Design and synthesis of complex biomacrolecules and their use in various applications
Karmaşık biyomakromoleküllerin tasarımı, sentezi ve değişik uygulamalarda kullanımı
- Tez No: 323835
- Danışmanlar: DR. OKŞAN KARAL-YILMAZ, PROF. DR. YUSUF YAĞCI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 135
Özet
Biyobozunur polimerlerin ilk uygulamaları 1980 yıllarında görülmüştür.Biyobozunur polimerler dikişler, doku mühendisliği ve ilaç salım sitemleri gibi biyomedikal alana uyarlabilirliğinin keşfedilmesiyle büyük önem kazanmışlardır. Fiziksel özellikleri, hidrolitik bozunma profilleri ve biyolojik uyumlulukları alifatik poliesterleri ve kopoliesterlerini biyomedikal ürünler arasında karşılaştırılamaz kadar önemli bir konuma getirmiştir. Ayrıca, bu polimeler çevreye zararlı olmadıklarından daha yakından incelenmekte olup, `yeşil' olarak adlandırılmaktadırlar. En popüler poliesterler arasında glikolid (GA), laktid (LA), ß-bütirolakton (ß-BL), ?-kaprolactone (?-CL) ve trimetilkarbonat (TMC) gibi malzemelerden türetilen polimerler yer almaktadır. Bu polimerlerin popüler olmasının en büyük sebebi, degredasyon ürünlerinin toksik olmayışı ve normal metabolik yollar ile elimine edilebilmeleridir. Bu biyopolimerlerin potansiyel uygulamaları arasında polimerik tanecikler ile ilaçların ya da tedavi edici ajanların taşınması yer almaktadır. Mikro- ya da nano- küreler gibi polimerik taşıyıcı tanecikler, zor cerrahi operasyonlar ile büyük implatasyon uygulamaları yerine, belirlenen bölgede ve belirli zaman miktarlarında istenilen ilacı salmak üzere kullanılabilirler. Polimerik taneciklerin ilaç salım özellikleri kullanılan polimerin degredasyonunun belirli fiziksel şartlar altında kontrol edilebilmektedir. Polimerlerin degrdasyonun büyük çoğunlukla kopolimer oranı ve molekül ağırlığına bağlı oldugu görülmüştür. Poli(L-laktik asit) (PLLA) ve poli(laktik-ko-glikolik asit) (PLGA) polimerleri kullanılarak gerçekleştirilen ilaç salımlarında, ilaç salımının genellikle ilacın difüzyonu ve polimer erozyonu ile gerçekleştiği görülmüştür. İlaç difüzyonu sırasında, ortamda bulunan su, polimer matriksinin içerisine polimer erozyonundan çok daha hızlı difüzlenir. Polimerin yapısında bulunan ve hidrolitik olarak kırılabilen bağlar polimer matriksinin içerisinde homojen olarak parçalanırlar. Bu nedenle polimerlerin ortalama molekül ağırlıgı homojen olarak azalır. Difüzyon yolu ile salınan ilaç sistemleri, ilacın konsantrayonuna bağlıdır. Polimerlerin yüzey erozyonu ile geçekleşen salımlarda, ortamda bulunan suyun polimer matriksi içeresine olan difüzyonu polimerin degredasyon hızından daha yavaştır. Buradaki degredasyon ince yüzey katmanında gerçekleşmektedir.Alifatik poliesterlerin üstün özellikleri olmasına rağmen, belirli uygulamalarda kullanılabilmeleri için geliştirilmeye ihtiyaçları vardır. Bu sebeple, poliesterlerin biyolojik uygulamalarda kullanabilirliğinin artırılması degredasyon profillerinin control edilebilmesiyle gerçekleştirilebilir. Degredasyon hızını etkileyen başlıca faktörler arasında hidrofiliklik, yüzey kimyası, morfoloji ve çapraz bağlanma yüzdesi bulunmaktadır. Degredasyon hızı alifatik poliesterlerin yeni polimer üniteleri ile kombinasyonu kullanılarak ayarlabilir. PLGA gibi biyobozunur polimerlerin ana zincirine graft olarak yeni polimer ünitelerinin eklenmesi ile çeşitli özellikler kazandırılabilir.Bu tezde, çeşitli biyomedikal uygulamalarda kullanılmak üzere kompleks biyomakromoleküllerin dizayn ve sentezi anlatılmıştır. Bu bakış açısıyla, biyobozunur polimerlerin yeni segmentler ile geliştirilip, polimerlerin kimyasal yapısından kaynaklanan ilaç salım kontrolü, degredasyon özellikleri ve etkili tedavi ile ilgili sorunların giderilmesi amaçlanmıştır. Elde edilen polimerlerin hidrolitik degredasyon çalışmaları ayrıca mikroküre sentezine uygun olan polimerin de kontrollü salım çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasında elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibidir:i.Model ilaç kullanılarak çeşitli poli(laktik-ko-glikolik asit) (PLGA) kopolimerinden mikroküre sentezi ve in vitro salım çalışmalarıii.Polistiren-g-polilaktik asit PS-g-PLLA ve polistiren-g-poli(laktik asit-ko-glikolik asit) PS-g-PLLGA kopolimerlerinin sentezi, degredasyon çalışmaları ve bu kopolimerlerden elde edilen mikrokürelerin kontrollü salım çalışmalarıiii.Poli(stiren-laktik asit- etilen glikol) miktoarm yıldız polimerinin sentezi ve piroliz çalışmalarıİlk bölümde, ticari olarak bulunan çeşitli özelliklerde PLGA kopolimerleri ile farklı koşullarda mikroküre sentezi yapıldı. Farklı molekül ağırlıklarında ve farklı kopolimer oranlarına sahip polimerler kullanılarak karşılaştırmalar yapıldı. Sentezlenen mikrokürelerin yüzey karakterizasyonları ve kontrollü salım çalışmaları gerçekleştirildi. Bu çalışmada, sonraki aşamalarda kullanılmak üzere metod geliştirme amaçladıgından ticari olarak bulunan PLGA kopolimeri kullanıldı. Mikroküre sentezlerinde model ilaç olarak kraniofrangenom tumorünü damarlanmayı azaltarak inhibe edici özelliği bulunan imatinib mesilat kullanıldı. Mikroküreler çift emisyon/solvent uçurma yöntemi kullanılarak sentezlendi. Gerçekleştirilen çalışmada seksen farklı mikroküre sentezlendi. Kullanılan metodun ilaç enkapsülasyonu, kontrollü salım çalışmaları ve mikrokürelerin yüzeyindeki etkisi araştırıldı. Salım çalışmaları 37?C'de fosfat tampon çözeltisinde (pH: 7.4) gerçekleştirildi. Salım çalışmaları yüksek basınç sıvı kromatografisi (HPLC) ile takip edildi. Mikrokürelerin yüzey görüntüleri ise taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile alındı.In vivo deneyleri için optimize edilen mikroküreler seçildi. Gerçekleştirlen deneyler sonucunda, biyobozunur polimerlerden elde edilen mikrokürelerin tedavi amaçlı lokal salım çalışmaları için uygun olabileceği görülmüştür.İkinci bölümde, ticari biyobozunur polimerin ile karşılaşılan sorunları gidermek amacıyla PLLA ve PLLGA içeren polistiren sentezi gerçekleştirlmiştir. Elde edilen polimerlerin hidrolitik degredasyon ve kontrollü salım çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen polimerlerden elde edilen mikrokürelerin yüzey incelemeleri SEM ile gerçekleştirlmiştir. Kopolimerler nitroksit aracılıklı radikal polimerizasyonu, halka açılma polimerizasyonu ve klik reaksiyonun kombinasyonu ile sentezlenmiştir. Öncelikle klik reaksiyonu için azio fonksiyonu içeren polistiren (PS-N3), stiren ve klorometil stiren ile nitroksit aracılıklı radikal polimerizasyonu kullanılarak sentezlendikten sonra NaN3 varlıgında klor grupları azid fonksiyonu ile yer değiştirmesi ile elde edilmiştir. Propargil fonksiyonlu alifatik poliester sentezi halka açılma reaksiyonu ile propargil alkolün başlatıcı olduğu reaksiyon ile 130?C'de sentezlenmiştir. Son aşamda, PS-N3 ve propargil fonksiyonlu alifatik polieseterler klik reaksiyonu kullanılarak graft kopolimerler elde edilmiştir. Elde edilen graft kopolimer ve ara basamaklarda sentezlenen polimerlerin 1H-NMR, FT-IR ve GPC kullanılar karakterizasyonu yapılmıştır. Graft kopolimerlerin hidrolitik degredasyon çalışmaları 37?C'de fosfat tampon çözeltisinde moleküler ağırlıklarındaki azalma takip edilerek gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar her iki polimerinde degredasyona uğradıklarını fakat PS-g-PLLGA kopolimerinin içerdiği hidrofilik glikolit ünitelerinden dolayı daha hızlı degrede olduğunu göstermektedir. Kontrollü salım sonuçları ise, graft kopolimerlerinin yapısında bulunan polistiren ana zincirinin degredasyonu yavaşlatmasından dolayı daha iyi kontrol sağlandığını ve salım zamanını uzattığını göstermiştir.Son bölümde, PS-PLA-PEG miktoarm yıldız polimerinin sentezi ve piroliz çalışmaları gerçekleştirlmiştir. Polistiren, poli(laktik asit) ve poly(etilen glikol) içeren yildiz polimer sentezi atom transfer radikal polimerizasyonu ve iki ayrı klik reaksiyonu ve halka açılma reaksiyonu kullanılarak sentezlenmiştir. Bu amaçla, polimerin çekirdek kısmı olan allil ve azid fonksiyonları içeren 1-(allyloxy)-3-azidopropan-2-ol iki aşamada sentezlenmiştir. Daha sonra kliklenebilen polimerler olan tiol ile azid fonksiyonlandırılmış poli(etilen glikol) ayrı olarak sentezlendi. İlk aşamada, tiol fonksiyonlu polistiren klik rekasiyonu ile çekirdek üzerine bağlandı. İkinci kol olan poli(laktik asit) ise elde edilen polimeri başlatıcı olarak kullanılarak halka açılma reaksiyonu ile sentezlenmiştir. Son aşamada ise azid içeren poli(etilen glikol) klik reaksiyonu ile iki kollu çekirdeğe bağlanmıştır. Elde edilen graft kopolimer ve ara basamaklarda sentezlenen polimerlerin 1H-NMR, FT-IR ve GPC kullanılar karakterizasyonu yapılmıştır. Direkt piroliz kütle spektroskopsi ile termal analizleri gerçekleştirldi. PEG polimerinin degredasyonu sonunca açığa çıkan H2O'nun PLA polimerinin degredasyonunu hızlandırdığı görülmüştür.
Özet (Çeviri)
The first applications of a biodegradable polymers were at 1980s. They have gained much attention since then by the discovery of their feasibility to biomedical applications such as sutures, bone screws, tissue engineering scaffolds and drug delivery systems. Physical properties, hydrolytic degradation profiles, and biocompatibility of aliphatic polyesters and co-polyesters make them incomparable materials within the biomedical products. Also, biodegradable polymers are of special interest because they do not accumulate in nor harm the environment and thus can be considered ?green?. Polymers derived from glycolide (GA), lactide (LA), ß-butyrolactone (ß-BL), ?-caprolactone (?-CL), and trimethylcarbonate (TMC) are known to be the most popular ones. The main reason of popularity is degradation products of these polymers are toxicologically safe which are eliminated by normal metabolic pathways. The potential use of these biopolymers is polymeric particles as carriers of of a wide range of drugs and therapeutic agents. Polymeric particles such as micro- or nano- spheres which have the ability of delivering drugs in specified area and sustained periods of time are being employed to avoid the inconvenient surgical insertion of large implants. The drug release properties of the biodegradable polymeric particles can be controlled by polymer degradation under physiological conditions and is found to depend on copolymer ratio and molecular weight. Drug release from polyesters, such as poly(L-lactic acid) (PLLA) and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), is generally controlled by both drug diffusion and polymer erosion. In the diffusion process, water diffuses into the polymer matrix faster than the polymer is degraded. The hydrolysable bonds in the whole polymer matrix are cleaved homogeneously. Therefore, the average molecular weight of the polymer decreases homogeneously. Release of the drug occurs by diffusion which is related to concentration of the drug. In the case of surface erosion, the diffusion rate of water into the polymer matrix is slower than the degradation rate of the macromolecules. The degradation only takes place in the thin surface layer while the molecular weight of the polymer in the bulk remains unchanged.Despite superior properties of aliphatic polyesters, they still need to be improved for certain applications. The basic approach behind the utilization of aliphatic polyesters in biomedical field is the controllable degradation behavior of the polymers. Hydrophilicity, surface chemistry, morphology and crosslink density are major factors that influences degradation rate. The degradation rate can be controlled by the incorporation of new segments to biodegradable aliphatic polyesters. Grafting of biodegradable polymer chains, such as PLGA, onto their backbone may provide new biomaterials with interesting properties.In the current thesis, we described the synthesis of new biodegradable polymers for various applications in biomedical field. In this respect, we focused on introducing new segments to biodegradable polymers to overcome the common problems associated with the chemical composition of the biodegradable polymers such as the control of drug release, degradation behavior, and effective treatment. Controlled release profiles and hydrolytic degradation behaviors of suitable polymers for microsphere preparation are also investigated.There are four outcomes of thesis:i.Preparation of a model drug loaded microspheres from various poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) copolymers and in vitro release studiesii.Synthesis of polystyrene-g-poly (lactic acid) (PS-g-PLLA) and polystyrene-g-poly (lactic-co-glycolic acid) (PS-g-PLLGA), degradation behavior of these polymers and in vitro release of the model drug from microspheres made of PS-g-PLLA, PS-g-PLLGA.iii.Synthesis of poly(styrene-lactic acid-ethylene glycol) (PS-PLA-PEG) miktoarm star copolymer and pyrolysis studies.We firstly aimed to prepare microspheres made of commercial biodegradable polymers at different conditions. Polymers with a different molecular weights and compositions are used for comparison. Surface characteristics and controlled release profiles of synthesized microspheres are examined. Commercial PLGA copolymers are used for fabrication of microspheres to compare after synthesis of new biopolymers. Imatinib mesylate, used as model drug for the treatment of craniopharyngiomas which is a kind of brain tumor and grows by vascularization. Microspheres were prepared by double emulsion/ solvent evaporation method. Nearly, eighty different microspheres were synthesized and optimized microspheres were chosen for investigation. Influence of process parameters on microsphere encapsulation, initial burst release and release profile from PLGA microspheres were studied. In vitro release studies were performed at 37?C in phosphate buffer saline solution (PBS) at pH 7.4 and release profiles of microspheres were monitored by high pressure chromatography (HPLC). Surface morphologies of the microspheres before and during release studies were determined by scanning electron microscopy (SEM). As a result of this work optimized microspheres were chosen for in vivo experiments. It is found that, local delivery of model drug using biodegradable microspheres may be a promising way of treatment.In the second part, new copolymers of commercial biopolymers are synthesized named PS-g-PLLA and PS-g-PLLGA to overcome the shortcomings of biodegradable polymers. Hydrolytic degradation behaviors, in vitro release studies of a model drug from microspheres made of PS-g-PLLA and PS-g-PLLGA graft copolymers and surface characterization of microspheres are investigated. The graft copolymers were synthesized through combination of nitroxide mediated free radical polymerization (NMRP) and ring opening polymerization (ROP) with copper (I)-catalyzed ?Click? chemistry. First, the click component, azido-functional PS (PS-N3) was prepared by copolymerization of styrene and chloromethyl styrene by NMRP followed by the conversion of chlorine groups of the resulting copolymer to azido groups by using NaN3 in N, N-dimethylformamide. Propargyl functional APEs were prepared independently by ROP of lactic acid and glycolic acid using tin octoate in the presence of propargyl alcohol at 130 ?C. Finally, PS-N3 was coupled with the resulting polymers by click chemistry to yield graft copolymers (PS-g-PLLA and PS-g-PLLGA, respectively). The intermediates and final graft copolymers were characterized by 1H-NMR and FT-IR spectrally, and GPC chromatographic analyses. The hydrolytic degradation behavior of the obtained graft copolymers in PBS were investigated by the weight loss and molecular weight measurements. It is shown that both copolymers undergo slow hydrolytic degradation, PS-g-PLLGA being relatively faster due to the presence of hydrophilic glycolic acid groups in the structure. Microspheres of the graft copolymers were prepared and characterized. In vitro release studies showed that PS backbone of the graft copolymers slows down the degradation rate and gives opportunity to control the drug release.In the final part, we describe the synthesis of of PS-PLA-PEG miktoarm star copolymer and thermal degradation behavior studies. An ABC type miktoarm star copolymer possessing polystyrene (PS), poly(lactic acid) (PLA) and poly(ethylene glycol) (PEG) arms was synthesized by combining Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) and Ring Opening Polymerization (ROP) with two click chemistries, namely thiol?ene and copper catalyzed azide?alkyne cycloaddition (CuAAC). For this purpose, a core 1-(allyloxy)-3-azidopropan-2-ol with allyl and azide functionalities was synthesized in two steps. Then, clickcable polymers, polystyrene with thiol functionality (PS-SH) and poly(ethylene glycol) with alkyne functionality (PEG-acetylene) were independently prepared. As the first step of the grafting onto process, PS-SH was thiol?ene clicked onto the core to yield PS-N3-OH. The second arm was then incorporated on to the core by the Ring Opening Polymerization (ROP) of l-(-)-Lactide (LA) using as PS-N3-OH initiator and tin(II) 2-ethylhexanoate as catalyst. Finally, alkyne-PEG-acetylene was bonded to the resulting PLA-PS-N3 using CuAAC click reaction. All intermediates, related polymers at different stages and final PS-PLA-PEG miktoarm star copolymer were characterized by 1H NMR, FT-IR, GPC and DP-MS analyses. Direct pyrolysis mass spectrometry, (DP-MS) analyses indicated that the decomposition of PS and PEG chains occurred almost independently. On the other hand, hydrolysis of PLA chains due to the elimination of H2O during the thermal degradation of PEG, increasing the yields of CO2, CO and units involving unsaturation and/or crosslinked structure was detected.
Benzer Tezler
- Constructing peptide (GEPI)-protein molecular hybrids by using genetic engineering methods for materials and medical applications.
Malzeme ve medikal uygulamalar için gen mühendisliği yoluyla peptid (GEPI)-protein hibritlerin oluşması.
DENİZ ŞAHİN
Doktora
İngilizce
2011
Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CANDAN TAMERLER
PROF. DR. MEHMET SARIKAYA
- Disiyanamid ve 2,2'-bipiridin içeren koordinasyon polimerlerinin sentezi, karakterizasyonu ve biyolojik aktiviteleri
Synthesis, characterisation and biologic activity of coordination polymers containing dicyanamide and 2,2'-bipyridine
AHSEN BİRŞAD YAVUZ
- Hedef kimyasala duyarlı floresan malzemelerin sentezi ve kimyasal sensörlerde kullanımı
Synthesis of fluorescent materials sensitive to target chemicals and usage in chemical sensors
FEHMİ KARAGÖZ
- Yeni kumarin temelli bileşiklerin sentezi ve potansiyel özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of new coumarin-based compounds and investigation of their potential properties
BÜŞRA ARVAS
- Difenilmetilamin'den yeni ftalosiyanın vic-dioksim ve komplekslerinin sentezi
Synthesis of new phthalocyanine, vic-dioxime and complexes starting with diphenylmethylamtne
MEHASİN GÜNEŞ
