Mikro ve mezo gözenekli malzemelere salisilik asit ve steroid yüklenmesi ve salımı
Salicylic acid and steroid loading and release for micro and mesoporous materials
Yazar: İBRAHİM AVNİ ALEV
Danışman: PROF. DR. AHMET SİRKECİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Kontrollü ilaç salım sisteminin en önemli fonksiyonu, ilacın hedef hücreye taşınmasını kontrol etmek ve ilaç konsantrasyonunu terapötik aralıkta tutarak yan etkileri azaltmasıdır. Bu uygulama genellikle iki bileşenden oluşur. Bunlar taşıyıcı ve ilaç maddesidir. Taşıyıcı matris, ilaç salım sisteminin düzgün çalışmasında önemli bir rol oynar. Taşıyıcının biyolojik olarak uyumlu, toksik olmayan, termal ve kimyasal olarak kararlı olması beklenir. 
Gözenekli malzemeler, kimyasal, optik, elektronik, enerji, tıbbi ve biyoteknoloji gibi çeşitli pratik alanlarda uygulamalara sahiptir. Bu malzemeler düzenli gözenek yapıları ve yüksek yüzey alanları sayesinde hastalıkları tedavi etmek için ilaç salım sistemi olarak kullanılmaktadırlar. Literatüre göre, gözenekli malzemeler sırasıyla 2 nm'den az, 2-50 nm arası ve 50 nm'den büyük ölçeklerde, mikro, mezo ve makro gözenekli olmak üzere üç gruba ayrılırlar. Çeşitli gözenekli malzemeler arasında, gözenekli silika nanoparçacıkları, gözenek boyutunun yanı sıra yüksek spesifik yüzey alanı da dahil olmak üzere üst düzey yüzey özelliklerine sahip umut verici bir gözenekli malzeme sınıfıdır. Bu sentetik yapılar diğer partüküllere nazaran maksimum yüzey/hacim oranına sahiptirler. Yüzey özelliklerinin yanısıra bu gözenekli tanecikler, iyi biyouyumluluk, kontrol edilebilir boyut ve kolay yüzey modifikasyonu gibi özellikleri sayesinde çeşitli biyomedikal uygulamalar için başarılı adaylar haline gelmektedir. 
Metal-organik kafesler, metal kümelerin veya iyonların, polifonksiyonel organik moleküllere bağlanarak ağ yapısı oluşturmasıyla meydana gelen kristal yapıda koordinasyon polimerleridir. Büyük yüzey alanı, yüksek gözeneklilik, kapsülleme için büyük gözenek hacmi, termal ve kimyasal kararlılık gibi belirgin özellikleri, metal organik kafeslerin gaz depolama, ayırma, katalizör, sensör, ilaç depolama ve salımı gibi bir çok endüstriyel uygulamalarda kulanılmasında olanak sağlamaktadır. Şu anda, MIL-101 MOF çeşitleri içinden en sık kullanılan malzeme gibi görünmektedir. MIL ailesi (Matérial Institut Lavoisier), üç değerlikli metal merkezliği ve köprülü ligand yapıları ile heterojen katalizör uygulamaları için kullanılan ideal bir MOF grubudur.
Bu çalışmanın temel amacı ilaç salımı için uygun taşıyıcı-ilaç matrisi araştırmak ve geliştirmektir. Bu bağlamda metal-organik kafesler çeşidi olan MIL-101 (Fe) ve mezo gözenekli silika nanopartikül çeşitleri olan MCM-41 ve SBA-15 malzemeleriyle beraber salisilik asit, klobetazol propiyonat ve triamsinolon asetonid ilaçları ile çalışılmıştır. Mikrodalga destekli yöntem ile sentezlenen MIL-101 (Fe) malzemesinin karakterizasyonu kristal yapı (X-ışını kırınım) ve boyut analizi (dinamik ışık saçılması) ile sağlanmıştır. Bu çalışmada sentezi sağlanmayan dışarıdan temin edilmiş MCM-41 ve SBA-15 malzemeleriyse kristal yapı için X-ışını kırınımı, yüzey alanı ve gözenek açıklığı için azot adsorpsiyonu ve boyut analizi içinse dinamik ışık saçılması karakterizasyonları incelenmiştir. İlaç yükleme denemeleri MIL-101 (Fe), SBA-15 ve MCM-41 malzemeleri ile çeşitli ilaç-taşıyıcı oranları, çözücü ortamı, ortam sıcaklığı, karıştırma hızı ve yükleme sürelerinde gerçekleştirilmiştir. Tüm denemelerde model ilaçlar yaş emdirme yöntemiyle gözenekli malzemelere yüklenmesi hedeflenmiştir. İlaç yükleme değerleri belirli zamanlarda okunan absorbans değerleri sabitlenene kadar UV/VIS spektrometresi ile analiz edilmiştir. İlaç salımı prosedürü ise 6,4 pH ortamında sağlanmıştır. Yükleme metodu ile aynı şekilde salım değerleri için çözeltideki ilacın miktarının belirlenmesi UV-spektrometresi ile sağlanmıştır. İlaç konsantrasyonları, doğrusal regresyon modelleri kullanılarak kalibrasyon eğrisi ile hesaplanmıştır. 
MIL-101 (Fe) malzemesine klobetazol propiyonat ile yapılan yükleme denemeleri için UV spektrometresiyle alınan ölçümlerde kayda değer değişimler yakalanamamıştır. Bu bağlamda klobetazol propiyonat molekülü ve mezo gözenek duvar arasında uygun kimyasal ilişkinin sağlanamaması, ilacın gözenek yüzeyi ile zayıf etkileşimi gibi ilacın fizikokimyasal özellikleri ile beraber suda çözünürlüğü oldukça düşük olan klobetazol propiyonat ilacının çözücü ortamında bozunması veya yeterli çözünürlüğün sağlanamaması gibi bir çok etken bu yüklemelerin gerçekleşememesine sebep olarak gösterilebilir. MIL-101 (Fe) malzemesine salisilik asit yükleme denemesi ise 5 mg MOF'a 25 mg ilaç olacak şekilde 1:3 oranında gerçekleştirilmiştir. Bir günlük yükleme süresinin ardından 5 mg MOF'a yüklenen ilaç miktarı 3,84 mg olarak kaydedilmiştir. 1 mg MOF başına yüklenen ilaç miktarı dolayısı ile %76,89 olarak hesaplanmıştır. MCM-41 ve SBA-15 malzemeleri ile ilaç yükleme ve salım çalışmalarında klobetazol propiyonat yüklemesi olumsuz sonuçlanmıştır. Bu sebeple suda ve alkolde çözünürlüğü klobetazol propiyonata göre daha yüksek olan bir başka steroid çeşidi triamsinolon asetonid ile yükleme ve salım denemeleri gerçekleştirilmiştir. 30 saatlik sürecin sonunda bu denemede MCM-41 ve SBA-15 malzemelerine sırasıyla %29,55 ve %27,59 oranına triamsinolon asetonid yüklenmiştir.  İlaç yükleme denemelerinin bir diğeri olan  MCM-41 ve SBA-15 malzemelerine salisilik asit yükleme işleminde 60 saatlik bir sürecin sonunda MCM-41 için %36,32, SBA-15 için ise %33,53 oranında başarı yakalanmıştır. Yüklemesi sağlanan tüm denemelerde hem MIL-101 (Fe) hem de MCM-41 ve SBA-15 için oldukça yavaş ilaç salım sonuçları gözlemlenmiştir. MCM-41 malzemesi SBA-15 malzemesine göre daha yüksek oranda ilaç yükleme ve salım hızı özelliği göstermiştir. Tüm ilaç yükleme ve salım değerleri göz önüne alındığında bu çalışmada kullanılan malzemeler için salisilik asit ve triamsinolon asetonid ile başarılı sonuçlar elde edilen MIL-101 (Fe), MCM-41 ve SBA-15 malzemelerinin belirtilen taşıyıcı-ilaç matrisi  kapsamında ilaç salım sistemi uygulamasında kullanılabilir özelliklerde olduğu anlaşılmıştır. 
Bu çalışmaya ek olarak mikrodalga yöntemi ile sentezlenen MIL-101 (Cr) malzemesi için optimum deney koşulları 23 tam faktöriyel deney tasarım tekniği kullanılarak belirlenmiştir. Malzeme miktarı üzerine etki eden parametreler reaksiyon süresi, cihazın istenilen sıcaklığa ulaşma süresi ve güç olarak kararlaştırılmıştır. Sentezlenen miktar için en yüksek sonuca ulaşılan iki denemeye ait karakterizasyon kristal yapı (X-ışını kırınım) ve boyut analizi (dinamik ışık saçılması) ile sağlanmıştır. Yüksek verimde sentezin sağlanması için mikrodalga cihazına girilen parametrelerden reaksiyon süresi optimum sentez miktarının belirlenmesinde en etkili parametre olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca reaksiyon süresi ve istenilen sıcaklığa ulaşma süresi arasında anlamlı bir etkileşim olduğu belirlenmiştir. Bu çalışmanın geçerliliği cihazı istenilen sıcaklığa 1 ve 2 dakikada ulaştırma, 20 ve 40 dakika reaksiyon süresi ve 800 W ile 1600 W değerlerinde güç uygulanması ile sınırlıdır.

Abstract:
The most important function of the controlled drug delivery system is to control the transport of the drug to the target cell and reduce the side effects by keeping the drug concentration in the therapeutic range. This application usually consists of two components. These are carrier and drug substances. The carrier matrix plays an important role in the smooth operation of the drug delivery system. The carrier is expected to be biocompatible, non-toxic, thermally and chemically stable. It is clear that scientists around the world (especially material chemists and nanotechnologists) are constantly working to create new and better drug carriers and drug delivery systems. Porous materials have applications in a variety of practical areas such as chemical, optical, electronic, energy, medical and biotechnology. These applications are attributed to regular pore structures and high surface areas which are useful for material adsorption, sensor, storage and release. These last two properties provide benefit for use as a drug delivery system to treat diseases on these porous materials.
According to the literature, porous materials are divided into three groups as micro, meso and macroporous at scales of less than 2 nm, 2-50 nm and greater than 50 nm, respectively. Among the various porous materials, porous silica nanoparticles are a promising porous material class with top surface properties including pore size as well as high specific surface area. Silica nanoparticles, which are sub-micron size spacing constructs with silica additives, are nanostructures with a high amount of pores to charge the various molecules to itself. In addition, the silica body provides an outer surface between the pore openings and anionic molecules attached to the outer surface of the silica. These anionic bonds have hydrophilicity to the submicron structure and provide repulsion between other submicron structures. These synthetic structures have a maximum surface to volume ratio compared to other particles. In addition to their surface properties, these porous particles are becoming successful materials for various biomedical applications thanks to their properties such as good biocompatibility, controllable size and easy surface modification. Thanks to these values, the number of research studies on mesoporous silica nanoparticles has increased dramatically.
Although the synthesis of mesoscopic materials was based on the 1970s, Mobil Research and Development Corporation became the first company in 1992 to synthesize mesophoric solids from aluminosilicate gels. hey called this material MCM-41 (Mobile Crystalline Metarials or Mobile Composition of Matter). In general, MCM-41 is a hexagonal, cationic surfactant with a pore diameter of 2.5 to 6 nm. MCM-41 was one of the most investigated materials for drug release. The mesopore structure of the SBA-15 is also widely used for biomedical purposes. It was first synthesized by the University of California, Santa Barbara, and named as Santa Barbara Amorphous material (SBA). These materials differ from MCM because they have larger pores of 4.6-30 nm and thicker silica walls.
Metal-organic frameworks (MOFs) are crystalline coordination polymers formed by metal clusters or ions forming a structure by binding to polyfunctional organic molecules. The large surface area, high porosity, large pore volume for encapsulation, thermal and chemical stability are the key features of metal-organic frameworks, such as gas storage, separation, catalyst, sensor, drug storage and release in many industrial applications. However, for use in drug release, MOFs should be nano-scale. Currently, MIL-101 appears to be the most commonly used material among MOF varieties. The Matérial Institut Lavoisier is an ideal MOF group used for heterogeneous catalyst applications with its trivalent metal centers and carboxylate bridging ligands which has attracted a considerable attention because of their enormous porosity, enhanced stability and very large pores. There are many MIL types such as MIL-100, MIL-101, MIL-53, MIL-89, MIL-88. The surface area of MOFs can be adjusted by different functional groups to adsorb drugs and other molecules. The metal ion used in MOFs must be biologically compatible. For example, MIL-101-Fe is preferred over MIL-101-Cr for drug release due to the toxicity of Cr (Cr = chromium) and the biocompatibility of Fe (Fe = Iron). With the pioneering experimental studies, it can be concluded that MOFs may be promising materials for drug delivery.
The main objective of this study is to investigate and develop the appropriate carrier-drug matrix for drug delivery. In this context, metal-organic framework type MIL-101 (Fe) and mesoporous silica nanoparticle types, MCM-41 and SBA-15 materials were studied with salicylic acid, clobetasol propionate and triamcinolone acetonide drugs. The characterization of the MIL-101 (Fe) material synthesized by microwave assisted method is provided by crystal structure (X-ray diffraction) and size analysis (dynamic light scattering). MCM-41 and SBA-15 materials were analyzed for X-ray diffraction for crystal structure, nitrogen adsorption for surface area and pore diameter, and dynamic light scattering for particle size analysis.
Drug loading trials were carried out with MIL-101 (Fe), SBA-15 and MCM-41 materials, various drug-carrier ratios, solvent medium, ambient temperature, mixing speed and loading times. In all trials, the model drugs are aimed to be loaded into porous materials by wet impregnation method. Drug loading values were analyzed by UV/VIS spectrometry until the absorbance values were fixed. In all trials, measurements were taken from three different vials prepared under the same conditions, and the mean value was used to calculate cumulative loading. The drug release procedure was provided at pH 6.4. The UV-spectrometer was used to determine the amount of the drug in the solution for the release values same as the loading method. Concentrations were calculated by calibration curve using linear regression models. In all drug release trials, measurements were taken from three different vials prepared under the same conditions, and the mean value was used to calculate cumulative release.
No significant changes were detected in UV-spectrometer measurements for loading trials of MIL-101 (Fe) with clobetasol propionate. In this situation, the lack of proper chemical relationship between the clobetasol propionate molecule and the meso pore wall, the poor interaction of the drug with the pore surface and the physicochemical properties of the drug, as well as the degradation of the clobetasol propionate drug in water with a very low solubility or failure to achieve sufficient solubility factors can be shown as. The salicylic acid loading into MIL-101 (Fe) was performed in a 1: 3 ratio of 5 mg MOF and 25 mg drug. After one day of loading, the amount of drug loaded into 5 mg MOF was recorded as 3.84 mg. The amount of drug loaded per 1 mg MOF was 76.89%. 
MCM-41 and SBA-15 materials and clobetazol propionate loading were aslo found to be negative in drug loading and release studies. For this reason, loading and release trials were performed with another type of steroid called as triamcinolone acetonide, which has higher solubility in water and alcohol than clobetazol propionate. At the end of the 30-hour period, 29.55% and 27.59% triamcinolone acetonide was charged to MCM-41 and SBA-15 materials, respectively. The salicylic acid loading process for MCM-41 and SBA-15, another drug loading experiment, resulted in a success rate of 36.32% for MCM-41 and 33.53% for SBA-15. 
Very slow drug release results were observed for both MIL-101 (Fe), MCM-41 and SBA-15 in all loaded trials. MCM-41 material showed higher drug loading and release rate than SBA-15 material. Considering all drug loading and release values, MIL-101 (Fe), MCM-41 and SBA-15 materials obtained with salicylic acid and triamcinolone acetonide for the materials used in this study can be used in drug delivery system application within the specified carrier-drug matrix. properties.
In addition to this study, the optimum experimental conditions for the MIL-101 (Cr) material synthesized by microwave asisted method were determined using 23 full factorial experimental design techniques. The parameters acting on the amount of material were determined as the hold time (A), heating ramp (B) and power (C). The characterization of the MIL-101 (Cr) materials synthesized by microwave assisted method which are two best results in full factorial experimental design techniques is provided by crystal structure (X-ray diffraction) and size analysis (dynamic light scattering). In order to achieve high efficiency synthesis, it was concluded that hold time is the most effective parameter in determining the optimum synthesis amount of the parameters entered into the microwave device. In addition, it was determined that there was a significant interaction between the hold time and heating ramp parameters and this interaction had a greater effect on the amount of synthesis than other interactions. The validity of this study is limited to 1 and 2 minutes for heating ramp, 20 and 40 minutes for hold time, and 800 W and 1600 W for power.