gelation characteristics, as well as its film formability and cost efficiency. However, it has weak mechanical properties and water-resistant ability. UV-irradiation, formaldehyde, glutaraldehyde or different phenolic compounds such as caffeic acid, gallic acid, tannic acid have been used as a crosslinker of gelatin. Tannic acid is d-glucose gallic acid ester which has multiple phenolic hydroxyl groups and aromatic rings. Tannic acid is an antibacterial agent for crosslinking gelatin nanofibres. Natural polyphenolic compounds commonly can be found in almost all plants. It is widely found in fruits, grains and a variety of drinks. TA has a relatively high molecular weight and can interact with carbohydrate, proteins and other biological macromolecules. It is reported that tannic acid has bacteriostatic activity and that it is also known as an effective antioxidant. Glutaraldehyde is the most widely used chemical, owing to its high efficiency in stabilizing collagenous materials . GTA based crosslinking of collagenous materials preserves biological integrity, strength and flexibility. GTA is also easily available, cost effective and capable of accomplishing the crosslinking in a relatively short time period. GTA vapor was used to improve the stability of the fiber mats.
Incorporation of bioactive molecules like growth factors, vitamins, anti‐inflammatory and antimicrobial agents with the wound dressing material provides controlled release to the wounds and maintains better improvement in healing process. Herbal agents such as volatile oils, flavonoids, terpenoids, tannins, phenolic compounds presenting antimicrobial activity, enhance  proliferation, collagen synthesis, epithelisation during the wound healing process. 
Hypericum perforatum, commonly known as St. John's Wort, takes attention due to its wide range of therapeutic effects such as depression, anxiety, antiinflammatory, antimicrobial, antioxidant agent, wound healing. H. perforatum contains active agents such as hpericins, hyperforins and flavonoids. Hyperforin is the main component of hypericum that increases the rate of re-ephitelization of injured skin. H. perforatum oil has been widely used in Turkish Folk Medicine as a remedy for wounds and burns during healing. It can be integrated into modern dressing material.
Vitamin A deficiency is known to cause delay in epithelization and wound healing, which is manifested by reduced collagen synthesis and cross-linking of newly formed collagen. Various studies have shown that vitamin A stimulates the epidermal cycle, enhances epithelialization of skin.
In this study, it is aimed to produce crosslinked gelatin nanofiber membranes containing hypericum perforatum oil and vitamin A by electrospinning method which can be used as a wound dressing material. Firstly, it is important to enhance their mechanical performance preserving electrospun gelatin nanofibers morphology. Two different methods were used in the crosslinking process: Crosslinking with tannic acid and crosslinking with glutaraldehyde vapor. Determining the concentration of gelatin and tannic acid is important in crosslinking with tannic acid. 15% (w/v) gelatin concentration in aqueous acetic acid solution and 15% wt tannic acid (based on the dry weight of gelatin) were determined as optimum concentrations to produce homogeneous nanofiber membrans. In crosslinked with glutaraldehyde vapor, the concentration of the gelatin was determined 22% (w/v) based on the acetic acid solution. Each nanofiber membran was exposed to the moist GTA vapor for 20 min. This holding time was determined as a optimimum level to preserve nanofiber structure.
In the second part of the experimental studies, gelatin nanofiber membranes containing 50% (w/w) St. John's Wort oil and 5% vitamin A were produced. The characterization of the produced membranes was investigated by SEM, FTIR and TGA. SEM images showed that membranes containing Jt-TA-50% SK oil-5% A vit and 22% Jt-GA-50% SK oil had a homogeneous nanofiber structure. In addition, antimicrobial tests of nanofibers against Escherichia coli bacteria were performed and it was observed that nanofibers containing tannic acid have antimicrobial properties. 
As a result, crosslinked nanofibers with tannic acid containing 50% SK oil and 5% vitamin A can be suitable as a wound dressing material due to their small nanofiber diameters and antimicrobial properties.