Bitkisel reçine ve biyoaktif madde içeren biyopolimer esaslı yara örtüsü malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of biopolymer based wound dressing materials containing herbal resin and bioactive compounds
Yazar: MELTEM TAŞ KÜÇÜKAYDIN
Danışman: PROF. DR. MEHMET EMİN DURU
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Biyomalzemeler = Biomaterials ; Kompozit malzemeler = Composite materials

Özet:
Bu tez çalışmasında, ülkemizde doğal olarak yayılış gösteren Liquidambar orientalis (sığla) ve Pinus brutia (kızılçam)'dan elde edilen biyoaktif bileşikler içeren ekstre ve reçinelerin yara ve yanık tedavilerinde kullanılabilme potansiyeli ve pratik kullanılabilir doğal yara örtülerinin geliştirilmesi amaçlandı. Bu amaçla, L. orientalis ve P. brutia'dan elde edilen reçineler ile, L. orientalis'in yaprakları ve P. brutia'nın kabuklarından elde edilen ekstrelerin yara iyileştirici özellikleri in vitro koşullarda insan embriyonik böbrek hücre hattı (293-T) kullanılarak araştırıldı. Ekstrelerin 48. saat'ten itibaren hücre migrasyonuna neden olduğu, bu zamandan itibaren yaranın büzülmeye başladığı görüldü. Ayrıca, çoğalan dokudaki hücrelerde morfolojik bozukluk olmadan yara iyileşmesinin gerçekleştiği gözlendi. Bununla birlikte, ilgili ekstrelerin antioksidan, antimikrobiyal, antibiyofilm, anti-quorum sensing, sitotoksik, üreaz ve tirozinaz enzim inhibisyon aktiviteleri de in vitro koşullarda belirlendi ve söz konusu ekstrelerden biyomalzeme (hidrojel filmler) hazırlandı. Böylece, farklı bitkisel materyallerden daha kısa sürede iyileştirebilen ve ilgili dokunun kısa sürede ve iz bırakmadan doğal yapısına dönmesini sağlayabilen biyomalzemeler (hidrojeller, doğal lif içeren ve biyobozunur) üretildi.
Ekstrelerin antioksidan aktivite sonuçlarına göre en yüksek aktiviteyi P. brutia kabuk etanol-su (PBKE) ve L. orientalis yaprak etanol (LOYE) ekstreleri göstermiştir. Her iki ekstre de özellikle DPPH serbest radikal giderimi, ABTS katyon radikal giderimi ve CUPRAC indirgeme gücü yöntemlerinde referans bileşik olarak kullanılan BHA ve α-tokoferol'den daha güçlü antioksidan aktivite sergilemiştir. DPPH yönteminde, 7,33±0,15 µg/mL (PBKE), 16,14±0,60 µg/mL (LOYE), 19,70±0,18 µg/mL (BHA) ve 38,75±0,23 µg/mL (α-tokoferol) IC50 değerleri elde edilmiştir. Ekstrelerin antimikrobiyal aktivite çalışmaları sonuçlarına göre, Staphylococcus aureus'a karşı minimum inhibisyon konsantrasyonu (MİK) değerleri, L. orientalis reçine (LORE), P. brutia kabuk (PBKE) ve P. brutia reçine (PBRE) ekstreleri için 0,625 mg/mL olarak belirlenmiştir. LORE ve PBRE ekstreleri 0,156 mg/mL MİK değeriyle Bacillus subtilis'a karşı yüksek aktivite sergilemiştir. Bunun yanısıra, C. albicans mikroorganizması için en etkili MİK konsantrasyonu 0,078 mg/mL değeriyle PBRE ekstresi göstermiştir. Üreaz enzim inhibisyon sonuçlarına göre ise, PBRE ekstresi IC50: 28,17±0,31 µg/mL değeri ile üreaz enzim inhibisyon aktivitesi bakımından en yüksek aktiviteye sahip iken, bunu ikinci sırada PBKE ekstresi (IC50: 39,20±0,67 µg/mL) takip etmektedir. Bu aktivite değerleri standart olan tiyoüre (IC50: 9,05±0,20 µg/mL) ile kıyaslandığında ekstrelerin orta düzeyde üreaz inhibisyon aktivitesi gösterdiği görülmüştür. Ekstrelerin tirozinaz enzim inhibisyon aktiviteleri değerlendirildiğinde, LORE ekstresi, 20,18±0,35 µg/mL IC50 değeriyle en güçlü aktivite sergilerken, bunu 25,14±0,66 µg/mL IC50 değeriyle PBKE ekstresi takip etmektedir. Her iki ekstre de IC50 değerleri ile referans bileşik olarak kullanılan kojik asit (IC50: 23,51±0,28 µg/mL) ile yarışır bir düzeyde tirozinaz enzimini inhibe ettiği görülmektedir. Tez çalışmasında biyoaktivite testlerinde kullanılan ekstrelerin aynı zamanda toplam fenolik-flavonoid miktarı ile HPLC-DAD ve GC-MS sistemleri kullanılarak kimyasal içerikleri tespit edildi. Özellikle, PBKE ve LOYE ekstreleri toplam fenolik-flavonoid içeriği bakımından zengin olduğu belirlendi. PBKE ekstresinin HPLC-DAD ile yapılan analizinde, taksifolin (180,5 mg/g) majör bileşik olarak belirlendi, bunu sırasıyla kersetin (13,48 mg/g), luteolin (5,76 mg/g) ve kateşin (4,87 mg/g) takip etmektedir. LOYE ekstresinde, mirisetin (37,50 mg/g), gallik asit (19,83 mg/g), trans-sinnamik asit (9,65 mg/g) ve kersetin (6,36 mg/g) ana bileşikler olarak belirlendi. LORE ekstresinde ise, majör bileşik olarak trans-sinnamik asit (97,63 mg/g) tespit edildi. PBRE ekstresinin GC-MS sistemi kullanılarak yapılan analiz değerlendirildiğinde, ekstrenin çoğunlukla diterpenik asit bileşiklerinden oluştuğu görüldü (%87,43). Diterpenik asitlerden abietik asit (%30,14), izopimarik asit (%25,55), pimarik asit (%15,24), dehidroabietik asit (%11,60) ve palustrik asit (%4,90), PBRE ekstresinin majör bileşenlerini oluşturduğu belirlendi. 
Tez çalışmasında biyoaktif ekstre yüklü hidrojel film hazırlanması için PVA-Nişasta, PVA-kitosan, kitosan-jelatin ve kitosan polimerleri kullanıldı ve nihayetinde herbir ekstreden dört farklı hidrojel film sentezi gerçekleştirildi ve üretilen hidrojel filmlerin karakterizasyonu SEM ve FT-IR analizleri kullanılarak gerçekleştirildi. Aynı zamanda hidrojel filmlerin şişme davranışları ve biyodegradasyon özellikleri de araştırıldı. Ekstre yüklü hidrojel filmlerin in vitro biyolojik aktiviteleri (antioksidan ve antimikrobiyal) ve farklı pH ortamlarında (pH 7,4 ve pH 5,5) biyoaktif bileşiklerin salımlarının araştırılması da gerçekleştirilmiştir. Ekstre yüklü hidrojel filmlerin in vitro salım çalışmaları ilgili ekstrelerin içerdiği bileşiklerin karakterine göre HPLC-DAD, GC-MS veya UV spektrofotometresi kullanılarak belirlendi. LORE ve PBKE ekstresi içeren hidrojel filmler sırasıyla majör bileşikler olan trans-sinnamik asit ve taksifolin bileşiklerinin miktarları belirlenerek salım analizleri gerçekleştirildi. LOYE ekstresi içeren hidrojel filmlerde ise, salım çalışmaları için toplanan örnekler UV spektrofotometrede toplam fenolik bileşen miktarındaki değişim izlenerek tespit edildi. PBRE ekstresi içeren örneklerin salım çalışmalarında da GC-MS ile içerdiği majör bileşikler olan diterpenik asit bileşiklerinin miktarı izlenerek belirlendi.

Abstract:
In this thesis study, the potential of using extracts and resins containing bioactive compounds obtained from Pinus brutia and Liquidambar orientalis, which are naturally distributed in Turkey, in wound and burn treatments and the development of practically usable natural wound dressings were aimed. For this purpose, the wound healing properties of resins obtained from L. orientalis and P. brutia and extracts obtained from the leaves of L. orientalis and bark of P. brutia were investigated using human embryonic kidney cell line (293-T) under in vitro conditions. It was observed that the extracts caused cell migration starting from the 48th hour and the wound started to shrink after this time. In addition, it was observed that wound healing occurred without morphological disorder in the cells in the proliferating tissue. In addition, antioxidant, antimicrobial, antimicrobial, antibiofilm, anti-quorum sensing, cytotoxic, urease and tyrosinase enzyme inhibition activities of the related extracts were determined under in vitro conditions and biomaterials (hydrogel films) were prepared from these extracts. Thus, biomaterials (hydrogels, natural fibre-containing and biodegradable) were produced from different plant materials that can heal in a shorter time and allow the affected tissue to return to its natural structure in a short time and without scarring. According to the antioxidant activity results of the extracts, P. brutia bark ethanol-water (PBKE) and L. orientalis leaf ethanol (LOYE) extracts showed the highest activity. Both extracts exhibited stronger antioxidant activity than BHA and α-tocopherol used as reference compounds, especially in DPPH free radical scavenging, ABTS cation radical scavenging and CUPRAC reducing power methods. In DPPH method, IC50 values of 7.33±0.15 µg/mL (PBKE), 16.14±0.60 µg/mL (LOYE), 19.70±0.18 µg/mL (BHA) and 38.75±0.23 µg/mL (α-tocopherol) were obtained. According to the results of antimicrobial activity studies of the extracts, the minimum inhibition concentration (MIC) values against Staphylococcus aureus were determined as 0.625 mg/mL for L. orientalis resin (LORE), P. brutia bark (PBKE) and P. brutia resin (PBRE) extracts. LORE and PBRE extracts exhibited high activity against Bacillus subtilis with a MIC value of 0.156 mg/mL. In addition, PBRE extract showed the most effective MIC concentration for C. albicans microorganism with a value of 0.078 mg/mL. According to the urease enzyme inhibition results, PBRE extract had the highest urease enzyme inhibition activity with IC50: 28.17±0.31 µg/mL, followed by PBKE extract (IC50: 39.20±0.67 µg/mL). When these activity values were compared with the standard thiourea (IC50: 9.05±0.20 µg/mL), the extracts showed moderate urease inhibition activity. When the tyrosinase enzyme inhibition activities of the extracts were evaluated, LORE extract exhibited the strongest activity with an IC50 value of 20.18±0.35 µg/mL, followed by PBKE extract with an IC50 value of 25.14±0.66 µg/mL. Both extracts inhibited tyrosinase enzyme with IC50 values competitive with kojic acid (IC50: 23.51±0.28 µg/mL) used as reference compound. In the thesis study, the total phenolic-flavonoid content of the extracts used in bioactivity tests were also determined by using HPLC-DAD and GC-MS systems. Especially, PBKE and LOYE extracts were found to be rich in total phenolic-flavonoid content. In the analysis of PBKE extract by HPLC-DAD, taxifolin (180.5 mg/g) was the major compound, followed by quercetin (13.48 mg/g), luteolin (5.76 mg/g) and catechin (4.87 mg/g). In the LOYE extract, myricetin (37.50 mg/g), gallic acid (19.83 mg/g), trans-cinnamic acid (9.65 mg/g) and quercetin (6.36 mg/g) were the main compounds. In LORE extract, trans-cinnamic acid (97.63 mg/g) was detected as the major compound. The analysis of PBRE extract using GC-MS system showed that the extract was mostly composed of diterpenic acids (87.43%). Among the diterpenic acids, abietic acid (30.14%), isopimaric acid (25.55%), pimaric acid (15.24%), dehydroabietic acid (11.60%) and palustric acid (4.90%) constituted the major components of PBRE extract. In the thesis study, PVA-starch, PVA-chitosan, chitosan-gelatin and chitosan polymers were used for the preparation of bioactive extract loaded hydrogel films and finally four different hydrogel films were synthesised from each extract and the characterisation of the produced hydrogel films was carried out using SEM and FT-IR analyses. The swelling behaviour and biodegradation properties of the hydrogel films were also investigated. The in vitro biological activities (antioxidant and antimicrobial) of extract loaded hydrogel films and the release of bioactive compounds at different pH environments (pH 7.4 and pH 5.5) were also investigated. In vitro release studies of extract-loaded hydrogel films were determined using HPLC-DAD, GC-MS or UV spectrophotometry according to the character of the compounds contained in the relevant extracts. The release analyses of hydrogel films containing LORE and PBKE extracts were carried out by determining the amounts of the major compounds trans-cinnamic acid and taxifolin, respectively. In hydrogel films containing LOYE extract, the samples collected for release studies were determined by monitoring the change in the amount of total phenolic compounds in UV spectrophotometer. In the release studies of the samples containing PBRE extract, the amount of diterpenic acid compounds, which are the major compounds, was determined by GC-MS.