Biyomedikal uygulamalar için mikroakışkan yönyemiyle mikrobaloncuk ve partikül üretimi
Microbubble and particle production by microfluidic method for biomedical applications
Yazar: SÜMEYYE CESUR
Danışman: DOÇ. DR. OĞUZHAN GÜNDÜZ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMET EMİN ÇAM
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Mikrobaloncuklar biyomedikal, gıda, kimya endüstrileri, kozmetik gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Biyomedikal uygulamalarda mikrobaloncukların kullanımı büyük önem kazanmıştır. Mikrobaloncukları üretmek için çok farklı yöntemler vardır. Bunlardan biri de mikroakışkan cihazlardır.  Mikroakışkan cihazlar uygun maliyetli, gaz ve sıvı akışının etkin ve kolay kontrolü sağlayan aynı boyutta sıvı damlacıkları üretmek için yaygın olarak kullanılan bir sistemdir. Ayrıca bu cihazlar, mikrobaloncukların tek bir aşamada üretilmesine izin verir ve çok katmanlı yapılar üretme potansiyeline sahiptir. Üretilen mikrobaloncuklar katmanlara sahiptir ve bunlar patlayarak söner ve partiküller oluşur. Biyouyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilir polimerler içeren bu nanopartiküller kanser, diyabet, nörodejeneratif bozukluklar gibi çeşitli hastalıkların tedavisinde spesifik hedefleme ve klasik ilaç taşıyıcı sistemlere alternatif tedavi yöntemi olarak kullanılabilmektedir. 
Bu çalışmada, T-kesişimli mikroakışkan cihaz kullanılarak, aynı boyutta polimer kaplı mikrobaloncuklardan partiküller üretilmiştir. Bu partiküllere hedeflenen bölgede kontrollü ilaç salımı için çeşitli etken maddeler ve manyetik nanopartiküller yüklenmiştir. Üretilen bu nanopartiküllerin kimyasal, morfolojik, sitotoksik ve in vitro salım profilleri gibi özellikleri ayrıntılı bir şekilde incelenmiş ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Ayrıca elektrik kontrollü ilaç salımını için basit ve ucuz bir yöntem olan birlikte çökelme yöntemiyle Bizmut Ferrit (BiFeO3) manyetik nanopartikülleri sentezlenmiştir. Elektrik stimülasyonunun, BiFeO3 ve ilaç yüklü nanopartiküller üzerindeki kontrollü ilaç salımını etkisi araştırılmış ve değerlendirilmiştir. İlk olarak Tip 2 Diabetes Mellitus (T2DM) tedavisine katkı sağlaması amaçlanan bu çalışmada, Polivinil Alkol (PVA) ve Sodyum aljinat (SA) gibi farklı biyopolimerler kullanılarak, mikrobaloncuk ve partiküller üretildi ve çapları sırasıyla 100 ± 10 µm ve 70 ± 5 nm olarak bulundu. Metformin ilacı, bu optimize edilmiş konsantrasyonlarda ve parametrelerde nanopartiküllere başarıyla yüklendi. Nanopartiküllerin Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) görüntüleri incelendiğinde, pürüzsüz ve tekdüze bir yapıya sahipti ve yüzeyde hiçbir ilaç kristali ve kümeleşme görülmedi. İn vitro salım çalışmalarına bakıldığında metformin, kontrollü bir şekilde pH 1.2'de 60 dakika süreyle ve pH 7.4'te 240 dakika süreyle salındı. Bu sonuca göre metformin yüklü PVA nanopartikülleri, metformin salımını kontrollü bir şekilde sağlamaları nedeniyle, T2DM tedavisinde büyük potansiyel sunar. Ayrıca Alzheimer hastalığı (AD) tedavisine de katkı sağlaması amaçlanan bu çalışmada, PVA biyopolimeri kullanılarak mikrobaloncuk ve partiküller üretildi. BiFeO3 manyetik nanopartikülleri ile hidrofilik ilaç olan Donepezil (DO), optimize edilmiş konsantrasyonlarda ve parametrelerde nanopartiküllere başarıyla yüklendi. Sitotoksik çalışmalar, tüm nanopartikül numuneleri için sağlıklı L929 hücreleri üzerinde sitotoksik etkisinin olmadığını gösterdi. Ayrıca BiFeO3 ve DO yüklü nanopartiküllere elektrik uyaranının uygulanması sonucunda, DO salımı, -1.0 V ile 15 uyarandan sonra toplam % 68.9 DO salımı ile daha negatif voltajlarda arttı. Higuchi modeli ile hemen hemen tüm koşullar için daha yüksek R2 değerleri elde edildi ve DO, Fick olmayan difüzyon mekanizmasıyla nanopartiküllerden salındı. Böylece elektriksel olarak kontrol edilen BiFeO3 yüklü nanopartiküllerin, uzun vadeli ve kontrollü ilaç salım profili sergiledikleri için AD tedavisinde heyecan verici bir potansiyele sahip olduğunu gösterilmiştir. Sonuç olarak bu tez çalışmasında, mikroakışkan yöntemle üretilen yaklaşık 100 nm çapında homojen dağılımlı antidiyabetik ve ferroelektrik özelliğe sahip anti-Alzheimer nanopartiküller, özellikle T2DM ve AD tedavisinde alternatif kontrollü ilaç salım sistemleri olarak geliştirilmiştir.

Abstract:
Microbubbles are used in many fields such as biomedical, food, chemical industries and cosmetics. The use of microbubbles in biomedical applications has gained great importance. There are many different methods for producing microbubbles.
One of them is microfluidic devices. Microfluidic devices are a widely used system to produce liquid droplets of the same size that are cost-effective and provide efficient and easy control of gas and liquid flow. In addition, these devices allow the production of microbubbles in a single step and have the potential to produce multilayer structures. The microbubbles produced have layers that burst, deflate and particles are formed. These nanoparticles containing biocompatible and biodegradable polymers can be used as specific targeting and alternative treatment methods to classical drug delivery systems in the treatment of various diseases such as cancer, diabetes, neurodegenerative disorders. In this study, particles were produced from polymer coated microbubbles of the same size using a T-intercept microfluidic device. These particles were loaded with various active ingredients and magnetic nanoparticles for controlled drug release in the targeted area. The properties of these nanoparticles such as chemical, morphological, cytotoxic and in vitro release profiles were examined in detail and the results were evaluated. In addition, Bismuth Ferrite (BiFeO3) magnetic nanoparticles were synthesized by the co-precipitation method, which is a simple and inexpensive method for electrically controlled drug release. The effect of electrical stimulation on BiFeO3 and drug-loaded nanoparticles on controlled drug release was investigated and evaluated. In this study, which was first intended to contribute to the treatment of Type 2 Diabetes Mellitus (T2DM), microbubbles and particles were produced using different biopolymers such as Polyvinyl Alcohol (PVA) and Sodium alginate (SA) and their diameters were found to be 100 ± 10 µm and 70 ± 5 nm, respectively. Metformin drug successfully loaded nanoparticles at these optimized concentrations and parameters. When Scanning Electron Microscopy (SEM) images of the nanoparticles were examined, they had a smooth and uniform structure and no drug crystals and aggregates were seen on the surface. When looking at in vitro release studies, metformin was released in a controlled manner at pH 1.2 for 60 minutes and at pH 7.4 for 240 minutes. According to this result, PVA nanoparticles loaded with metformin offer great potential in T2DM treatment, since they provide metformin release in a controlled manner. In this study, which was aimed to contribute to the treatment of Alzheimer's disease (AD), microbubbles and particles were produced using PVA biopolymer. Donepezil (DO), the hydrophilic drug with BiFeO3 magnetic nanoparticles, was successfully loaded into nanoparticles at optimized concentrations and parameters. Cytotoxic studies showed no cytotoxic effect on healthy L929 cells for all nanoparticle samples. In addition, as a result of the application of electrical stimulus to the nanoparticles loaded with BiFeO3 and DO, the DO release increased at -1.0 V at more negative voltages with 68.9% DO release after 15 stimuli. Higher R2 values were obtained for almost all conditions with the Higuchi model, and DO was released from the nanoparticles by the non-Fick diffusion mechanism. Thus, it has been demonstrated that electrically controlled BiFeO3 charged nanoparticles have an exciting potential in the treatment of AD, as they exhibit a long-term and controlled drug release profile. In conclusion, in this thesis study, anti-Alzheimer nanoparticles with a homogeneous distribution of approximately 100 nm in diameter produced by microfluidic method and having antidiabetic and ferroelectric properties have been developed as alternative controlled drug release systems, especially in the treatment of T2DM and AD.