Design of chitosan-based carriers for biomedical engineering applications
Biyomedikal mühendisliği uygulamaları için kitosan bazlı taşıyıcıların tasarımı
- Tez No: 521383
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDA KIZILEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoloji, Kimya, Kimya Mühendisliği, Biology, Chemistry, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 122
Özet
Kitosan bazlı malzemeler, kitosanın biyoçözünürlük, biyouyumluluk ve katyonik yapısından dolayı büyük bir ilgi kazanmıştır. Özellikle, kitosan bazlı ilaç/gen salım sistemleri çeşitli hastalıkların tedavisi için umut verici bir alternatif haline gelmiştir. Bu yüksek lisans tezi kitosan bazlı nanoparçacık ve mikrorobotik ilaç taşıyıcıları hakkında çalışmalar içermektedir. Bu tezin ilk kısmındaki amaç, iyonik olarak çarpraz bağlanmış stabil kitosan nanoparçacıkları sentezlemektir. İyonik olarak çarpraz bağlanmış kitosan nanoparçacıkları katyonik yapıları ve 100 nanometre altında sentezlenebilmeleri sebebi ile özellikle nanotıp alanında büyük potansiyele sahiptir. Fakat, kitosanın nötral ortamdaki düşük çözünürlüğü kitosan nanoparçacıkların klinik aşamaya geçememesindeki en büyük engeldir. Kitosanın polietilen glikol (PEG) ile kimyasal modifikasyonu, kitosanın nötr ortamdaki çözünürlüğünü arttırmak için bilinen bir yöntemdir, fakat PEG zincir uzunluğu ve kitosan/PEG oranının kitosan nanoparçacıklarının boyut ve zeta potansiyelleri üzerindeki etkileri bilinmemektedir. Bu bölüm, PEG zincir uzunluğu ve kitosan/PEG oranının nanopartiküllerin boyut ve zeta potansiyeline etkisinin sistematik bir analizini sunmaktadır. PEGlenmiş kitosan polimerleri nanoparçacık sentezinden önce farklı PEG zincir uzunlukları ve kitosan/PEG oranlarında hazırlanmıştır. PEG zincir uzunluğu (2, 5 ve 10 kDa), kitosan/PEG oranı (25 mg kitosan başına 4, 12 ve 20 μmol) ve pH (6.0-7.4) parametrelerinin kitosan nanoparçacıkları üzerine etkileri araştırılmıştır. Deneysel parçacık boyutu ve zeta potansiyeli verileri elde edikten sonra, başka parçacık gruplarının boyut ve zeta potansiyellerini tahmin edebilmek amacıyla yapay sinir ağları kurulmuştur. Yapay sinir ağları, nanotıpta sistemin içsel özelliklerini varolan deney sonuçlarına göre tahmin edebilmeye yarayan bir modelleme yöntemidir. Örneğin, nanoparçacıkların, boyut ve zeta potansiyelleri geçmiş deneysel gözlemlere dayanarak farklı gruplar için tahmin edilebilir. Bu çalışmada yapay sinir ağı modelini kullanılarak deneyi yapılmamış nanoparçacıkların boyut ve zeta potansiyelleri tahmin edilmiştir. Zeta potansiyelleri yüksek nanoparçacıklar HEK293-T hücre hattıyla daha fazla etkileşime geçmiştir ve bu etkileşim yapay sinir ağı modeliyle önceden tahmin edilmiştir. Genel olarak, bu bölüm kitosanın PEG ile reaksiyonunu, PEGlenmiş kitosan nanopartiküllerin sentezini kapsamlı bir şekilde sunmaktadır. Ek olarak yapay sinir ağı modeli ile tasarlanmış nanoparçacıkların elde edilebileceğini ve hücre ile etkileşimlerinin bu model ile tahmin edilebileceği gösterilmiştir. Tezin ikinci bölümünde plazmid DNA yüklü ve tümöre seçici peptit ile modifiye edilmiş kitosan nanoparçacıkları sentezlenmiştir. Peptit modifikasyonu ve DNA yüklenmesi birtakım tahliller ile onaylanmıştır. Bu parçacıklar gelecekte gen aktarım ve kanser terapisi alanlarında kullanılacaklardır. Tezin üçüncü kısmında ise, magnetik uyarımla harekete geçebilen ve ışık ile uyarımlı bir şekilde kemoterapi ilacı salımı yapabilen kitosan bazlı bir mikrorobotik sistemi geliştirilmiştir. Mikrorobotlar kitosan kullanılarak iki-foton lazer yazım tekniği ile magnetik polimer nanokompoziti şeklinde üretilmiştir. Mikroyüzücülerin üzerinde bulunan amino grupları, ışık ile kırılabilen bir molekül aracılığıyla doksorubisin ile modifiye edilmiştir. Mikrorobotların kontrollü hareket kabiliyeti döner manyetik alan altında gösterilmiştir. 365 nm dalgaboyunda, ışık tetiklemesi ile doksorubisinin %65'i 5 dakika içerisinde salınmıştır. Ek olarak, kitosan mikroyüzücülerin enzimatik çözünürlüğü 204 saat içerisinde gösterilmiştir. Tezin bu bölümü ışıkla tetiklemeli ilaç salımı ve manyetik mikrorobotik hareket kabiliyetinin bir kombinasyonunu sunmaktadır. Genel olarak bu tezde, kitosan bazlı malzemelerin çeşitli formlarda üretilebildiği gösterilmiştir. Elde ettiğimiz sonuçlar, kitosan bazlı bu malzemelerin çeşitli biyomedikal uygulamalar için umut verici olduğunu göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Chitosan-based materials have gained enourmous attention due to unique properties of chitosan such as biodegrability, biocompatibility and cationic nature. Especially, chitosan-based drug/gene delivery systems became a promising alternative for the treatment of various diseases. This thesis includes studies about nanoparticle and microrobotic-based chitosan carriers. In the first part of the thesis, the main aim is to synthesize colloidally stable ionically crosslinked chitosan nanoparticles. Ionically-crosslinked chitosan nanoparticles have gained considerable attention due to their cationic nature and sub-100 nm size. However, low solubility of chitosan in neutral media restricts its potential clinical translation. PEGylation is a simple solution to increase solubility of chitosan and chitosan nanoparticles in neutral media. Yet, effect of PEG chain length and chitosan/PEG ratio on particle size and zeta potential of nanoparticles are not known. This chapter of the thesis presents a systematic analysis of the effect of PEG chain length and chitosan/PEG ratio on size and zeta potential of nanoparticles. PEGylated chitosan polymers were prepared before the nanoparticle synthesis with different PEG chain lengths and chitosan/PEG ratios. Effect of PEG chain length (2, 5 and 10 kDa), chitosan/PEG ratio (25 mg chitosan to 4, 12 and 20 μmoles of PEG) and pH (within 6.0-7.4) on nanoparticles were investigated. Having obtained the experimental size and zeta potential values, artficial neural networks were created to predict size and zeta potential values of different groups. Artificial neural networks is a modelling tool used in nanomedicine to optimize and predict inherent properties of the system. Inherent properties of a nanoparticle system such as size and zeta potential can be estimated based on previous experiment results. Namely, nanoparticles with desired properties can be synthesized using an ANN. We were able to estimate the size and zeta potential of nanoparticles under different experimental conditions. After that, we performed cell attachment experiments with different nanoparticle groups. Nanoparticle groups having higher zeta potentials had better adhesion ability to HEK293-T cells, which was estimated through ANN model prior to experiments. Overall, this chapter presents the PEGylation of chitosan, synthesis of PEGylated chitosan nanoparticles and the use of ANN model as a tool to predict important properties such as size and zeta potential. In the second part of the thesis, plasmid DNA loaded and tumor homing peptide (CREKA) modified stable chitosan nanoparticle carriers were synthesized for gene delivery applications. Peptide modification and DNA loading was confirmed with certain assays and these nanoparticles will be used for cancer therapy applications in the future. In the third part of the thesis, we propose a magnetically-actuated chitosan-based microrobotic system that can release the chemotherapeutic drug using external light stimulus. We fabricated the chitosan-based microswimmers by two-photon direct laser writing (TDLW) technique using of a photosensitive derivative of chitosan in the form of a magnetic polymer nanocomposite. Amino groups on the microswimmers were modified with doxorubicin using a photocleavable linker. Controlled moving ability of the microswimmers was shown under rotating magnetic field. 60% of doxorubicin was released from the microswimmers in 5 minutes with light stimulus at 365 nm wavelength and 30 mW laser output power. Enzymatic degradation of the microswimmers was shown in 204 hours. This part of the thesis presents the combination of light-triggered drug delivery with magnetically-powered microswimmer mobility. Overall, it was shown that chitosan-based carriers can be fabricated in various forms for different applications. Our results suggested that chitosan-based materials are promising for biomedical applications.
Benzer Tezler
- Preparation and characterization of chitosan-polyethylene glycol microspheres and films for biomedical applications
Kitosan-polietilen glikol mikroküre ve filmlerinin biyomedikal uygulamalar için hazırlanması ve karakterizasyonu
İSMAİL DOĞAN GÜNBAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Polimer Bilim ve TeknolojisiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NESRİN HASIRCI
- Development of chitosan-based delivery systems for biomedical applications
Biyomedikal uygulamalar için kitosan tabanlı dağıtım sistemlerinin geliştirilmesi
NİHAL OLCAY DOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA KIZILEL
DOÇ. DR. TUĞBA BAĞCI ÖNDER
- Organik-inorganik hibrit nanokompozit malzemenin hazırlanması, karakterizasyonu, optimizasyonu ve uygulaması
Preparation, characterization, optimization and application of organic-inorganic hybrid nanocomposite material
SİMGE ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2022
Mühendislik BilimleriDokuz Eylül ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜNİRE NALAN DEMİR
- Dondurarak kurutma ve çözücü döküm-parçacık uzaklaştırma tekniği ile PCL bazlı doku iskelesinin karakterizasyonu
Characterization of PCL-based tissue scaffold using freeze drying and solvent casting-particulate leaching
CANAN DURUKAN GÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
BiyomühendislikSakarya ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEDİHA İPEK
- Doğal ve sentetik polimerlerin değişik kombinasyonları ile hazırlanan ilaç ve gen taşıyıcı sistemler: Sentez ve karakterizasyonları ile birlikte uygulama alanlarının belirlenmesi
Drug and gene delivery systems of synthetic and natural polymers: Synthesis, characterization and biomedical applications
CEYDA ŞİMŞEK