Drug loading of G-PCL/RHA nanohybrid system and pH effect on drug release
G-PCL/RHA nanohibrit sistemine ilaç yüklenmesi ve ilaç salımına pH etkisi
- Tez No: 677394
- Danışmanlar: PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Biyobozunur polimerler, kontrollü ilaç taşıyıcı sistem, antikanser ilaç taşıyıcılığı, protein ve peptit taşıyıcılığı, gen taşıyıcılığı ve enzim immobilizasyonu gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Biyobozunur olmayan polimerlerden farklı olarak doku uyumluluğu, biyolojik olarak parçalanabilirlik, düşük toksisite, sürekli salım özelliği gibi avantajlı özelliklerinden dolayı biyomedikal ve farmasötik alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Ayrıca, biyouyumlu forma dönüşerek canlı organizmada in vivo enzimatik faaliyerler veya kimyasal reaksiyonlarla bozunurlar ve vücuttan atılırlar. Poli(ε-kaprolakton) (PCL), uzun sürede bozunması nedeniyle uzun süreli ilaç taşıyıcı sistemlerde ve doku mühendisliğinde yapı iskeleleri gibi birçok alanda kullanılan biyobozunur polimerlerden biridir. Polikaprolakton ana olarak ε-kaprolakton (ε-CL) monomerinin halka açılma polimerizasyonu (ROP) ile sentezlenir. Metal bazlı katalizörler ε-kaprolakton'un halka açılması polimerizasyonu için en çok kullanılan katalizörler olmasına rağmen, enzimler de polimerizasyonun katalizinde önem kazanmaktadır. Enzimatik halka açılma polimerizasyonu (eROP), toksik ürün üretmemesi ve ılımlı koşullarda çalışması gibi avantajlara sahiptir. Candida antarctica lipaz B (CAL-B) etkili ve yüksek seçici biyokatalizördür ve ε-kaprolakton'un enzimatik halka açılması polimerizasyonu için katalizör olarak kullanılabilir. İlaç taşıyıcı sistemler (DDS), son yıllarda geleneksel ilaç salım sistemlerinden kaynaklanan sorunları önlemek için geliştirilmiştir. İlaç taşıyıcı sistemler geleneksel ilaç taşıyıcı sistemlerden farklı olarak, ilaç seviyelerini tek bir dozdan sonra istenen terapötik aralıkta sabit tutmayı amaçlar. Ayrıca ilaç taşıyıcı sistemler yan etki olmaksızın azalan dozlarla ilaçların etkinliğini arttırmakta ve sağlıklı dokuya zarar vermesini engellemektedir. Bu sistemlerin biyospesifik, toksik olmayan, biyouyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilir gibi kriterleri vardır. pH duyarlı ilaç taşıyıcı sistemler, kanser tedavisinde kullanılan nano sistemlerin tasarımında en yaygın şekilde kullanılmaktadır. Doku veya organların pH değerleri gastrointestinal sistem boyunca değişmekte ve hastalık durumlarında değişebilmektedir. Polimerik taşıyıcılar, biyolojik olarak parçalanabilen veya ilaç taşıyıcı sistemlerde kullanılan suda çözünür polimer matrisler olabilen ve uyaranlara duyarlı olarak tasarlanabilen organik konaklardır. Mikroküreler, sürekli kontrollü ilaç salımı için kullanılır ve mikrokürelerin hazırlama teknikleri, kontrollü ilaç uygulaması sunar. Kalkonlar, üç karbonlu α,β-doymamış karbonil grubu ile birbirine bağlanmış iki aromatik halkaya sahip flavonoidlerdir ve antikanser aktivitesi gibi birçok farmakolojik ve biyolojik aktiviteye sahiptir. Önceki çalışmada, pirinç kabuğu yakılarak bir destek malzemesi olan pirinç kabuğu külü (RHA) elde edilmiştir. RHA'nın yüzey modifikasyonu, 3-GPTMS, 3-APTMS ve APTES organosilanları ile sağlanmıştır. Daha sonra Candida antarctica lipaz B (CAL-B) enzimi, yüzeyi modifiye edilmiş RHA üzerine immobilize edilmiştir. Bu çalışmada, sadece organosilan 3-GPTMS ile yüzeyi modifiye edilmiş RHA kullanılmıştır. Yüzeyi modifiye edilmiş RHA üzerine immobilize edilmiş enzim CAL-B, ɛ-kaprolaktonun halka açılması polimerizasyonunu katalizlemiştir. Daha sonra, elde edilen nanohibrit ve saf PCL, sırasıyla G-PCL/RHA nanohibrit ve saf G-PCL polimeri olarak adlandırılmıştır. İlaç yüklü mikroküreler, ilaç etken maddesi olarak kalkon kullanılan O/W emülsiyon-çözücü buharlaştırma yöntemiyle hazırlanmıştır. Farklı pH koşullarında ilaç salım deneyleri yapılmış ve ilaç salım profilleri incelenmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde, ε-kaprolakton'un enzimatik halka açılma polimerizasyonu immobilize Candida antarctica lipaz B (CAL-B) enzimi ile sağlanmıştır. G-PCL/RHA nanohibriti elde etmek için, reaksiyon kloroform ile sonlandırıldıktan sonra karışım, karışmakta olan metanol çözeltisine ilave edilmiştir ve çökelme gözlemlenmiştir. Ayrıca, saf G-PCL polimeri de elde etmek için, karışım kloroform ile yıkanmıştır ve süzüntü kurutulmuştur. Mikroküreler, O/W emülsiyon-çözücü buharlaştırma yöntemiyle hazırlanmıştır. Organik fazı oluşturan G-PCL/RHA nanohibrit ve trans-kalkon, sırasıyla kloroform ve diklorometan çözücülerinde çözdürülmüştür ve sulu fazı oluşturan %1'lik PVA çözeltisi hazırlanmıştır. Çözünen maddeler, karışmakta olan PVA çözeltisine ilave edilmiştir. 24 saat sonra çözücünün buharlaşması gözlemlenmiştir, karışım santrifüjlenip kurutulmuştur. Bu deneylerin tümü saf G-PCL örnekleri için de uygulanmıştır. Bu prosedürlerden sonra, ilaç yüklü G-PCL/RHA ve G-PCL mikroküreleri elde edilmiştir. Enkapsülasyon verimi hesaplamaları için ilaç yüklü mikroküreler ve metanol, enkapsüle edilmiş ilacı çözmek için manyetik bir karıştırıcıda 3 saat karıştırılmıştır. Karışım çözünen ilacı ayırmak için süzülip ultraviyole (UV) ile analiz edilmiştir. Enkapsüle edilmiş ilaç konsantrasyonu ve verimi hesaplanmıştır. In vitro ilaç salım deneyleri için, farklı pH koşulları tampon çözeltiler ile simüle edilmiştir. Deneyler boyunca çalışılan pH değerleri 3.6, 5.6, 7.4 ve 8.0'dır. Mikroküreler test tüplerindeki tampon çözeltilere eklenip test tüpleri çalkalamalı su banyosuna yerleştirilmiştir. Belirli zamanlarda test tüplerinden numuneler alınmış ve UV ile analiz edilmiştir. Salınan ilaç konsantrasyonları ve kümülatif ilaç salımı hesaplanmıştır. İlaç yüklü G-PCL/RHA mikrokürelerinin karakterizasyonu Fourier transform kızılötesi spektroskopisi (FT-IR), termal gravimetrik analiz (TGA), diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve su temas açısı (WCA) ölçümü ile yapılmıştır. FT-IR sonuçları, G-PCL/RHA mikrokürelerinin spektrumunda karakteristik polikaprolakton piklerinin olduğunu göstermiştir. Ek olarak, G-PCL/RHA mikrokürelerinin ve trans-kalkon'un FT-IR spektrumları karşılaştırılmıştır. Buna göre, G-PCL/RHA mikrokürelerinde kalkon varlığı kanıtlanmıştır. TGA sonuçları, ilaç yüklü G-PCL/RHA mikrokürelerinin ve kalkonun bozunma sıcaklıklarını ve organik kütle kayıplarını göstermiştir. DSC sonuçları, G-PCL/RHA mikrokürelerinin erime sıcaklığını göstermiştir. SEM sonuçlarında mikroküre yapıları gözlemlenmiştir. İlaç salım sonuçları, en yüksek kümülatif ilaç salım yüzdesinin pH 5.6'da %98.0'i takiben pH 3.6'da %97.3 olduğunu göstermiştir. İlaç salımları asidik koşullarda daha verimli olmuştur. Saf G-PCL mikroküreleri de aynı ilaç salım performansını göstermiştir, ancak G-PCL/RHA nanohibritleri kadar yüksek ilaç salımı göstermemiştir. İlaç salım sonuçları, in vivo çalışmalarda polikaprolaktonun lipazlar ve esterazlar tarafından bozunmasıyla değişebilir. Daha sonraki çalışmalarda ilaç salım deneyleri in vivo olarak gerçekleştirilebilir. Ayrıca ilaç-polimer etkileşimlerini ve ilaç salım mekanizmasının pH duyarlılığını daha iyi anlamak için analiz yöntemleri geliştirilebilir. Literatürde bu tür çalışmalar mevcuttur.
Özet (Çeviri)
Biodegradable polymers are used in various fields such as controlled drug delivery, anticancer drug delivery, protein and peptide delivery, gene delivery, and enzyme immobilization. They are commonly used in biomedical and pharmaceutical fields because of advantageous properties like tissue compatibility, biodegradability, low toxicity, sustained release property, unlike non-biodegradable polymers. Moreover, they degrade in the living body by in vivo enzymatic actions or chemical reactions after transform to biocompatible form and excrete from the body. Poly(ε-caprolactone) (PCL) is one of the biodegradable polymers that are used in numerous fields such as long-term drug delivery systems due to degrading in prolonged time and scaffolds in tissue engineering. PCL is mainly synthesized by ring-opening polymerization (ROP) of ε-caprolactone (ε-CL) monomer. Although metal-based catalysts are the most used catalysts for ROP of ε-CL, enzymes also gain importance for catalysis of polymerization. Enzymatic ROP (eROP) has advantages like not producing toxic products and operating under mild conditions. Candida antarctica lipase B (CAL-B) is an effective and high selective biocatalyst and can be used as the catalyst for eROP of ε-CL. Drug delivery systems (DDS) are developed to prevent problems caused by conventional drug delivery systems in recent years. DDSs aim to keep the drug levels stable in a desired therapeutic range after a single dose, unlike conventional DDSs. In addition, DDSs enhance the efficacy of drugs with decreasing doses without side effects and prevent any harm on healthy tissue. There are criteria about these systems such as should be biospecific, non-toxic, biocompatible, and biodegradable. pH-sensitive DDSs are most widely used in the design of nano-systems in cancer therapy. pH values of tissues or organs vary along the gastrointestinal tract and can change during the disease conditions. Polymeric carriers are organic hosts that can be biodegradable or water-soluble polymer matrices used in DDSs and can be designed as stimuli-responsive. Microspheres are used for sustained controlled drug release and preparation techniques of microspheres offer to control drug administration. Chalcones are flavonoids that have two aromatic rings bonded by a three-carbon α,β-unsaturated carbonyl group and have lots of pharmacological and biological activities like anticancer activity. In the previous study, rice husk ash (RHA), a support material, was obtained by burning rice husks. Surface modification of RHA was provided by silanization with 3-GPTMS, 3-APTMS and APTES organosilanes. After, the enzyme Candida antarctica lipase B (CAL-B) was immobilized on surface-modified RHA. In this study, only surface-modified RHA with organosilane 3-GPTMS was used. The immobilized enzyme CAL-B onto surface-modified RHA was catalyzed the ROP of ɛ-caprolactone. After this, obtained nanohybrid and pure PCL was named as G-PCL/RHA nanohybrid and pure G-PCL polymer respectively. Drug-loaded microspheres were prepared by O/W emulsion-solvent evaporation method which chalcone was used as drug active substance. Drug release experiments were carried out in different pH conditions and drug release profiles were investigated. The first part of the study, enzymatic ring-opening polymerization of ɛ-caprolactone was provided by immobilized enzyme Candida antarctica lipase B (CAL-B). To obtain G-PCL/RHA nanohybrid, after terminating the reaction with chloroform, the mixture was added to a stirring methanol solution and precipitation was observed. To obtain pure G-PCL polymer was also obtained by washing the mixture with chloroform and filtrate was dried. Microspheres were prepared by the O/W emulsion-solvent evaporation method. G-PCL/RHA nanohybrid and trans-chalcone were dissolved in chloroform and dichloromethane respectively for an organic phase. 1% PVA solution was prepared for an aqueous phase. The dissolved substances were added to the stirring PVA solution. After 24 h, evaporation of the solvent was observed, the mixture was centrifuged and dried. All of these experiments were also applied for pure G-PCL samples. After these procedures drug-loaded G-PCL/RHA and G-PCL microspheres were obtained. For calculations of encapsulation efficiency, drug-loaded microspheres and methanol were stirred for 3 h in a magnetic stirrer to solve the encapsulated drug. The mixture was filtrated to obtain the dissolved drug and analyzed by ultraviolet (UV). Encapsulated drug concentration and efficiency were calculated. For in vitro drug release experiments, different pH conditions were simulated by buffer solutions. The operating pH values were 3.6, 5.6, 7.4, and 8.0 throughout the study. Microspheres were added to buffer solutions in test tubes and test tubes were placed in a shaking water bath. At certain times, samples were collected from test tubes and analyzed by UV. The release drug concentrations and cumulative drug release were calculated. Characterization of drug-loaded G-PCL/RHA microspheres was done by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), thermal gravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), and water contact angle (WCA) measurement. FT-IR results showed that characteristic PCL peaks in the G-PCL/RHA microsphere spectra. In addition, FT-IR spectra of G-PCL/RHA microsphere and trans-chalcone were compared. Accordingly, the presence of chalcone in G-PCL/RHA microspheres was proven. TGA results showed the decomposition temperatures and organic weight losses of drug-loaded G-PCL/RHA microspheres and chalcone. DSC results showed the melting temperature of G-PCL/RHA microspheres. Microsphere structures were observed in SEM pictures. Drug release results showed the highest cumulative drug release percentage was 97.3% at pH 3.6 following 98.0% at pH 5.6. Drug release was more efficient in acidic conditions. Pure G-PCL microspheres also showed the same drug release performance but not as high drug release as G-PCL/RHA nanohybrids. The drug release results can be changed in vivo studies by the degradation of PCL by lipases and esterases. In further studies, these drug release experiments can be carried out in vivo. Also, for better understanding drug-polymer interactions and pH sensitivity of the drug release mechanism analyze methods can be developed. Such studies exist in the literature.
Benzer Tezler
- Controlled release of tetracycline hydrochloride from silica based polycaprolactone nanohybrides
Silika esaslı polikaprolakton nanohibritlerden tetrasiklın hidroklorürün kontrollü salınımı
AYBUKE CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
- Immobilization of lipase on an inorganic support material and polycaprolactone synthesis
Lipazın inorganik taşıyıcıda immobilizasyonu ve polikaprolakton sentezi
CANSU ÜLKER
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
- CALB (Candida antarctica lipase B) immobilization on APTMS activated carrier via cross-linking method
APTMS ile aktive edilmiş taşıyıcıya CALB'nin (Candida antarctica lipase B) çapraz bağlama yöntemi ile immobilizasyonu
SALİH SÜHA AKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
- Uyarıya duyarlı ve biyobozunur amfifilik kopolimerlerin sentezi, sol-jel faz geçiş ve ilaç salım davranışlarının incelenmesi
Synthesis of stimuli sensitive and biodegradable amphiphilic copolymers, investigation of sol-gel phase transition and drug release behaviors
YASEMİN TAMER
- Siklosporin a salımı için alternatif polimerik taşıyıcıların geliştirilmesi ve in vitro salım kinetiğinin incelenmesi
Development of alternative polymeric carriers for cyclosporine a release and investigation of in vitro release kinetics
AYŞE BERNA BAŞBAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU