Pektin ve PVA temelli enjekte edilebilir hemostatik hidrojel köpük tasarımı

Abstract

Kanamalı yaralanmalar ölüm nedenleri arasında ilk sıralarda gelmektedir. Bu durumun başlıca sebepleri sağlık kurumuna varıncaya kadar geçen süre, yaralanma bölgesinin turnike uygulanamayacak bir vücut bölgesinde olması, kanamanın durdurulamaması sonucu oluşan kan kaybı ve oluşan yarada meydana gelen enfeksiyonlardır. Kanamalı yaralarda hayati tehlikeyi en aza indirmek amacıyla kanama durdurucu hemostatik malzemelere ihtiyaç duyarız. Piyasada kanama durdurucu hemostatik malzemeler bulunsa da bunların yara üzerine pek çok olumsuz etkisi vardır. Ayrıca üretimlerinin zorluğu ve yüksek maliyet sebebiyle sivil halk tarafından ulaşılması kolay değildir. Bu çalışmada üretimi ucuz ve basit, kolaylıkla herkes tarafından uygulanabilir, kanamalı yaralarda kanamayı en aza indirecek ve yara bölgesini koruyacak bir hidrojel köpük sentezlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla düşük metoksilli pektin ve polivinil alkol (PVA) temelli bir hidrojel tasarımı yapılmıştır. Pektin zincirleri CaCO3 kullanılarak dahili bir şekilde çapraz bağlanmış ve hidrojel oluşumu sağlanmıştır. Aynı zamanda, pektin zincirleri ve CaCO3 moleküllerinin arasında gerçekleşen reaksiyon sonucu açığa çıkan CO2 gazı sayesinde hidrojelde köpük formu sağlanmıştır. Köpük içerisinde bulunan CO2 gazının yaranın enfeksiyonlara karşı korunmasını arttıracağı düşünülmektedir. Hidrojelin mekanik özelliklerini iyileştirmek ve hemostatik özelliğini arttırmak amacıyla PVA katkı olarak kullanılmıştır. Hidrojelin sentezlenmesi ve uygulanması için bir enjektör prototipi tasarlanmıştır. Çalışmada, hidrojele pektin, CaCO3, ve PVA miktarlarının performansa katkıları araştırılmıştır. FT-IR ölçümleri sonucunda hidrojellerin yapısında bulunan PVA'nın jel içerisinde etkileşime girdiği düşünülmektedir. DSC analizi sonuçlarına göre, hidrojellerin yapısında fazla miktarda bulunan CaCO3 moleküllerinin zincirlerin arasına girerek kristalin bölgelerin azalmasına, zincirlerin çapraz bağlarının açılmasına yol açtığı düşünülmektedir. Hidrojellerin SEM görüntülerinde CaCO3 miktarının artışı ile hidrojelin yüzeyinde çözünmeyen CaCO3 kristallerinin oluştuğu; ancak hidrojelin daha gözenekli bir yapıda oluştuğu görülmüştür. Hidrojelden 7,4 pH'ına sahip TRIS tampon çözeltisi ortamına salınan Ca iyonu konsantrasyonu ICP ile ölçülmüş ve salım ortamında insan vücudundaki kan kalsiyum konsantrasyonundan (2,15-2,65 mM) daha düşük bir Ca konsantrasyonu (0,16 mM) oluştuğu belirlenmiştir. Reolojik veriler köpük hidrojel hazırlamakta çok önemli olduğu için farklı miktarlarda pektin, CaCO3 ve PVA içeren örnekler için reolojik karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. İlk olarak lineer viskoelastik (LVE) bölgenin belirlenmesi amacıyla 10 rad/s açısal hızında genlik taraması testleri yapılmış ve LVE bölgesinin limiti tüm formülasyonlar için yaklaşık %30 geriniminde bulunmuştur. Ayrıca hidrojellerin sönümleme faktörlerinin artan pektin, CaCO3 ve PVA miktarlarıyla arttığı görülmüştür. Buna rağmen hidrojel, CaCO3 tarafından doygunluğa ulaştığı zaman, artan CaCO3 miktarının sönümleme faktörüne etkisinin olmadığı belirlenmiştir. Ayrıca, hidrojellerin akış geçiş indeksleri (AGİ) hesaplanmış ve çapraz bağlanma miktarının artması ile birlikte hidrojellerin gevrek kırılma davranışı gösterme eğiliminin azaldığı görülmüştür. %0,1'lik sabit bir gerinim ile LVE aralığında depolama modülü (G') ve kayıp modülü (G") verilerini tayin etmek amacıyla frekans taraması yapılmıştır. Frekans taraması sonucunda, numunelerin kayıp modüllerinin depolama modüllerinden büyük olduğu belirlenerek jel yapısını doğrulanmıştır. Ayrıca bütün formülasyonlar kayma incelmesi davranışı göstermiştir. Bu durum sentezlenen hidrojelin enjekte edilebilir olduğunu göstermektedir. 50 Pa yük altında sürünme ve gevşeme testleri sonucunda hidrojel formülasyonlarında oluşan deformasyonun yaklaşık yarısının geri döndürülebilir deformasyon olduğu bulunmuştur. Ayrıca sıfır kesme viskoziteleri hesaplanarak hidrojellerin yara üzerinden akıp gitmeyecek viskoziteye sahip oldukları görülmüştür. Reometre ile yapılan kendi kendini iyileştirme testleri sırasında hidrojeller tahribe uğrayacakları %1000'lik bir gerinim uygulanmış ve tahrip olmadan önceki özelliklerine dönüp dönmeyecekleri incelenmiştir. İlk tahribat sonrası hidrojellerin köpük formlarını kaybettikleri; ancak sonraki tahribatlarda kendi kendilerini iyileştirebilen yapılarının olduğu bulunmuştur. Hidrojel köpüklerin kanamayı durdurma başarılarının incelenmesi için içerisinde pH 7,4 fosfat tampon çözeltisi (PBS) bulunan deney tüplerinin ağızları sentezlenen hidrojel köpükle kapatılmış ve tüpler ters çevrilmiştir. PVA içermeyen formülasyon hariç diğer bütün hidrojeller başarıyla sıvı akışını kesmiştir. PVA'nın yapışkanlık sağlama özelliğinden dolayı, PVA içeren jellerin, jel çevresine daha iyi tutunduğu düşünülmektedir. Hidrojellerin kan pıhtılaştırma yeteneklerinin incelenmesi için mezbahadan alınan koyun kanı, etilendiamin tetraasetik asit (EDTA) içeren tüplere alınmış ve aynı gün içerisinde deneyler yapılmıştır. 540 nm'de pıhtıya dahil olmayarak hemolize uğrayan kırmızı kan hücrelerinin yoğunluğu belirlenmiş ve kan pıhtılaştırma indeksleri (KPİ) hesaplanmıştır. Hesaplamalar sonucunda, artan PVA ve CaCO3 miktarı ile hidrojel köpüklerin hemostatik özelliklerinin arttığı görülmüştür. Artan pektin miktarı ise çapraz bağlanma yoğunluğunu ve zincir dolaşıklıklarını arttırması sebebiyle Ca iyonlarının difüzyonunu yavaşlatmış ve hemostatik özelliği düşürmüştür. Sonuç olarak enjekte edilebilir, biyo ve hemo-uyumlu, iyileştirilmiş, hemostaz süresini kısaltabilecek, yarayı koruyacak pektin ve PVA temelli hidrojel köpük formülasyonu geliştirilmiştir.