Affecting factors on release kinetics of caffeine as a transdermal food supplement from electrospun polyvinyl alcohol or polycaprolactone mats
Deriden geçiş için gıda takviyesi olarak kafeinin elektroeğrilmiş polivinil alkol veya polikaprolakton yüzeylerden salım mekanizmalarına ve kinetiğine etki eden faktörler
- Tez No: 894740
- Danışmanlar: PROF. DR. FİLİZ ALTAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gıda Mühendisliği, Food Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 116
Özet
Kafein (1, 3, 7-trimetilksantin) çay, kahve çekirdekleri ve çikolata gibi çeşitli yiyecek ve içeceklerde doğal olarak bulunan bir alkaloiddir. Uyanıklığı artıran bir merkezi sinir sistemi uyarıcısıdır; bu nedenle içeceklere ve gıda takviyelerine de ilave edilir. Genel olarak, kafein ağız yoluyla alınır, çünkü bu yol kullanımı kolay, uygun maliyetli ve kullanışlıdır. Kafein ağızdan alındıktan sonra 30 ila 120 dakika içinde en yüksek plazma konsantrasyonlarına ulaşır. Deriden geçiş ile iletim, ağız yoluyla iletime cazip bir alternatif oluşturmaktadır. Kontrollü, sürekli salım gösterir ve ilk geçiş metabolizmasından kaçınmaktadır. Elektroeğirme tekniği ile üretilen nanolifler, yüksek yüzey/hacim oranları, gözeneklilikleri ve gelişmiş stabiliteleri nedeniyle biyoaktif moleküllerin transdermal salımı için dikkat çekmektedir. Transdermal salım için elektroeğirme yöntemiyle üretilen kafein yüklü nanolif çalışmaları literatürde sınırlıdır. Bu tezde, elektoeğirme yöntemi ile polikaprolakton (PCL) veya polivinil alkol (PVA) polimerlerini kullanarak kafeinin enkapsüle edilmesi, besleme çözeltilerini ve besleme çözeltilerinden elde edilen nanoliflerin morfolojisi ve işlevleriyle ilişkilerini karakterize edilmesi, üretilmiş nanoliflerin in vitro transdermal salım mekanizmalarını ve kinetiğini araştırılması, üretilen nanolifleri ve bunların transdermal yüzey olarak işlevleriyle ilişkilerini karakterize edilmesi ve PCL veya PVA tarafından elektroeğrilme yöntemi ile nanoenkapsüle edilmiş kafeinin transdermal salımını etkileyen faktörlerin incelenmesi amaçlanmıştır. Kafein yüklü transdermal yüzeyler, farklı miktarlarda kafein, PVA veya PCL kullanılarak elektroeğirme ile üretilmiştir. Besleme çözeltisi özellikleri, elektroeğrilmeyle elde edilmiş yüzey özellikleri, enkapsülasyon verimleri ve in vitro salım kinetikleri analiz edilmiştir. Yüzey gerilimi, elektrik iletkenliği ve viskozite, % 2 (w/w) kafein içeren PVA çözeltisi için 41,05 ± 0,53 mN/m, 0,7050 ± 0,01 mS/cm ve 0,30 ± 0,01 Pa.s; %5 (w/w) kafein içeren PVA çözeltisi için 40,96 ± 0,81 mN/m, 0,5700 ± 0,01 mS/cm, 1,12 ± 0,01 Pa. s; %2 (w/w) kafein içeren PCL çözeltisi için 29,69 ± 0,00 mN/m, 0,0035 ± 0,00 mS/cm, 0,09 ± 0,01 Pa.s; %5 (w/w) kafein içeren PCL çözeltisi için 27,87 ± 0,11 mN/m, 0,0030 ± 0,00 mS/cm ve 33,26 ± 7,64 Pa.s'dir. Kafein miktarı arttıkça çözeltilerin iletkenliği azalmıştır. Kafein konsantrasyonu arttıkça iletkenlik değerlerindeki bu düşüş, kafeinin düşük iletkenliğine bağlanabilir. 2 % (w/w) kafein içeren PVA çözeltisinden hazırlanan nanolif PVA-2; 5 % (w/w) kafein içeren PVA çözeltisinden hazırlanan nanolif PVA-5; 2 % (w/w) kafein içeren PCL çözeltisinden hazırlanan nanolif PCL-2 ve 5 % (w/w) kafein içeren PCL çözeltisinden hazırlanan nanolif PCL-5 olarak kodlanmıştır. Kalınlıklarına göre, daha ince olan nanolif TN, daha kalın olan nanolif ise TK olarak kodlanmıştır. PVA-2-TN, PVA-2-TK, PVA-5-TN, PVA-5-TK, PCL-2-TN, PCL-2-TK, PCL-5-TN ve PCL-5-TK elde edilen örneklerdir. Elektroeğrilmiş yüzeylerin ortalama çapları ve morfolojileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak belirlenmiştir. ImageJ programı kullanılarak ortalama çaplar hesaplanmıştır. Sonuçlar PVA-2, PVA-5, PCL-2 ve PCL-5'in ortalama çaplarının sırasıyla 144,50 ± 19,24, 207,76 ± 15,66, 189,50 ± 35,31 ve 298,54 ± 53,28 nm olduğunu göstermiştir. Elektroeğrilmiş yüzeylerin kafein miktarının arttırılması, nanoliflerin ortalama çapını arttırmıştır. Elektroeğrilmiş yüzeylerin morfolojileri incelendiğinde, PVA içeren örnekler düzgün bir yapı sergilemiştir. Bununla birlikte, kafein ilavesi PCL içeren örneklerde boncuk oluşumuna ve homojen olmayan bir yapıya neden olmuştur. Tüm nanolif örneklerinin süspansiyonları -10 mV ile +10 mV arasında bir zeta potansiyel değerine sahiptir. Örnekler nötr olarak kabul edilebilir. Elektroeğrilmiş yüzeyleri karakterize etmek için temas açıları ve şişme oranları belirlenmiştir. PVA içeren tüm yüzeyler, 90° 'den daha düşük temas açısına sahip olmaları nedeniyle hidrofiliktir. PCL içeren yüzeyler hidrofobik davranış göstermiştir. PVA polimeri içeren nanoliflerin şişme oranları belirlenememiştir, PVA polimeri içeren nanolifler PVA'nın yüksek hidrofilikliği nedeniyle çözünmüştür. PCL içeren nanoliflerdeki kafein içeriği arttıkça şişme oranı önemli ölçüde artmıştır. Şişme oranındaki bu artış, kafeinin hidrofilik yapısı ile açıklanabilir. Elektroeğrilmiş yüzeylerin ısıl özellikleri diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ile incelenmiştir. Kafeinin erime noktası 238,28 ± 0,21 °C'de elde edilmiştir. PVA-5, PCL-2 ve PCL-5 nanolifleri, kafeinin erime sıcaklığı ile ilgili olabilecek yaklaşık 220 °C, 178 °C ve 186 °C'de bir pik gösterirken, PVA-2 numunesi pik göstermemiştir. Bu durum, PVA-2'deki kafeinin şekilsiz, diğerlerinin ise kristalize olmasıyla açıklanabilir. PVA-2 ve PVA-5, sırasıyla 93,03 ± 5,59 °C ve 88,70 ± 0,40 °C'den başlayıp 164.91 ± 12.55 °C ve 156.95 ± 9.89 °C' de biten geniş bir endotermik pik göstermişlerdir. Bu pikler, kafeinin süblimleşme ve yeniden kristalleşme süreçleriyle ilgili olabilir. PCL-2 ve PCL-5 sırasıyla, 178.25 ±0.30°C ve 185.99 ± 2.62°C'de kafeinin erime sıcaklığından daha düşük bir endotermik pik göstermiştir. Bu durum, kafein ve polimer arasındaki etkileşimden kaynaklanıyor olabilir. Enkapsülasyon verimlilikleri PVA-2, PVA-5, PCL-2 ve PCL-5 için sırasıyla 58,95 ± 12,19 % , 39,55 ± 5,74 % , 82,82 ± 0,23 % ve 39,10 ± 4,55 % 'dir. Elektroeğrilmiş yüzeylerde kafein miktarı arttıkça, örneklerin enkapsülasyon verimliliği düşmüştür. In vitro kafein salım çalışmaları, Franz difüzyon hücresi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elektroeğrilmiş yüzeylerden 400. saatte kümülatif kafein salım miktarı (%) PVA-5-TN için 98,93±0,96 %, PCL-5-TK için 94,41± 7,79, PCL-5-TN için 89,14 ± 8,62 %, PVA-2-TN için 81,31 ± 7,65 %, PVA-5-TK için 78,89 ± 1,78 %, PCL-2-TN için 76,41 ±12,49 %, PCL-2-TK için 63,03 ± 16,70 ve PVA-2-TK için 60,04 ± 19,38 %'dir. PVA-2-TK, PVA-2-TN ve PCL-2-TN 10. dakikada sırasıyla %14,68 ± 7,66, %14,61 ± 0,36 ve 13,98 ± 1,99 % kümülatif kafein salımı ile nanolifler arasında en yüksek salımlara sahip üç nanoliftir. Bunun nedeni, bu nanoliflerin diğer kafein içeren nanoliflere kıyasla daha küçük ortalama çaplara sahip olmaları olabilir. Kafein miktarı, polimer tipi ve nanolif kalınlığının nanoliflerin kafein salımı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. 10. dakikadaki in vitro salım sonuçları, nanoliflerdeki kafein miktarı arttıkça ve kalınlık azaldıkça, elektroeğrilmiş yamalardan kümülatif salımın (mg) arttığını göstermiştir. Buna ek olarak, 400. dakikada in vitro kümülatif salım miktarının (mg) PCL içeren nanoliflerde, daha kalın nanoliflerde ve yüksek kafein içeriğine sahip nanoliflerde daha fazla olduğu bulunmuştur. Elde edilen in vitro salım verilerinin, salım kinetiğini araştırmak için kinetik modeller kullanılmıştır. Sıfırıncı dereceden modelin PCL-5-TN ve PCL-5-TK nanoliflerinden kafein salım profiline uyduğu bulunmuştur. Sıfırıncı dereceden modele uyum, kafein salım hızının nanolif içindeki kafein miktarından bağımsız olduğunu göstermektedir ki bu da ani salımı önlediği için arzu edilen bir durumdur. PVA-5-TN, PVA-5-TK ve PCL-2-TK'nin salım davranışları Ritger ve Peppas modeline uymuştur. Bu model polimerik sistemlerden ilaç salımı için kullanılmaktadır. PVA-5-TN, PVA-5-TK ve PCL-2-TK nanoliflerinin Ritger ve Peppas modeli salım üsleri (n) sırasıyla 0,761 ± 0,004, 0,756 ± 0,053 ve 0,807±0,100'dür ve n değerleri, kafein transfer mekanizmasının Fickian olmadığını göstermektedir. PVA-2-TN, PVA-2-TK ve PCL-2-TN nanolifleri için en iyi uyan kinetik model Higuchi modelidir. Bu model, transdermal yüzeylerden kontrollü kafein salımı olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Caffeine (1, 3, 7-trimethylxanthine) is an alkaloid naturally found in a variety of foods and drinks, such as tea, coffee beans, and chocolate. It is a central nervous system stimulant that improves alertness; therefore, it is also added to beverages and food supplements. In general, caffeine is taken orally since this route is simple, cost-effective and convenient. After oral consumption of caffeine, it achieves peak plasma concentrations within 30 to 120 minutes. Transdermal delivery offers an attractive alternative to oral delivery. It shows controlled, sustained release and avoids first-pass metabolism. Nanofibers produced by the electrospinning technique are gaining attention for transdermal delivery of bioactive molecules due to their high surface-to-volume ratio, porosity and enhanced stability. Caffeine-loaded nanofiber studies produced by the electrospinning method for transdermal release are limited in the literature. In this thesis, transdermal mats were designed for caffeine delivery through the skin. Caffeine-loaded transdermal mats were produced by electrospinning using different amounts of caffeine, polyvinyl alcohol (PVA) or polycaprolactone (PCL). Feed solution properties, electrospun mat characteristics, encapsulation efficiency and in vitro release were analyzed. Surface tension, electrical conductivity and viscosity were measured as 41.05 ± 0.53 mN/m, 0.7050 ± 0.01 mS/cm, and 0.30 ± 0.01 Pa.s for %2 (w/w) caffeine containing PVA solution; 40.96 ± 0.81 mN/m, 0.5700 ± 0.01 mS/cm, 1.12 ± 0.01 Pa.s for %5 (w/w) caffeine containing PVA solution; 29.69 ± 0.00 mN/m, 0.0035 ± 0.00 mS/cm, 0.09 ± 0.01 Pa.s for % 2 (w/w) caffeine containing PCL solution; 27.87 ± 0.11 mN/m, 0.0030 ± 0.00 mS/cm and 33.26 ± 7.64 Pa.s for % 5 (w/w) caffeine containing PCL solution. Nanofiber prepared from PVA solution containing 2 % (w/w) caffeine was coded as PVA-2; nanofiber prepared from PVA solution containing 5 % (w/w) caffeine was coded as PVA-5; nanofiber prepared from PCL solution containing 2 % (w/w) caffeine was coded as PCL-2 and nanofiber prepared from PCL solution containing 5 % (w/w) caffeine was coded as PCL-5. According to their thickness, the thinner nanofiber was coded as TN, and the thicker nanofiber was coded as TK. PVA-2-TN, PVA-2-TK, PVA-5-TN, PVA-5-TK, PCL-2-TN, PCL-2-TK, PCL-5-TN and PCL-5-TK are the samples that were obtained. The obtained electrospun nanofibers were characterized using scanning electron microscopy (SEM). SEM images of electrospun mats showed the diameter and morphology of the nanofibers. The results showed that the mean diameters of PVA-2, PVA-5, PCL-2 and PCL-5 were 144.50 ± 19.24, 207.76 ± 15.66, 189.50 ± 35.31 and 298.54 ± 53.28 nm, respectively. Increasing the caffeine content in nanofibers increased the nanofiber diameter. The morphologies of the nanofibers showed that the samples containing PVA polymer exhibited a uniform structure. Furthermore, the addition of caffeine caused bead formation and non-uniform structure in the samples containing PCL polymer. The suspensions of all nanofiber samples have a zeta potential value between -10 mV and +10 mV. The samples can be considered neutral. Contact angle and swelling ratio measurements were carried out to characterize electrospun mats. All PVA containing mats were hydrophilic due to having a lower contact angle than 90 °. PCL containing mats showed hydrophobic behaviour. The swelling ratio of PVA polymer containing nanofibers was not determined, the PVA polymer containing nanofibers quickly formed a transparent form because of the high hydrophilicity of PVA. The swelling ratio increased significantly as the caffeine content in PCL containing nanofibers increased. The increase in the swelling ratio can be explained by the hydrophilic structure of caffeine. The melting behavior of electrospun mats was investigated by differential scanning calorimetry (DSC). The melting point of the caffeine was obtained at 238.28 ± 0.21 °C. The PVA-5, PCL-2 and PCL-5 nanofibers showed a peak at approximately 220 °C, 178 °C and 186 °C, which may be related to the melting temperature of caffeine, while the PVA-2 sample did not show a peak. This can be explained by the fact that the caffeine in PVA-2 is in amorphous form while the others are in crystallized form. The encapsulation efficiencies were 58.95 ± 12.19 %, 39.55 ± 5.74 %, 82.82 ± 0.23 % and 39.10 ± 4.55 % for PVA-2 , PVA-5 , PCL-2 and PCL-5, respectively. In vitro caffeine release studies were carried out using a Franz diffusion cell. The effects of caffeine amount, polymer type and nanofiber thickness on caffeine release from nanofibers were investigated. In vitro release results at 10 min showed that as the amount of caffeine in nanofibers increased and the thickness decreased, the cumulative release from the electrospun mats increased. In addition, the in vitro cumulative release at 400 min was found to be higher in nanofibers containing PCL and more caffeine content. Increasing the thickness also increased the in vitro cumulative caffeine release. In vitro release data from nanofibers was fitted to kinetic models to investigate the caffeine release kinetics of nanofiber mats. Zero-order model was found to fit the caffeine release profile from PCL-5-TN and PCL-5-TK nanofibers. The fit to the zero-order model indicated that the release rate of caffeine is independent of the amount of caffeine in the nanofiber, which is desirable as it prevents burst release. The release behaviours of PVA-5-TN, PVA-5-TK and PCL-2-TK fitted Ritger and Peppas equation. This model is used for drug release from polymeric systems. For PVA-2-TN, PVA-2-TK and PCL-2-TN nanofibers, the best kinetic model was the Higuchi model. This model demonstrated the controlled release of caffeine from transdermal patches.
Benzer Tezler
- Ketoprofenin uzayan etkili supozituvar şekilleri üzerinde çalışmalar
Studies on ketoprofen sustained release suppository forms
İPEK ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2002
Eczacılık ve FarmakolojiEge ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. IŞIK ÖZGÜNEY (SARIGÜLLÜ)
- Investigation of aerogel based systems for drug delivery
Nanoyapılı aerojellerin ilaç taşıyıcı sistemi olarak incelenmesi
ZEYNEP ÜLKER DEMİR
Doktora
İngilizce
2015
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAN ERKEY
- İnvers-süspansiyon polimerizasyonu yöntemiyle sentezlenen mikrokürelerin karakterizasyonu ve ilaç salınımı çalışmaları
Characterizatin and drug release studies of microspheres prepared by inverse-suspension polymerization
ZUHAL NART
- Atenolol yüklenmiş poli(akrilik asit) bazlı hidrojel sistemlerinin kontrollü salımının incelenmesi ve karakterizasyonu
Investigation and characterization of the controlled release of atenolol loaded poly(acrylic acid) based hydrojel systems
SİNEM DEMİR
- Lineer alkil triaminlerde azot atomları arasındaki zincir uzunluğunun anyonik platin(IV) iyonlarının adsorpsiyonu üzerine etkisi
Effect of spacer length between n atoms of linear alkyl triamines on adsorption of anionic platinum (IV) ions
FATİH BİLGİN