Geri Dön

High-throughput production of drug-loaded microparticles using a microfabricated nozzle array

Mikrofabrikasyonlu nozul dizisi kullanilarak ilaç yüklü mikropartiküllerin yüksek kapasiteli üretimi

PDF İndir

  1. Tez No: 966317
  2. Yazar: SÜLEYMAN ÇELİK
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULHALİM KILIÇ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyoteknoloji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Biotechnology, Physics and Physics Engineering, 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: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 122

Özet

Kontrollü ilaç salım sistemleri, modern tedavi yaklaşımlarında etkinlik, güvenlik ve hasta uyumu açısından ciddi avantajlar sunan yenilikçi teknolojilerdir. Geleneksel ilaç uygulamalarının çoğu, kandaki ilaç konsantrasyonunun hızlı iniş çıkışlarına sebep olmakta; bu durum terapötik etkilerin azalmasına veya toksik dozlara ulaşılmasına yol açabilmektedir. Bu nedenle, etkin maddenin hedef bölgeye zaman kontrollü şekilde taşınmasını sağlayan polimer bazlı mikropartiküller, farmasötik araştırmaların merkezinde yer almaktadır. Özellikle biyobozunur ve biyouyumlu özellik gösteren polimerler ile sentezlenen mikropartiküller, ilacın kontrollü salımını mümkün kılarak, hem farmakokinetik hem de farmakodinamik parametreleri optimize etme imkânı sunmaktadır. Bu bağlamda, bu çalışmada tanıtılan Mikropartikül Üretim Sistemi (MPS), yüksek verimli, homojen yapıda ve kontrollü boyut dağılımına sahip mikropartiküllerin üretilmesine olanak tanıyan, mikroüretim teknolojilerine dayalı bir platformdur. Sistem, mikroişlenmiş püskürtme nozulu dizisinin piezoelektrik bir transdüserle entegre edilmesiyle çalışmakta, bu yapı sayesinde polimer çözeltisi mikrodamlacıklar hâlinde atomize edilerek parçacık oluşumu sağlanmaktadır. Oluşan damlacıklar, sistemin tasarlanan hava akışı ve kurutma düzenekleriyle katı partiküllere dönüşmekte, böylece geleneksel yöntemlere kıyasla daha tutarlı ve ölçeklenebilir bir üretim süreci gerçekleştirilmiş olmaktadır. Çalışmada taşıyıcı polimer olarak, yaygın biçimde ilaç taşıma sistemlerinde tercih edilen Poli(D,L-laktid-ko-glikolid) (PLGA) kullanılmıştır. PLGA'nın parçalanabilirliği, salım süresini kontrol etme imkânı sunmakta; yüzey özellikleri, yükleme kapasitesi ve biyolojik bozunma profili sayesinde farklı farmasötik formlarda kullanılabilmektedir. PLGA, burada farklı çözücülerle çözündürülerek püskürtme sistemine aktarılmış, bu çözücülerin buharlaşma hızlarının mikropartikül morfolojisi üzerindeki etkileri kapsamlı biçimde incelenmiştir. DCM (diklorometan) ve DMC (dimetil karbonat) çözücüleriyle hazırlanan PLGA çözeltileri karşılaştırıldığında, çözücü seçiminin partikülün hem yüzey morfolojisini hem de iç yapısını doğrudan etkilediği belirlenmiştir. DCM'nin yüksek uçuculuğu sayesinde hızlı buharlaşma gerçekleşmiş ve bu durum partikül yüzeyinde belirgin gözenekliliğe yol açmıştır. Bu yapı, kontrollü salım açısından avantajlı bir mimari sunmaktadır. DMC ile hazırlanan partiküller ise daha düz yüzeyli ve gözeneksiz bir yapı sergilemiş, ancak partikül boyutları daha geniş bir dağılıma yayılmıştır. Bu durum, buharlaşma hızının partikül oluşumu sırasında damlacıkların yeniden koalesans (birleşme) eğilimini etkilediğini göstermektedir. Geliştirilen sistemle üretilen partiküllerin ortalama boyutu 8.9 ± 1.7 µm olarak ölçülmüş ve boyut homojenliği oldukça yüksek bulunmuştur. Bu değer, partikül temelli salım sistemlerinde istenen hedef aralıklar içerisinde yer almakta ve hedeflenebilir biyolojik sistemler için elverişli bir profil çizmektedir. Üretim sürecinde sistemin rezonans frekansı 46.7 kHz olarak belirlenmiş ve atomizasyon işlemi bu frekans üzerinden gerçekleştirilmiştir. Üretilen mikropartiküller, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile analiz edilerek yüzey yapısı değerlendirilmiş; ayrıca odaklanmış iyon ışını (FIB) kesiti alınarak iç yapıları detaylı biçimde incelenmiştir. Model ilaç olarak kullanılan kloramfenikol (CHL), geniş spektrumlu bir antibakteriyel ajandır ve sistemin ilaç yükleme ve salım performansını değerlendirmek amacıyla PLGA matrisine entegre edilmiştir. CHL, etanol içinde çözülerek DCM bazlı PLGA çözeltisine karıştırılmış, ardından MPS sistemi ile mikropartiküllere dönüştürülmüştür. Üretilen CHL-yüklü partiküllerde yükleme verimi %16.2, kapsülleme verimi ise %38.7 olarak hesaplanmıştır. Bu değerler, sistemin biyolojik ajanları taşıma kapasitesinin makul düzeyde olduğunu göstermektedir. CHL'nin mikropartiküllere başarıyla yüklendiği, yapılan EDS (enerji dağılımı spektroskopisi) analizleriyle doğrulanmıştır. PLGA yapısında doğal olarak bulunmayan klor (Cl) elementinin CHL-yüklü partiküllerde tespit edilmesi, yüklemenin başarıyla gerçekleştiğinin kanıtı olarak sunulmuştur. Ayrıca FTIR spektroskopisi ile yapılan değerlendirmelerde, CHL'nin bazı işlevsel gruplarının PLGA matrisiyle fiziksel düzeyde etkileşime girdiği ancak yapısal bütünlüğü bozmadığı gözlemlenmiştir. Bu durum, ilaç-polimer etkileşiminin kimyasal bağlanma yerine fiziksel bütünleşmeye dayandığını, dolayısıyla ilaç stabilitesinin korunarak salım profilinin yönlendirilebileceğini göstermektedir. CHL yüklü mikropartiküllerin in vitro salım profili, PBS içerisinde 100 saat boyunca takip edilmiştir. Salım eğrisi, üç fazlı klasik bir ilaç salım davranışı göstermiştir. İlk fazda, partikül yüzeyine yakın konumlanmış ilaçların hızlı çözünmesiyle gerçekleşen bir“burst”salım evresi gözlenmiştir. Bunu, partikül matrisinin içinden ilacın yavaş ve sürekli difüzyonu ile gerçekleşen ikinci faz izlemiştir. Son fazda ise PLGA polimer matrisinin su ile etkileşime girerek hidrolize olması sonucu matrisin bozulmasıyla birlikte, kalan ilacın hızla dışarı salındığı bir dönem meydana gelmiştir. Bu üçlü salım modeli, PLGA'nın parçalanabilir yapısının kinetiğe olan etkisini net biçimde ortaya koymaktadır. Mikropartiküllerin biyolojik etkisi ise Escherichia coli (E. coli) bakterisi kullanılarak değerlendirilmiştir. Deney grupları arasında serbest CHL, sadece PLGA, CHL yüklü PLGA ve negatif kontrol (yalnızca bakteri) olmak üzere dört farklı koşul oluşturulmuştur. Bu deneysel düzende, CHL yüklü PLGA partiküllerinin bakteriyel büyümeyi baskıladığı gözlenmiş, özellikle 8 saat sonrasında ilaç salımının yeterli düzeye ulaşmasıyla birlikte bakteriyel çoğalmanın neredeyse tamamen inhibe edildiği belirlenmiştir. Serbest CHL'nin daha erken etki gösterdiği görülmüş olsa da, CHL yüklü partiküllerin daha uzun süreli bir antibakteriyel etkinlik sağladığı dikkat çekmektedir. Bu, sistemin sürdürülebilir ve kontrollü salım özelliklerini biyolojik bağlamda da doğrulamaktadır. MPS sistemi, klasik üretim yöntemleriyle karşılaştırıldığında hem teknik hem de operasyonel açıdan birçok avantaj sunmaktadır. Özellikle spray drying gibi ısıya duyarlı ilaçlar açısından sakıncalı olabilecek yöntemlerin yerine, düşük sıcaklıkta çalışan ve yüksek hassasiyet sunan bir alternatif sağlamaktadır. Emülsiyon bazlı tekniklerde yaşanan boyut kontrolsüzlüğü, fazlar arası geçişlerde yaşanan dengesizlikler gibi problemler bu sistemde gözlenmemektedir. Ayrıca mikroakışkan çip tabanlı yöntemlere kıyasla daha yüksek verim ve operasyon kolaylığı sunmaktadır. Sonuç olarak, geliştirilen MPS sistemi, ilaç yüklü mikropartikül üretiminde hem akademik araştırmalarda hem de farmasötik endüstride kullanılabilecek potansiyele sahip, ölçeklenebilir ve etkin bir teknolojik platformdur. Sistem, yüksek frekanslı atomizasyon mekanizması sayesinde kontrollü boyutlarda mikropartiküller üretmekte; çözücü seçimi, partikül morfolojisi ve ilaç yükleme-salım özellikleri üzerinde doğrudan etki sağlamaktadır. Bu yönüyle, özellikle hedefe yönelik tedaviler, uzun süreli salım sistemleri, aşı taşıyıcı yapılar ve lokal tedavi yaklaşımları gibi birçok alanda uygulanabilirliği mümkündür. Gelecekte, farklı polimer kombinasyonları, çoklu ilaç yükleme stratejileri ve biyomoleküllerin (DNA, RNA, protein vb.) taşınması gibi alanlara uyarlanarak sistemin fonksiyonel kapsamı daha da genişletilebilir.

Özet (Çeviri)

Controlled drug delivery systems have emerged as a promising solution to the limitations associated with conventional therapeutic approaches. Traditional drug administration often leads to fluctuating plasma concentrations, resulting in reduced efficacy or undesirable side effects. In contrast, polymer-based microsphere systems allow for a more controlled, sustained release of active agents, improving therapeutic outcomes and patient compliance. Among these, biodegradable and biocompatible polymeric microparticles stand out for their ability to encapsulate and gradually release pharmaceuticals in a site-specific and time-regulated manner. In this context, the present study introduces a novel Microparticle Production System (MPS), specifically designed to generate microparticles with high throughput, controlled size distribution, and consistent morphology. The system operates by integrating a microfabricated nozzle array and a piezoelectric transducer, enabling the atomization of polymer solutions into uniform microdroplets. These droplets are subsequently solidified via a drying process, forming solid microparticles. This system offers significant advantages in process control, scalability, and particle uniformity compared to conventional methods, making it particularly suitable for sensitive pharmaceutical applications. The polymer selected for microparticle formation was poly(D, L-lactide-co-glycolide) (PLGA), a widely used material in drug delivery systems due to its biodegradable nature and tunable degradation profile. PLGA enables encapsulation of both hydrophilic and hydrophobic drugs and allows for controlled drug release over extended periods. In this study, PLGA was dissolved in two different organic solvents—dichloromethane (DCM) and dimethyl carbonate (DMC)—to investigate the impact of solvent volatility on particle morphology. The different evaporation rates of these solvents led to distinct outcomes in particle structure. DCM, being more volatile, induced rapid solvent removal, resulting in porous surfaces ideal for drug diffusion. On the other hand, DMC allowed for a slower evaporation process, producing smoother but smaller size-uniform particles. Microparticles produced via the MPS system displayed a mean diameter of 8.9 ± 1.7 µm, reflecting excellent size uniformity across batches. The system was operated at a resonant frequency of 46.7 kHz, a setting optimized to ensure consistent atomization and droplet formation. Scanning electron microscopy (SEM) revealed differences in surface texture based on solvent choice. At the same time, focused ion beam (FIB) sectioning provided insights into the particles' internal lamellar and porous architecture. These analyses confirmed that the solvent evaporation dynamics strongly influenced both the surface and internal structures, thereby affecting the particles' mechanical integrity and drug release behavior. To evaluate the drug loading and release performance of the MPS system, chloramphenicol (CHL) was used as a model active pharmaceutical ingredient. CHL was first dissolved in ethanol and subsequently mixed with the PLGA-DCM solution to form a uniform polymer-drug mixture. This solution was then processed through the MPS system to yield drug-loaded microparticles. The resulting particles exhibited a loading efficiency of 16.2% and encapsulation efficiency of 38.7%, indicating the system's capability to successfully incorporate and retain drug molecules within the polymer matrix. The presence of CHL within the microparticles was confirmed through energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), which detected chlorine, a unique element found in CHL but absent in PLGA, in the particle composition. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) explored potential interactions between the polymer and the drug. While certain functional groups indicated minor physical interactions, no substantial changes in the PLGA backbone were observed, suggesting that CHL was physically incorporated without altering the polymer's chemical structure. In vitro drug release studies were conducted over 100 hours in phosphate-buffered saline (PBS) at 37°C. The release profile followed a characteristic triphasic pattern: an initial burst phase due to the rapid dissolution of surface-bound drug, a slower sustained release phase governed by diffusion through the polymer matrix, and a final accelerated phase corresponding to the degradation of the PLGA structure. This triphasic behavior is highly desirable in controlled release systems, where early therapeutic concentrations followed by prolonged drug presence are often needed. To assess the biological functionality of the drug-loaded particles, Escherichia coli (E. coli) cultures were exposed to four experimental groups: free CHL (positive control), plain PLGA particles, CHL-loaded PLGA particles, and a negative control containing only E. coli. Viability assays demonstrated that while the plain PLGA had no impact on bacterial growth, CHL-loaded PLGA microparticles significantly inhibited bacterial proliferation, particularly after 8 hours, coinciding with the time drug concentration became therapeutically effective. The free CHL group showed immediate inhibition, but the sustained activity offered by the CHL-loaded particles highlighted the controlled release functionality of the system. The MPS system presents numerous practical benefits compared to conventional microparticle fabrication methods such as emulsion evaporation, spray drying, and microfluidics. Traditional techniques often struggle with size heterogeneity, drug loss, or low production rates. Moreover, heat-based methods like spray drying can degrade thermosensitive drugs. In contrast, the MPS system enables precise control over droplet size, does not require elevated temperatures, and offers scalability for industrial production. Its compatibility with various polymer and drug combinations further enhances its applicability. The implications of this work extend beyond the scope of the current study. The MPS system is a viable platform for controlled antibiotic delivery and has potential applications in cancer therapy, vaccine formulation, gene delivery, and localized treatment of chronic conditions. Its ability to produce structurally stable, chemically inert, and biologically effective microparticles makes it suitable for systemic and localized drug delivery approaches. Furthermore, its modularity allows for future customization, such as the incorporation of targeting ligands or stimuli-responsive release mechanisms. In summary, the study introduces a reliable, scalable, and efficient system for producing drug-loaded PLGA microparticles with highly desirable characteristics for controlled release applications. The integration of microfabrication and piezoelectric atomization technologies enables the fine-tuning of particle size and morphology, while maintainig a high throughput. The system's success in encapsulating chloramphenicol and sustaining its release over an extended period demonstrates its potential in delivering pharmaceutical agents effectively and safely. With further optimization and adaptation to various therapeutic agents, the MPS platform may be a foundational technology in developing next-generation drug delivery systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    943116

    Developing drug loaded hydrogels coated intraocular lenses using microfluidics for ocular drug delivery

    Oküler ilaç dağıtımı için mikroakışkanlar kullanılarak ilaç yüklü hidrojellerle kaplanmış göz içi lenslerin geliştirilmesi

    İSMAİL BAL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Göz HastalıklarıGebze Teknik Üniversitesi

    Disiplinlerarası Nanobilim ve Nanomühendislik Ana bilim Dalı

    DOÇ. İSRAFİL KÜÇÜK

    YRD. DOÇ. GÜLENGÜL DUMAN

  2. Tez No

    485217

    Hedefli kanser tedavisine yönelik kil katkılı nanopartikül üretimi ve modellenmesi

    Production and modeling of clay additive nanoparticle for targeted cancer treatment

    DENİZ KARATAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Biyokimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET SABRİ ÇELİK

    DOÇ. DR. ADEM TEKİN

  3. Tez No

    802027

    Production of antibacterial biobased blends for biomedical use

    Biyomedikal alanlarda kullanılmak üzere antibakteriyel özellikli biyobazlı harmanların eldesi

    METE DERVİŞCEMALOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  4. Tez No

    647346

    Development of high throughput methods for high capacity expression and purification of novel antimicrobial peptides to be used in medicine

    İlaç olarak kullanılmak üzere tasarlanan antimikrobiyal peptitlerin yüksek kapasitede ekspresyonları ve saflaştırılmaları için yöntemlerin geliştirilmesi

    GİZEM BOSKAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    BiyokimyaAcıbadem Mehmet Ali Aydınlar Üniversitesi

    Tıp Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGE CAN

  5. Tez No

    847213

    Recombinant production and biochemical analysis of 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase for drug development studies

    İlaç gelıştirme çalışmaları için 1-deoksi-D-selüloz 5-fosfat redüktoizomerazın rekombinant üretimi ve biyokimyasal analizi

    MARIA ORLENCO

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DİLEK BALIK

    PROF. DR. BJÖRN WINDSHÜGEL

Geri Dön