Geri Dön

Physicochemical and biochemical characterizations of Chitosan-g-poly(N-[3-(dimethylamino)propyl] methacrylamide) polymers synthesized with RAFT and EDC/NHS coupling reactions

RAFT ve EDC/NHS bağlanma reaksiyonları ile sentezlenen Kitosan-g-poli(N-[3-dimetilamino)propil] metakrilamit) polimerlerinin fizikokimyasal ve biyokimyasal karakterizasyonu

  1. Tez No: 958090
  2. Yazar: AYŞE ENDA ZAVALSIZ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ARGUN TALAT GÖKÇEÖREN, DR. CEYDA ŞİMŞEK İNCE
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyokimya, Kimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Biochemistry, Chemistry, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 101

Özet

Geçmişten günümüze sağlık alanı, özellikle hastalıkların tedavi yöntemleri tüm toplumların en önemli araştırma konularından biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Bitkisel ilaçlarla başlayan temel tedavi yöntemleri, gelişen teknoloji ile birlikte günümüzde akıllı ilaçlar, RNA tabanlı tedaviler, doku mühendisliği ve biyosensörler gibi yenilikçi uygulamalara dönüşmüş ve tıp dünyasında hedefe yönelik tıbbi yaklaşımların önünü açmıştır. Ayrıca kanser/gen terapisi gibi uygulamalarda öne çıkan bu teknolojik gelişmeler, bireylere özgü tedaviler geliştirilmesine de olanak tanımaktadır. Nanopartiküller, lipozomlar ve hidrojeller gibi polimerik yapılar hedefe yönelik sistemlerden bazılarıdır. Polimerler, endüstriden tekstile, inşaattan elektroniğe pek çok alanda kullanım bulmaktadır. Bilimsel çalışmalarda ise akıllı taşıyıcı sistemler olarak sıklıkla karşımıza çıkmaktadır. Modifikasyonlara açık olması dolayısıyla polimerlerin fizikokimyasal ve biyokimyasal özelliklerinin değişimi, hedefe duyarlı sistemlerin oluşturulabilmesi gibi birçok avantajı da beraberinde getirmektedir. Biyolojik uygulamalarda kullanılacak sistemler için genellikle doğal polimerler tercih edilmektedir. Biyouyumlu, biyobozunur ve düşük sitotoksisite gibi özellikler sergileyen doğal polimerler bu özellikleriyle taşıyıcı sistemlerde öne çıkmaktadır. Ancak biyolojik uygulamalarda kullanılan doğal polimerlerin zayıf çözünürlük, düşük transfeksiyon etkinliği ve zayıf mekanik dayanıklılık gibi bazı dezavantajları bulunmaktadır. Bu sınırlamaları aşmak amacıyla doğal polimerler sıklıkla sentetik polimerler ile modifiye edilir. Bunlara ek olarak biyolojik uygulamalarda kullanılacak polimerlerin kan uyumluluğunun yüksek olması gerekliliği bulunmaktadır. ASTM F756-00 standartlarına göre hücre içi çalışmalarda kullanılacak polimerlerin hemolitik aktivitesi 0-2% olması gerekmektedir. Öte yandan polimerik malzemeler kullanılacak biyolojik uygulamaya göre farklı karakteristik özelliklere sahip olmalıdır. Örneğin, yara örtüsü olarak tasarlanan sistemlerin antibakteriyel özelliğinin olması, hücre içi çalışmalarda kullanılacak polimerlerin hücreye etkin olarak girebilmesi, endozomal çevrimden kaçabilmesi ve taşıdığı biyolojik makromolekülü salabilmesi gerekmektedir. Bu tarz uygulamalarda en sık tercih edilen sistemler katyonik polimerlerdir. Katyonik polimerlerin doğası gereği terapötik potansiyelleri yüksektir. Negatif yüklü yüzeyler ile güçlü etkileşim kurması biyolojik uygulamalarda birçok avantajı da beraberinde getirir. Örneğin DNA/RNA gibi negatif yüklü biyomoleküller veya ilaçlar ile elektrostatik etkileşimlerinin kuvvetli olması, katyonik polimerlerin gen terapisi/ ilaç salım sistemleri gibi biyolojik uygulamalarda öne çıkmasını sağlar. Öte yandan hücre zarı ile güçlü etkileşim kurabilmeleri sebebiyle de hücre zarı geçirgenliğinin artmasına katkıda bulunarak taşıyıcı sistemin hedef bölgeye ulaşmasını kolaylaştırır. Ayrıca katyonik yapısı sayesinde antibakteriyel özellik sergileyerek yara örtüsü gibi biyolojik uygulamalar için ekstra avantaj sağlar. Bu sebeple katyonik doğal ve sentetik polimerlerin modifikasyonu ile biyolojik uygulamalarda hedefe yönelik kullanılabilen polimerik sistemler tasarlanabilmektedir. Kitosan (Cs) biyouyumlu, biyobozunur ve toksik olmayan katyonik bir polisakkarittir. Antibakteriyel ve antifungal yapısının yanı sıra -NH2/-OH gibi modifikasyona açık fonksiyonel grupları da barındırdığından hedefe yönelik çalışmalarda kullanımı oldukça popülerdir. Kitosanın sadece zayıf asidik çözeltilerde çözünmesi ve tek başına kullanıldığında zayıf mekanik dayanım göstermesi yapının fonksiyonlandırılması gerekliliğini doğurmaktadır. Kitosanın karboksilasyon, alkilasyon, açilasyon, kuvaternizasyon, Schiff bazı ve aşı kopolimerizasyonu gibi birçok kimyasal modifikasyon yöntemi bulunmaktadır. 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) karbodiimit (EDC)/ N-hidroksi süksinimit (NHS) bağlanma ajanları kullanılarak amin grupları üzerinden modifiye edilmesini sağlayan aşı kopolimerizasyonu yöntemi ise literatür çalışmalarında sıklıkla karşımıza çıkmaktadır. Kitosanın modifikasyonunda genellikle, akrilat ve akrilamit türevi sentetik monomerler tercih edilmektedir. Bu tür monomerler, kitosanın çözünürlüğünün artmasını, hücre etkileşimlerinin gelişmesini ve transfeksiyon etkinliğinin artmasını sağlayarak uygulama alanlarının da genişlemesini sağlar. Ayrıca katyonik yapısı dolayısıyla hücre hedefli çalışmalarda da avantaj sağlayan kitosan, yapısında barındırdığı protonlanabilir -NH2 grupları sayesinde belirli bir tampon kapasitesi gösterir ve endozomal kaçışa katkıda bulunabilir. Bu tez çalışmasında ise kitosanın fizikokimyasal ve biyokimyasal özelliklerini geliştirmek amacıyla sentetik bir monomer olan, biyouyumlu ve sitotoksisitesi düşük olduğundan türevlerine göre daha çok tercih edilen DMAPMAAm polimerleştirilerek kitosan ile modifikasyonu gerçekleştirildi ve elde edilen taşıyıcı polimerlerin fizikokimyasal ve biyokimyasal özellikleri incelendi. Biyolojik uygulamalara bir ön çalışma olması hedeflenerek sentezlenen polimer yapılarının iyi tanımlanmış olması hem ana zincirlerin hem de aşı kopolimerlerinin dal boyutlarının ve molekül ağırlıklarının belirli sınırlar içinde bulunması önemlidir. Bu amaç doğrultusunda ilk olarak farklı molekül ağırlıklarına sahip poli(N-[3-(dimetilamino)propil]metakrilamit) (PDMAPMAAm) homopolimerleri sentezlendi. PDMAPMAAm homopolimeri (4-siyano-4-(fenilkarbonotioniltio)pentanoik asit (CPADB) zincir transfer ajanı varlığında Tersinir Eklenme-Parçalanma Zincir Transferi (RAFT) polimerizasyonu ile sentezlenerek hem 3000-8000 g/mol aralığında farklı molekül ağırlıklarına sahip hem de zincir ucunda karboksil grupları barındıran yapılar elde edildi. Hedeflenen molekül ağırlığına sahip ve karboksil grubu taşıyan PDMAPMAAm homopolimerlerinin sentezlenebilmesi için çeşitli optimizasyon deneyleri gerçekleştirildi. Bu süreçte polimerizasyon çözücüsünün türü, reaksiyon süresi, polimerizasyon çözeltisinin pH'ı, başlatıcı türü/konsantrasyonu, zincir transfer ajanı (CTA) ve DMAPMAAm monomerinin konsantrasyonu gibi parametreler değiştirilerek RAFT polimerizasyonu için uygun sentez koşulları belirlendi. İstenilen molekül ağırlığına sahip ve ucunda kitosana bağlanmasını sağlayacak karboksil grubu bulunan PDMAPMAAm homopolimerlerinin sentezi için solvent türü, reaksiyon süresi ve ortam pH'ı değiştirelerek bir dizi deney gerçekleştirildi. Özellikle çözücü ve pH koşulları, CPADB'in hidrolizini engellemek, en verimli şekilde makroCTA yapısına katıldığı koşulları belirlemek ve polimerizasyon sürecinin serbest radikal polimerizasyonu şeklinde ilerlemesini önlemek amacıyla önemlidir. Raft ajanının en verimli asidik koşullarda çalıştığı belirlendi ve ortamın pH'ının sabit kalmasını sağlayacak bir tampon çözelti seçildi. PDMAPMAAm makroCTA yapılarının molekül ağırlıkları uç grup analizine dayalı olarak yapıldı. UV-Visible spektrofotometresi ile makroCTA yapısının ucundaki benzen halkasının maksimum absorbans piki kullanılarak molekül ağırlığı tayini ve polimerleşme derecesi tayini yapıldı. Ayrıca 1H-NMR spektroskopisi ile de CTA'in hidroliz olmadığı ve etkin bir şekilde makroCTA yapısına katıldığı da belirlendi. Elde edilen PDMAPMAAm makroCTA zincirlerinin karboksil uçları EDC/NHS bağlanma ajanları ile aktive edildi ve kitosanın amin grupları üzerinden aşı kopolimerizasyonu gerçekleştirildi. Ayrıca kitosanın molekül ağırlığının CsgD aşı kopolimerinin biyo/fizikokimyasal özelliklerine etkisini incelemek amacıyla ticari olan satın alınan kitosan potasyum persülfat (KPS) varlığında degrede edildi ve üç farklı molekül ağırlığına sahip kitosanlar elde edilerek aşı kopolimeri sentezinde kullanıldı. Farklı molekülül ağırlıklarındaki (19,2 kg/mol-216,9 kg/mol) kitosanlar ve farklı zincir uzunluklarındaki (20-50 ünite) PDMAPMAAm homopolimerleri kullanılarak sentezlenen aşı kopolimerleri 1H-NMR spektroskopisi ve GPC ile karakterize edildi. Kullanılan ana zincirlerin ve kitosanın türüne bağlı olarak birbirinden farklı dal sayılarına sahip ve farklı molekül ağırlıklarına sahip aşı kopolimerleri elde edildi. Sentezlenen aşı kopolimerlerinin hücre içi çalışmalarda uygulanabilirliğinin araştırılması amacıyla hemolitik aktivite testleri yapıldı. Hem PDMAPMAAm makroCTA yapılarının hem de görece yüksek molekül ağırlıklı kitosanlarla sentezlenen aşı kopolimerlerinin belirli konsantrasyonların altında hemolitik aktivitesinin olmadığı belirlendi ve taşıyıcı polimer olmaya aday olan aşı kopolimerlerin kullanımları için konsantrasyon sınırları belirlendi. Ardından, aşı kopolimerlerinin tampon kapasiteleri incelendi ve endozomal kaçış yeteneği sergileyip sergileyemeyecekleri değerlendirildi. Sentezlenen CsgD aşı kopolimerlerinin endozomal aralıkta tampon kapasitelerinin 20-33% aralığında olduğu görüldü. Aşı kopolimerlerinin tampon kapasitesi değerlerinin PDMAPMAAm makroCTA zincirlerine bağlı olarak belirgin bir fark göstermediği ancak hemolitik aktivite sonuçlarını doğrular nitelikte kullanılan kitosanın molekül ağırlığına göre değişiklik gösterdiği bulgulandı. Biyolojik çalışmalarda kullanılması hedeflenen aşı kopolimerlerinin biyomoleküllerle etkileşimini incelemek amacıyla Tripolifosfat (TPP) molekülleri ile iyonotropik jelleşme sonucu kompleksler (CsgD/TPP) oluşturuldu. Öncelikle komplekslerin görsel olarak çözelti/nanojel/çökelti sınırları ile uygun CsgD:TPP bağlanma oranlarına karar verildi. Ardından DLS cihazı ile komplekslerin boyut, PDI ve zeta potansiyelleri belirlendi. Sentezlenen aşı kopolimerlerinden bazılarının boyut ve PDI değerleri hücre içi çalışmalara uygunken bazılarının ise boyutları hücre içi kullanıma uygun bulunmadı. Tüm karakterizasyonları ve testleri tamamlanan aşı kopolimerlerinin biyolojik uygulamalar için tasarlanacak taşıyıcı polimerler açısından bir ön çalışma olması hedeflendi. Elde edilen sonuçların ileride yapılacak çalışmalarda araştırmacılar için taşıyıcı polimerlerin sentez koşulları ve yöntemleri, hemolitik aktivitesi, tampon kapasitesi ve kompleks oluşum koşullarının belirlenmesi açısından geniş bir kaynak sunduğu düşünülmektedir.

Özet (Çeviri)

Since ancient times, diseases and their treatment methods have been and still are the subject of much research. Through interdisciplinary research, numerous diagnostic and therapeutic approaches have been established over time. Factors such as low bioavailability, inadequate dosage, toxic effects, and short half-life in conventional treatment methods have necessitated the design of novel application systems. Innovative treatment methods such as smart drug delivery systems and gene therapy have emerged with modern medicine. Polymers, which are frequently used in industrial fields, draw attention with the advantages they offer in biological applications such as drug/gene delivery systems. Polymeric systems designed for biomedical applications can exhibit high mechanical strength in systemic circulation and high transfection efficiency. On the other hand, they are sensitive to the target and contain functional groups suitable for modification, which is highly advantageous for biological applications. Polymers can create biocompatible, biodegradable, and highly bioavailable carrier systems. In addition, their availability for modification due to their functional groups allows them to be customized physicochemically and biochemically. Natural polymers are generally preferred when synthesizing polymeric carriers that enable the creation of target-sensitive systems. Although they provide high biocompatibility, biodegradability, and bioavailability in biological applications, natural polymers can cause problems such as poor mechanical strength and solubility when used alone. Such disadvantages of natural polymers limit their application areas, especially in biological studies. Natural polymers can be modified with synthetic polymers to overcome these limitations and improve their physicochemical/biochemical properties. In addition, polymeric systems intended for use in biological applications should not have hemolytic activity. In addition to the high blood compatibility of polymeric systems intended for use in intracellular studies, they must also be able to interact with and enter the cell, escape the endosomal cycle, and release the biological macromolecule they carry. Chitosan (Cs), a polysaccharide with low cytotoxicity, high biocompatibility, and biodegradability, is frequently used in biological applications. In addition, its structure is open to modifications due to the functional groups it contains, such as -NH2/-OH. Although chitosan is widely used in biological applications due to its advantages, it also has disadvantages, such as dissolving only in weak acidic solutions, poor mechanical strength, and low transfection efficiency. Modifying chitosan, which will be used for biological applications, is very popular to overcome these limitations. The graft copolymerization method, which enables modification via amine groups using 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC)/ N-hydroxysuccinimide (NHS) coupling agents, is frequently used among the various chemical methods used to modify chitosan. Synthetic monomers derived from acrylate and acrylamide are generally preferred in the modification of chitosan. Such monomers increase the solubility of chitosan, improve cell interactions, and increase transfection efficiency, thus expanding its application areas. Besides, chitosan provides advantages in cell-targeted studies due to its cationic structure, shows a specific buffer capacity thanks to the protonable -NH2 groups it contains in its structure, and can contribute to endosomal escape. This thesis aimed to improve the physicochemical and biochemical properties of chitosan by using a synthetic polymer, poly(N-[3-(dimethylamino)propyl]methacrylamide) (PDMAPMAAm). Its monomer, DMAPMAAm, is widely used in biological applications due to its greater biocompatibility and lower cytotoxicity compared to its derivatives. It is essential to determine the branch lengths and molecular weights of both the main chains and the graft copolymers of the structures targeted for use in biological applications. Thus, 4-Cyano-4-(phenylcarbonothioylthio)pentanoic acid (CPADB) was used as a raft agent to polymerize the DMAPMAAm monomer by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT), and PDMAPMAAm macroCTA structures with carboxyl ends were obtained. A series of experiments was carried out to find the optimal conditions for synthesizing PDMAPMAAm macroCTAs. Factors such as the type of solvent used, initiator, raft agent, and pH were examined, and the most suitable conditions were selected according to the type of monomer and raft agent used. In addition, necessary arrangements have been made to solve the problem of whether the CPADB is hydrolyzed or not, to work most efficiently, and to manage controlled polymerization. The synthesized PDMAPMAAm macroCTA structures were characterized by UV-VIS spectrophotometry and 1H-NMR spectroscopy. Due to the selected raft agent, the maximum absorbance peak of the benzene ring at the end of the macroCTAs was used to determine the molecular weight and degree of polymerization. Targeted short-chain (20, 30, 40, 50 units) PDMAPMAAm macroCTAs were synthesized, and the results were found to be reproducible. The carboxyl ends of macroCTAs synthesized in desired chain lengths were activated with EDC/NHS coupling agents, and graft copolymerization was carried out by forming amide bonds with the amine groups of chitosan. Chitosan-graft-poly(N-[3-(dimethylamino)propyl]methacrylamide) graft copolymers (CsgD) were synthesized using chitosans of three different molecular weights degraded in the presence of KPS initiator and characterized by 1H-NMR spectrophotometry and GPC. Depending on the type of main chains and chitosan used, graft copolymers with different branch numbers and molecular weights were obtained. The suitability of the graft copolymers for intracellular studies was investigated. Thus, hemolytic activity and buffer capacity tests were performed. It was observed that the graft copolymers and the parent polymers, except the lowest molecular weight chitosan and the graft copolymers synthesized from it, had no hemolytic activity below specific concentrations. When the buffer capacities were examined, it was seen that the graft copolymers had a certain buffer capacity in the endosomal space, and their use in biological applications was evaluated. In addition, complexes with TPP molecules (CsgD/TPP) were formed to examine their interaction with biomolecules in their intracellular use, and solution/nanogel/aggregate boundaries were determined visually. Then, size, PDI, and zeta potentials were examined with DLS. All characterizations and tests of the graft copolymers, which are aimed at being a preliminary study in terms of carrier polymers to be designed for biological applications, have been completed. The results are thought to provide a wide range of sources in terms of synthesis conditions and intracellular studies for future studies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    244813

    Biyokimyasal uygulamalar için manyetik özelliğe sahip biyopolimerik nanokürelerin hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation and characterization of magnetically responsive biopolymeric nanospheres for biochemical applications

    DOĞA KAVAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    KimyaHacettepe Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİR BAKİ DENKBAŞ

  2. Tez No

    874174

    Characterization of Turkish bee products such as propolis, pollen and royal jelly in terms of bioactive components, health effects and encapsulation

    Türkiye'ye ait arı sütü, propolis ve polen gibi arı ürünlerinin biyoaktif bileşenler, sağlık etkileri ve enkapsülasyonu açısından karakterizasyonu

    ÜMİT ALTUNTAŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK

  3. Tez No

    216744

    Preparation and characterization of biochemically modified polymeric carriers for cancer therapy

    Kanser tedavisinde kullanılmak üzere biyokimyasal olarak modifiye edilmiş polimerik taşıyıcıların hazırlanması ve karakterizasyonu

    EYLEM ÖZTÜRK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    BiyokimyaHacettepe Üniversitesi

    Biyokimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİR BAKİ DENKBAŞ

    PROF. DR. GABRİEL LOPEZ BERESTEİN

  4. Tez No

    677562

    Rejeneratif tıp uygulamaları için osteokondüktif biyopolimer/bor minerali temelli biyokompozit iskelelerin üretimi ve karakterizasyonu

    Construction and characterization of osteoconductive biopolymer/boron mineral-based biocomposite scaffolds for regenerative medicine applications

    FATMA CAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    BiyokimyaÇanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi

    Biyomühendislik ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ YAVUZ EMRE ARSLAN

  5. Tez No

    507081

    Bolu ilinde yetişen alıç (Crataegus spp.) genetik kaynaklarının fizikokimyasal ve moleküler karakterizasyonu

    Physicochemical and molecular characterization of hawthorn genetic resources (Crataegus spp.) from Bolu province

    AYSEN GÜRLEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    ZiraatAbant İzzet Baysal Üniversitesi

    Bahçe Bitkileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MÜTTALİP GÜNDOĞDU

Geri Dön