Nanokompozit malzemeler ile kontrollü ilaç salım sistemlerinin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of controlled drug release systems by nanocomposite materials
Yazar: EHSAN SANATTALAB
Danışman: PROF. DR. GÜLTEN GÜRDAĞ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, yeni bir yaklaşımla 2'den fazla katman içeren inorganik nano platformlar sentezi hazırlanmıştır. Nano platformlar, taramalı elektron mikroskobu, X-ışını kırınımı, flüoresans ve Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi, flüoresans mikroskobu, dinamik ışık saçılımı, termogravimetrik analiz, Brunauer-Emmett-Teller, vb. kullanılarak karakterize edilmiştir. In-vivo çalışmalarda gözeneksiz silika nanopartiküllerinin (NP'ler) maksimum tolere edilebilir dozunun mezogözenekli silikadan daha yüksek olduğu bilindiğinden, gözeneksiz silika hazırlanmıştır. Kurkumin (CUR), hem floresan hem de terapötik ajan olarak kullanılmak üzere küresel gözeneksiz silika ve titanya NP'lerin (<100 nm) yüzeyleri arasında tutulmuştur. Böylece gözeneksiz silika, NP'lerin yükleme kapasitesinin arttırmakla kalmamış, ışığa duyarlılık, antibakteriyel aktivite ve kontrollü salım özelliklerini önemli ölçüde iyileştirmiştir. Ek olarak, NP'lerin yüzeyi Metil viyole-10B (MV-10B) ve Rhodamine B (RhB) ile zenginleştirilmiştir. Silica@CUR@titania, silica@CUR NP'lerinden yaklaşık 9 kat daha yüksek floresan yoğunluğu sergilemiştir. Bu bulgu, biyogörüntüleme uygulamaları için daha az miktarda RhB kullanımına olanak sağlayarak minimum toksik etkiye sahip nano-platformlar tasarlamamızı sağlamıştır. Nano platformların antimikrobiyal etkinliği, P. aeruginosa, E. coli, S. Typhimurium, K. pneumonia, S. epidermidis, S. aureus, B. subtilis, B. cereus ve E. faecalis'e karşı değerlendirilmiştir. Titania NP´lerinin, B. subtilis ve P. aeruginosa dışındaki tüm bakterilere karşı CUR'in minimum inhibitör konsantrasyon (MIC) değerlerini belirgin şekilde düşürdüğü sonucuna varılmıştır. Çalışmanın başka bir bölümü olarak detaylı optimizasyon çalışmasından sonra, fonksiyonel monomer olarak metakrilik asit (MAA), şablon olarak ticari CUR, çapraz bağlayıcı olarak etilen glikol dimetakrilat (EGDMA), porojenik çözücü olarak etanol/su karışımı ve başlatıcı olarak amonyum persülfat (APS) kullanılarak çöktürme polimerizasyonu ile moleküler baskılama tekniği başarıyla uygulanmıştır.
Bu çalışmada, tanımlanmış pahalı ve karmaşık enkapsülasyon prosesleri olmaksızın ve sadece formülasyon geliştirilerek moleküler baskılama yöntemi ile aktif maddenin polimer matriksin iç kısımlarında immobilizasyonu gerçekleştirilmiştir. Floresan mikroskop görüntüsü ile CUR'in polimer matriks içindeki konumu netleştirilmiştir. Uygun formülasyon kullanılarak verimin %100'e çıkarılmasının yanı sıra, polimerizasyon işleminde kullanılan porojen ve ilaç yükleme işleminde kullanılan yeniden bağlama çözücüsünün bir sonucu olarak hem moleküler baskılanmış polimerler (MIP'ler) hemde baskılanmamış polimerlere (NIP'ler) %100 bağlanma sağlanmıştır. Aktif madde ile polimer arasındaki bağlanma sürecinde santrifüjlemeden sonra elde edilen süpernatantın karakterizasyon sonuçlarının güvenilirliği görsel fotoğraflarla tartışılmıştır. 
Her organik ve inorganik ilaç dağıtım sisteminin kendine göre avantajları ve dezavantajları kompozit ve karmaşık nano-taşıyıcı sistemlerin geliştirilmesine yol açmıştır. Çalışmanın diğer bir bölümünde ilaç örneği olarak siprofloksasin (CIP) seçilmiş ve ilaç taşıyıcı sistemlerin antibakteriyel aktiviteleri ve in vitro salım aktiviteleri incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. P(MAA-EGDMA), silika ve titania nano-taşıyıcılara kıyasla daha yüksek CIP yükleme kapasitesi göstermiştir. Ancak toplam salım değerinin titania nano-taşıyıcıdan daha az olduğu belirlenmiştir. P(MAA-EGDMA)´nın başlangıçtaki yüksek salım miktarı bu taşıyıcı için başka bir dezavantaj olarak tanımlanmıştır. Silika, titania ve bunların kompozitlerinin yüksek başlangıç salım profili için uygun oldukları kanıtlanmıştır.

Abstract:
This study presents a new approach for the synthesis of inorganic nano-platforms containing more than 2 layers. Nano-platforms were characterized using scanning electron microscopy, X-ray diffraction, fluorescence and Fourier transform infrared spectroscopy, fluorescence microscopy, dynamic light scattering, thermogravimetric analysis, surface area or porosity measurements by Brunauer–Emmett–Teller, etc. Since it has been reported that the maximum tolerable dose of non-porous silica nanoparticles (NPs) in in-vivo studies is higher than that of mesoporous silica, the non-porous silica was prepared. Curcumin (CUR) was trapped between the surfaces of the spherical non-porous silica and titania NPs (<100 nm) as both fluorescent and therapeutic agents, thus resulting in increased loading capacity of the non-porous silica NPs, as well as providing significant photosensitivity, antibacterial activity, and controlled release. In addition, the surface of NPs was enriched with Methyl violet-10B (MV-10B), and Rhodamine B (RhB). Silica@CUR@titania exhibited approximately 9-fold higher fluorescence intensity than silica@CUR NPs. This finding enabled us to design nano-platforms with minimum toxic effect due to low contents of RhB for bioimaging applications. The antimicrobial efficiency of nano-platforms was evaluated against P. aeruginosa, E. coli, S. Typhimurium, K. pneumonia,  S. epidermidis, S. aureus,  B. subtilis, B. cereus, and E. faecalis. It was concluded that titania markedly lowered the minimum inhibitory concentration values (MICs) of CUR against all bacteria except B. subtilis and P. aeruginosa. Moreover, after detailed optimization work, the molecular imprinting polymer technique was successfully applied for precipitation polymerization using methacrylic acid (MAA) as a functional monomer, commercial curcumin (CUR) as template, ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) as crosslinker, ethanol/water mixture as porogenic solvent, and ammonium persulfate (APS) as initiator. In this study, immobilization of the active ingredient in the inner parts of the polymer matrix by molecular imprinted method, without defined expensive and complex encapsulation processes, was performed successfully by developing only the formulation. The position of CUR in the polymer matrix was clarified by fluorescent microscope image. In addition to increasing the yield to 100% by using the appropriate formulation, 100% binding also was obtained for both molecularly imprinted polymers (MIPs) and non-imprinted polymers (NIPs) as a result of the porogen and rebinding solvent used respectively in the polymerization and loading processes. The reliability of the characterization results of the supernatant obtained after centrifugation in the bonding process between the active substance and the polymer was confirmed by visual photographs. As known, each organic and inorganic drug delivery system has its own advantages and disadvantages.  This has led to the development of composite and complex nano-carrier systems. In another part of the study, ciprofloxacin (CIP) was chosen as a drug sample, and the antibacterial activities and in-vitro release activities of the drug delivery systems were examined and compared. It was determined that P(MAA-EGDMA) had a higher CIP loading capacity compared to silica and titania nanocarriers, but the total release amount was less than that of titania nanocarriers. The high initial release amount of P(MAA-EGDMA) was defined as a disadvantage for this carrier. Silica, titania and their composites have proven to be good candidates for the high initial release profile.