Pektin ve PVA temelli enjekte edilebilir hemostatik hidrojel köpük tasarımı
Pectin and PVA based injectable hemostatic hydrogel foam design
- Tez No: 952983
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Kimya Mühendisliği, Bioengineering, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- 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: 87
Özet
Kanamalı yaralanmalar ölüm nedenleri arasında ilk sıralarda gelmektedir. Bu durumun başlıca sebepleri sağlık kurumuna varıncaya kadar geçen süre, yaralanma bölgesinin turnike uygulanamayacak bir vücut bölgesinde olması, kanamanın durdurulamaması sonucu oluşan kan kaybı ve oluşan yarada meydana gelen enfeksiyonlardır. Kanamalı yaralarda hayati tehlikeyi en aza indirmek amacıyla kanama durdurucu hemostatik malzemelere ihtiyaç duyarız. Piyasada kanama durdurucu hemostatik malzemeler bulunsa da bunların yara üzerine pek çok olumsuz etkisi vardır. Ayrıca üretimlerinin zorluğu ve yüksek maliyet sebebiyle sivil halk tarafından ulaşılması kolay değildir. Bu çalışmada üretimi ucuz ve basit, kolaylıkla herkes tarafından uygulanabilir, kanamalı yaralarda kanamayı en aza indirecek ve yara bölgesini koruyacak bir hidrojel köpük sentezlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla düşük metoksilli pektin ve polivinil alkol (PVA) temelli bir hidrojel tasarımı yapılmıştır. Pektin zincirleri CaCO3 kullanılarak dahili bir şekilde çapraz bağlanmış ve hidrojel oluşumu sağlanmıştır. Aynı zamanda, pektin zincirleri ve CaCO3 moleküllerinin arasında gerçekleşen reaksiyon sonucu açığa çıkan CO2 gazı sayesinde hidrojelde köpük formu sağlanmıştır. Köpük içerisinde bulunan CO2 gazının yaranın enfeksiyonlara karşı korunmasını arttıracağı düşünülmektedir. Hidrojelin mekanik özelliklerini iyileştirmek ve hemostatik özelliğini arttırmak amacıyla PVA katkı olarak kullanılmıştır. Hidrojelin sentezlenmesi ve uygulanması için bir enjektör prototipi tasarlanmıştır. Çalışmada, hidrojele pektin, CaCO3, ve PVA miktarlarının performansa katkıları araştırılmıştır. FT-IR ölçümleri sonucunda hidrojellerin yapısında bulunan PVA'nın jel içerisinde etkileşime girdiği düşünülmektedir. DSC analizi sonuçlarına göre, hidrojellerin yapısında fazla miktarda bulunan CaCO3 moleküllerinin zincirlerin arasına girerek kristalin bölgelerin azalmasına, zincirlerin çapraz bağlarının açılmasına yol açtığı düşünülmektedir. Hidrojellerin SEM görüntülerinde CaCO3 miktarının artışı ile hidrojelin yüzeyinde çözünmeyen CaCO3 kristallerinin oluştuğu; ancak hidrojelin daha gözenekli bir yapıda oluştuğu görülmüştür. Hidrojelden 7,4 pH'ına sahip TRIS tampon çözeltisi ortamına salınan Ca iyonu konsantrasyonu ICP ile ölçülmüş ve salım ortamında insan vücudundaki kan kalsiyum konsantrasyonundan (2,15-2,65 mM) daha düşük bir Ca konsantrasyonu (0,16 mM) oluştuğu belirlenmiştir. Reolojik veriler köpük hidrojel hazırlamakta çok önemli olduğu için farklı miktarlarda pektin, CaCO3 ve PVA içeren örnekler için reolojik karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. İlk olarak lineer viskoelastik (LVE) bölgenin belirlenmesi amacıyla 10 rad/s açısal hızında genlik taraması testleri yapılmış ve LVE bölgesinin limiti tüm formülasyonlar için yaklaşık %30 geriniminde bulunmuştur. Ayrıca hidrojellerin sönümleme faktörlerinin artan pektin, CaCO3 ve PVA miktarlarıyla arttığı görülmüştür. Buna rağmen hidrojel, CaCO3 tarafından doygunluğa ulaştığı zaman, artan CaCO3 miktarının sönümleme faktörüne etkisinin olmadığı belirlenmiştir. Ayrıca, hidrojellerin akış geçiş indeksleri (AGİ) hesaplanmış ve çapraz bağlanma miktarının artması ile birlikte hidrojellerin gevrek kırılma davranışı gösterme eğiliminin azaldığı görülmüştür. %0,1'lik sabit bir gerinim ile LVE aralığında depolama modülü (G') ve kayıp modülü (G") verilerini tayin etmek amacıyla frekans taraması yapılmıştır. Frekans taraması sonucunda, numunelerin kayıp modüllerinin depolama modüllerinden büyük olduğu belirlenerek jel yapısını doğrulanmıştır. Ayrıca bütün formülasyonlar kayma incelmesi davranışı göstermiştir. Bu durum sentezlenen hidrojelin enjekte edilebilir olduğunu göstermektedir. 50 Pa yük altında sürünme ve gevşeme testleri sonucunda hidrojel formülasyonlarında oluşan deformasyonun yaklaşık yarısının geri döndürülebilir deformasyon olduğu bulunmuştur. Ayrıca sıfır kesme viskoziteleri hesaplanarak hidrojellerin yara üzerinden akıp gitmeyecek viskoziteye sahip oldukları görülmüştür. Reometre ile yapılan kendi kendini iyileştirme testleri sırasında hidrojeller tahribe uğrayacakları %1000'lik bir gerinim uygulanmış ve tahrip olmadan önceki özelliklerine dönüp dönmeyecekleri incelenmiştir. İlk tahribat sonrası hidrojellerin köpük formlarını kaybettikleri; ancak sonraki tahribatlarda kendi kendilerini iyileştirebilen yapılarının olduğu bulunmuştur. Hidrojel köpüklerin kanamayı durdurma başarılarının incelenmesi için içerisinde pH 7,4 fosfat tampon çözeltisi (PBS) bulunan deney tüplerinin ağızları sentezlenen hidrojel köpükle kapatılmış ve tüpler ters çevrilmiştir. PVA içermeyen formülasyon hariç diğer bütün hidrojeller başarıyla sıvı akışını kesmiştir. PVA'nın yapışkanlık sağlama özelliğinden dolayı, PVA içeren jellerin, jel çevresine daha iyi tutunduğu düşünülmektedir. Hidrojellerin kan pıhtılaştırma yeteneklerinin incelenmesi için mezbahadan alınan koyun kanı, etilendiamin tetraasetik asit (EDTA) içeren tüplere alınmış ve aynı gün içerisinde deneyler yapılmıştır. 540 nm'de pıhtıya dahil olmayarak hemolize uğrayan kırmızı kan hücrelerinin yoğunluğu belirlenmiş ve kan pıhtılaştırma indeksleri (KPİ) hesaplanmıştır. Hesaplamalar sonucunda, artan PVA ve CaCO3 miktarı ile hidrojel köpüklerin hemostatik özelliklerinin arttığı görülmüştür. Artan pektin miktarı ise çapraz bağlanma yoğunluğunu ve zincir dolaşıklıklarını arttırması sebebiyle Ca iyonlarının difüzyonunu yavaşlatmış ve hemostatik özelliği düşürmüştür. Sonuç olarak enjekte edilebilir, biyo ve hemo-uyumlu, iyileştirilmiş, hemostaz süresini kısaltabilecek, yarayı koruyacak pektin ve PVA temelli hidrojel köpük formülasyonu geliştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Hemorrhagic injuries are among the leading causes of death. The main reasons for this situation are time elapsed to the health institution, the formation of the injury site in a body area that is not suitable for torniquet, the blood loss caused by inability to stop the bleeding, and the infections that occur in the wound. In order to minimize the danger to life in bleeding wounds, we need hemostatic materials that stop bleeding. Although there are hemostatic materials on the market that stop bleeding, they have various negative effects on the wound and they are not easy to reach by the civilian population due to the difficulty and cost of their production. In this study, it is aimed to synthesize a hydrogel foam that is cheap and simple to produce, easily applicable by everyone, minimize bleeding in bleeding wounds and protects the wound area. For this purpose, a hydrogel design with low methoxy pectin and polyvinyl alcohol (PVA) composite was made. Pectin chains are cross-linked internally using CaCO3 and hydrogel formation is achieved. At the same time, by the CO2 gas released as a result of the reaction between the pectin chains and CaCO3 molecules, the hydrogel is provided with a foam form. It is thought that the CO2 gas contained in the foam will increase the protection of the wound against infections. PVA was used as an additive to improve the mechanical properties of the hydrogel and increase its hemostatic properties. An injector prototype is designed for synthesizing and applying the hydrogel. Main materials used in this study are pectin and PVA. Pectin, which is used as a hydrogel material in this study, is a natural polysaccharide, that is frequently used in the biomedical field due to its biocompatibility, non-toxicity to the human body. It is cheap and easy to obtain pectin from natural sources. Pectin is a linear polymer and consists of galaturanic acid monomers connected to each other by glycosidic bonds. This natural polymer alone has weak mechanical properties, and when used in combination with other materials, its mechanical properties can be strengthened. It forms hydrogel by cross-linking with divalent metal ions. Polyvinyl alcohol (PVA) is a synthetic polymer used in various fields such as industrial, commercial, medical and food. Characteristics of PVA, are production of it can be done with ease and economically, excellent film-forming capacity, very good adhesive and emulsifying properties, good mechanical stability, and high chemical resistance to many chemicals, including grease, oils and solvents. It is also a polymer that dissolves well in water. The effect of pectin, CaCO3, and PVA amounts to the synthesized hydrogel were investigated in this study. As a result of FT-IR measurements, it is thought that PVA, which is in the structure of hydrogels, has molecular interactions. DSC analyses Show that, CaCO3 molecules, which are abundant in the structure of hydrogels, might be entering between the chains, leading to the reduction of crystalline regions and the opening of the causing decross-linking of the chains. In the SEM images of the hydrogels, it was seen that with the increase in the amount of CaCO3, insoluble CaCO3 crystals were formed on the surface of the hydrogel, however the hydrogel was formed in a more porous structure. The concentration of Ca ions released from the hydrogel into the TRIS buffer solution medium with a pH of 7.4 was measured by ICP and it was found that it consisted of a concentration of Ca (0.16 mM) lower than the concentration of calcium in the human blood plasma (2.15-2.65 mM) in the release medium. Rheological characterization was performed for samples containing different amounts of pectin, CaCO3 and PVA. First, amplitude sweep tests were performed at an angular velocity of 10 rad/s to determine the linear viscoelastic region (LVE), and the limit of the LVE region was found to be approximately 30% strain for all tested formulations. In addition, the damping factors of hydrogels have been shown to increase with increasing amounts of pectin, CaCO3 and PVA meaning higher mechanical strength. However, it was found that when the hydrogel reached saturation with the amount of CaCO3, rise in the CaCO3 amount had no effect on the damping factor. In addition, the flow transition index (FTI) of hydrogels were calculated and, it was seen that the tendency of hydrogels to show brittle fracture behavior decreased with the increase in the amount of cross-linking. Frequency sweep tests were performed to obtain storage module (G') and loss modulus (G") in the LVE range with a constant strain of 0.1%. The frequency scan showed that all samples had gel structures with a storage modulus larger than the loss modulus. In addition, all formulations showed shear thinning behavior. This indicates that the synthesized hydrogels are injectable. As a result of creep and relaxation tests performed under 50 Pa load, it was found that approximately half of the deformation in hydrogel formulations was reversible. In addition, the zero shear viscosities of the hydrogels were calculated and it was seen that they show the viscosity that would not flow through the wound when applied. During the self-healing measurements, the hydrogels were applied a strain of 1000% to which they would be a destruction in the gel structure and it was examined whether they would return to their previous properties before they were destructed. It was found that after the first destruction, hydrogels lose their foam form, but in subsequent destructions they have structures that can heal themselves. In order to examine the success of hydrogel foams in stopping fluid flow, the openings of the test tubes containing pH 7.4 PBS buffer solution were closed with foam and the tubes were turned upside down. All other hydrogels except the PVA-free formulation have successfully cut off the flow of liquid. Due to the adhesion property of PVA, gels containing PVA are thought to adhere better to the gel's environment. To study the blood clotting abilities of hydrogels, sheep blood taken from the slaughterhouse was collected into blood tubes containing EDTA and experiments were performed on the same day. As a result of the experiments, it was seen that the hemostatic properties of hydrogel foams increased with the increasing amount of PVA and CaCO3. The increased amount of pectin slowed the diffusion of Ca ions and reduced the hemostatic property due to increasing cross-linking density and chain entanglements. As a result, injectable, bio-compatible and hemo-compatible, pectin/PVA composite hydrogel foam formulations with enhanced mechanical properties, was developed to shorten the hemostasis time and protect the wound and hopefully decrease lethality caused by bleeding wounds. Among the formulations examined, the 2P10 and 2P1 formulations generally gave a desired result in the properties under consideration. In order for the synthesized injectable hydrogel foam to be used in applications where it is intended, platelet activation and hemo-compatibility of the resulting formulation should be examined in the following studies. In order to determine the use of hydrogel foam in extreme climatic conditions, it should be investigated how the rheological properties of the hydrogel are affected by temperature. In addition, all of the characterizations were made are in vitro and should be tested on in vivo experiments in order to be used as an injectable hemostatic material.
Benzer Tezler
- Utilization of pectin produced from infrared dried orange peel in development of electrospun nanofibers and characterization of the nanofibers
Kızılötesi ile kurutulmuş portakal kabuğundan üretilen pektinin elektroeğrilmiş nanolif tasarımında kullanımı ve nanoliflerin karakterizasyonu
MELİS AKDENİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Gıda MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARZU BAŞMAN
- A study on violence against women and girls and its legal and policy regulation in Central Asia
Orta Asya'da kadınlara ve kız çocuklarına yönelik şiddet ve bunun yasal ve politik düzenlemeleri üzerine bir araştırma
ASYLAI AKISHEVA
- Effects of pectin and guar gum on food protein functionality
Pektin ve guar zamkının gıda proteinlerinin fonksiyonel özelliklerine etkisi
EMİNE ALBEN
Doktora
İngilizce
2006
Gıda MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ESRA İBANOĞLU
- Pektin ve kitozan boncuklarının hazırlanması ve boncukların hazırlanmasına ilişkin faktörlerin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
ZUHAL AYDIN
- Havuç mayşesi ve posasından elde edilen pektin ve modifiye pektinlerin özellikleri ve çevresel etkileri
Properties and environmental effects of pectin and modified pectin obtained from carrot mash and pomace
SEVGİ ŞİMŞEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Gıda MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALPER KUŞÇU