Interaction of Poly(vinyl alcohol) and chitosan coated iron oxide nanoparticles with cell membrane models
Poli(vinil alkol) ve kitosan kaplı demir oksit nano parçacıklarının hücre zarı modelleri ile etkileşimleri
- Tez No: 520254
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FATMA NEŞE KÖK, DOÇ. DR. SEVİM İŞÇİ TURUTOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Nanoteknoloji hayatın birçok alanında kullanılmaktadır ama doku mühendisliği, ilaç tasarımı, biyo görüntüleme ve tedavi gibi tıbbi alanlarda kullanımı daha yenidir. Araştırmacılar tedavisi zor olan ya da hiç olmayan hastalıklara çözüm bulabilmek ve var olan tedavileri daha etkin hale getirmek için nanoteknolojiyi bu alanlara uygulamaya başlamışlardır. Dünya sağlık örgütünün yaptığı bir araştırmaya göre dünya genelinde 2015 yılında 8,8 milyon kişi kanser nedeniyle hayatını kaybetmiştir. Kanser kemoterapi, radyoterapi veya ameliyat ile tedavisi yapılmaya çalışılan bir sağlık problemidir. Bu tedavi yöntemlerinin hastayı iyileştirmesinin yanında birçok yan etkisi de bulunmaktadır. Kemoterapi sırasında hastaya verilen ilaçlar seçici özellikleri olmaması sebebiyle sadece kanserli hücreleri değil, sağlıklı hücreleri de öldürmekte ve tedavi sırasında ya da tedavi sonrasında bağışıklık sistemlerinde ortaya çıkan zayıflıklar ikincil büyük sorunlara yol açmaktadır. Bilim insanları kemoterapi ilaçlarının yan etkilerini azaltabilmek ve tedavi sonrasında hastaların hayat kalitelerini artırmak için nanoteknoloji ile geliştirilmiş ilaçlar ve tedavi yöntemlerini araştırmaya başlamışlardır. Manyetik nano parçacıklar demir, nikel, kobalt gibi maddelerden oluşan nano boyutlardaki malzemelerdir. Dışarıdan uygulanacak olan manyetik alan ile bu manyetik nano parçacıklar istenilen bölgeye çekilip orada toplanmaları sağlanabilir. Manyetik nano parçacıklar boyutlarının çok küçük olmasından dolayı biyolojik bariyerleri daha kolay aşabilirler ancak toksik özellikleri ve kolay agregasyona uğramaları nedeni ile insan vücudunda modifiye edilmeden kullanılmaları mümkün değildir. Bu etkinin azaltılması için parçacıkların polimerlerle kaplanması en çok kullanılan yöntemlerdendir. Demir oksit nano parçacıkları su ile dispers edilerek koloidal bir sistem haline getirilirler. Koloidal kararlılığı sağlayabilmek için elektriksel ve sterik stabilizasyon yöntemleri kullanılarak parçacıklar uygun hale getirilmelidir. Elektriksel stabilizasyonu sağlamak için negatif yüklü parçacıklar zıt yüklü polimerle kaplanabilir. Parçacıkların üzerine tutunan polimerler parçacık yüzeylerini tamamen kaplamaları durumunda polimerlerin sahip oldukları elektriksel yükler nedeni ile parçacıklar arası itmelere neden olacaktır. Bu itmeler parçacıkların ortamda asılı kalmasına yani çökmemesine ve parçacıkların birbirlerine yapışmamasına neden olacaktır. Bu tür etkiler elektriksel stabilizasyon olarak isimlendirilir. Sterik stabilizasyon ise koloidal kararlılığı etkileyen bir diğer faktördür. Yüksüz polimer ortamdaki difüzyon kuvvetlerinin etkisi ile parçacık yüzeylerine tutunurlar ve yine aynı sebepten yüzeylerini kapladıkları parçacıklar arası itme kuvvetleri oluştururlar. İtme kuvvetleri elektriksel stabilizasyon da olduğu gibi kümeleşmeleri ve çökmeleri engellemektedir. Bu yüzden koloidal kararlılık için tez boyunca elektriksel ve sterik etkenler üzerine çalışılıp gerekli testler yapılmıştır. Bu çalışmada demir oksit nano parçacıkların toksisitesini azaltmak için iki farklı polimer ile kaplama yapıldı. Bunlardan biri bir biyopolimer olan kitosan, diğeri sentetik bir polimer olan poli(vinil alkol) (PVA) dür. Kaplama yapılırken adsorpsiyon yönteminden yararlanılarak hazırlanan demir oksit ve polimer çözeltileri belirli konsantrasyonlar da karıştırılıp kimyasal analiz, parçacık boyutu ve yükü, reolojik davranış gibi karakterizasyon işlemleri yapıldı. Adsorpsiyon yöntemi kolay, ucuz, yüksek verimlilikte gerçekleşen bir yöntem olduğu için tercih edildi. Parçacıkların yüzeylerinin kaplanması durumları zeta potansiyel ile mobil yükler ölçülerek anlaşılmaya çalışıldı, reoloji verileri ile koloidal yapıda olan bu parçacıkların akış durumları ve agregasyonu hakkında bilgi almak amaçlandı. Parçacık boyutu ölçülerek agregasyona yatkın olan demir oksit nano parçacıkların polimer ile kaplandığında agregasyonu azaltıp azaltmadığı takip edildi. Kullanılan polimerlerin pH değişikliklerinden faydalanılarak, kaplama sürecinin pH değişimlerinden nasıl etkilendiği de araştırıldı. Geleneksel karakterizasyon yöntemleri ile kaplama işleminin başarılı bir şekilde yapıldığının teyit edilmesinden sonra bu parçacıkların hücrelerle etkileşimi hücre zarını taklit eden yapay hücre zarı modeli lipozomlar ile incelendi. Etkileşimlerin incelenmesinde kullanılan disipasyon ekli kuvars kristal mikroterazi (QCM-D) cihazı piezoelektrik sisteme dayalı, etiketlemeye ihtiyaç olmadan tayin yapan bir yöntem sunmaktadır. Sensor yüzeyine bağlanan nanogram miktarlarda parçacıkları dahi algılayabilen adsorpsiyon/desorpsiyon ya da katı/sıvı etkileşimlerin incelenmesinde kullanılabilen bir cihazdır. İnceleme sırasında adsorpsiyon ya da desorpsiyon değişimleri altın yüzeyinin üzerinde bulunan sabit rezonans frekans değerlerine sahip farklı harmoni değerlerindeki değişimleri ölçüp frekans değişimi (Δf) ve yüzeyde bulunan katmanın viskoelastik ya da rijit bir özellikte olduğunun bilgisini veren disipasyon değişimi (ΔD) değerlerini vermektedir. Bu bilgilerden yola çıkarak parçacıkların nasıl bir yüzeye ne tür bir etki yaptıkları incelenebilir. In vitro hücre analizleri, yeterli teknik tecrübesi olan kişilerin yapmasını gerektiren ve sonuçları hücre kaynağı, yaşı gibi pek çok faktöre bağlı yöntemlerdir. Ayrıca malzemelerinin pahalı olması, kontaminasyon riski, sonuç alınmasının uzun sürmesi ve etkileşimlerin izlenmesi için etiketlemeye ihtiyaç duyulması araştırmacıları alternatif yöntemler aramaya sürüklemiştir. QCM-D cihazı kullanılarak daha kısa ve ekonomik bir şekilde parçacıkların canlı ile olan etkileşiminin tahmin edilmesi ve hücre deneyleri gibi pahalı ve uzun deneylerin azaltılabilmesi için bir yöntem geliştirilmesi bu sebeple önemlidir. Bu tez çalışmasında PVA ve kitosan kaplı demir oksit nano parçacıklarının nötr, pozitif ve negatif lipozomlar ile etkileşimleri QCM-D ile incelendi. Yapılan çalışmalar hem kaplama özelliklerinin, hem de lipit membranın yapısının etkileşimi etkilediği ve elektrostatik etkileşimlerin önemli bir parametre olduğunu gösterdi. Parçacıkların birbirleri üzerinde olan etkileşimleri ise önemli konulardan biridir. Parçacıkların birbirlerini itmesi sonucunda agregasyon önlenmiş böylece koloidal stabilize sağlanmıştır. Stabilizasyonun tersi, agregasyon olması durumunda parçacıkların yüzey yükleri değişir ve boyutları büyür. QCM-D ile yapılan çalışmalar parçacık boyutlarının da en az yükleri kadar etkileşimi değiştirdiğini gösterdi. Sonuç olarak tez çalışmasında demir oksit nano parçacıklarının polimerler ile kaplanarak toksisitesi ve agregasyonu gibi özellikleri azaltılmaya çalışıldı, farklı pH durumlarındaki sonuçları incelendi ve koloidal karakterizasyonları yapıldı. Hücre deneyleri yapılmadan hücre-nano parçacık etkileşimlerinin incelenmesini sağlamak için QCM-D kullanılarak yapay hücre zarını taklit eden lipozom tabakası üzerinde deneyler yapıldı. Bu sistemin çeşitli boy ve yükte nano parçacıkların farklı özellikte membranlarla etkileşimlerindeki farkların gözlenmesinde kullanılabileceği görüldü. İleride yapılması düşünülen çalışmalar ise kemoterapi ilaçlarının yüklenmesi ile ilaç varlığındaki davranışlarının QCM-D ile incelenmesi ve in vitro hücre deneyleri ile desteklenmesidir.
Özet (Çeviri)
Nanotechnology is being used at different fields from energy to food industry but its application to medical field, such as tissue engineering, bioimaging, drug design, diagnosis, is more recent. According to the World Health Organization (WHO), 8.8 million people were reported dead because of the cancer in 2015. Cancer can be treated with chemotherapy, radiotherapy and surgery but these treatment methods have serious side effects since cancer drugs are not selective so they affect both healthy and cancerous cells. One of the approaches to reduce the toxic side effects and improve patient life quality is the implementation of nanotechnology to the development of new drugs and therapies. Magnetic nanoparticles are usually made up of nickel, cobalt and iron. Because of their magnetic properties, they can be transferred to desired location with the help of external magnetic field. Generally, magnetite, hematite, maghemite and goethite are known as iron oxides types. Iron oxide nanoparticles (IOPs) are commonly preferred as MRI agent, and targeted drug design. They are, however, toxic and cause problem in physiological environment because of their negative surface charge, easy agglomeration, low stability, and free radical formation. Therefore, they should be modified to reduce their toxicity and coating their surface with polymers is an effective method proposed by different groups. In this study, iron oxide nanoparticles were coated with two different polymers and the interaction of these particles with cells were studied using artificial cell membrane models. For this purpose, chitosan and poly(vinyl alcohol) (PVA) were selected because of their biodegradable and biocompatible characteristics. Polymers were coated on IOPs surfaces by adsorption method because of its high efficiency and simplicity. In this method, polymer solutions at different concentrations were mixed with IOPs. Optimal polymer concentration was determined according to colloidal stability. Characterizations of the IOPs were done using different techniques. Zeta potential was measured to determine the surface charges, and stability, rheology to observe flow behavior, Dynamic Light Scattering (DLS) to measure particle size, and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) to investigate binding between IOPs and polymers. After the characterization, interaction between cell and coated and uncoated IOPs were investigated with liposome, a simple biomimetic cell membrane model. Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (QCM-D) is used to investigate these interactions in real time and label-free. QCM-D uses piezoelectric effect of quartz crystal. When voltage is applied, quartz crystal oscillates with a defined frequency and this frequency is sensitive to the amount of material attached to the surface. Adsorption/desorption or solid/liquid interaction can be observed according to the frequency shift (Δf). QCM-D also measures viscoelastic properties of adsorbed particles on surface with changes of dissipation (ΔD) at the same time. In this thesis, the interaction of PVA and chitosan fully coated, partially coated, and uncoated IOPs were investigated with neutral, positive and negatively charged liposome layers. By using QCM-D, interactions of particles with cell were estimated in a shorter time and cheaper than cell culture experiments. Results show that, coating properties, structure and charge of lipids affect the interactions between them and electrostatic interactions are significant parameter. In the future studies, chemotherapeutic drug loaded particles can be studied both in QCM-D and cell culture to see their effect to the cells.
Benzer Tezler
- Elektrokromik cihazlarda kullanmak için polimerik elektrolit eldesi
Polymeric electrolyte synthesis for use in electrochromic devices
BEYZA AYDURAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CÜNEYT HÜSEYİN ÜNLÜ
- Çift katmanlı biyofonksiyonel yara örtüsü tasarımı ve geliştirilmesi
Design and development of a dual-layer biofunctional wound dressing
ZELAL SOYLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ESMA ÖZEROL
- Doğal polimer içeren polimer karışımlarına dayalı hidrojellerin sentezi, karakterizasyonu ve kontrollü ilaç salımındaki kullanımları
Synthesis, characterization and uses in controlled drug release of hydrogels based on polymer blends with natural polymer
NİSA ÖZEL
Doktora
Türkçe
2023
Polimer Bilim ve TeknolojisiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DİLEK İMREN KOÇ
- Preparation of biocompatible composite 3d architectures based on graphene oxide (GO) and chitosan for flexible all solid state supercapacitors
Esnek tüm katı hal süper kapasitörler için grafen oksit (GO) ve kitosan bazlı biyouyumlu kompozit 3d mimarilerin hazırlanması
SAEIDEH ALIPOORILEMEESLAM
Doktora
İngilizce
2024
Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BARSBAY
- Fonksiyonel gruplara sahip polimerlerin ısıl enerji depolama amaçlı faz değişim maddelerinin mikro-kapsüllenmesinde kullanılması
Useage of polymers having functional groups for microencapsulation of phase change materials for thermal energy storage
KASIM AKSOY