Alteration of titanium surfaces using hyaluronic acid coated mesoporous silica nanoparticles for local drug release
Titanyum yüzeylerin lokal ilaç salımı için hyalüronik asit kaplı mezoporlu silika nanopartiküller ile değiştirilmesi
- Tez No: 706956
- Danışmanlar: PROF. DR. AYTEN KARATAŞ, DOÇ. DR. SAKİP ÖNDER
- 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: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Hastane enfeksiyonları hem tedavi etkinliğini azalttığı hem de ünitelerde kalma sürelerini uzatması nedeniyle sağlık giderlerini artırmaktadır ve bu durum gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler için halen önemli bir sorun olmaya devam etmektedir. Hastane enfeksiyonlarının çoğu implant kaynaklı olup, implant yüzeylerinde biyofilm oluşturan bakterilerden kaynaklanmaktadır. Enfeksiyonların önlenmesi ve implantasyon başarısının arttırılması amacıyla cerrahi operasyonlardan sonra sistemik ilaç uygulamalası kullanılmaktadır. İleri derece enfeksiyon durumlarında sistemik ilaç uygulamaları da yetersiz kalabilmekte ve revizyon cerrahisine ihtiyaç duyulabilmektedir. Revizyon cerrahisi ise hasta için daha fazla ağrı anlamına gelmektedir ve implant ile çevre doku arasındaki osteointegrasyonun ilk implantasyon kadar başarılı olacağını garanti etmez. İlaç salımı yapabilen implant malzemelerinin kullanımı, implant kaynaklı enfeksiyonları önlemek için kullanılan yöntemlerden birisidir. Terapötik ajanları içeren fonksiyonel kaplamalar katman katman biriktirme (LBL), elektroforetik biriktirme (EPD), fiziksel/kimyasal buhar biriktirme (CVD/PVD) vb. gibi farklı yüzey kaplama teknikleri kullanılarak implant yüzeylerinde biriktirilebilir. Bu şekilde gerçekleştirilen lokal ilaç uygulaması, sistemik ilaç uygulaması ile karşılaştırıldığında önemli avantajlara sahiptir. Lokal bir ilaç salımı ile sadece implant kaynaklı enfeksiyonlar önlenmez, sistemik toksisite ve revizyon cerrahisi de önlenebilir. Bu çalışmada, implant kaynaklı enfeksiyonları engellemek amacıyla Ti ve Ti esaslı implant malzemelerinde kullanılmak üzere bir kaplama geliştirilmesi amaçlanmıştır. Hedeflenen kaplama ise antibiyotik yüklü hyalüronik asit kaplı mezogözenekli silika nanopartiküller (HA-MSN'ler) olarak kurgulanmıştır. Mezogözenekli silika nanoparçacıklar (MSN'ler) sol-jel yöntemiyle sentezlenmiştir ve taramalı elektron mikroskobu (SEM), geçirimli elektron mikroskobu (TEM) ve dinamik ışık saçılımı (DLS) ile analiz edilmiştir. SEM analizinde 185 nm ila 240 nm arasında değişen neredeyse homojen küresel formlar tespit edilmiştir. Fakat DLS analizinde nanopartikül boyutları 8.7 mikrometre olarak ölçülmüştür. SEM ve DLS yöntemlerindeki boyut farklılığının temel nedeninin ise DLS analizinde parçacık ve çevresinde oluşan solvent tabakası olduğu düşünülmektedir. SEM analizinde kuru örnekler üzerinden analiz yapılmıştır. Ayrıca TEM analizinde MSN'lerdeki gözenekli yapı gösterilmiş, parçacıkların boyut ve morfoloji olarak SEM ile benzer olduğu tespit edilmiştir. Daha sonra MSN'lere yüzeylerinde amino grupları (-NH2) oluşturmak üzere APTES (3-Trietoksisililpropilamin) ile silanizasyon işlemi uygulanmıştır. Yüzeylerinde -NH2 oluşturulan MSN'ler üzerine daha sonra NHS (N-hidroksisüksinimit) ve EDC (N-(3-Dimetilaminopropil)-N'-etil-karbodiimid-hidroklorür) kullanılarak hyalüronik asit (HA) kaplaması yapılmıştır. Sentezlenmiş, silanize edilmiş, hyalürronik asit kaplı mezoporlu silika nanopartiküllerin karakterizasyonu, fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FT-IR) ve zetasizer cihazı ile yapılmıştır. FT-IR sonuçlarında silikaya ait karakteristik Si-O (964 cm-1) ve Si-O-Si (1050 cm-1 ve 791 cm-1) pikleri gözlenirken, silanizasyon işleminden sonra –NH2 gruplarına atfedilen (696 cm-1 ve 1540 cm-1) ve HA kaplamasını takiben –CH gruplarına atfedilen (1639 cm-1) pik gözlenmiştir. Bu sonuçlar MSN'ler, -NH2-MSN'ler ve HA-MSN'lerin başarıyla sentezlenmiş ve modifiye edildiğini göstermektedir. Mezoporlu silika nanopartiküllerin elektroforetik biriktirme yöntemi (EPD) ile Ti yüzeylerde biriktirilmesinden önce, Ti plakalar mekanik ve kimyasal olarak temizlenmiştir. Ti yüzeyleri üzerine biriktirme işlemi, iki farklı prosedür kullanılarak gerçekleştirilmiştir. İlk prosedürde, HA-MSN'ler etanol (%70) içinde çözdürülüp 30 Volt güç uygulanarak 1, 3 ve 5 dakika boyunca Ti plakalar üzerinde biriktirilmiştir. İkinci prosedürde ise, farklı oranlarda MSNs ve HA çözeltisi (MSNs:HA (w/w; 1:0.5, 0.5:1, 1:1)) hazırlanmış ve prosedür 1'de verilen kaplama parametreleri aynen kullanılmıştır. Kaplama işlemine başlamadan önce homojen süspansiyonlar elde etmek amacıyla solüsyonlara 15 dakika boyunca ultrasonik prop uygulanmıştır. EPD işleminden sonra, yüzeylerde bulunan kimyasal grupları analiz etmek için FT-IR, yüzey morfolojisini incelemek için SEM, yüzeylerin kimyasal içeriğini belirlemek için enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) ve kaplama kalınlığı için mekanik profilometre kullanılmıştır. Karakterizasyon çalışmaları sonucunda, her iki yöntemle de yüzeylerin başarıyla kaplandığı görülmüştür ve serbest MSN'lerin analiz sonuçlarına benzer sonuçlar elde edilmiştir. SEM analizlerinde ise yüksek HA kullanılması durumunda kaplamaların yüzeylerden kalktığı görülmüştür. Bu nedenle, çalışmaya etanol (%70) içerisinde HA kaplı MSN'lerin karıştırılması (prosedür 1) ve etanol solüsyonu (%70) içerisine oranında hyalüronik asit çözeltisi ve MSN eklenmesiyle (MSN:HA, 1:0.5) devam edilmiştir. Bu prosedürler için farklı kaplama sürelerine bağlı olarak, mekanik profilometre analiziyle 0.48 ile 1.9 mikrometre arasında değişen farklı kaplama kalınlıkları belirlenmiştir. Analiz sonuçlarına göre, kaplama süresi artarken kalınlık da artmıştır. MSN sentezi, silanizasyon ve hyalüronik asit kaplı MSN'lerin hazırlanması ve EPD ile Ti yüzeylere tutuklanması işlemlerinden sonra ilaç yükleme ve salım işlemlerine geçilmiştir. İlk olarak hidroklorik asit içerisinde çözdürülen siprofloksasinin pH değeri MES (2-(N-Morfolin) etan sülfonik asit) tampon çözeltisi kullanılarak pH=4 olarak ayarlanmıştır. 10 mg/ml olarak hazırlanan ilaç çözeltisi, serbest parçacıklar ve kaplanan yüzeylerle 48 saat boyunca 37oC'de orbital çalkalıyıcı kullanılarak inkübe edilmiştir Yükleme işlemlerinden sonra, yüklenen ilaç miktarını belirlemek için üst faz kısmı toplanıp ilaç yükleme verimliliği hesaplanmıştır. In vitro ilaç salım çalışmaları, pH 7.4 ve 37°C'de fosfat tamponlu salin (PBS) içinde gerçekleştirilmiştir. Başlangıçta parçacıklara ve kaplanan yüzeylere, 2 mL tampon çözelti eklenmiştir. Belirli aralıklarla üst fazı toplanarak aynı hacimde taze tampon çözelti eklenerek ilaç salım çalışmalarına devam edilmiştir. İlaç miktarı UV-Vis spektrofotometresi ile 270 nm'de siprofloksasine ait kalibrasyon eğrisi kullanılarak ölçülmüştür. İlaç yükleme çalışmalarına göre, sentezlenen ve silanize edilen MSN'lerin, ilaç yükleme verimlilikleri HA kaplı MSN'lere göre daha azdır. HA- MSN'ler için ilaç yükleme ve salım hızı göstermemiştir. HA-MSN'ler için ilaç yükleme verimliliğinin (yaklaşık %80), HA kaplı olmayan MSN'lere kıyasla (yaklaşık %40) daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, serbest MSN'lerin kullanıldığı durumda ilaç salım profilleri incelenmiş ve bu yüzeylerden de yaklaşık 10 saatlik ilaç salımı elde edilmiştir. Özetle, çalışma kapsamında Titanyum ve Titanyum esaslı implant malzemeleri için önerilen hyalüronik asit kaplı mezoporlu silica nanopartikül esaslı kaplama implant kaynaklı enfeksiyonların engellenmesi ve implant başarısının attrılması için kullanılma potansiyeline sahiptir.
Özet (Çeviri)
Nosocomial infection is still an important problem for developed and developing countries as it decreases the effectiveness of the treatment as well as increases the healthcare expenses due to the prolonged stays in units. Most of these infections are biomaterial-based and caused by biofilm forming bacteria on biomaterial surfaces. Therefore, systemic drug administration is used to prevent biomaterials associated infections and to increase success of the implantation. Otherwise, revision surgery is generally required. Revision surgery means more pain for the patient, and it does not guarantee that osteointegration between the implant and surrounding tissue will be as strong as the first implementation. Local drug release using drug eluting implant materials suggests a great opportunity to prevent implant associated infections. Functional coatings containing therapeutic agents can be deposited on these surfaces by using different surface coating techniques such as layer by layer deposition (LBL), electrophoretic deposition (EPD), physical/chemical vapor deposition (CVD/PVD) etc. Local drug release from these surfaces does not only prevent implant associated infections, it also prevents the systemic toxicity. Moreover, sustained local drug release is possible with drug eluting materials. In the present study, a functional coating based on hyaluronic acid (HA) and mesoporous silica nanoparticles (MSNs) was proposed to prevent implant associated infections. For this purpose, drug loaded HA coated MSNs were prepared and deposited onto the Ti implants using EPD technique. Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) were synthesized by the sol-gel/emulsion method and analysed using different characterization techniques such as transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM) and dynamic light scattering (DLS). After that, MSNs was silanized by using APTES (3- Triethoxysilylpropylamine) to form amino groups (-NH2) on the MSNs surfaces. In order to form HA coatings on MSN surfaces, HA was dissolved in MES buffer, NH2 -MSNs were added into the solution, EDC (N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethyl- carbodiimid-hydrochloride) and NHS (N-hydroxysuccinimide). Characterization of silanized (-NH2-MSNs) and HA-coated MSNs (HA-MSNs) were done by using SEM, Zeta Sizer and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). SEM micrographs showed that almost homogeneous spherical MSNs ranging from 185 nm to 240 nm were synthesized. DLS analysis was showed that their sizes are ca. 8.7 μm. The cause of the difference was due to the environment MSNs exposed during characterization. SEM analysis is performed on dry nanoparticles while watery environment is used for DLS analysis. TEM analysis gave similar results with SEM for the sizes of the MSNs. Porous structure of synthesized MSNs were shown in this analysis. Moreover, characteristic peaks at 696 cm-1 and 1540 cm-1 that are attributed to –NH2 groups after silanization and peaks at 1639 cm-1 that are attributed –CH groups following the HA coating were determined in FTIR analysis. According to these results MSNs, -NH2-MSNs and HA-MSNs are synthesized and modified successfully. Ti plates were treated mechanically and chemically prior to deposit nanoparticles. Deposition onto the Ti surfaces were carried out using two different procedures. In the first procedure, HA-MSNs were dissolved in ethanol (70%) and HA coated MSNs deposited onto the Ti substrates for 1, 3 and 5 min. at 30V. In the second procedure, different ratios of MSNs and HA solution (MSNs:HA (w/w; 1:0.5, 0.5:1, 1:1)) were prepared and electrodes were then placed in this solution. Same coating parameters were applied for both coating procedures. The surfaces were analysed using SEM, FTIR and X-ray spectroscopy (EDS) to examine the surface morphology and chemical composition of the surfaces following the coating process. Characterization studies showed that both procedure 1 and procedure 2 can be used to obtain homogenous coatings on the surfaces. Neverthless, MSNs:HA should be 1:0.5 because coatings that were deposited using higher HA concentrations detached from the surfaces due to the thick film formation. In addition, SEM and EDS analysis showed that coating thickness can be increased with prolonged deposition time. The coating thicknesses were determined using mechanical profilometer and different thicknesses from 0.48 to 1.9 micrometer. were measured on the surfaces for different coating times. According to results of analysis, thickness was increased while increasing deposition time. Drug loading and release studies were carried out in PBS for free (synthesized MSNs, -NH2-MSNs, HA-MSNs) particles and coated particles (HA-MSNs) that were prepared using two different procedures. Ciprofloxacin as a model drug was used in this study, and it was both loaded into free MSNs and coated surfaces by diffusion. In accordance with the drug loading studies, drug loading efficiency was higher for HA-MSNs (ca. 80 %) when compared to HA free MSNs (ca. %40). Moreover, it was shown that drug release was possible using free MSNs for ca. 15 hours at 37 oC. Moreover, synthesized and silanized MSNs did not show sufficient drug loading and release rate like HA- MSNs. Finally, drug release from the coated Ti surfaces were examined. According to the drug release profiles, it was possible to have 10 hours drug release was determined from the Ti surfaces. In sum, HA-coated MSNs can be used as a functional coating to design a drug eluting Ti implant material and to prevent implant associated infections.
Benzer Tezler
- Polimerik partiküller ile titanyum esaslı malzemelerin yüzey pürüzlülüğünün değiştirilmesi
Alteration of the surface roughness of titanium-based materials with polymeric particles
BEGÜM AYDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SAKİP ÖNDER
- İrrigasyon solüsyonlarının ve sterilizasyon prosedürlerinin nikel titanyum eğelerin yüzey değişikliklerine etkisinin mikroskobik olarak değerlendirilmesi
Microscopic evaluation of irrigation solutions and sterilization procedures on the surface alteration of nickel titanium files
OLCAY ÖZDEMİR
Doktora
Türkçe
2019
Diş HekimliğiZonguldak Bülent Ecevit ÜniversitesiEndodonti Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİBEL KOÇAK
PROF. DR. BAĞDAGÜL HELVACIOĞLU KIVANÇ
- Metalik malzemelerin bilyalı dövme uygulaması sonrası tribolojik davranışının deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of tribological behaviour of metallic materials after shot peening implementation
HARUN ARDA BALYALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ZEYNEP PARLAR
YRD. DOÇ. DR. EGEMEN AVCU
- Endodontide kök kanalı hazırlanmasında kullanılan nikel-titanyum döner hareket ve resiprokasyon hareketi yapan sistemlerin karşılaştırılması
The comparison of nickel-titanium rotary and reciprocating root canal preparation systems in endodontics
FATMA YALPI ALTUN
Doktora
Türkçe
2013
Diş HekimliğiGazi ÜniversitesiDiş Hastalıkları ve Tedavisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR UZUN
DOÇ. DR. CUMHUR AYDIN