Poliüretan Filmlerde Yüzey Pürüzlülüğü Ve Kristalinitenin Protein Adsorpsiyonuna Etkilerinin İncelenmesi

Abstract

İnsan sağlığının korunmasının gelecekteki gelişimi biyo uyumlu malzemelere olan ihtiyacın artmasına neden olmaktadır. Bu amaçla yapılan çalışmaların ve araştrmaların sonuçlarına bakıldığında, son zamanlarda en çok kullanılan biyomedikal malzemelerin polimerik malzemelerden elde edildiği görülmektedir. Polimerler çok geniş bir çeşitlilik aralığında sentezlenebildikleri, amaca yönelik olarak morfolojik ve yüzeysel değişikliklere yatkın oldukları ve bir takım yöntemler uygulanarak bir çok farklı özelliğe sahip olabildikleri için biyomedikal alanda kullanımları son zamanlarda artmıştır. Biyopolimerler içerisinden poliüretanlar yüksek mekanik ve fiziksel özellikleri ile sıklıkla tercih edilmektedirler. Poliüretanların kullanım alanları içerisinden protezler, implantlar ve kontrollü ilaç salınım sistemleri sayılabilir. Polimerik yüzey ile kan proteinleri arasındaki etkileşimin biyomalzeme geliştirilmesinde önemli bir yere sahip olduğu pek çok araştırmacı tarafından açıklanmıştır. Böylelike protein adsorpsiyon çalışmalarının önemi ortaya çıkmaktadır. Protein yapısının ve polimerik filmin yüzey özelliklerinin adsorpsiyona etkisinin önemi pek çok araştırmacı tarafından belirtilmiştir. Bu tez kapsamında, yüzey pürüzlülüğü ve hidrofilitenin adsorpsiyona olan etkisi incelenmiştir. Çözelti içerisindeki protein-polimer yüzey etkileşimleri incelendiğinde, her bir bileşenin fiziksel ve kimyasal özellikleri ayrı ayrı göz önünde bulundurulmalıdır. Bu kapsamda, deneysel çalışmalar sistem seviyesinde bilgiler sunarken, mikrosaniye-milisaniye mertebesinde gerçekleşen protein adsorpsiyonu hakkında moleküler detayda bilgi sağlayamaz. Farklı ölçeklerde uygulanabilen moleküler simülasyon yaklaşımları, proteinin polimerik yüzeye adsorblandığı sırada meydana gelen dinamiği moleküler seviyede açıklarken, matematiksel modeller belirli koşullar altında protein-polimer-çözelti sisteminin kinetiği hakkında bilgi verir. Ayrıca yakın zamanda yapılan önemli çalışmalarda simülasyonlar, deneysel çalışmaları tasarlamak için kullanılmıştır. Bu çalışmada altı farklı poliüretan, polietilen glikol (PEG), hint yağı (HY), hegzametilen diizosiyanat (HDI) ve 1,4-bütandiol (BDO) kullanılarak sentezlenmeştir.Sentezlenen polimerlerden üç tanesinde poliol kaynağı olarak PEG kullanılmıştır. Kütle polimerizasyonu ile sentezlenen poliüretan filmlerin kristalinite dereceleri HY/PEG ağırlık oranının (50/50, 60/40, 70/30, 100/0) değiştirilmesi ile elde edilmiştir. Diğer taraftan, kimyasal olarak eş ancak farklı pürüzlülük derecelerine sahip poliüretanlar elde etmek için tetrahidrofuran ve dimetilasetamid kullanılmıştır. Fourier transform infrared spektroskopisi ile numunelerin yapısal karakterizasyonu, ısıl ve mekanik karakterizasyon termal gravimetrik analiz, diferansiyel taramalı kalorimetre ve dinamik mekanik analiz ile gerçekleştirilmiştir. X-ışını kırılımı (XRD) yöntemi ile polimerlerin kristaliniteleri, temas açısı ölçümü ile hidrofiliteleri ve atomik kuvvet mikroskobu ile (AFM) yüzey özellikleri belirlenmiştir. XRD verilerine göre, polimer yapısındaki PEG miktarı arttıkça polimerin kristalinitesi de artmaktadır.Temas açısı ölçümleri, polimer yapısındaki PEG miktarı azaldıkça polimerin hidrofilitesinin de azaldığını göstermektedir.AFM topoloji görüntülerine göre, polimer yapısındaki PEG miktarının artması beklenildiği gibi yüzey pürüzlülüğünü arttırmıştır. PEG kullanılmadan sentezlenen poliüretanlarda, reaksiyon ortamına farklı çözücülerin eklenmesi çeşitli pürüzlülük derecelerine sahip polimer filmler elde edilmesini sağlamıştır. Çalışmada, hidrofilitesi en yüksek olan örnek daha fazla protein adsorplamıştır. Bu durum kristalinitenin ve yüzey pürüzlülüğünün poliüretan filmler için hidrofiliteye göre daha etkin olması ile açıklanabilir. Ayrıca albüminin hidrofilik dış yapısınınhidrofilik yüzeylere bağlanmasını teşvik ettiği düşünülmektedir. Elde edilen deneysel veriler doğrultusunda, kristalinitenin protein adsorpsiyonuna olan etkisinin, pürüzlülük ve hidrofiliteye oranla daha fazla olduğu söylenebilir. Albümin-poliüretan sisteminde her bir parametrenin protein adsorpsiyon kinetiğine olan etkileri Brownian dinamiği simülasyonları kullanılarak araştırılmıştır. Brownian dinamiği kullanılarak elde edilen polimer-protein sisteminin kaba ölçekte 3 boyutlu simülasyonu, deneysel veriler ile karşılaştırılabilir sonuçlar sağlar. Bu amaç doğrultusunda, polimerik film latis yüzey şeklinde modellenmiş, protein bağlantı bölgeleri ise deneysel sonuçlar ile elde edilen veriler doğrultusunda belirlenmiştir. Deneysel çalışmada çözücü kullanılarak elde edilen pürüzlü yüzeylerin protein adsorpsiyonuna olan etkisi, polimerik filmin düz ve pürüzlü yüzey olarak modellenmesi ile araştırılmıştır. Polimerik yüzey ile etkileşime giren sığır serum albümini (BSA) tekdüze küreler ile ifade edilmiştir. Makromoleküler kalabalık etkisinin protein adsorpsiyonuna olan etkileri, farklı protein konsantrasyonları kullanılarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlar ile etkili karşılaştırma yapılabilmek için sistem, gerçek molar düzeyde proteinler ile bir-mikrometre kare polimer filmin dörtte birinin etkileşimi ile modellenmiştir. Yüzey pürüzlülüğü, hidrofilite ve kristalinitenin etkileri ile protein adsorpsiyon sonuçları değerlendirildiğinde, moleküler kalabalığın (yüksek konsantrasyon) protein adsorpsiyonunu en fazla etkileyen parametre olduğu, sonrasında ise kristalinite ve pürüzlülüğün geldiği gözlemlenmiştir. Simülasyon sonuçları değerlendirildiğinde, pürüzlü yüzeylerin (yüzey alanını artması sonucu) pürüzsüz yüzeylere kıyasla da fazla protein adsorbladığı belirlenmiştri. Diğer bir deyişle, eğer yüksek yüzey alanı daha fazla kristalin bölge içerirse, yüzey üzerine daha çok protein adsorblanacaktır. Eğer yüksek yüzey alanı tam tersi şekilde daha fazla amorf bölgelerden oluşursa, buna bağlı olarak protein adsorbsiyonu azalacaktır.

Accelerating developments for human health care necessitate need for biocompatible devices to be used inside the body and for outside applications. There has been an increasing trend to use biocompatible polymeric materials in biomedical field. Among biopolymers, polyurethanes are widely used in many fields such as prosthesis, implants and in controlled drug delivery systems due to their excellent chemical and mechanical properties. The most important factor in determining and developing a biomaterial is to examine the relationship between polymeric structures with blood proteins. Thus, a clear understanding of protein adsorption is crucial to design new biomaterials. It is known that protein structure, protein solution and surface properties are major components that determine adsorption kinetics. In this point of view, important surface properties such as crystallinity, hydrophilicity and roughness were investigated in the context of thisstudy using both experimental and computational approaches. When analyzing protein-polymer surface interactions in a solution, chemical and physical properties of each component should be investigated. Experimental methods provide valuable information on system level. However, they cannot monitor molecular details of protein adsorption at nanoscale, which occurs at microsecond-millisecond level. Molecular simulation approaches at various levels, help to monitor molecular dynamics during the adsorption of a protein on a polymeric surface, whereas mathematical models describe the kinetics of the phenomena in certain conditions specific to the protein-polymer-solution system studied.Recently, in many significant studies, simulation approaches have been employed to design experimental studies. In this study, six different polyurethane films were synthesized by using castor oil (CO), hexamethlyene diisocyanate (HDI) and 1,4-butandiol (BDO). Among these polyurethanes, poly(ethylene glycol) (PEG) was also used as polyol in the synthesis of three polyurethane samples. Polymers were synthesized at different CO/PEG weight ratios (50/50, 60/40, 70/30, 100/0) by bulk polymerization. In order to obtain chemically identical surfaces with different roughness, tetra hydrofuran (THF) or dimethylacetamide (DMAc) were used during the polymer sythesis for two PEG free samples. Structural characterization of films was carried by Fourier transform spectroscopy (FT-IR).Thermal and mechanical characterization were performed by thermal gravimetric analyses (TGA), differential scanning calorimeter (DSC) and dynamic mechanical analyses (DMA). Crystallinity of films was determined by x-ray diffraction (XRD), hydrophilicty of films was calculated by contact angle measurements and surface properties were analyzed by atomic force microscopy (AFM). According to XRD data, crystallinity of samples increases while increasing PEG content in the sample. Contact angle measurements demonstrated that hydrophilicity of samples decreases while decreasing PEG content in the sample. According to AFM topology images, increasing PEG content in polymer structure increases surface roughness as expected. For PEG free samples, addition of solvent in the reaction medium increases surface roughness in various degrees due to the difference in boiling point of solvents. Interestingly, the highest protein adsorption rate was obtained for the most hydrophilic sample. This can be explained by the effectiveness of crystallinity and roughness on protein adsorption for polyurethane films andalso by the hydrophilic nature of the albumin. Experimental resultssuggest that crystallinity is a more effective parameteron protein adsorption than roughness and hydrophilicity. Effect of each surface property on protein adsorption kinetics was investigated using Brownian dynamics simulations for albumin-polyurethane system. Brownian dynamics enabled the simulation of the coarse-grained polymer-protein system in three-dimension comparable with experimental findings. For this purpose, polymeric film was modeled as lattice surface with protein binding regions predetermined according to the experimental results on crystallinity. Furthermore, the polymeric film was modeled as a flat or rough surface, which actually depended on the solvent evaporation rate employed in the experiments. Bovine serum albumin proteins were described as uniform spheres interacting with the polymeric surface. Various protein concentrations were considered in order to reveal the effect of macromolecular crowding on protein adsorption rate. The model system represented quarter of one-micrometer square polymer film interacting with proteins at real molar levels, which provided an effective comparison with experimental observations. Considering the effect of surface roughness, hydrophilicity, crystallinity and protein adsorption results together, computational results indicated that the molecular crowding, i.e. high concentrations had the biggest impact on protein adsorption, then degree of surface crystallinity and finally roughness. Observation from simulations suggested the roughness had an implicit effect on protein adsorption by providing higher surface area compared to smooth surfaces. In other words, if high surface area revealed more crysttaline regions, more proteins adsorbed on the surface. In contrary, if high surface area revealed more amorphous regions, protein adsorption rate diminished.