Development of chitosan-based delivery systems for biomedical applications
Biyomedikal uygulamalar için kitosan tabanlı dağıtım sistemlerinin geliştirilmesi
- Tez No: 609967
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDA KIZILEL, DOÇ. DR. TUĞBA BAĞCI ÖNDER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Kimya Mühendisliği, Bioengineering, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
Kitosan bazlı dağıtım sistemleri, kitosanın biyouyumluluk, biyobozunurluk, düşük toksisite, düşük immünojeniklik ve katyonik yapısı gibi benzersiz fizikokimyasal özellikleri nedeniyle artan bir ilgi kazanmıştır. Kitosanın bu arzu edilen özellikleri onu doku mühendisliği, yara tedavisi, gen ve ilaç dağıtım sistemleri de dahil olmak üzere çeşitli biyomedikal uygulamalarda avantajlı bir biyomalzeme haline getirmiştir. Bu yüksek lisans tezi, kitosanı nanoparçacık bazlı gen dağıtım sistemi ve biyo-hibrid mikrorobotik tasarımda potansiyel ilaç taşıyıcısı olarak incelenmektedir. Bu tezin ilk bölümünde, PEG zincir uzunluğu, PEG konsantrasyonu ve nanoparçacık konsantrasyonu olmak üzere üç bağımsız değişkenin plazmid DNA yüklü ve PEGile kitosan nanoparçacıkların transfeksiyon verimi üzerine olan etkileri sistematik olarak incelenmiştir. İlk olarak, farklı PEG zincir uzunlukları (2, 5 ve 10 kDa) ve PEG konsantrasyonları (25 mg kitosan başına 4, 8, 12, 15 ve 20 μmol PEG) kullanılarak çeşitli PEGile chitosan polimerleri sentezlenmiştir. Farklı PEGile chitosan türevleri, tümör nekroz faktörü (TNF) α-aracılı apoptoz-indükleyen ligand (TRAIL) yerleştirilmiş plazmid DNA ve çapraz bağlama maddesi kullanılarak nanoparçacıklar sentezlenmiştir. Sentezlenen nanoparçacıklar, dinamik ışık saçılımı ve taramalı elektron mikroskobu ile karakterize edilmiştir. Sentezlenen nanoparçacıklar HEK293-T hücreleri ile inkübe edildikten sonra ya yeşil floresan protein ekspresyonu ya da TRAIL protein miktarı ölçülerek deneysel olarak araştırılmıştır. Bu deneysel veri setinde; (i) PEG zincir uzunluğu, (ii) PEG konsantrasyonu ve (iii) nanoparçacık konsantrasyonu giriş değişkenleri, yeşil floresan protein ekspresyonu ise çıkış değişkeni olarak kullanmış ve yapay bir sinir ağı modeli geliştirilmiştir. Bu hesaplama modeli yardımıyla, nanoparçacıkların farklı değişkenlere göre transfeksiyon verimleri daha az deneysel çaba ile sistematik olarak analiz edilmiştir. Genel olarak bu bölüm, PEG zincir uzunluğu, PEG konsantrasyonu ve nanoparçacık konsantrasyonunun nanoparçacıkların transfeksiyon verimi üzerindeki etkisini araştırmakta ve her bir parametrenin gen dağıtım çalışmaları üzerindeki etkisini analiz etmek için bir hesaplama aracı olarak yapay sinir ağlarını kullanmaktadır. Bu tezin ikinci bölümünde, C.reinhardtii'nin negatif yüklü membranına bağlanan, pozitif yüklü kitosan polielektrolitleri ve süper-paramanyetik kitosan kaplı demir oksit nanoparçacıklarını (SPIONP'ler) içeren yeni bir biyo-hibrid alg mikro yüzücü tasarımı rapor edilmiştir. Literatürdeki biyo-hibrid tasarımların çoğu, %10'dan daha az sınırlı kaplama verimliliğine sahiptir. Burada bildirdiğimiz yeni biyo-hibrid tasarımı ise %90'dan fazla kaplama verimine sahiptir. Bu bölümde, ilk önce manyetik nanoparçacıklar mikroalg zarına sadece kitosan polielektrolitleri varlığında bağlanabilmiştir. Kargo bağlantısı için gerekli olan deneysel koşullar, C.reinhardtii'nin doğal hareketliliğinden ödün vermeyecek şekilde optimize edilmiştir. Kargoların C.reinhardtii yüzeyine bağlanması floresan mikroskopi, taramalı elektron mikroskobu, enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisi kullanılarak kanıtlanmıştır. Ek olarak, kaplanmış mikro algler, bu yeni tasarım ile doğal hareketliliğini ve ışığa duyarlı davranışını korumuştur ve mikroalglerin bu davranışları onları kontrollü bir şekilde harekete geçirmek için kullanılabilir. Genel olarak bu bölüm, kontrollü ilaç teslimi uygulamaları için büyük bir umut vaat eden yeni bir biyo-hibrid alg mikro yüzücü tasarımını rapor etmektedir.
Özet (Çeviri)
Chitosan-based delivery systems have gained growing interest due to unique physicochemical properties of chitosan such as biocompatibility, biodegradability, low toxicity, low immunogenicity and cationic nature. Hence, these desirable characteristics of chitosan make it an advantageous biomaterial in wide range of biomedical applications including tissue engineering, wound healing, gene and drug delivery systems. This thesis investigates chitosan as nanoparticle-based gene delivery vehicles and potential drug carriers in biohybrid microrobotic design. In the first part of this thesis, the impacts of three independent variables; PEG chain length, PEG concentration and nanoparticle concentration on transfection capabilities of plasmid DNA loaded and PEGylated chitosan nanoparticles were systematically investigated. First, various PEGylated chitosan polymers were synthesized using different PEG chain lengths (2, 5 and 10 kDa) and PEG concentrations (4, 8, 12, 15 and 20 μmoles of PEG per 25 mg of chitosan). Using altered PEGylated chitosan derivatives, tumor necrosis factor (TNF) α-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) inserted plasmid DNA and crosslinking agent, nanoparticles were synthesized. Synthesized nanoparticles were characterized with dynamic light scattering and scanning electron microscopy. Synthesized nanoparticles were incubated with HEK293-T cells and transfection efficiencies of nanoparticles were experimentally investigated either measuring green fluorescent protein expression or TRAIL protein quantification. With this experimental dataset, we developed an artificial neural network model using (i) PEG chain length, (ii) PEG concentration and (iii) nanoparticle concentration as input variables and green fluorescent expression as output variable. With the help of this computational model, transfection capabilities of nanoparticles with respect to different variables were systematically analyzed with less experimental effort. Overall, this chapter investigates the effect of PEG chain length, PEG concentration and nanoparticle concentration on transfection abilities of nanoparticles and uses artificial neural network as a computational tool to investigate the effect of each parameter on gene delivery studies. In the second part of this thesis, we reported a novel biohybrid algal microswimmer design in which positively charged chitosan polyelectrolytes and superparamagnetic chitosan coated iron oxide nanoparticles attached to negatively charged membrane of C.reinhardtii. Most of the biohybrid designs in literature have limited coating yields, less than 10%. Herein, the novel biohybrid design that we reported has high coating yield which is more than 90%. In this chapter, first magnetic nanoparticles were attached to the membrane of microalgae only in presence of chitosan polyelectrolytes. Experimental conditions for cargo attachment were optimized without compromising the natural motility of C.reinhardtii. Attachment of cargos to the surface of C.reinhardtii were proved using fluorescence microscopy, scanning electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy. Furthermore, microalgae retained its natural motility and light responsive behaviour with this novel design and this behaviour of biohybrid microswimmer could be used to actuate them in a controlled manner. Overall, this chapter reports a novel biohybrid algal microswimmer design which is promising for controlled drug delivery applications.
Benzer Tezler
- 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
- Developing a novel recombinant IL-1 receptor antagonist to treat the cytokine storm in Covid-19
Covid-19 hastalığında sitokin fırtınasını tedavi etmek üzere yeni IL-1 reseptör antagonist geliştirilmesi
BURCU BEYAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA KIZILEL
- Kontrollü ilaç salımı için enjekte edilebilen kitosan kriyojel mikrokürelerin geliştirilmesi
Development of injectable chitosan cryogel microcheres for controlled drug release
DİDEM DEMİR KARAKUŞ
Doktora
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiMersin ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİMET KARAGÜLLE
- Biopolyester / natural polymer blends for biomedical applications
Biyomedikal uygulamalar için biyopoliester / doğal polimer harmanları
CANSU ÜLKER TURAN
Doktora
İngilizce
2022
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
- Yapay kas uygulamaları için nanokompozit malzeme geliştirilmesi
Development of nanocomposite material for artificial muscle applications
AYŞE KÜBRA AYDINALEV
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN