Preparation of polymer coated magnetic nanoparticles for pH and temperature responsive drug delivery
Polimer kaplı manyetik nanoparçacıkların pH ve sıcaklığa duyarlı ilaç salımında kullanımı
- Tez No: 611449
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA NEŞE KÖK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Kanser çağımızda ölümle sonuçlanan üç hastalıktan birisi olarak gösterilmektedir. Bu hastalık için geçmişten günümüze uygulanan geleneksel yöntemlere ilaveten son yıllarda geliştirilmiş farklı tedavi yöntemleri de uygulanmaktadır. Bunlardan en çok başvurulanları geleneksel olanlar, yani cerrahi, radyoterapi ve kemoterapidir. Kemoterapide kanserin türü ve aşamasına göre farklı özellikte ve dozda ilaçlar kullanılmaktadır. Ancak verilen ilaçlar, sadece kanserli bölgeye değil, bütün vücuda verildiğinden istenmeyen, ağır yan etkiler görülmektedir. Bu yan etkiler, bazı durumlarda hastalıktan daha çok hastaların hayatını olumsuz olarak etkilemektedir. Bu duruma bir çözüm bulmak için kemoterapötik ilaçlar, ilaç taşıyıcı sistemlere yerleştirilerek etkili ve hedefli tedaviye yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Bunlardan biri manyetik nanoparçacıkların ilaç taşıyıcı olarak kullanılanımıdır. Farklı manyetik nanoparçacıklar arasından demir oksitler / manyetitler, süperparamanyetik özelliğe sahiptirler. Bu özelliklerinden dolayı sadece ilaç salım sistemlerinde değil, manyetik rezonans görüntüleme ve hipertermide de kullanılırlar. Bu çalışmada, hem sıcaklık hem de pH'a duyarlı manyetit parçacıklar hazırlanmıştır. Bu parçacıklar ile etkili bir ilaç salınım sistemi geliştirmek ve hipertermide kullanmak hedeflenmiştir. Manyetit nanoparçacıklar, ferröz ve ferrik demir tuzlarından 2:1 molar oranında kullanılarak çökeltme yöntemiyle elde edilmiştir. Üretilmiş manyetit nanoparçacıklar, kararlılıklarının ve biyouyumlulukların artması ve parçacık kümelenmelerinin önüne geçmek amacıyla silika ile kaplanmıştır. Manyetit nanoparçacıklara sıcaklık ve pH duyarlı özellik kazandırmak üzere 2 farklı polimer ile yüzey modifikasyonu yapılmıştır. Öncelikle sadece sıcaklığa duyarlı bir polimer olan poli-izopropilakrilamid (pNIPAAm) ile silika kaplı parçacıklar modifiye edilmişlerdir. Bu modifikasyon işlemi N-izopropilakrilamid (NIPAAm) monomerinin serbest radikal polimerizasyonu ile gerçekleştirilmiştir. Bu polimerizasyon aşamasında, NIPAAm haricinde; çapraz bağlayıcı olarak N,N-bisakrilamid (MBA), yüzey aktifleyici olarak sodyum dodosil sülfat (SDS) ve reaksiyon başlatıcı olarak amonyum persülfat (APS) kullanılmıştır. Bir sonraki aşamada, sıcaklık ve pH'a duyarlı kaplama için pNIPAAm ve pH'a duyarlı bir polimer olan kitosan kullanılmıştır. Bu aşamada, ilk olarak pNIPAAm ve kitosanın birlikte kaplanabilmesi için optimizasyon yapılmıştır. İki farklı kütle oranlarında (9:1 ve 8:2) NIPAAm ve kitosan ile iki farklı kaplama işlemi gerçekleştirilmiştir. Sentezleme ve kaplama işlemlerinin ardından herbir nanoparçacık türü için karakterizasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon işlemleri için Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi analizi (FT-IR), taramalı electron mikroskobu (SEM) ve dinamik ışık saçılım spektroskopisi (DLS) kullanılmıştır. Herbir sentezlenen ve kaplanan mantetit nanoparçacıkların yapılarındaki kimyasal bağlar FT-IR yardımıyla ortaya konulmuş ve bu işlemlerin başarılı bir şekilde yapıldığı gösterilmiştir. Hiçbir kaplama işlemine maruz kalmamış olan manyetit nanoparçacıklar boyutlarının çok küçük olması (15 – 20 nm) sebebiyle SEM'de net bir şekilde görülememiştir. Diğer parçacıklar olan silika, pNIPAAm ve pNIPAAm / kitosan kaplı nanoparçacıkların morfolojileri açık ve net olarak gözlemlenmiştir. Bu parçacıkların şekilleri küresel ve düzgündür. Polimer kaplı nanoparçacıklardan chitosan karışımlı olanlar diğerlerine göre adhesive olduklarından birbirlerine yapışık gözlemlenmişlerdir. Son karakterizasyon aşamasında polimer kaplı parçacıkların boyutlarına DLS yöntemi ile farklı sıcaklıklarda (25℃, 35℃, 37℃ ve 40℃) bakılmıştır. PNIPAAm kaplı parçacıkların boyutları 25℃'den 35℃'ye sıcaklık artışı ile yüksek oranda artmıştır (311,8 nm'den 526,9 nm'ye). Bu artış sıcaklığa duyarlı pNIPAAm'ın en düşük kritik çözelti sıcaklığının (LCST) (32-35℃) aşılmasından dolayı beklenilen bir durum olmuştur. Kaplamaya kitosan eklenen nanoparçacıkların boyutları sıcaklık artışından pNIPAAm kaplılarda olduğu kadar etkilenmemiştir. Bu örnekler için anlamlı olarak kabul edilebilecek artışlar; 9:1 oranında NIPAAm / kitosan kaplılar için 35℃'den 37℃'ye geçişte, 8:2 oranında NIPAAm / kitosan kaplılar için ise 37℃'den 40℃'ye geçişte gözlemlenmiştir. Bu duruma göre pNIPAAm'ın kitosan ile karışım oluşturması, kitosan miktarına bağlı olarak onun kritik sıcaklığının artışına sebep olduğu ya da sıcaklığa bağlı aglomerasyonun arttığı düşünülmüştür. Karakterizasyon aşamalarından sonra, pNIPAAm ve pNIPAAM / kitosan polimer kaplı manyetit nanoparçacıklara model ilaç yükleme, salım çalışmaları ve nihayetinde parçacıkların sitotoksisitesini değerlendirmek için hücre canlılık testi yapılmıştır. Polimer kaplı nanoparçacıklar, kemoterapötik ilaç türlerinden biri olan doksorubisin hidroklorür (DOX) ile yüklenmiştir. DOX yüklenmiş olan parçacıklar, iki farklı pH değerine sahip tampon çözeltiler (bazı tümör dokularının koşulu olarak pH 6.4 ve genel metabolizma koşulu olarak pH 7.4) içerisinde, iki farklı sıcaklıkta (vücut sıcaklığı olarak 37℃ ve hipertermi sıcaklığı olarak 42℃) salım çalışmasında kullanılmıştır. Polimer kaplı üç farklı nanoparçacıkdan elde edilen DOX salım oranları kıyaslandığında; 37℃'de ve her iki pH koşulunda, pNIPAAm kaplı parçacıkların diğer iki kaplamaya göre daha yüksek değerler verdiği gözlemlenmiştir. Yine 37℃'de bütün nanoparçacıkların pH 6.4'de daha yüksek salım değerlerine sahip olduğu analiz edilmiş ve kullanılan ilaç modeli DOX'un pH 6.4'ün diğer pH'ya göre daha uygun bir koşul olduğu saptanmıştır. Farklı pH koşullarında herbir kaplama için kendileri arasında değerlendirme yapıldığında; pNIPAAm / kitosan kaplı parçacıkların sadece pNIPAAm kaplılara göre pH değişikliğinden daha fazla etkilendiği görülmüştür. Kitosanın pH 6.4'te pozitif yüklü olması ve aynı koşulda DOX'un da pozitif yüklü olması; ikisi arasında elektrostatik itme etkileşimiyle daha fazla oranda bir salım profili ortaya konmasını sağlamıştır. Diğer sıcaklıkta (42℃) alınan salım sonuçlarına bakıldığında, 37℃'de elde edilen değerlere yakın olduğundan benzer yorumlar yaplabilir. Burada en dikkat çekici olan sonuç; pNIPAAm kaplı parçacıkların 42℃ ve pH 6,4'de, diğer örneklerin 3-5 katı, yüksek bir değerde (≈85%) salım göstermesidir. Çalışmanın son aşaması olarak hücre canlılık testi yapılmıştır. Bu test için meme kanseri adenokarsinoma hücre hattı olan MCF-7 kullanılmıştır. DOX yüklenmiş ve yüklenmemiş polimer kaplı parçacıklar, MCF-7 hücre hattı ile muamele edilmiştir. Her iki türdeki parçacıkların hücrelerle muamelesinde; hücrelere anlamlı sayılacak bir oranda etkileri olmamıştır.
Özet (Çeviri)
In today's world, cancer is one of the most severe diseases causing deaths and economical lost all over the world. The most common treatment methods are surgery, radiation therapy and chemotherapy that are associated with severe side effects to healthy tissues, organs etc. New methods and modified materials have been developed to address these problems and improve the therapies. One of these approaches involves the use of magnetic nanoparticles. Magnetites (iron oxides) are espacially preffered due to their superparamagnetic property. These nanoparticles are implemented in magnetic resonance imaging, targeted chemotherapeutic agent delivery and hyperthermia. In this work, thermo- and pH-responsive magnetic nanoparticles were prepared to increase the efficiency of drug delivery and hyperthermia therapy. The magnetite nanoparticles were synthesized by coprecipitation technique and they were coated with silica to prevent agglomeration and increase biocompatiblity. Later, the silica coated nanoparticles were modified with poly N-isopropylacrylamide (pNIPAAm), a thermoresponsive polymer with lower critical solution temperature (LCST) of 32-35℃. In the next step, optimization of its blend with chitosan, a pH responsive polymer, was done. At the end, two samples (pNIPAAm/chitosan 9:1 and 8:2 weight ratio, respectively) were chosen and characterized with Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy (SEM) and dynamic light scattering (DLS). FT-IR analysis proved the successful coating of particles. SEM visualization can not be done for the uncoated magnetite nanoparticles because of their small sizes (15-20 nm). Silica and pNIPAAm coated magnetite nanoparticles, on the other hand, can be observed by SEM and their morphology were uniform and spherical. Addition of chitosan to pNIPAAm did not seem to change the morphology of nanoparticles, but they were agglomerated more probably due to adhesive nature of chitosan. For the last step of characterization, the size of pNIPAAm and pNIPAAm / chitosan coated nanoparticles were determined by DLS at different temperatures (25, 35, 37 and 40℃) to understand their thermosentivity. The size of pNIPAAm coated nanoparticles were increased extensively (from 311.8 to 526.9 nm) when temperature increased from 25℃ to 35℃. This was expected since LCST of pNIPAAm was within this range. Although the size change were not as dramatic as pure pNIPAAm for pNIPAAm / chitosan coated nanoparticles, they increased significantly from 35℃ to 37℃ and from 37℃ to 40℃ with increasing chitosan ratio. It was concluded that the critical temperature of pNIPAAm was risen with the addition of chitosan, or agglomeration was more pronounced by increasing the temperature. Doxorubicin hydrochloride (DOX), a model chemotherapeutic drug, was loaded on polymer coated nanoparticles. Release experiments were done in two different buffer solutions at different pH (6.4 and 7.4) and temperatures (37℃ and 42℃). The release rate of pNIPAAm coated nanoparticles was higher than that of blends at 37℃. For all coatings, the release rates were higher at pH 6.4 compared to pH 7.4. It was thought that DOX was suitable to be released in more acidic conditions than physiological environment (pH 7.4). Furthermore, for pNIPAAm coated nanoparticles, the release rates were not remarkably changed with pH compared to chitosan added coatings. Chitosan and DOX were positively charged at pH 6.4, so the release rates were higher due to electrostatic repulsive force between them. At 42℃, similar results were obtained and also the rates were higher than 37℃. At the last step, antiproliferative effect of DOX loaded particles were determined using breast adenocarcinoma cell line (MCF-7). The cells were treated with DOX, DOX loaded and unloaded nanoparticles. The polymer coated nanoparticles were determined to have no antiproliferative effect on cells. The DOX loaded ones also did not show any antiproliferative affect so the DOX loading and release rate should be optimized further.
Benzer Tezler
- Çift katmanlı polimer kaplı manyetik nanopartiküllerin hazırlanması, karakterizasyonu ve uygulaması
Preparation characterization and application of double layer polymer coated magnetic nanoparticles
FEYZA NUR YÖRÜKOĞLU
- Kitosan/ZnFe2O4 nanokompozit malzemesi hazırlanması, karakterizasyonu ve kanser ilacı yüklenen malzemeden ilaç salımının incelenmesi
Preparation, characterization and examination of drug release from cancer drug loaded nanocomposite chitosan/ZnFe2O4 material
MERVE ECE TEMELKURAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Biyokimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA BEDİA BERKER
ÖĞR. GÖR. ZEYNEP KALAYCIOĞLU
- Yüzeyi polimer kaplı magnetit nano taneciklerin yeni bir yöntemle tek basamakta elde edilmesi
A new method for preparing polymer capsulated magnetic nanoparticles in one pot
ELİF CAN BELLİKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OKAN SİRKECİOĞLU
- Novel functional hydrogels and polymer coated magnetic nanoparticles with degradable linkers for biomedical applications
Biyomedikal uygulamalar için kullanılabilecek fonksiyonlaştırılabilen ve bozulabilen yeni hidrojeller ve polimer kaplı manyetik nanopartiküller
DUYGU AYDIN
Doktora
İngilizce
2017
KimyaBoğaziçi ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AMİTAV SANYAL
PROF. DR. RANA SANYAL
- Synthesis of poly(vinyl pyrrolidone-B-vinyl alcohol) double hydrophilic block copolymers for direct preparation of core-shell magnetic nanoparticles
Çekirdek-kabuk manyetik nanotaneciklerin hazırlanması için poli(vinil pirolidon-B-vinil alkol) çifte hidrofilik blok kopolimer sentezi
GÜLCE ÖNGÖR
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BÜNYAMİN KARAGÖZ