5-fluorourasil için polimer/biyoseramik ve grafen oksit içerikli ilaç taşıyıcı malzeme üretimi ve kinetik çalışmaları
Production and kinetic studies of polymer/bioceramic and graphene oxide containing drug carrier materials for 5-fluorouracil
- Tez No: 837060
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜLHAYAT SAYGILI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 212
Özet
İnsan yaşamı için ciddi bir tehdit oluşturan kanser, dünya çapında önde gelen ölüm nedenlerinden biri olmaya devam etmektedir. Dünya Sağlık Örgütü (WHO) tarafından kanserin 183 ülkenin 112'sinde 70 yaş öncesi için birinci veya ikinci ana ölüm faktörü olduğu tahmin edilmektedir. Kanser tedavisi sürecinde karşılaşılan en önemli zorluklardan birisi, uygulanan yüksek toksisiteye sahip ilaçların vücut içerisinde ani ve kontrolsüz salımının, kanser hücreleri dışındaki sağlıklı dokuları da etkileyerek yorgunluk, ateş, saç dökülmesi, deri döküntüsü ve mide bulantısı gibi istenmeyen yan etkilere yol açabilmesidir. Bununla birlikte, biyolojik ortamla ilaç arasında meydana gelen etkileşimler, aktivite ve terapötik etki kaybına neden olarak tedavinin etkinliğini azaltabilmektedir. Bu nedenle, ilaçları uygun terapötik seviyede tutarak yan etkileri azaltmak ve dış etkenlerden koruyarak tedavinin etkinliğini arttırmak amacı ile tasarlanan ilaç taşıyıcı sistem çalışmaları önem taşımaktadır. 5-Fluorourasil (5-FU) ilacı, günümüzde kolon kanseri başta olmak üzere, rektum, göğüs, yumurtalık, pankreas, mide, beyin ve cilt kanseri gibi pek çok kanser türünün tedavisinde yaygın olarak kullanılan bir anti kanser ajanıdır. Bu ilaç, C(Karbon)-5 pozisyonunda hidrojen atomu yerine flor atomu bulunan bir urasil primidini analoğu türüdür. Anti kanser etkinliği oldukça üstün olmasına rağmen, kan plazmasında yarılanma süresi oldukça kısa olan (8-20 dakika) ve kanserli hücreler tarafından seçiciliği olmayan 5-FU ilacı sağlıklı hücreleri de etkileyerek istenmeyen yan etkilere ve tedavi veriminin düşmesine sebep olabilmektedir. Bununla birlikte, düşük molekül ağırlığı ve hidrofilik karakteri, 5-FU ilacının ilaç taşıyıcı sistemlere yüklenme kapasitesinin düşük olmasına neden olmakta ve kontrollü bir salımın sağlanmasına engel oluşturmaktadır. Bu nedenlerden dolayı, 5-FU'nun vücut içerisinde dolaşım süresini arttırabilecek ilaç taşıyıcı malzemelerin geliştirilmesi önem taşımaktadır. Grafen oksit (GO), grafenin oksidasyonu ile elde edilen ve oksijen içeren fonksiyonel gruplara sahip iki boyutlu bir grafen türevidir. Grafene benzer şekilde katmanlı bir yapıya sahip olan grafen oksit; epoksi, hidroksil, karbonil ve karboksilik gruplar gibi oksijen içerikli fonksiyonel gruplar bulundurmaktadır. Bu grupların varlığı, grafen oksite hidrofilik bir karakter kazandırmakta ve biyolojik ortamda çözünürlüğünü arttırarak biyouyumluğunu iyileştirmektedir. Yüksek spesifik yüzey alanı ile birlikte - etkileşimi ve hidrojen bağı oluşumuyla ilaç molekülleri ile etkileşeme geçebilme kapasitesi, grafen oksitin ilaç yükleme ve salım çalışmalarında tercih edilen bir malzeme olarak ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bununla birlikte, grafen oksitin vücut içerisinde yalnız başına uygulanması durumunda hücre canlılığında düşüşe sebep olabileceği raporlanmış olup, biyouyumluluğunu iyileştirmek ve mümkün olabilecek toksik etkileri azaltmak için farklı biyomalzemeler ile birlikte fonksiyonelleştirilerek kullanımı tercih edilmektedir. Hidroksiapatit (HAp, Ca10(PO4)6(OH)2), insan vücudu içerisinde diş ve kemik yapısında bulunan, biyoseramik yapılı kalsiyum fosfat bir malzemedir. Biyoaktif, biyouyumlu, yavaş bozunan, osteokondüktif ve osteoindüktif yapısı nedeni ile diş hekimliği, kemik doku mühendisliği alanları başta olmak üzere, ilaç taşıyıcı sistemler ve hücre görüntüleme gibi biyomedikal alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Nanoboyutlu hidroksiapatit parçacıklarının farklı kanser hücreleri üzerinde büyümeyi önleyici etki gösterebilmesi nedeni ile, hidroksiapatit içeren kompozit malzemeler kanser ilaçları için geliştirilen ilaç taşıyıcı sistemlerde tercih edilebilmektedir. Bununla birlikte, sert ve kırılgan bir yapıya sebep olmasından kaynaklanan mekanik dezavantajları, hidroksiapatitin tek başına klinik uygulamalarda kullanımını kısıtlayabilmektedir. Ek olarak, yalnızca hidroksiapatitin taşıyıcı malzeme olarak kullanıldığı ilaç salım çalışmalarında yüksek ilk ani salım oranları görülmüştür. Bu nedenlerle, mekanik özellikleri ve kontrollü salımı iyileştirebilecek çeşitli malzemelerin katkısı ile kompozit halinde kullanımı tercih edilmektedir. Jelatin (GEL), kollajenin kısmi hidrolizi ile elde edilen doğal bir polimerdir. Asidik veya bazik prosesler ile elde edilme şekline göre sırası ile A ve B tipi olarak sınıflandırılmakta olup; hayvan derisi, kemik, kıkırdak ve bağ dokusundan elde edilebilmektedir. Düşük immünojenikliği, toksik olmaması, biyouyumluluğu, biyolojik bozunabilirliği ve düşük maliyeti nedeniyle, biyomedikal alanda yaygın olarak kullanılan doğal polimerlerden biri olarak ortaya çıkmıştır. Poliüretan (PU), termoplastik ve termoset polimer sınıfında yer alan, üretimi ve kullanım alanı açısından pek çok çeşidi bulunan bir polimerdir. Yapısal olarak yumuşak parça ve sert parça olmak üzere iki farklı şekilde sınıflandırılan bloklardan oluşan poliüretanlar, moleküler düzeydeki bu parçalı yapıları nedeni ile elastiklik, aşınma dayanımı, kimyasal stabilite ve işlenebilirlik gibi avantajlı özellikler barınıdırmaktadır. Esneklik ve mekanik dayanımın birlikte sağlanabilmesi, poliüretanların medikal alanda kullanımı avantajlı bir malzeme olarak öne çıkmasına neden olmuştur. Bununla birlikte, biyouyumlu ve pH değişimine duyarlı özellik göstermeleri nedeni ile, kontrollü ilaç salım sistemi çalışmalarında kullanımı tercih edilen malzemeler arasında yer almaktadırlar. Yapılan çalışmanın amacı; 5-FU kanser ilacının in vitro ortamda kontrollü salımını sağlayabilecek polimer/biyoseramik ve grafen oksit içerikli ilaç taşıyıcı malzemelerin geliştirilmesi, bu malzemelerin ilaç yükleme ve salım performanslarının araştırılması, deneysel tasarım ve kinetik modelleme çalışmaları ile optimizasyonun yapılmasıdır. Polimer malzemeler olarak jelatin ve poliüretan seçilirken, biyoseramik malzeme olarak hidroksiapatit tercih edilmiştir. İlk olarak, değişen jelatin konsantrasyonları içeren grafen oksit/jelatin (GO/GEL) kompozitleri üretilmiş ve bu kompozitlere adsorpsiyon yolu ile 5-FU ilacı yüklenmiştir. Deneysel tasarım çalışmaları sonucunda, düşük jelatin konsantrasyonu ve pH 8 değerinde 5-FU adsorpsiyonun maksimum olduğu görülmüştür. Adsorpsiyon izotermi çalışmaları sonucunda, 5-FU adsorpsiyonu için en uygun modelin Freundlich modeli olduğu görülmüştür. In vitro salım çalışmaları sonucunda, düşük jelatin konsantrasyonlarında birinci derece kinetik modele ve yüksek jelatin konsantrasyonlarında Higuchi kinetik modeline uygunluk görülmüştür. MCF-7 göğüs kanseri hücre hattına karşılık yapılan MTT testinde 5-FU yüklü GO/GEL kompoziti %22.8'lik bir hücre canlılığı göstermiş, 5-FU ilacının salımını ve etkisini doğrulamıştır. L-929 fibroblast hücre hattına karşılık yapılan MTT testi sonucu,15 μg/ml 5-FU yüklü GO/GEL konsantrasyonlarına kadar %80 hücre canlılığı elde edilmiş ve kompozitlerin biyouyumluluğu doğrulanmıştır. İkinci aşamada, değişen grafen oksit (GO) miktarları içeren grafen oksit/hidroksiapatit (GO/HAp) kompozitleri üretilmiş ve adsorpsiyon yolu ile 5-FU ilacı yüklenmiştir. Deneysel tasarım çalışmaları sonucunda, düşük pH (pH 2) ve düşük başlangıç 5-FU konsantrasyonlarında 5-FU adsorpsiyonu oranının maksimum olduğu görülürken, grafen oksitin hafif bir artışa sebep olduğu görülmüştür. 5-FU adsorpsiyonu için en uygun modelin Freundlich modeli olduğu görülmüş ve maksimum adsorpsiyon kapasitesi (Qm) pH 2.0 koşullarında 36.9 mg/g olarak hesaplanmıştır. In vitro salım çalışmalarında, pH 7.4 koşullarında tüm GO oranlarında salımın sıfır derece kinetik modele uygunluk görülürken, düşük pH değerlerinde ise Higuchi kinetik modele uyum görülmüştür. Üçüncü aşamada, GO/HAp kompozitlerinin 5-FU ilacı için adsorpsiyon yüzdesini iyileştirmek amacı ile, aminlenmiş grafen oksit üretimi yapılmıştır. Aminlenmiş grafen oksit/hidroksiapatit (GO-NH2/HAp) kompoziti sentezlenmiştir ve adsorpsiyon yolu ile 5-FU ilacı yüklenmiştir. GO/HAp kompoziti ile benzer şekilde, GO-NH2/HAp için yüksek GO-NH2, düşük pH ( pH 2) ve düşük başlangıç 5-FU konsantrasyonlarında en yüksek 5-FU adsorpsiyon oranı görülmüştür. Grafen oksitin aminlenmesi işlemi sonrası maksimum adsorplanan ilaç oranında %9.7'lik bir artış belirlenmiştir. 5-FU adsorpsiyonu için en uygun modelin Freundlich modeli olduğu görülmüş ve maksimum adsorpsiyon kapasitesi (Qm) pH 2.0 koşullarında 21.2 mg/g olarak hesaplanmıştır. In vitro salım çalışmalarında, tüm pH koşullarında 5-FU salımı sıfır derece kinetik modele uygunluk göstermiştir. Son aşamada, grafen oksit/poliüretan (GO/PU) kompozit film üretimi yapılmıştır. Poliüretan üretimi aşamasında, biyouyumlu ve ekonomik bir alternatif olan ayçiçek yağı ve hint yağı hidroksil kaynağı olarak kullanılmıştır. 5-FU yükleme işlemi, üretimi aşamasında 5-FU ilacının enkapsülasyonu ile gerçekleştirilmiştir. Deneysel tasarım çalışmaları sonucunda, 5-FU'nun GO/PU kompoziti içerisinden salım yüzdesinin, yüksek pH (pH 10), yüksek GO miktarı ve düşük başlangıç 5-FU konsantrasyonlarında arttığı görülmüştür. Kompozitlerde pH'a duyarlı ilaç salımı gerçekleştiği görülmekle birlikte, yüksek GO içeren kompozit için tüm pH koşullarında, Higuchi kinetik modeline uygunluk sağlanmıştır. Azalan GO miktarlarında ise, salım profilinin sıfır derece kinetik modele uyum gösterdiği belirlenmiştir. Bu tezin bulguları, sentezlenen GO/GEL, GO/HAP, GO-NH2/HAp ve GO/PU malzemelerinin 5-FU kanser ilacı için kontrollü salımı sağlayabilecek biyoyumlu ve ekonomik ilaç taşıyıcı malzemeler olarak potansiyele sahip olduğunu göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Cancer, which creates a serious threat to human life, has been remaining one of the leading causes of death worldwide. It is estimated by the World Health Organization (WHO) that cancer is the first or second major death factor for those before the age of 70 years in 112 out of 183 countries. One of the main challenges encountered in cancer drug treatments is the sudden and uncontrolled release of highly toxic drugs in the body after administration, affecting healthy tissues along with the cancer cells and causing undesirable side effects such as fatigue, fever, hair loss, skin eruption and nausea. In addition, interactions between the biological environment and the drug may reduce the effectiveness of the treatment by causing loss of activity and therapeutic effect. For that reason, studies on drug delivery systems designed to reduce side effects by maintaining drugs at the appropriate therapeutic level and to increase the effectiveness of treatment by protecting them from external factors have gained importance. 5-Fluorouracil (5-FU) drug is an anticancer agent that is widely used in the treatment of many cancer types including colon, rectum, breast, ovarian, pancreatic, stomach, brain and skin cancers. This drug is a type of uracil pyrimidine analog with a fluorine atom instead of a hydrogen atom at the C(Carbon)-5 position. Even though 5-FU displays an excellent anticancer activity, its short half-life in blood plasma (8-20 minutes) along with non-selectivity for cancer cells can also affect healthy cells, inducing unwanted side effects and reduced treatment efficiency. Besides, its low molecular weight and hydrophilic character may cause low loading capacity of 5-FU drug in drug delivery systems and prevent controlled release. Therefore, developing drug carrier materials that provides increasing circulation time in the body for 5-FU is important. Graphene oxide (GO) is a two-dimensional graphene derivative with oxygencontaining functional groups obtained by the oxidation of graphene. Similar to graphene structure, graphene oxide includes oxygen-containing functional groups such as epoxy, hydroxyl, carbonyl and carboxylic groups. The presence of these groups provides graphene oxide a hydrophilic character improving its biocompatibility by increasing its solubility in the biological environment. Graphene oxide has emerged as a preferred material in drug loading and release studies due to its high specific surface area and its capacity to interact with drug molecules through - interaction and hydrogen bond formation. However, applying graphene oxide alone in the body may cause a decrease in cell viability, which is why it is preferred to be used after functionalizing with different biomaterials with the aim of improving its biocompatibility and reducing possible toxic effects. Hydroxyapatite (HAp, Ca10(PO4)6(OH)2) is a bioceramic calcium phosphate material found in tooth and bone structure in the human body. Due to its bioactive, biocompatible, slowly degrading, osteoconductive and osteoinductive structure, it is widely used in biomedical fields including dentistry, bone tissue engineering, drug delivery systems and cell imaging. Composite materials containing hydroxyapatite have gained attraction in drug delivery systems developed for cancer drugs, since nanosized hydroxyapatite particles can have a growth inhibitory effect on different cancer cells. However, the mechanical disadvantages including hard and brittle structure may limit the use of hydroxyapatite alone in clinical applications. In addition, high initial immediate release rates were observed in drug release studies in which hydroxyapatite alone was used as the carrier material. For these reasons, it is preferred to be used as composite form with the contribution of various materials that can enhance mechanical properties and controlled release. Gelatin (GEL) is a natural polymer derived by hydrolysis of collagen. Gelatin can be originated from animal skin, bone, cartilage and connective tissue which can be cllassified as acid (Type A) or base (Type B) depending on the treatment conditions during production. Because of its low immunogenicity, nontoxicity, biocompatibility, biodegradability and low cost, it has been emerged as one of the most well-known natural polymer in the biomedical field . Polyurethane (PU) is a polymer which is in the class of thermoplastic and thermoset polymers and has many types in terms of production and usage area. Polyurethanes, which consist of two blocks structurally classified as soft parts and hard parts, have advantageous properties such as elasticity, abrasion resistance, chemical stability and machinability due to these fragmented structures at the molecular level. The ability to provide flexibility and mechanical strength at unity emerges polyurethanes in the medical field as an advantageous material. Besides, their biocompatibility and sensitivity to pH changes bring out polyurethanes among the most preferred materials used in controlled drug release system studies. The current study focuses on developing polymer/bioceramic and graphene oxidecontaining drug carrier materials that can provide controlled release of 5-FU cancer drug in vitro, investigation of drug loading and release performances of these materials and optimization together with experimental design and kinetic modelling studies. While gelatin and polyurethane were chosen as polymer materials, hydroxyapatite was preferred as bioceramic material. Firstly, graphene oxide/gelatin (GO/GEL) composites with varying gelatin concentrations were produced and 5-FU drug was loaded through adsorption. As a result of experimental design studies, it was observed that 5-FU adsorption was maximum at low gelatin concentration and pH 8. Adsorption isotherm studies revealed that the most suitable model for 5-FU adsorption was the Freundlich model. As a result of in vitro release studies, compatibility with first order kinetic model at low gelatin concentrations and Higuchi kinetic model at high gelatin concentrations was observed. In the MTT test against the MCF-7 breast cancer cell line, the 5-FU loaded GO/GEL composite showed a cell viability of 22.8%, confirming the release and efficacy of the 5-FU drug. As a result of the MMT test performed against the L-929 fibroblast cell line, 80% cell viability was obtained up to 15 μg/ml 5-FU loaded GO/GEL concentrations and the biocompatibility of the composites was confirmed. In the second step, graphene oxide/hydroxyapatite (GO/HAp) composites containing varying amounts of graphene oxide (GO) were produced and 5-FU drug was loaded by adsorption. As a result of experimental design studies, it was observed that the rate of 5-FU adsorption was maximum at low pH (pH 2) and low initial 5-FU concentrations, while graphene oxide caused a slight increase. It was seen that the most suitable model for 5-FU adsorption was the Freundlich model and the maximum adsorption capacity (Qm) was calculated as 36.9 mg/g under pH 2.0 conditions. In in vitro release studies at pH 7.4 conditions, all GO ratios showed compliance with the zero-order kinetic model, while at low pH values, compatibility with the Higuchi kinetic model was observed. In the third step, amin modified graphene oxide was produced in order to improve the adsorption percentage of 5-FU drug on GO/HAp composites. Aminated graphene oxide/hydroxyapatite (GO-NH2/HAp) composite was synthesized and 5-FU drug was loaded through adsorption. Similar to the GO/HAp composite, the highest 5-FU adsorption rate was seen at GO-NH2/HAp at high GO-NH2, low pH (pH 2) and low initial 5-FU concentrations. After the amination of graphene oxide, an increase of 9.7% was determined in the maximum adsorbed drug rate. It was seen that the most suitable model for 5-FU adsorption was the Freundlich model and the maximum adsorption capacity (Qm) was calculated as 21.2 mg/g under pH 2.0 conditions. In vitro release studies revealed that 5-FU release at all pH conditions followed a zero-order kinetic model. In the last step, graphene oxide/ polyurethane (GO/PU) composite film was produced. During the production of polyurethane, sunflower oil and castor oil, which are biocompatible and economical alternatives, were used as hydroxyl sources. The 5-FU loading process was carried out by encapsulation of the 5-FU drug during its production. As a result of experimental design studies, it was observed that the release percentage of 5-FU from GO/PU composite increased at high pH (pH 10), high GO content and low initial 5-FU concentrations. pH-sensitive drug release was observed from the composites as well as Higuchi kinetic model was provided for the composite with high GO under all pH conditions. In decreasing GO amounts, it was determined that the release profile followed the zero-order kinetic model. The findings of this thesis demonstrate that the produced GO/GEL, GO/HAP, GONH2 /HAp and GO/PU materials have potential as biocompatible and economical drug carrier materials that can provide controlled release for 5-FU cancer drug.
Benzer Tezler
- SBF ortamında üretilen hidroksiapatit-jelatin kompozit malzemelerin ilaç salım performansının incelenmesi
Research on drug release performance of hydroxyapatite-gelatin composites produced in SBF medium
EBRU KAHRAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLHAYAT NASÜN SAYGILI
- 5-fluorourasil tayini için moleküler baskılanmış temelli sensör geliştirilmesi ve modellenmesi
Development amd modelling of moleculary imprinted sensors for determanation of 5-fluorouracil
HABİBE ŞENBABA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
KimyaTekirdağ Namık Kemal ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YELDA YALÇIN GÜRKAN
DOÇ. DR. AYSU YARMAN
- Kanser ilacı 5-fluorourasilin iyonik çapraz bağlı aljinat esaslı mikrokürelerden ph kontrollü salımı
Ph controlled release of anticancer drug 5-fluorouracil from ionically crosslinked alginate based microspheres
MERVE OLUKMAN
- Biomedikal alanda kullanılmak üzere biyolojik uyumlu hidrojellerin hazırlanması, biyo-uyumluluk çalışmaları ve model anti-kanser ilaç 5-florourasil'in sürekli akış sisteminde kontrollü salımı
Preparation of bio-compatible hydrogels for use in biomedical area: Bio-compatibility studies and controlled release of model anti-cancer drug 5-fluorourasil in a continuous flow
ALİCAN YÜKSEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
BiyokimyaGazi ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLAY BAYRAMOĞLU
PROF. DR. MEHMET YAKUP ARICA
- Sıcaklığa duyarlı poli(N,N-dietilakrilamid)'in aljinata aşılanması ve 5-fluorourasil salımında kullanımı
Grafting of temperature responsive poly(N,N-diethylacrylamide) onto alginate usage of them in 5-fluorouracil release
ZEYNEP ALTINIŞIK