Kontakt Lens Uygulamalarında Kullanılacak Doksisiklin Baskılı Hidrojellerin Deneysel Ve Hesaplamalı Yaklaşımlar İle Geliştirilmesi

Abstract

Bu tezin amacı; günümüzde geniş bir kullanıcı kitlesine sahip, görme kusurlarının düzeltilmesinde kullanılan kontakt lens sentezi için yeni formülasyonlar üretmek; göz tansiyonu, göz kuruluğu, kornea neovaskülarizasyonu gibi kronik göz hastalıklarının tedavisinde ilaç salım özelliği taşıyan kontakt lens için uygun hidrojeller geliştirmektir. Kontakt lensler, görme bozukluklarının giderilmesi, kozmetik ya da tedavi amacı taşıyan optik araçlardır. Günümüzde kullanılan kontakt lensler kullanım kolaylığı sağlamak amacıyla yumuşak özellikte olup hidrojel yapılı malzemelerden üretilmektedir. Hidrojellerin, içerdikleri yüksek su oranı ve kimyasal özellikleri nedeniyle diğer biyomalzemelere oranla biyouyumluluğu daha yüksektir [1]. Kontakt lenslerin yanısıra, kontrollü ilaç salım sistemleri, yara örtüleri, rejeneratif doku iskeleleri, organ astarları, biyosensör membranlar, mikroakışkan vanalar ve absorbanlar hidrojel uygulamaları için örnek oluşturmaktadır [2]. Bu çalışmada biyouyumululuk özelliği yüksek, kontakt lens uygulamalarında kullanılabilecek hidrojel sentezleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan bilimsel çalışmalarda yeni geliştirilen kontakt lenslerin çeşitli hastalıkların tedavisinde kullanılması planlanmaktadır. İlaç moleküllerinin hazırlanan çözeltilerden hidrojellere emdirilmesi, kolloidal partikül olarak hidrojel içine yüklenmesi ya da moleküler baskılama yöntemi ile ilaç salım özelliği taşıyan hidrojellerin üretimi ilaç taşıyan kontakt lens uygulamalarında kullanılan yöntemlerdir. Bu çalışmada emdirme ve baskılama yöntemleri kullanılarak ilaç yüklenen hidrojelin ilaç salım özellikleri incelenmiştir. Çalışmada kontrollü ilaç salım özellikli hidrojellerin üretilmesi için moleküler baskılama yöntemi kullanılmıştır. Moleküler baskılama yöntemi ile hedef moleküle karşı seçici özelliğe sahip, hedef molekülün polimer matrisine baskılanarak o moleküle ait boşluklara sahip polimerler üretilmektedir [3]. Bu yöntem sayesinde baskılanmamış polimere kıyasla moleküllerin hidrojel üzerine tutulumu arttırılabilmektedir. Bu çalışmada baskılanmak üzere doksisiklin hiklat molekülü hedef molekül olarak seçilmiştir. Doksisklin hiklat geniş spektrumlu bir antibiyotik olup, daha önce literatürde baskılanmış lensler ile ilgili bir çalışmada kullanılmamıştır. İlaç salım özelliği taşıyacak hidrojellerin sentezinde uygun monomerlerin seçimi için bilgisayarlı hesaplama yöntemi kullanılmıştır. Moleküler simülasyon yöntemi ile pahalı ve az bulunur monomer ve ilaç moleküllerinin etkileşimleri hesaplanmış, uygun monomer seçimi gerçekleştirilmiştir. Moleküler simülasyon aşamasında kuvantum hesaplamaları, moleküler mekanik (MM) ve moleküler dinamik (MD) yöntemi kullanılmıştır. Kuvantum çalışmalarında Gaussian 09 kullanılarak PubChem veri bankasından elde edilen kalıp molekülü ve fonksiyonel monomerlerin üç-boyutlu yapıları arasındaki xxiv fiziksel etkileşimler hesaplanmıştır. Yapıların optimizasyon ve frekans hesaplamaları B3LYP/6-31+G(d,p) baz seti esas alınarak çözücü (su) ortamında yapılmıştır. Kalıp molekül doksisiklin ve fonksiyonel monomerlerin etkileşimlerini hesaplayabilmek için Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) kullanılmıştır. Gaussian 09 ile yapılan çalışmalarda kalıp molekülün fonksiyonel monomer ile etkileşime girebileceği (özellikle hidrojen bağı kurabileceği) 4 farklı pozisyon belirlenip, bu bölgelerdeki etkileşim enerjileri hesaplanmıştır. Monomer-kalıp molekül arasındaki etkileşim enerjileri SYBYL-X paket programı kullanılarak da hesaplanmıştır. Kuvantum hesaplamalarında olduğu gibi, kalıp molekülün fonksiyonel monomer ile etkileşime girebileceği pozisyonların etkileşim enerjileri araştırılmıştır. Fonksiyonel monomerlerin ve ilaç molekülünün geometrik optimizasyon ve enerji minimizasyonu SYBYL-X programında gerçekleştirilmiştir. Yapılar için geometrik optimizasyon yöntemi olarak Powell yöntemi seçilmiş olup, tolerans 0,001 kkal/mol olarak belirlenmiştir. Minimizasyon işlemi 20000 basamakta gerçekleştirilmiştir. Yapılar üzerine Gasteiger-Hückel yük uygulanmıştır. Kuvvet alanı olarak Tripos kullanılmıştır. Hem Gaussian 09 hem de SYBYL-X ile yapılan hesaplamalara göre itakonik asit, hidroksietil akrilamid, metakrilik asit ve akrilik asit monomerleri ilaç molekülü ile diğer fonksiyonel monomerlere göre daha güçlü etkileşmektedir. İki yazılımdan aynı monomer-ilaç kompleksleri için elde edilen enerji değerleri aynı değildir; bunun nedeni kullanılan enerji minimizasyon metotlarının ve moleküler etkileşim modellerinin farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Ancak elde edilen sonuçlar birbiriyle genel olarak uyumludur. Gaussian 09 ve SYBYL-X yazılımları ile etkileşim enerjileri hesaplanan yapıların MD hesaplamaları Materials Studio 5’in Forcite modülü ile yapılmıştır. Fonksiyonel monomer:doksisiklin sitokiyometrik oranı deneylerdeki gibi 16:1 oranında alınmıştır. MD çalışmaları 298 K’de gerçekleştirilmiş olup, NVT (sabit molekül sayısı, sabit hacim, sabit sıcaklık) şartları uygulanmıştır. Sistemin sıcaklığı Berendsen termostat ile kontrol edilmiştir. Elektrostatik etkileşimler için 12 Å uzaklık (cutoff) alınmıştır. Toplam simülasyon süresi 5 nanosaniyedir. MD çalışmaları sonucunda itakonik asit ve hidroksietil akrilamid monomerleri doksisiklin molekülü ile en iyi etkileşime sahip olan monomerler olarak bulunmuştur. Kuvantum hesaplamaları ve SYBYL-X sonuçları MD çalışmalarını destekler niteliktedir. Çapraz bağ oranının prepolimerizasyon basamağında monomer-kalıp molekül arasındaki etkileşim üzerindeki etkisi MD çalışmaları ile araştırılmıştır. Çalışmanın bu basamağında deneysel olarak da uygulanan monomer oranları simülasyon kutusuna yerleştirilerek çapraz bağlayıcı – doksisiklin ve fonksiyonel monomer – doksisiklin etkileşimleri incelenmiş, deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. MD simülasyonları daha önce belirtilen şartlarda yapılmıştır. Çalışmanın deneysel kısmında, doksisiklin baskılı ve baskısız hidrojeller sentezlenmiş olup, çapraz bağ oranının moleküler baskılama tekniği üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Hidrojel sentezinde ana zincir olarak hidroksi etil metakrilat (HEMA), fonksiyonel monomer olarak akrilik asit (AA), çapraz bağlayıcı olarak etilen glikol dimetakrilat (EGDMA) kullanılmıştır. Isıl başlatıcı olarak 2,2'-azobis(2,4-dimethyl-pentanenitrile) (Vazo52) seçilmiştir. Kalıp molekül olarak doksisiklin hiklat polimer matrisine baskılanmıştır. Serbest radikalik polimerizayon yöntemi kullanılarak baskılı ve baskısız hidrojeller 45 ºC’de 24 saat boyunca sentezlenmiştir. Elde edilen hidrojeller kaynar suda yıkanarak reaksiyona girmeyen monomerler temizlenmiştir. Daha sonra xxv sentezlenen hidrojeller doksisiklin moleküllerinin uzaklaştırılması için oksalik asit : asetonitril : metanol (hacimce 65:15:20) yıkama çözeltisi ile 24 saat süre ile yıkanmıştır. Ardından 24 saat daha metanol ile yıkanan hidrojeller 3 gün boyunca vakum altında 37 ºC’de kurutulmuştur. Sentezlenen hidrojellerin yapısal karakterizasyonu Fourier dönüşümlü kızılötesi (FT-IR) spektroskopisi ile yapılmıştır. FT-IR sonuçlarına göre hidrojel sentezi başarı ile tamamlanmıştır. Baskılı ve baskısız hidrojellerin şişme davranışları, yükleme ve salım sıcaklıkları olan 4 ºC ve 37 ºC’de gerçekleştirilmiştir. Hidrojellerin şişme davranışları incelendiğinde sıcaklığın herhangi bir etkisi olmadığı, fakat doksisiklin moleküllerini polimer yapısından uzaklaştırmak için kullanılan yıkama çözeltisinin şişme davranışını etkilediği görülmüştür.Yıkama çözeltisi ile yıkanan hidrojellerin su tutma kapasitesi yıkanmayanlara oranla daha fazladır Sentezlenen hidrojellerin ısıl karakterizasyonu için diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) cihazı kullanılmıştır. Yıkama çözeltisinin, hidrojellerin ısıl davranışlarını etkilediği belirlenmiştir. Yıkanmış hidrojellerin camsı geçiş sıcaklıkları (Tg) yıkanmayanlara kıyasla daha düşüktür. Sentezlenen ve karakterizasyonu tamamlanan hidrojellerin kontrolllü ilaç salım davranışları incelenmiştir. Sentezlenen hidrojellerin ilaç yüklenme kapasiteleri 4 ºC’de ölçülmüş olup, ilaç salım performansları vücut ortamını uygulamak amacı ile %0.9 NaCl çözeltisi (saline çözeltisi) içinde 37 ºC’de test edilmiştir. Elde edilen yükleme ve salım verilerine göre %3 oranında EGDMA içeren hidrojel moleküler baskılanma özellikleri göstermektedir. Bu oranda EGDMA içeren hidrojele ait baskılanma faktörü (IF) 1’den büyük olup, ilaç salım performansı %3 EGDMA içeren baskılanmamış hidrojele göre daha yüksektir. Baskılanmış ve baskılanmamış hidrojellerin salım kinetikleri sıfır derece, birinci derece salım kinetikleri, Higuchi ve Korsmeyer-Peppas kinetik modelleri uygulanarak değerlendirilmiştir. Yapılan çalışmada üretilen hidrojellere en uygun ilaç salım modelleri Higuchi ve Korsmeyer-Peppas modelleridir. Her iki modelde de baskılı üretilen hidrojellerin hız sabitleri (K) baskılanmamış olanlara oranla daha küçüktür. Bu durum baskılanmış hidrojellerde ilaç salım kinetiğinin daha kontrolllü ilerlediğini göstermektedir.

The aim of this thesis is to develop drug delivery hydrogels for contact lens applications which are used as therapeutic agents for cronic diseases such as high eye pressure, cornea neovascularization, eye dryness etc. Contact lenses are optical instruments which are used for elimination of visual defect or cosmetical and therapeutical purposes. Nowadays, contact lenses are made by hydrogel materials which has high water cater content and biocompatibility due to chemical properties. In the studies, newly developed contact lenses are intended to be used for the treatment of ophthalmological diseases. Drug molecules can be loaded to the contact lenses with various methods such as soaking, molecular imprinting or loading to the polymer matrices with colloidal nonoparticles. In this study, doxycycline hyclate molecules are loaded to the hydrogels by soaking and molecular imprinting methods. In this thesis, molecular imprinting method was preferred to synthesize controlled drug released hydrogels. Imprinted polymers which have special cavities belonged to target molecules, are highly selective against to targets. In this study, doxycycline hyclate molecule is choosen as target molecule which is imprinted to the hydrogel matrices. Doxycycline hyclate which is broad spectrum antibiotic, has not been used as template molecule for contact lens applications in literature. In this study, computational methods were used to select suitable monomers for doxycycline imprinted hydrogel synthesis. In molecular simulation step, quantum mechanics, molecular mechanics and molecular dynamic techniques were used. By using quantum mechanics and molecular mechanics, binding interactions between functional monomers and doxycycline molecule were calculated. Quantum mechanics calculations were carried out with Gaussian 09 and SYBYL-X software was used for molecular mechanics studies. Molecular dynamic studies of functional monomer-doxycycline systems were carried with Material Studio 5.0. Also, the effects of crosslinker on prepolymerization step were investigated with molecular dynamic studies. In this step, interactions of crosslinker-doxycycline-functional monomer were studied to simulate experimental conditions. These results were compared with experimental results. In the experimental part, in order to determine crosslinker effect on drug release performance, doxycycline hyclate imprinted and non-imprinted hydrogels were prepared in various crosslinker ratios (1, 1.5, 2, 3 % mole EGDMA). Imprinted and non-imprinted hydrogels were syntesized by free radical polymerization. Acrylic acid was choosen as functional monomer for polymer synthesis. All hydrogels were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and differential scanning calorimetry (DSC). Also, swelling behaviors of hydrogels were investigated. xxii Doxycycline loading and release performances of both imprinted and non-imprinted hydrogels were investigated. Based on release performances, drug release kinetic profiles were evaluated. According to loading and release performances, doxycycline imprinted hydrogel sample which include 3% mole EGDMA, has higher imprinting factor and more controlled drug release performance compared to other hydrogels.