Stimuli-responsive release of doxorubicin from layer-by-layer films of poly(2-isopropyl-2-oxazoline) and tannic acid

Abstract

Çevreye duyarlı polimerler değişen çevre koşullarına karşı özelliklerini değiştirebilmesinden dolayı biyomedikal uygulamalar için umut vadeden malzemelerdir. pH ve sıcaklık biyomedikal uygulamalarda en fazla çalışılan iki uyarıcıdır. pH bir iç uyarıcıdır. Vücudun farklı bölgelerinde değişkenlik gösterir. Bunun yanısıra, kanserli dokularda ve vücudun enfekte olan bölgelerinde de pH normal hücrelere göre daha asidiktir. Sıcaklık hem iç hem dış uyarıcı olarak davranabilir. Vücut sıcaklığının hastalık esnasında yükselmesi sıcaklığın iç uyarıcı olarak davranmasına örnektir. Hipertermi tedavisinde vücudun belli bölgelerinde sıcaklık artışının sağlanması için harici olarak ısı uygulanması ise sıcaklığın dış uyarıcı olarak uygulamasına örnektir. Sıcaklığa duyarlı polimerler sıcaklık değişimi ile çözünme özelliklerini değiştirirler. Sıcaklığa duyarlı polimerler iki kategoriye ayrılır : i) sulu çözeltisi alt kritik çözünme sıcaklığı (LCST) davranışı gösteren polimerler; ii) sulu çözeltisi üst kritik çözünme sıcaklığı (UCST) davranışı gösteren polimeler. Eğer polimer çözeltisi sıcaklık artışı ile faz ayrımı gösteriyor ise, bu polimer LCST davranışı göstermektedir. Eğer polimer çözeltisi sıcaklık düşmesi birlikte faz ayrımı gösteriyor ise, bu polimer UCST davranışı göstermektedir. Son yıllarda, biyomedikal uygulamalarda çok fazla tercih edilen sulu çözelti içerisinde LCST davranışına sahip poli(N-isopropilakrilamid)'e alternatif olarak yine sulu çözelti içerisinde LCST davranışı gösteren poli(2-alkil-2-oksazolin)'ler önemli biyolojik özelliklerinden ötürü araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Katman-katman (LbL) kendiliğinden yapılanma tekniği, ultra ince filmler hazırlamak için etkili ve pratik bir yöntemdir. Çevreye duyarlı polimerler kullanarak hazırlanan LbL filmler çevresel değişimlere karşı duyarlı özellik gösterirler. Bu özellik, LbL filmleri yüzeyden kontrollü ilaç salımı uygulamaları için umut vadedici malzemeler haline getirmektedir.Bu tez çalışması, hidrojen bağlı poli(2-isopropil-2-oksazolin) (PIPOX) ve Tanik asit (TA) içeren LbL filmlerden kanser tedavisinde kullanılan bir ilaç olan Doksorubisin'in (DOX) pH tetiklemesiyle salımını içermektedir. Ayrıca PIPOX'un LCST tipi davranış özelliğinin yüzeyden pH tetiklemesi ile DOX salımına etkisi irdelenmiştir. İlk olarak, PIPOX katyonik halka açılma polimerizasyonu yöntemiyle sentezlenmiştir. LbL filmlerin üretimi öncesinde, TA ve DOX'un suda çözünür kompleksleri (TA-DOX) hazırlanmıştır. PIPOX ve TA-DOX katmanlar arası oluşturulan hidrojen bağları sayesinde LbL yöntemiyle pH 6.5'de yüzeyde biriktirilmiştir. Fizyolojik koşullarda en düşük miktarda DOX salımı gerçekleştiren PIPOX ve TA-DOX'dan oluşmuş LbL filmler, orta-asidik pH değerlerinde en yüksek miktarda DOX salımını gerçekleştirmiştir. Bunun nedeni, asitliğin artması ile TA'nın protonlanan hidroksil grupları ile pozitif yüklü DOX arasındaki etkileşimin bozulmasıdır. Sıcaklığın arttırılması ile birlikte, yüzeyden salınan DOX miktarı karşılaştırıldığında, 37.5 °C'de daha yüksek miktarda DOX salındığı gözlemlendi. Bu sonuç, 37.5 °C'de PIPOX'un LCST değerinin (36 °C) üzerinde film yapısında oluşturduğu konformasyonal değişimler ile ilişkilendirildi. Bu çalışma poli(2-alkil-2-oksazolin) bazlı hidrojen bağlı filmlerden hem pH hem de sıcaklık tetiklemeleri ile DOX salımını gösteren ilk çalışmadır. PIPOX'un sıcaklığa duyarlı özelliği, PIPOX ve TA'nın önemli biyolojik özellikleri ve tümör dokularının asidik özellikleri düşünüldüğünde, orta-asidik koşullarda DOX salımı gerçekleştirebilen bu filmler umut vaad eden ilaç taşıyıcılardır.

Stimuli responsive polymers are promising materials for biomedical applications due to change in their properties in response to changes in environmental conditions. Among all the stimuli, pH and temperature are the most extensively studied ones in biomedical applications. pH is an internal trigger. pH changes at different regions of the body. Besides, pH is more acidic than the pH at tumor tissues or at an infected site in the body. Temperature can behave as both an internal and an external trigger. Increase in temperature during a disease state is an example of an internal trigger. Applying heat externally to increase the temperature of a specific part in the body during hyperthermia treatment is an example of an external trigger. Temperature responsive polymers change their solubility with changing temperature. Thermoresponsive polymers are classified into two: i) polymers exhibiting lower critical solution temperature (LCST) in aqueous solution and ii) polymers exhibiting upper critical solution temperature (UCST) in aqueous solution. If the polymer solution shows phase separation with increasing temperature, this polymer solution has lower critical solution temperature (LCST). If the polymer solution shows phase separation upon cooling, the polymer solution has an upper critical solution temperature (UCST). Recently, poly(2-alkly-2-oxazoline)s which show LCST-type behavior in aqueous solution have been of interest as an alternative to poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), a commonly used polymer exhibiting LCST-type behavior in aqueous solution in biomedical applications. Layer-by-layer (LbL) self-assembly technique is an efficient and a practical method for preparation of ultra-thin multilayer films. By using stimuli responsive polymers as building blocks during multilayer assembly, the resulting LbL films can be made responsive to changes in environmental conditions. This feature specifically makes LbL films promising polymer platforms for controlled release applications from surfaces.The study presented in this thesis reports on the fabrication of anti-cancer drug, Doxorubicin (DOX) containing multilayers of poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOX) and Tannic acid (TA) and release of DOX from the multilayers at moderately acidic conditions. Moreover, the effect of temperature on the pH-induced release of DOX from the surface and correlated the results with the LCST behavior of PIPOX were investigated. First, PIPOX was synthesized via cationic ring opening polymerization. Prior to film construction, water soluble complexes of TA and DOX (TA-DOX) were prepared. PIPOX and TA-DOX were deposited on the surface using LbL technique through hydrogen bonding interactions at pH 6.5. Minimal amount of DOX was released at physiological pH. In contrast, pH-induced release of DOX was observed at moderately acidic conditions due to protonation of TA as the acidity increased and loss of electrostatic interactions among TA and DOX. Moreover, it is observed that raising the temperature from 25 °C to 37.5 °C increased the amount of DOX released from the surface due to conformational changes within the multilayers correlated with the lower critical solution temperature (LCST) behavior of PIPOX.This study is the first one reporting the pH- and/or temperature-induced release of DOX from poly(2-alkyl-2-oxazoline) based hydrogen-bonded multilayers. Considering the temperature-responsive behavior of PIPOX and important biological properties of PIPOX and TA, combined with the acidic nature of tumor tissues, these multilayers which release DOX at moderately acidic conditions, can be promising drug carriers for controlled release of DOX from surfaces.