Biyoteknolojik ve biyotıbbi uygulamalar için phema bazlı membranların geliştirilmesi, yapısal karekterizasyonu ve biyolojik ortamla uyuşabilirliğinin incelenmesi

Abstract

ÖZET Sunulan çalışmada, biyoteknolojik ve biyotıbbi uygulamalarda kullanılmak üzere yapısında karboksll ve amino grupları İçeren komonomerlerle hazırlanan PHEMA bazlı membranlann yüzey ve yığın yapılarının karakterizasyonu ve biyolojik ortamla uyuşabilirliğinin incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmada öncelikle farklı bileşimlerde akrilik asit (AA) ve dimetilaminoetilmetakrilat (DMAEMA) komonomerleri içeren PHEMA bazlı membranlar, tarafımızdan belirlenen uygun polimerizasyon koşullarında hazırlanmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde, `yığın polimerizasyonu` yöntemi ile hazırlanan membranların yapısal karakteristikleri çeşitli yöntemlerle incelenmiştir. Membranlann yığın özellikleri, denge şişme değerleri (Equilibrium Water Content, EWC). kalitatif analiz (FTIR) ve kantitatif analiz (Elementel analiz) yöntemleriyle saptanırken, yüzey özellikleri de yüzey serbest enerjileri ve ATR-FITR spektroskopisi ile belirlenmiştir. Aynca membranların yüzey ve yığın yapılan SEM ile aydınlatılmıştır.^ DSC ve DMTA teknikleri kullanılarak da membranlann termal ve mekanik davranışlan incelenmiştir. Çalışmanın son bölümünde, PHEMA bazlı membranların biyolojik ortamla uyuşabilirliği membran-hücre ve membran-protein etkileşimleri ile incelenmiş, kan ile uyuşabilirliğinin saptanması amacıyla da membran-kan etkileşim çalışmaları yapılmıştır. Membran- hücre etkileşimi farklı morfolojilere sahip hücrelerin hücre yapışma ve üremesindeki etkilerinin incelenebilmesi amacıyla primer (BK) ve sekonder (fibroblastik (BHK) ve epitel (MDBK)) hücrelerle gerçekleştirilmiştir. Membran-protein etkileşimi ise farklı yapıdaki proteinlerin membranlarla etkileşim sırasındaki davranışlarını belirlemek amacıyla, plazma proteinlerinden BSA ve fibrinojen ile gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde aynca, membran varlığında kanhücresel elemanları kaybı saptanarak membranların kanla uyuşabilirliği belirlenmiştir. İlk bölümde gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda, DMAEMA ve AA'ln yapıya değişen oranlarda (%5-%30) İlavesiyle, farklı yapısal özelliklerde PHEMA bazlı membranların hazırlanabileceği gösterilmiştir. İkinci bölümde, elde edilen membranların yığın ve yüzey yapılarını aydınlatmak İçin yapılan çalışmalar sonucunda komonomer ilavesiyle, membranların EWC değerlerinde önemli artış olduğu gözlenmiştir. Bu artış, %30 DMAEMA varlığında %49'dan %233'e, %30 AA varlığında ise %49'dan %500'ün üzerine çıkış şeklinde olmuştur. C, H ve N elementel analizi sonucunda, membran yapısındaki DMAEMA varlığı, artan komonomer miktarına bağlı olarak azot yüzdesinin belirgin bir şekilde artmasıyla kanıtlanmıştır. DSC ve DMTA analizleriyle, membranların Tg değerlerinde belirgin değişiklikler meydana geldiği saptanmış, ayrıca DMTA analizleriyle membranların mekanik özellikleri hakkında bilgi edinilmiştir. Membranların yığın ve yüzey yapılarının aydınlatılması için kullanılan SEM İle membran yüzeylerinin düzgün, yığın yapılarının ise gözenekli olduğu saptanmıştır. Membranların yüzey serbest enerjilerinde, komonomer türü ve miktarı ile belirgin bir değişim meydana gelmediği, saptanan yüzey serbest enerjisi değerlerinin 59.6 ile 63.1 erg/cm2 arasında olmasıyla belirlenmiştir, lyonojenik PHEMA membranların ATR-FTIR spektrumlanvla PHEMA yapısına ilave edilen DMAEMA ve AA komonomerlerinln membran yüzey yapısında belirgin değişikliklere neden olduğu kanıtlanmıştır. Membran-hücre etkileşim çalışmaları, hücre yapışmasının artan komonomer oranıyla arttığını ve bu artışın DMAEMA İçeren membranlarda daha belirgin olduğunu göstermiştir. Hücre üremesinin incelenmesi için yapılan çalışmalarda ise, yapısında AA bulunduran membranların hücre üremesini desteklemediği ve en iyi üremenin %10 DMAEMA içeriğine sahip membranda gerçekleştiği saptanmıştır. Son bölümde gerçekleştirilen çalışmalardan bir diğeri olan membran- protein etkileşim çalışmaları, %30 DMAEMA içerikli membranda BSA adsorpsiyonunun en yüksek değerde gerçekleştiğini, AA içeren membranlarda ise, adsorpsiyon prosesinin yanısıra desorpsiyon prosesinin de etkin olduğunu göstermiştir. Ayrıca, artan komonomer veprotein konsantrasyonu adsorplanan BSA miktarında artışa neden olurken, fibrinojen adsorpsiyonunda belirgin bir artış gözlenmemiştir. Membranların kanla uyuşabilirliğinin saptanması amacıyla gerçekleştirilen ve çalışmaların son kısmını temsil eden membran-kan etkileşimi sonunda albuminle kaplı yüzeylerin trombosit yapışmasını engellediği, fîbrinojenin ise tam tersi yönde etki ettiği saptanmıştır. Tüm bu sonuçların ışığı altında, çalışma kapsamında hazırlanan iyonojenik PHEMA bazlı membranlarm biyomateryal olarak değişik amaçlara yönelik uygulamalarda kullanılabileceklerine karar verilmiştir.

SUMMARY In the study presented here, it is aimed that the examination of surface and bulk structures and biocompatibility of PHEMA based membranes which were prepared by the addition of ionic comonomers contain carboxyl and amino group, in order to be used in biotechnological and biomedical applications. At first, PHEMA based membranes which contain different compositions of acrylic acid (AA) and dimethylaminoethylmethacrylate (DMAEMA) comonomers were prepared by bulk polymerization procedure in suitable polymerization conditions. In the second part of the study, bulk and surface structures of membranes were investigated by using several physical and chemical methods. While bulk poperties of membranes were determined by equilibrium water content (EWC), qualitative analysis (FUR) and quantitative analysis (elemental analysis), surface properties were examined by surface free energy and ATR-FTIR spectroscopy. In addition, both surface and bulk morphology of membranes were investigated with SEM. Thermal and mechanical behaviours of membranes were examined by means of DSC and DMTA techniques.. In the last part of the study, biocompatibilities of PHEMA membranes were examined with membrane-cell and membrane-protein interactions and then in order to determine the blood compatibilities of membranes, membrane-blood interaction studies were also performed. Membrane-cell interaction was realized with three types of anchorage-dependent cells which have different morphology, i.e. primary (BK) and secondary (fibroblastic (BHK) and epithelial (MDBK)) cells. Membrane-protein interaction was performed with plasma proteins, BSA and fibrinogen. In this part, bloodcompatibility of membranes were also investigated by the loss of blood elements in the presence of membranes. viAt the end of the studies had been performed it was shown that PHEMA based membranes which have different structural properties could be prepared by the addition of DMAEMA and AA in different compositions (5%-30%) into the polymerization media. In the second part, It was observed that the EWC values of membranes increases importantly as due to the presence of ionic comonomers. This effect is more pronounced for AA-containing samples than the DMAEMA- containing ones. As a result of C, H and N elemental analysis, existing of DMAEMA in the membrane structure was proved by high of nitrogen percent with depend upon increasing comonomer quantity evidently. By using DSC and DMTA techniques, it was determined that evident changing had been performed for Tg values of membranes and information was obtained about mechanical properties of membranes. SEM photographs showed the smooth surface and porous bulk structures for all kinds of membranes. The surface free energies of membranes were found between 59.6 and 63. 1 ergs/cm2 and there is no important difference among the surface free energy values of the membranes because of the extremely high water contents. The ATR-FTTR spectra indicate the presence of different groups in the structure as due to the presence of AA and DMAEMA comonomers. Membrane-cell interaction studies showed that, cell attachment increases with increasing comonomer concentration and it is more evident for the DMAEMA-containing membranes. It was determined that while AA containing membranes do not support cell propogation, the membrane which have 10 % DMAEMA performs the best propogation for all types of cell. Membrane-protein interaction studies showed that maximum BSA adsorption occurs on P(HEMA-DMAEMA) membranes and desorption process is important in case of AA included membranes. In addition to that, increasing comonomer and solution concentration increases BSA adsorption however, this effect is not clear for fibrinogen adsorption. At the end of the membrane-blood interaction studies, it was determined that BSA covered surface prevent trombosit attachment and fibrinogen shows just opposite behaviour. By taking of these results into account, it was decided that ionogenic PHEMA membranes which were prepared in this study can be used as biomaterial for various biomedical and biotechnological applications. vii