Mikrosistemlerde Aljinat ve Kitosan Mikropartikül Üretimi ve Karakterizasyonu

Abstract

Son yıllarda araştırmalar tedavi süreçlerinin daha etkili olması için yeni ilaç geliştirme ve geliştirilen ilaçların etkili bir şekilde hedef bölgeye iletilmesi stratejileri üzerine yoğunlaşmıştır. Bu stratejiler ilacın biyoyararlanımını iyileştirmeyi ve sitotoksik etkilerini azaltarak hastanın konforunu arttırmayı hedeflemektedir. Çalışmaların önemli bir kısmı ilaç veya gen taşıyıcı sistemlerini kapsamaktadır. İlaçların kontrollü salınımını sağlayan biyopolimerlerin geliştirilmesinden hedef bölgenin tanınmasını sağlayan protein ya da antikorların keşfedilmesine kadar birçok çalışma bu kapsamda yer almaktadır. Dolayısıyla aktif bileşenlerin mikropartiküller şeklinde enkapsülasyon çalışmaları, ilaç endüstrisi için, düşük çözünürlüğe sahip ilaçların dağılım hızını iyileştirmek ve biyoyararlanımlarını arttırmak açısından önemli bir yer teşkil etmektedir. Biyoyararlanımı arttırmaya yönelik geleneksel yöntemlerden bağımsız olarak, çok farklı partikül ve nanopartikül işleme yöntemleri geliştirilmektedir. Çok miktarda su içeren hidrofilik polimerik ağ yapısına sahip hidrojeller, ilaç moleküllerinin salımında yaygın olarak kullanılan biyomalzemelerdir. Polimerik ağ yapısı kovalent ve iyonik bağlar ya da fiziksel bağları bulunduran çapraz bağlanma ile elde edilir. Polimerik mikro/nanopartiküllerin biyoaktif ajanların vücut içindeki düşük emilim ve biyoyararlanımlarını arttırabileceği düşünülmektedir. Mikroteknoloji ve mikroakışkanlarda meydana gelen ilerlemeler ilaç keşfi, biyoloji, tanı ve doku mühendisliği gibi birçok alanda derin etkilere yol açmıştır. Bu sistemler karmaşık ilaç taşıyıcılarının istenen boyutta ve ilaç içeriğine sahip bir şekilde üretilebilmesini mümkün kılmış ve salım profillerinin daha kesin bir şekilde tahmin edilmesini kolaylaştırmıştır. Bu çalışma kapsamında ilaç moleküllerin terapötik aktivitelerini arttırmak için mikro/nanopartiküller şeklinde enkapsülasyonu için bir yöntem geliştirilmektir. Bu doğrultuda aljinat ve kitosan doğal polimerler kullanılarak, 3B yazıcı yardımıyla mikrofabriaksyonu yapılan farklı geometrilere sahip mikroakışkan aygıtlarında mikro/nano ölçekli partiküller sentezi ve bu partiküllerin karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Sentez basamağında mikropartiküllerin istenen boyutta elde edilebilmesi için mikroakışkan aygıtlarının kanal genişlikleri ve kanallarda fazların akış hızları ve polimer konsantrasyonları optimize edilmiştir. Yapılan denemler sonunda en düşük boyuta sahip mikropartiküller %0.25 kitosan ve %0.25 TPP'nin akış hızı oranı 1:20 olduğu koşullarda (yaklaşık 400 nm) elde edilmiştir. Bu koşullardaki mikropartiküllere yükleme için Ampisilin model biyoaktif molekül olarak kullanılmış ve hem gram pozitif hem de gram negatif bakteriler temsilen farklı bakteriler üzerindeki aktiviteleri test edilmiştir. Biyoaktivite testleri antibiyotik yüklü mikropartiküllerin her iki grup bakteriye karşı yüksek inhibisyon aktivitesi gösterdiğini belirlemiştir. Bu sonuçlar polimerik mikro/nanopartiküllerin ilaçların enkapsülasyonunda başarılı bir şekilde kullanılabileceğini göstermiştir.Bu çalışma Gümüşhane Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü'nce desteklenmiştir. Proje No: 19.F5119.0101 Anahtar Kelimeler: Aljinat, Biyopolimer, Emkapsülasyon, Hidrojel, İlaç, Kitosan, Mikroakışkan, Mikropartikül

In recent years, research has focused on developing novel drugs and effectively strategies for delivering drugs to the target area in order to make treatment processes more effective. These strategies aim to increase the comfort of the patients by improving the bioavailability of the drug and reducing its cytotoxic effects. Significant part of the studies includes drug or gene delivery systems. Many studies, from the development of biopolymers that provide controlled release of drugs to the discovery of proteins or antibodies that provide recognition of the target region, are within this context. Therefore, encapsulation of active ingredients in the form of microparticles is important for the pharmaceutical industry to improve the rate of distribution and increase bioavailability of drugs with low solubility. Regardless of traditional methods to increase bioavailability, lots of different particle and nanoparticle processing methods have been developed.Hydrogels with hydrophilic polymeric network structure containing large amounts of water are commonly used biomaterials in the release of drug molecules. The polymeric network structure is accomplished by covalent and ionic bonds or cross-linking that includes physical bonds. It is assumed that polymeric micro / nanoparticles can increase the low absorption and bioavailability of bioactive agents in the body. Progresses in microtechnology and microfluidics have had profound effects in many areas such as drug discovery, biology, diagnosis, and tissue engineering. These systems made it possible to produce complex drug carriers with the desired size and drug content and facilitated more precise estimation of release profiles. The scope of this study is to develop a method for encapsulation of drug molecules in the form of micro / nanoparticles to increase the therapeutic activities. Accordingly, synthesis and characterization of micro / nanoscale particles using alginate and chitosan natural polymers were carried out in 3D microfabricated microfluidic devices with different geometries. The channel widths of the microfluidic devices, the flow rates of the phases in the channels and polymer concentrations were optimized in order to obtain the microparticles in the desired size during the synthesis. At the end of the conducted experiments, the lowest microparticles size was achieved under conditions for the flow rate ratio of 1:20 of 0.25% chitosan and 0.25% TPP (approximately 400 nm). Ampicillin have been used as model bioactive molecule for loading into microparticles under these conditions and its activities on different bacteria representing both gram positive and gram negative bacteria have been tested. Bioactivity tests concluded that antibiotic loaded microparticles show high inhibition activity against both groups of bacteria. These results showed that polymeric micro / nanoparticles can be applied successfully in encapsulation of drugs. This study has been supported by GümüşhaneUniversity, Scientific Research Projects Coordination Department. Project Number: 19.F5119.0101 Keywords: Alginate, Biopolymer, Emcapsulation, Hydrogel, Pharmaceutical, Chitosan, Microfluidic, Microparticle