Temel bileşeni n-izopropilakrilamit olan, özellikleri değiştirilmiş kompozit hidrojellerin şişme, ilaç salım ve mekanik davranışlarının incelenmesi

N-izopropilakrilamit (NIPAAm) sıcaklığa duyarlı doğrusal ve/veya çapraz bağlı polimer sentezinde yaygın olarak kullanılan monomerlerden biridir. Bu çalışmada, geleneksel poli(N-izopropilakrilamit) (PNIPAAm) hidrojellerinin (gNH) başta mekanik özelliklerinin değiştirilmesi/iyileştirilmesi olmak üzere, şişme, ilaç salım ve biyouyumluluk gibi özelliklerinin de geliştirilmesi amacıyla çeşitli modifikasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu modifikasyonlar; (i) polimerizasyon çözücüsü olarak gNH'lerinin sentezinde sıklıkla kullanılan destile deiyonize su (DDS) yerine 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltilerinin kullanılması (modifiye geleneksel PNIPAAm hidrojelleri:mgNH), (ii) çapraz bağlayıcı olarak N,N'-metilenbisakrilamit (BIS) yerine laponit (LP), Na-montmorillonit (MMT) ve oktadesilamin-montmorillonit (ODA-MMT) gibi inorganik çok tabakalı smektitlerin kullanılması (modifiye kompozit PNIPAAm hidrojelleri:mkNH), (iii) sentez çözücüsü ve tabakalı silikatların dispersiyon ortamı olarak kullanılan 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltilerinin aynı zamanda polimerizasyon hızlandırıcısı olarak da görev yapması ve böylece geleneksel PNIPAAm hidrojellerin sentezinde sıklıkla kullanılmış olan polimerizasyon hızlandırıcısının (N,N,N',N'-tetrametiletilenediamin – TEMED) reaksiyon ortamından çıkarılması, (iv) katyonik ve zwitteriyonik komonomerler kullanılarak modifiye geleneksel ve modifiye kompozit kopolimer PNIPAAm hidrojellerinin sentezlenmesi (modifiye geleneksel kopolimer PNIPAAm hidrojelleri:mgkNH ve modifiye kompozit kopolimer PNIPAAm hidrojelleri:mkkNH) ve (v) mekanik özellikler bakımından yeterli değişmenin/iyileşmenin sağlanamadığı mkkNH'lerinin tam-içiçe geçmiş ağyapılarının (IPN) sentezlenmesidir (modifiye tam-IPN kopolimer PNIPAAm hidrojelleri:m(IPN)kNH). Özetle bu tez çalışmasındaki hidrojel sentezleri polimerizasyon hızlandırıcısı ve organik çapraz bağlayıcı molekülün olmadığı, sentez ortamında olabilecek en az sayıdaki organik bileşenin bulunduğu ve en yüksek biyouyumluluğu sağlayacak koşulların yaratıldığı bir ortamda gerçekleştirilmiştir. Bu modifikasyonlar sonucunda elde edilmiş olan mgNH, mkNH, mgkNH, mkkNH ve m(IPN)kNH'lerinin (a) 30o-45oC aralığındaki tek eksenli sıkıştırma testlerinden elde edilen sıkıştırma modülü değerleri, (b) hidrojel disklerin 30o-45oC aralığındaki çap ve yükseklik ölçümlerinden yararlanılarak hesaplanan V/Vo değerleri, (c) XRD, FTIR, SEM-EDS ve kondüktometrik titrasyonlar ile belirlenen yapısal ve yüzeysel özellikleri, (d) kan uyumlulukları, (e) E.coli'ye karşı antibakteriyel aktiviteleri, (f) tuzlu fosfat tampon (PBS) (pH 7.4) içerisindeki dinamik şişme davranışları, (g) 30oC ve pH 2.0-12.0 aralığındaki faz geçiş davranışları ve (h) Gentamisin (GS) salım özellikleri incelenmiştir. Bu tezde, modifiye PNIPAAm hidrojellerinin malzeme özellikleri üzerine polimerizasyon süresinin etkileri de incelenmiştir. Özellikle kompozit hidrojellerin sıkıştırma modül değerlerinin sentez süresine bağlı olarak artış göstermesi polimerizasyon reaksiyonlarının iki hafta boyunca polimerizasyon koşullarına da bağlı olarak devam ettiğini göstermiştir. Ayrıca, bu tez çalışmasında literatür çalışmalarından farklı şekilde, polimerizasyon ortamı olarak kullanılan 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltilerinin ve uzun polimerizasyon sürelerinin NIPAAm esaslı hidrojeller üzerine hidroliz edici bir etkisi olup olmadığını görmek amacıyla, seçilen örnekler ile kondüktometrik titrasyonlar yapılmıştır. Kontrol hidrojeli olarak seçilen, DDS içerisinde TEMED varlığında ve 24 saatlik polimerizasyon süresi ile sentezlenmiş gNH'inde gözlenen –COOH grubu varlığı % 0.66 mol olarak tespit edilmiştir. 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltilerinde polimerizasyon süresinin 2 haftaya kadar uzatıldığı mgNH'lerinde de hesaplanan -COOH grubu miktarları % 0.69-0.88 mol civarındadır. Elde edilen kıyaslamalı bulgular, 0.1N ve 0.2N NaOH çözelitleri içerisinde ve maksimum iki haftalık reaksiyon süreleriyle sentezlenen mgNH'lerinde hidroliz yüzdesinin geleneksel PNIPAAm hidrojellerinden farklı olmadığını göstermiştir. mkNH'leriyle yapılan kondüktometrik titrasyon sonuçları da benzer bulgular vermiştir. Ayrıca, mgNH ve mkNH'leri ile birlikte bu hidrojellerde çapraz bağlayıcı olarak kullanılan 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltileri ile muamele edilmiş kil örneklerinin XRD ve FTIR analizleri yapılarak, alkali polimerizasyon ortamının çapraz bağlayıcı olarak kullanılan kil yapılara ve kompozit hidrojellerin yapısal özellikleri üzerine etkileri incelenmiştir. NIPAAm esaslı ağyapılardaki amit, hidroksil, izopropil ve silanol (kompozit hidrojellerde) gibi temel fonksiyonel grupların varlığını koruduğu kanıtlanmıştır. Biyouyumlu malzemelerin sentezinde de kullanılan hidrojellerin en dikkat çekici iki temel özelliği, mekanik özelikler ve hidrofiliklik bakımından canlı dokularla yarışan özelliklere sahip olmalarıdır. Bu tez çalışmasında, hidrojel sentezleri için, DDS yanında, literatür çalışmalarından farklı olarak 0.1N ve 0.2N NaOH çözeltileri de polimerizasyon ortamı olarak kullanılmıştır. Bu çalışmadaki sentez koşullarından 0.1N NaOH'in hidrojellerin şişme kapasitelerini koruduğu ve 30o-45oC aralığındaki sıkıştırma modül değerlerinde de önemli iyileşme sağladığı bulgusuna ulaşılmıştır. mkNH'leri ve mkkNH'lerinde çapraz bağlayıcı olarak kullanılan inorganik çok fonksiyonlu kil yapıların (NIPAAm'a göre ağırlıkça %10 oranında) hidrojellerin sıkıştırma modülü değerlerini, sentez koşullarına da bağlı olarak değiştirdiği, esnekliği arttırdığı ve malzemelerin hidrofilik karakterlerini güçlendirdiği sonuçlarına ulaşılmıştır. Özellikle, ODA-MMT'nin kullanıldığı mkNH ve mkkNH'lerinde fizyolojik sıcaklık olan 37oC'da incelenen sıcaklık aralığındaki en yüksek elastik modül değerleri de elde edilmiştir. Bu tez çalışmasının temel amaçlarından bir diğeri, özellikleri değiştirilmiş geleneksel ve kompozit PNIPAAm hidrojellerine pH duyarlılığı ile birlikte antibakteriyel aktivite kazandırmaktır. Bu nedenle, herbiri birer amid türevi olan ve molekül yapısı bakımından temel bileşen olan NIPAAm'e benzerlik gösteren üç farklı komonomer; N-[3-(dimetilamino)propil]metakrilamit (DMAPMAAm), 3-(metakrilamino)propil trimetilamonyum klorür (MAPTAC) ve N,N-dimetil-N-(3-metakrilamidopropil)-N-(3-sülfopropil) amonyum betain (SBMAAm) kullanılmıştır. mgkNH'leri çapraz bağlayıcı olarak BIS, mkkNH'leri ise ODA-MMT kullanılarak sentezlenmişlerdir. mgNH'leri ve mkNH'lerinin tek eksenli sıkıştırma testlerinden elde edilen bulgular dikkate alınarak, kopolimer hidrojellerin sentezi için polimerizasyon ortamı 0.1N NaOH ve polimerizasyon süresi bir hafta olarak belirlenmiştir. BIS ile çapraz bağlanmış eşdeğerlerine kıyasla daha düşük modül değerlerine sahip olan PNIPAAm/MAPTAC ve PNIPAAm/SBMAAm kompozit hidrojellerinin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla, m(IPN)kNH'leri de sentezlenmiştir. m(IPN)kNH'lerine uygulanan tek eksenli sıkıştırma testleri, (i) PNIPAAm/DMAPMAAm IPN hidrojelin başlangıç modül değerinin, geleneksel ve kompozit PNIPAAm/DMAPMAAm hidrojelleri arasında olduğunu, buna karşılık esnekliğin ve dayanımın ise IPN hidrojelde belirgin derecede yüksek olduğunu, (ii) PNIPAAm/SBMAAm IPN hidrojelde başlangıç modül değerinin, geleneksel ve kompozit SBMAAm hidrojellerinden düşük olduğunu, ancak IPN hidrojelin geleneksel ve kompozit PNIPAAm/SBMAAm hidrojellerine kıyasla çok daha yüksek dayanıma sahip olduğunu, (iii) PNIPAAm/MAPTAC IPN hidrojellerinde ise, başlangıç modül değerlerinin geleneksel PNIPAAm/MAPTAC hidrojeline kıyasla düşük ve dayanımın ise yüksek olduğunu göstermiştir. PNIPAAm/MAPTAC geleneksel kopolimer hidrojelinde gözlenen kırılma, MAPTAC varlığında sentezlenen m(IPN)kNH'inde ortadan kalkmıştır. Sentezlenen hidrojeller arasından seçilen örneklerin oda sıcaklığında PBS içerisindeki dinamik şişme davranışları, 30oC'daki pH'a bağlı (pH 2-12) şişme davranışları ve fizyolojik koşullardaki (37ׄoC ve pH7.4) ilaç salım davranışları da incelenmiştir. Korsmayer-Peppas modeli başta olmak üzere, sıfırıncı mertebe, birinci mertebe, Hixon-Crowell ve Higuchi yarı(ampirik) salım modelleri ve kinetik denklemler kullanılarak hidrojellerin dinamik şişme davranışları ve ilaç salım mekanizmaları belirlenmiştir. Bunun yanında kuvvetli katyonik MAPTAC ve pH'a bağlı olarak iyonize olabilen DMAPMAAm'i %2.5 mol oranında içeren kopolimer hidrojellerin, bu komonomerlerin etkisi ile gösterebilecekleri olası bakterisit özellikler, agar disk difüzyonu metodu (modifiye Kirby-Bauer disk difüzyonu metodu) ile Escherichia coli (E.coli)'ye karşı incelenmiştir. Özellikle gram negatif bakteri grupları üzerinde etkili bir antibiyotik olan Gentamisin kullanılarak, seçilen hidrojellerin ilaç salım özellikleri ve antibakteriyel özellikleri sırasıyla UV-Vis spektroskopisi ve agar disk difüzyonu metodu ile incelenmiştir. Hem geleneksel ve kompozit PNIPAAm hidrojelleri hem de kopolimer PNIPAAm hidrojelleri üzerine uygulanmış disk difüzyonu test sonuçları, gentamisin yüklenmiş hidrojel diskler tarafından oluşturulan inhibisyon alanı çaplarının hidrojellerin, inkübasyon sıcaklığı olan 37oC'daki modül değerleri ile ilişkili olduğunu göstermiştir. Ayrıca, DDS ve 0.1N NaOH ortamlarında sentezlenmiş mgkNH'lerinin, mgNH'lerinden (BIS/0/1 ve BIS/0.1/1) daha düşük modül değerleri ve daha geniş inhibisyon alanlarına sahip oldukları da gözlenmiştir. mgNH, mkNH, mgkNH ve mkkNH'lerinden seçilen örnekler ile, 0.1N NaOH çözeltisi ile muamele edilmiş ODA-MMT örneklerinin hemolitik aktiviteleri, biyolojik bir membran sistemi olarak, sağlıklı insan eritrositleri kullanılarak incelenmiştir. 37°C'da 180 dakika süreyle gerçekleştirilen inkübasyon ardından, hidrojel örnekler ile temas halinde bulunan eritrositlerin % hemoliz oranları, UV-görünür alan spektrofotometre ile belirlenen absorbans değerleri kullanılarak hesaplanmıştır. Sonuçlar, incelenen mgNH, mkNH, mgkNH, mkkNH ve m(IPN)kNH örnekleri için, hemoliz oranlarının kan uyumluluğuna sahip polimerik malzemeler için kabul edilebilir en yüksek hemoliz seviyesi olan %5'in oldukça altında olduğunu göstermiştir. Çalışma kapsamında sentezlenen PNIPAAm hidrojelleri, biyomedikal alanda kullanılacak biyouyumluluğu yüksek, özellikle fizyolojik sıcaklıktaki modül ve dayanımı iyileştirilmiş malzemelerin geliştirilmesi bakımından önemli bir başlangıç çalışmasıdır.