Search

We present a simple strategy to prepare doxorubicin (DOX) containing hydrogen-bonded films of poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOX) and tannic acid (TA) which release DOX in acidic conditions while releasing a minimal amount of DOX at physiological pH. Water soluble complexes of TA and DOX (TA-DOX) were prepared prior to film construction. PIPOX and TA-DOX were deposited at the surface at pH6.5 using the layer-by-layer (LbL) technique. We found that multilayers released a minimal amount of DOX at physiological pH due to further ionization of TA with increasing pH and enhanced electrostatic interactions between TA and DOX. In contrast, pH-induced release of DOX was observed in moderately acidic conditions due to protonation of TA as the acidity increased and electrostatic interactions between TA and DOX decreased. Moreover, we found that raising the temperature from 25 degrees C to 37.5 degrees C increased the amount of DOX released from the surface. This can be rationalized with the conformational changes within the multilayers correlated with the lower critical solution temperature behaviour of PIPOX and increased kinetic energy of DOX molecules. Considering the acidic nature of tumour tissues and important biological properties of PIPOX and TA, these multilayers are promising for pH- and temperature-triggered release of DOX from surfaces. (c) 2017 Society of Chemical Industry

Association of tannic acid (TA) with structurally isomeric poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) and poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOX) has been examined at surfaces to understand the effect of different molecular arrangements in a polymer repeating unit of structural isomers on the construction and pH-stability of hydrogen-bonded multilayers. Films were fabricated using layer-by-layer (LbL) technique through hydrogen-bonding interactions primarily between carbonyl groups of neutral polymers and hydroxyl groups of TA molecules at pH 2. PIPOX and TA formed thinner and more stable films in the pH scale with a critical dissolution pH of 9 when compared to films of PNIPAM and TA with a critical pH of 8. The differences in the thickness and pH-stability were due to different conformational behavior of PNIPAM and PIPOX in water which affects the accessibility of carbonyl groups for participation in the hydrogen bonding and the number of binding sites between the polymer pairs. Addition of electrostatic interactions by introducing amino groups only at the PIPOX chain end shifted the critical dissolution pH to higher values and resulted in gradual dissolution of the films in a wide pH range of 9-12. Such films hold promise for use in biomedical field due to biocompatibility and lower critical solution temperature (LCST) behavior at near physiological temperature of PNIPAM and PIPOX together with the pH-response of the hydrogen-bonded films.

Bu çalışmada zwitteriyonik blok kopolimer miseller kullanılarak, hazırlanmış ultra ince filmlerin, bakteri ve protein tutunması, anti-bakteriyel özellikleri ve aynı zamanda osteoblast-benzeri hücre tutunması özellikleri rapor edilmiştir. Zwitteriyonik blok kopolimer miceller poli[3-dimetil(metakriloyiloksietil) amonyum propan sülfonat-b-2 (diizopropilamino)etil metakrilat] (βPDMA-b-PDPA) polimerinin asidik suda çözünüp (pH 3), yavaş yavaş pH ın 7.5 a yükseltilmesiyle hazırlanmıştır. pH a bağlı olarak sudaki çözünürlüğü etkilenen PDPA bloğu ortam bazik olduğunda sudaki çözünürlüğünü kaybedip hidrofobik yapıdaki koru ve zwitteriyonik blok βPDMA da zwitteriyonik koronası olan miselleri kendiliğinden oluşturmuşlardır. Daha sonra bu miseller üç farklı polianyon (Hyaluronik asit, Tanik asit ya da poli(stiren-4-sülfonat)) ile birlikte kullanılarak katman katman filmler oluşturulmuştur. Protein kaynağı olarak BSA, lizozim, ferritin ve kaseinin kullanıldığı deney sonuçlarına göre 3-katman βPDMA-b-PDPA misel/HA sisteminde protein tutunmasının en az, 3-katman βPDMA-b-PDPA misel/TA yüzeylerinde protein tutunmasının en fazla olduğu görülmüştür. Bakteri tutunması deneylerinde Gram + bakteri olan Staphylococcus aureus ve Gram – bakteri olan Escherichia coli, model alınmıştır. Bakteri tutunması deney sonuçları, protein tutunma deney sonuçlarıyla uyum göstermiştir. Farklı yüzeylerin hem bakteri hem de protein tutunmasına karşı özellikleri, kullanılan polianyonlar ve kimyasal yapıları, yüzey morfolojileri ve katman sayıları gibi ölçütler göze alınarak kıyaslanıp karşılaştırılmıştır. Bu filmler kısa süre boyunca kararlı kalsalar da uzun süreçte kararlılıklarını yitirmişlerdir. Fakat hidrofobik kor içerisine yüklenen ve hidrofobik bir antibiyotik olan Triklosan sayesinde, uzun sürede filmlerden pH a bağlı olarak ilaç salımı ve anti-bakteriyel özellikler de kontrol edilmiştir. Tutunma deneylerinden farklı olarak anti-bakteriyel açıdan veya osteoblast tutunması açısından yüzeyler arasında ciddi farklar gözlenmemiştir. In this study preparation of ultra-thin coatings of zwitterionic block copolymer micelles and a comparison of their protein adsorption, adhesiveness and anti-bacterial properties as well as adhesiveness against osteoblast-like cells were studied. Zwitterionic block copolymer micelles were obtained through pH-induced self-assembly of poly[3-dimethyl (methacryloyloxyethyl) ammonium propane sulfonate-b-2-(diisopropylamino)ethyl methacrylate] (βPDMA-b-PDPA) at pH 7.5. βPDMA-b-PDPA micelles with zwitterionic βPDMA-corona and pH-responsive PDPA-core were then used as building blocks to prepare either 1-layer or layer-by-layer (LbL) assembled multilayer films together with Hyaluronic Acid (HA), Tannic Acid (TA) or poly(sodium 4-styrene sulfonate) (PSS). Protein adsorption tests showed that 3-layer βPDMA-b-PDPA micelles/HA films were the most effective in reducing the adhesion of BSA, lysozyme, ferritin, and casein. In contrast, βPDMA-b-PDPA micelles/TA films were the most attractive surfaces for protein adsorption. Bacterial anti-adhesive tests against a model Gram-negative bacterium, Escherichia coli and a model Gram-positive bacterium, Staphylococcus aureus were in good agreement with the protein adsorption properties of the films. The differences in the anti-adhesive properties between these three different film systems were discussed within the context of chemical nature and the functional chemical groups of the polyanions, layer number and surface morphology of the films. Multilayers were found to lose their anti-adhesiveness in the long-term. However, by taking advantage of the pH-responsive hydrophobic micellar cores, an anti-bacterial agent could be loaded into the micelles and multilayers could exhibit anti-bacterial activity in the long-term especially at moderately acidic conditions. In contrast to anti-adhesive properties, no significant differences were recorded in the anti-bacterial properties or osteoblast adhesive properties between the different film types. 119

Poli(2-alkil-2-oksazolin)'ler (PAOX) toksik olmama ve biouyumluluk gibi önemli biyolojik özellikleri ile biyomedikal uygulamalarda ilgi çekmektedir. Ayrıca, kısa alkil zincirli PAOX türevlerinin sıcaklığa karşı duyarlılığı, onları ilaç salım uygulamaları için avantajlı kılmaktadır. Bu doktora tezinde, PAOX sentezi, sulu çözelti davranışı, uç grubunun fonksiyonelleştirilmesi ve katman-katman kendiliğinden yapılanması incelenmiştir. Ek olarak, PAOX çok katmanlı filmlerinin yüzey özellikleri ve bu özelliklerin birtakım biyolojik özellikler ile bağlantısının incelenmesi hedeflenmiştir.İlk olarak, pH'ın PIPOX'un sulu çözelti içerisindeki davranışına etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, pH indüklemesi ile PIPOX'un kendiliğinden yapılanma davranışı üzerine PIPOX uç grubunun, polimer konsantrasyonunun ve ortamdaki tuzun etkisi incelenmiştir. Ardından, PIPOX uç grubunun model antibiyotik Kloramfenikol (CAP)'un PIPOX agregatlarına yüklenme kapasitesi ve salım profili üzerine etkisi araştırılmıştır. PIPOX-OR ve PIPOX-CAP'in ilaç yükleme kapasiteleri ve salım davranışları nötr ve asidik koşullarda ve fizyolojik sıcaklıkta karşılaştırılmıştır. Sonrasında, yan zincir farklılaştırılmasının katman-katman kendiğilinden yapılanma metotu ile hazırlanmış PAOX filmlerinin yüzey ve biyolojik özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, farklı yan zincirler barındıran PAOX lar ve tanik asit (TA), katman-katman kendiliğinden yapılanma tekniği kullanılarak yüzeyde yapılandırılmıştır. Bu filmlerin yüzey morfolojisi, kararlılığı, ıslanabilirliği ve belirli bir uyaran ile ilaç salım özellikleri, bakteri tutmama ve antibakteriyel özellikleri ile korelasyonu incelenmiştir. PAOX yan zincirinin kimyasal yapısının, PAOX'un faz özelliğine ve katmanlar arası bağlanma kuvvetinin film kalınlığı, pürüzlülüğü, ıslanabilirliği ve kararlılığına etkisi araştırılmıştır. Son olarak, PIPOX'un Doxycycline antibiyotiği ile konjugatı hidrozon bağı oluşturularak sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir.Genel olarak bakıldığına, bu tez çalışması PAOX'un sulu çözelti içerisindeki davranışına ve PAOX çok katmanlı filmlerindeki kimyasal yapı-özellik ilişkisine temel oluşturmuştur. Poly(2-alkyl-2-oxazoline)s (PAOXs), are of interest for biomedical applications due to their important biological properties such as nontoxicity and biocompatibility. PAOXs with short-alkyl chains exhibit temperature-responsive behaviour which is advantageous for various biomedical applications. This dissertation focused on synthesis, aqueous solution behaviour, post-functionalization and layer-by-layer (LbL) self-assembly of PAOXs. In addition, it aimed to examine the surface properties of PAOX LbL films and correlate them with biological properties of the multilayers.First, the effect of pH on aqueous solution behaviour of poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOX) was examined. In this respect, the effect of PIPOX end group, concentration of polymer and salt on pH-induced self-association of PIPOX was examined. Second, the effect of PIPOX end-group on loading capacity and release profile of a model antibiotic, Chloramphenicol (CAP) from PIPOX aggregates was investigated at neutral and acidic pH at a physiologically related temperature. Third, the effect of side chain variation on surface and biological properties of PAOX LbL films has been examined. In this context, PAOXs with varying side chains were co-assembled with Tannic Acid (TA) at the surface using LbL technique. The effect of chemical nature of PAOX side chains, phase behaviour of PAOX and the binding strength between the layers on surface morphology, stability, wettability and stimuli-responsive drug release properties of the films were examined and correlated with anti-adhesive and antibacterial properties of the PAOX multilayers. Forth, PIPOX-hyd-Doxycycline conjugate was synthesized via hydrazone bond formation and characterized.Overall, this dissertation generated fundamental knowledge about aqueous solution behaviour of PAOXs and structure-property relationship in PAOX multilayer films. 240

Kitosan önemli biyolojik özellikleri sebebiyle birçok biyomedikal uygulamada kullanımı olan doğal ve doğrusal yapıda bir polisakkarittir. Katman-katman (LbL) kendiliğinden yapılanma yöntemi birbirleriyle etkileşen polimerler kullanarak yüzeylerin işlevselleştirilmesi için kolay uygulanabilir ve ekonomik bir yöntemdir. LbL yöntemiyle işlevsel moleküllerin yüzeyden denetimli salımı için polimer platformlar oluşturmak da mümkündür. Bu tez çalışmasında, LbL tekniği kullanarak, Kitosan ve iki farklı poliasit, Tannik Asit (TA) ve poli(akrilik asit) (PAA), kullanarak hafif asidik koşullarda ultra-ince polimer kaplamalar hazırlanmıştır. Kitosan/TA and Kitosan/PAA çok katmanlı filmlerinin oluşmasındaki itici kuvvet, Kitosanın protonlanmış amino grupları ile TA'nın fenolat grupları ve Kitosanın protonlanmış amino grupları ile PAA'nın karboksilat grupları arasındaki elektrostatik etkileşimidir. Buna ek olarak, Kitosanın hidroksil grupları ile TA'nın fenolik hidroksil grupları veya PAA'nın karboksil grupları arasındaki hidrojen bağları da polimerlerin yüzeyde birikmesine katkı sağlamıştır. Bu iki filmin LbL büyüme, kararlık, ıslanabilirlik ve yüzey morfolojisi gibi yüzey özellikleri incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Birbirinden oldukça farklı film özellikleri poliasitlerin kimyasal yapısı ve asit özellikleri ile açıklanmıştır. Bu iki filmin ilaç yükleme kapasitesi, uyarana duyarlı salım ve protein tutunması gibi biyolojik özellikleri arasındaki farklar da yüzey özellikleri ile ilişkilendirilmiştir. Bu tez çalışması, Kitosan esaslı LbL filmlerin yapı-özellik ilişkileri hakkında temel bilgi oluşturulmasına katkı sağlamış ve kullanılan poliasite bağlı olarak çok katmanlı filmlerin yüzey ve biyolojik özelliklerinin kontrol edilebileceğini göstermiştir. Chitosan is a natural polysaccharide which finds use in various biomedical applications due to its important biological properties. Layer-by-layer (LbL) technique is a practical and economical method to functionalize surfaces using interacting polymer pairs. LbL technique can also be used to construct polymer platforms for controlled release of functional molecules from a surface. In this thesis, ultra-thin polymer coatings were prepared using Chitosan and two different weak polyacids, i.e. Tannic Acid (TA) and poly(acrylic acid) (PAA) through LbL technique at moderately acidic conditions. The driving force for multilayer assembly was electrostatic interactions between the protonated amino groups of Chitosan and phenolate groups of TA and protonated amino groups of Chitosan and carboxylate groups of PAA for Chitosan/TA and Chitosan/PAA films, respectively. In addition, hydrogen bonding interactions among the hydroxyl groups of Chitosan and phenolic hydroxyl groups of TA or carboxyl groups of PAA contributed to the association of the polymers at the surface. The surface properties of the films such as LbL growth profile, stability, wettability and surface morphology were examined. The remarkably different surface properties are explained by the chemical nature and acidity of the polyacids. The differences in biological properties of the films such as drug loading capacity, stimuli-responsive release and protein adsorption behaviours are explained by the differences in surface properties. This thesis study generated fundamental information about the structure-property relationship in Chitosan based LbL films and showed tuning both surface and biological properties of the multilayers by simply changing the nature of the polyacid. 88

Katman-katman (LbL) kendiliğinden yapılanma yöntemi ince filmlerin hazırlanmasında kullanılan basit ve yenilikçi bir yöntemdir. Film özelliklerinin kontrolü gerek film üretimi gerek ise film üretimi sonrasında mümkündür. Uyarıcılara duyarlı polimerler, özellikle biyomedikal uygulamalarda kullanılacak LbL filmlerin hazırlanmasında önemli yapıtaşlarıdır. Demir oksit nanoparçacıkları biyogörüntüleme ve/veya manyetotermal tetikleme ile kontrollü ilaç salımı gibi biyomedikal uygulamalar için ilgi çekmektedir. Bu tez çalışması LbL yöntemi ile nötr polimerlerin demir oksit nanoparçacıkları yüzeyinde biriktirilmesi için stratejiler geliştirmeyi amaçlamıştır. Demir oksit nanoparçacıkları ultrasound temelli birlikte-çöktürme tekniği ile sentezlenmiş ve dinamik ışık saçılımı, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi spektroskopisi ve geçirimli elektron mikroskobu teknikleri kullanılarak tanımlanmıştır. Poly(2-izopropil-2-oksazolin) (PIPOX) and Tanik Asit (TA) demir oksit nanoparçacıkları üzerinde LbL tekniği kullanılarak biriktirilmiştir. Çok-katmanlı filmlerin oluşumu için itici güç PIPOX ve TA arasında oluşan hidrojen bağlarıdır. Demir oksit nanoparçacıkları üzerinde film birikimi zeta potansiyel ve hidrodinamik boyut ölçümleri ile tanımlanmıştır. Doxorubicin (DOX), model anti-kanser ilacı olarak kullanılmış ve LbL kaplanmış demir oksit nanoparçaçıklarına pH 7.5'de yüklenmiştir. DOX'un LbL kaplı demir oksit nanoparçacıklarının yüzeyinden hem pH hem de sıcaklık tetiklemesi ile salınabileceği gösterilmiştir. DOX'un orta asidik koşullarda salımı, TA'nın protonlanması ve TA ile DOX arasındaki elektrostatik etkileşimin yitirilmesidir. DOX'un yüzeyden sıcaklık tetiklemesi ile salımı ise PIPOX'un alt kritik çözelti sıcaklığı (LCST) tipi faz davranışı göstermesi ve PIPOX'un film içerisinde konformasyonal dönüşüme uğraması sayesinde DOX moleküllerinin salımı ile ilişkilendirilebilir. Çok-katmanlı filmlerin sıcaklık ve pH duyarlı olması ve demir oksit nanoparçacıklarının biyomedikal uygulamalar için potansiyeli düşünüldüğünde, bu çalışmadan elde edilen sonuçlar demir oksit nanoparçacıkların LbL filmler ile kaplanması ve yüzeylerinden ilaç salımı için stratejiler geliştirilmesine katkısından dolayı önemlidir. Layer-by-layer (LbL) technique is a simple and unique technique for fabrication of thin films. It is possible to control the film properties during assembly and post-assembly steps. Stimuli responsive polymers are important building blocks for LbL assembly, especially for drug delivery applications of LbL films. Iron oxide nanoparticles have been of interest for biomedical applications such as bioimaging and/or drug delivery via magnetothermal trigger. This thesis study aimed to develop strategies for layer-by-layer assembly of neutral polymers onto iron oxide nano particles. Iron oxide nano particles were synthesized by ultrasound based co-precipitation method and characterized by dynamic light scattering, FTIR spectroscopy and transmission electron microscopy techniques. Multilayers of poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOX) and Tannic Acid (TA) were deposited onto iron oxide nano particles using LbL technique. The driving force for multilayer assembly was found to be hydrogen bonding interactions among PIPOX and TA. Film deposition onto iron oxide nanoparticles was characterized using zeta potential and hydrodynamic size measurements. A model anti-cancer drug, doxorubicin (DOX) was loaded into LbL coated iron oxide nanoparticles at pH 7.5. It was shown that DOX could be released from the surface of LbL coated iron oxide nanoparticles via both pH and temperature-trigger. DOX released from the surface at moderately acidic conditions due to protonation of TA and loss in electrostatic interactions among TA and DOX. On the other hand, DOX was released from the surface via temperature-trigger due to lower critical solution temperature (LCST)-type phase behavior of PIPOX and conformational transition in PIPOX chains within the multilayers resulting in release of DOX molecules. Considering the temperature and pH response of multilayer and potential of iron oxide nanoparticles for biomedical applications, results obtained in this thesis are important to develop strategies for LbL coating of iron oxide nanoparticles and release of drug molecules from surfaces. 100

Polimerlerin katman-katman kendiliğinden yapılanma tekniği biyomedikal cihazların veya biyomalzemelerin yüzeylerine yeni fonksiyonlar katmakta kullanılan uygulaması basit bir yöntemdir. Bu yöntem ile kaplanan malzemeler çevresel etmenlere duyarlılık kazanabilmekte, ilaç vb. biyolojik moleküllerin kontrollü salımını gerçekleştirebilmektedir. Bu tez çalışmasında, katman-katman kendiliğinden yapılanma yöntemi kullanılarak ultra-ince polimer filmler hazırlanmış, fizikokimyasal özellikleri incelenmiş ve yapışma önleyici ve antibakteriyel polimer yüzeylerin hazırlanmasını da kapsayan biyomedikal uygulamalar için potansiyelleri ortaya çıkarılmıştır. Tezin ilk bölümünde, zwitteriyonik blok kopolimer miseller içeren çok-katmanlı filmlerin bakteri yapışma önleyici özellikler gösterdiği, aynı zamanda pH'a duyarlı misel çekirdekleri sayesinde yüzeyden antibakteriyel ajan salımı gerçekleştirebildikleri gösterilmiştir. Tezin ikinci bölümünde, kemik oluşumunu desteklemek ve implantların vücuda uyum sağlama sürecini kısaltmak amacıyla antibakteriyel Tannik Asit'in (TA) ve biyobozunur bir polimer olan poli(4-hidroksi-L-prolin ester)'in (PHPE) kullanarak çok-katmanlı filmler hazırlanmış ve bu filmlerin kemik rejenerasyonunu desteklediği ve osteokondüktif özellik gösterdiği ortaya çıkarılmıştır. Tezin üçüncü bölümünde, kitozan ve polietilen glikol'den oluşan hidrojellerin üzerinde TA ve sıcaklığa duyarlı poli(N-vinil kaprolaktam) (PVCL) çok-katmanlı filmleri biriktirilmiş, hidrojellerin yüzeyinden vücut sıcaklığında antibiyotik (Siprofloksasin) salımı gerçekleştiği gösterilmiştir. Yüzeyleri TA ve PVCL çok-katmanlı filmleri ile modifiye edilen hidrojellerin deri içerisinde bulunan fibroblastların viabilitesini artırdığı bulunmuştur. Bu tip hidrojellerin yara sargısı olarak kullanılabilme potansiyeli vardır. Katman-katman kendiliğinden yapılanma yöntemi, biyolojik olarak işlevsel filmlerin hazırlanması için kolay uygulanabilir ve çok yönlü bir yöntemdir. Bu tez çalışması kapsamında hazırlanan filmler, yapışma önleyici ve antibakteriyel olmaları yanında kemik dokusu rejenerasyonu ve yara iyileştirme uygulamaları için de ümit verici niteliktedir. Layer-by-layer self-assembly of polymers is a versatile technique which can impart new functions to the surfaces of biomedical instruments and biomaterials. Materials which are coated by this technique can exhibit response towards environmental stimuli, such that the controlled release of drugs and similar biologically functional molecules under different stimuli can be observed.In the span of this thesis study, ultra-thin polymer films were prepared through the layer-by-layer self-assembly technique, the physicochemical properties of the films were assessed and their potential functions in biomedical studies which cover coating surfaces to impart anti-adhesive and antibacterial properties were discovered. As described in the first chapter of the thesis, multilayer films of zwitterionic block copolymer micelles has shown bacterial anti-adhesive and pH-responsive antibacterial agent releasing properties. The antibacterial agent was released from the pH-responsive cores of the block copolymer micelles. In the second chapter of the thesis, for the purpose of supporting the bone regeneration and reducing the time of acceptance of the implants in the body, multilayer films of antibacterial Tannic Acid (TA) and biodegradable poly(4-hydroxy-L-proline ester) (PHPE) was studied. It was determined that, these films are osteoconductive and support the regeneration of the bone. In the third chapter of the thesis, multilayer films of TA and thermoresponsive poly(N-vinyl caprolactam) (PVCL) was deposited on hydrogels composed of chitosan and polyethylene glycol (PEG). It was shown that, at physiological temperature, antibiotic release from the hydrogel membranes was enhanced. It was also determined that, hydrogels with TA and PVCL multilayer-film surface modifications enhance the viability of fibroblasts in the skin. This type of hydrogels hold promise in use as antibacterial wound dressings.Layer-by-layer self-assembly technique is a facile and versatile method of preparing biologically functional surfaces. The films which are prepared in the extent of this thesis are not only promising for bacterial anti-adhesive and antibacterial applications, but also for bone regeneration and wound healing. 248

Poli(laktik-ko-glikolik asit)-b-poli(etilen glikol) (PLGA-b-PEG) amfifilik karaktere sahiptir ve bu özellik sayesinde sulu ortamda çekirdek ve kabuk yapısını oluşturabilirler. Bu PLGA-b-PEG nanoyapıları, biyouyumlu ve biyobozunabilir olduklarından biomedikal uygulamalarda ilaç taşıyıcı sistem olarak yaygın şekilde kullanılırlar. Kontrollü ilaç salımı uygulamaları için biyobozunur PLGA-b-PEG nanoyapılarını avantajlı sistemlerdir. İlaç salımı bu sistemlerde PLGA çekirdeğinin hidrolizi ile olur. Literatürde PLGA-b-PEG nanoyapılarının sulu çözeltilerindeki ilaç salımı davranışını inceleyen makaleler mevcuttur. Ancak PLGA-b-PEG polimerzomlarının yapı taşı olarak kullanıldığı katman-katman filmler hakkında sınırlı sayıda çalışma vardır.Bu çalışmada, Doksorubisin ve Paklitasel ilaçlarının yüklendiği PLGA-b-PEG polimerzomeları hazırlanmış ve Tannic acid (TA) molekülü ile katman-katman filmlerde yapı taşı olarak kullanılmışlardır. Katman-katman filmlerin hazırlanma koşullarının bu filmlerden ilaç salınma kinetiğini etkilediği gösterilmiştir. Buna ek bu filmlerin yapısına bariyer katmanları koyarak, yüzeyden ilaç salımı kinetiği kontrol edilmiştir. PLGA-b-PEG polimerzomlarının katman-katman filmlere yüklenmesi, filmlerin ilaç yükleme kapasitesini artırdığı ve polimerzomeların kan dolaşımında ki stabilitesini arttırdığı için önemlidir. PLGA-b-PEG polimerinin biyobozunabilmesi, TA'in önemli biyolojik özellikleri ve katman-katman sistemlerden ilaç salımı kinetiğinin kontrol edilebilmesi, bu sistemlerin yüzeyden ilaç salım uygulamalarında gelecek vaat eden çalışmalar olduğunu gösterir. Poly(lactic-co-glycolic acid)-b-poly(ethylene glycol) (PLGA-b-PEG) can self-assemble into core/shell nanostructures in aqueous environment due to its amphiphilic nature. These nanostructures have been widely used as drug carriers in the biomedical applications due to biocompatibility and biodegradability of PLGA-b-PEG. Biodegradable character of the nanostructures provides an advantage for controlled drug delivery systems. The drug release occurs through hydrolytic degradation of PLGA core. There are studies reporting on the aqueous solution behavior of PLGA-b-PEG nanocarriers. However, there are limited numbers of studies concerning use of PLGA-b-PEG polymersomes as building blocks in preparation of layer-by-layer (LbL) self-assembled films. In this study, Doxorubicin and Paclitaxel loaded PLGA-b-PEG polymersomes were prepared and used as building blocks together with Tannic Acid (TA) in the preparation of LbL films. It was shown that multilayer deposition conditions affected the kinetics of drug release from the surface at acidic conditions. Moreover, it was demonstrated that release kinetics could also be controlled by constructing barrier layers within the LbL films. Incorporation of PLGA-b-PEG polymersomes into multilayers is important to increase the loading capacity of the films and to enhance the stability of polymersomes in the bloodstream. Considering the biodegradability of PLGA-b-PEG, important biological properties of TA and controllable release kinetics via LbLfilm architecture, such multilayers may be promising for controlled delivery applications from surfaces. 117

Blok kopolimer miseller (BCM) hidrofobik çekirdek bölgelerinde suda çözünmeyen ilaçları barındırabildikleri için ideal ilaç taşıyıcılarıdır. BCM'lerin çekirdek bölgesini oluşturan bloğun ortam koşullarına duyarlı olması durumunda ise işlevsel moleküllerin salımı pH, sıcaklık, iyon şiddeti gibi çevre şartları değiştirilerek gerçekleştirilebileceğinden bu tip BCM'ler araştırmacıların özellikle ilgisini çekmektedir. BCM'lerin katman-katman (LbL) filmlerin içerisine yerleştirilmesi BCM'lerin kan dolaşımı içerisinde kararlılıklarının artması ve çekirdek bölgelerinde barındırdıkları kargonun erken salımını engellemek için önemlidir. Ayrıca, BCM'ler katman-katman filmlerin işlevsel hidrofobik molekülleri yükleme kapasitelerini de artırır. Bu çalışmada, pH/sıcaklığa duyarlı PDMA-kabuk ve pH'a duyarlı PDEA-çekirdek yapısına sahip poli[2-(dimetilamino)etil metakrilat-b-poli(2-(dietilamino)etil metakrilat)] (PDMA-b-PDEA) miseller, PSS kullanarak LbL filmlerin hazırlanmasında yapıtaşı olarak kullanıldı. Film biriktirme pH'ı ve sıcaklığının çok-katmanlı filmlerin özelliklerine etkisi detaylı bir şekilde incelendi. Polimer çözeltilerinin pH'larındaki sadece 0.5 birimlik bir farkın çok-katmanlı filmlerin pH kararlılıklarında belirgin bir farka yol açtığı anlaşıldı. Film kaplama sıcaklığının filmlerin özellikleri üzerindeki etkisinin de pH'a bağlı olduğu gösterildi. Bu tez çalışmasında alınan sonuçlar, film kaplama koşullarının çifte duyarlı blok kopolimer misellerden hazırlanmış çok-katmanlı filmlerin özelliklerine etkisi üzerine temel bilgi birikimi oluşturulmasına katkıda bulunmuştur. Block copolymer micelles (BCMs) are ideal drug carriers due to their hydrophobic core regions which can encapsulate water insoluble drug molecules. BCMs with stimuli-responsive cores are of specific interest due to release of the cargo by simply changing the environmental conditions, e.g. pH, temperature, ionic strength. Incorporation of BCMs into layer-by-layer (LbL) films is important to keep the BCMs stable in bloodstream and prevent the release of the cargo at an early stage. In addition, BCMs increase the loading capacity of the LbL films for functional hydrophobic molecules. In this study poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-b-poly(2-(diethylamino)ethyl methacrylate)] (PDMA-b-PDEA) micelles with pH/temperature responsive PDMA-coronae and pH-responsive PDEA-core structure were used as building blocks to construct LbL films using poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) as the polymer counterpart. The effect of film deposition pH and temperature on the properties of the multilayers was investigated in detail. It was found that only 0.5-unit difference in the pH of polymer solutions resulted in a significant difference in the stability of the multilayers in the pH-scale. It was also demonstrated that the effect of film deposition temperature on the properties of the resulting films were highly pH-dependent. Results obtained in this thesis study contribute to the fundamental knowledge about the effect of film deposition conditions on the properties of multilayer films of a dually responsive BCM. 89

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. 91

Çevre koşullarına duyarlı polimerler işlevsel moleküllerin yüzeyden salınımı için umut vadeden malzemelerdir. Katman-katman (LbL) kendiliğinden yapılanma tekniği çevreye duyarlı ince filmler üretmek için pratik ve kolay tekniktir. Bu yöntem ile filmlerin kalınlığı ve içeriği hassas bir şekilde kontrol edilebilir. Sıcaklığa duyarlı polimerler, sıcaklık kontrolünün diğer uyarılara kıyasla daha kolay kontrol edilebilmesinden dolayı LbL filmlerin üretiminde en fazla çalışılmış polimerlerdendir. Bu tez çalışması, vücut pH'ında çekirdekleri üst kritik çözelti sıcaklığı (UCST) faz davranış özelliği gösteren blok kopolimer misellerin (BCMs) hazırlanması ve bu blok kopolimer misellerin sıcaklık artışıyla yüzeyden süpürülebilen LbL filmlerin üretiminde yapıtaşı olarak kullanılmasını rapor etmektedir. Öncelikle, P2VP-b-PEO'nun P2VP bloğunda bulunan piridin birimleri kısmi olarak quaternize edilerek P2VP üzerinde kalıcı pozitif yük elde edildi. Miselizasyon, çok-değerlikli tuz iyonlarının, K3Fe(CN)6, varlığında, pozitif yüklü P2VP bloğu ve çok-değerlikli tuz anyonları arasındaki elektrostatik etkileşim ile tetiklendi. K3Fe(CN)6'nın derişimi ve miselizasyonun gerçekleştirildiği sıcaklık misel çekirdeklerin UCST değerleri üzerinde oldukça etkiliydi. QP2VP+[Fe(CN)6]3-)-b-PEO misellerini içeren LbL filmler, Tannik Asit (TA) kullanılarak pH 7.5'de hazırlandı. Bu filmlerin üretimindeki birincil itici güç, TA ve QP2VP+[Fe(CN)6]3-)-b-PEO misellerine ait PEO-kabuk blokları arasındaki hidrojen bağlarıdır. Çok-katmanlı filmlerin sıcaklık artışıyla yüzeyden süpürülebildiği gösterildi.Bu çalışma, hidrojen bağlı çok katmanlı filmlerde yapı-özellik ilişkisini anlamaya katkı sağlamaktadır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, yüzeyden kontrollü salınım uygulamaları için daha gelişmiş çok-katmanlı filmlerin hazırlanması için bir temel oluşturabilir. Stimuli-responsive films are promising materials to release functional molecules from surfaces. Layer-by-layer (LbL) is a practical and easy technique to construct stimuli responsive thin films. Thickness and composition of the films can be precisely controlled using this technique. Temperature-responsive (thermo-responsive) polymers are one of the most extensively studied polymers in the construction of stimuli responsive LbL films due to relatively easy control of temperature than the other stimulus. The study presented in this thesis reports on preparation of block copolymer micelles (BCMs) with cores exhibiting upper critical solution temperature (UCST)-type phase behaviour at physiological pH and using such BCMs as building blocks to construct LbL films which can be erased from the surface with increasing temperature. P2VP blocks of P2VP-b-PEO was partially quaternized to obtain permanent positive charge on P2VP. Micellization was induced in the presence of multivalent salt ions, K3Fe(CN)6, via electrostatic interactions among the positively charged P2VP block and multivalent salt anions. The concentration of K3Fe(CN)6 and the micellization temperature were highly critical on the UCST values of the micellar cores. LbL films of QP2VP+[Fe(CN)6]3-)-b-PEO micelles were prepared using tannic acid (TA) at pH 7.5. The driving force for multilayer assembly was hydrogen bonding interactions between TA and the PEO-corona of QP2VP+[Fe(CN)6]3-)-b-PEO micelles. Multilayers could be erased from the surface with increasing temperature. This study contributes to the fundamental understanding of the structure-property relationship in hydrogen-bonded multilayers. The results obtained in this study can pave the way to develop multilayer films for controlled release applications from surfaces. 98

Kolorektal kanser, kolon epitel hücrelerinin kötü huylu tümöre dönüşmesinden ortaya çıkan bir hastalıktır. Türkiye'de 2013 itibarıyla, kolorektal kanser, kanser nedenli ölümler arasında üçüncü sıradaki ölüm sebebidir. Lipoksigenezler (LOX) çoklu doymamış yağ asitlerini (PUFA) sonrasında hücrede çeşitli görevlerde yer alan oksidize hallerine dönüştüren bir dioksijenaz familyasıdır. Spesifik olarak, 15-Lipoksigenez-1 (15-LOX-1), LOX familyasının bir üyesi olarak, tercihen linoleic asidi (LA) 13-(S)-HODE'ye oksitleyen bir enzimdir. Normal hücrelerde enflamasyonun çözünmesi ya da tümör baskılanması gibi görevleri varken, meme ve kolorektal gibi kanser çeşitlerinde ifadesi azalmaktadır. 15-LOX-1 ifadesinin kolorektal kanserde yeniden oluşturulması metastaz, hücre büyümesi ve hücrelerin invazyon gibi yetilerinde azalmaya sebep olmaktadır. Araştırmamızda, bu enzimin yeniden ifadesinin hücrelerin anjiyogenik özelliklerinde de bir düşüşe yol açıp açmayacağını incelemek istedik. Bu bağlamda, 15-LOX-1 ile transfekte edilmiş hücrelerden toplanmış şartlandırılmış besiyeri kullanarak ve bu hücrelerden toplanmış RNA'ları analiz ederek VEGF proteini ifadesinin ve salınımının, HUVEC hücrelerinin durumunu gözlemledik. VEGF ifadesinin ve salınımının normal oksijen seviyesinde ve az oksijen seviyesinde azaldığını gözlemledik. Ayrıca, HUVEC hücrelerini şartlandırılmış besiyeri ile muamele ettiğimizde, bu hücrelerin tüp benzeri yapılar oluşturma yetilerinin 15-LOX-1 varlığında azaldığı sonucuna vardık. Sonuç olarak, 15-LOX-1 hücrelerinin yeniden ifadesi kolorektal kanser hücrelerinin anjiyogenik özelliklerinde bir azalmaya yol açmaktadır. Colorectal cancer is a disease resulting from the malignant transformation of colon epithelia. As of 2013, it the third leading cause of death among cancer related deaths, in Turkey. Lipoxygenases (LOXs) are a family of fatty acid dioxygenases that convert polyunsaturated fatty acids (PUFAs) to their oxidized form, which are subsequently transformed to bioactive lipid mediators acting in various cell functions. Specifically, 15-Lipoxygenase-1 (15-LOX-1) is a member of the LOX family, oxygenating linoleic acid (LA) preferentially to 13-(S)-HODE as the final product. 15-LOX-1 is known to be important in the resolution of inflammation; the enzyme also has tumor suppressive properties and it can get downregulated in several different cancer types. 15-LOX-1 re-expression in colorectal cancer was shown to decrease metastasis, cell proliferation and invasive capabilities of the cells. We wanted to examine whether re-expression of the enzyme would also lead to a decrease in angiogenic properties. In this context, we assayed the VEGF transcript and secreted protein levels and treated HUVEC cells with conditioned media from SW480 cells expressing 15-LOX-1 . We observed a decrease in both VEGF transcript levels and secreted protein levels in both normoxic and hypoxic conditions. Additionally, HUVECs incubated with conditioned media collected from 15-LOX-1 transfected SW480 cells showed reduced formation of tube-like structures in vitro. In conclusion, 15-LOX-1 re-expression was shown to reduce angiogenic abilities of the colorectal cancer cells. 73

Yüzeyde-güçlendirilmiş Raman spektroskopisi (YGRS) yüzeye hassas titreşimsel spektroskopi tekniği olup pürüzlü metal yüzeye tutunan moleküllerin Raman saçılmalarını arttırmayla sonuçlanır. Kimya, malzeme ve canlı bilimlerinde (biyosensör, kataliz, spektroelektrokimya, kriminoloji, tek molekül YGRS vb.) kullanılan güçlü, hassas ve zararsız bir tekniktir. Katman katman kaplama tekniği (KKK) kullanılarak hazırlanan nanoparçacık (NP) gömülü çok katmanlı filmler özgün özelliklere sahip bir çeşit YGRS alttaşıdırlar. pH kontrollü üssel büyüyen (daha pürüzlü) ve lineer büyüyen (daha düz) (Poli(allilamin hidroklorür)/Poli(akrilik asit)) polielektrolit-nanoparçacık çok katmanlı film sistemleri ile benzentiyol molekülünün 10-7M'a kadar kantitatif olarak Raman sinyallerinin ölçülebileceği gösterildi. Bu sistemler için, YGRS sinyallerine, polielektrolit katman sayısı etkisi ve altın (Au) NP kaplama süresi etkisi incelenmiş ve çalışılan filmlerde benzer sinyal artışları hesaplanmıştır. Bu sistemler, UV-görünür Bölge Spektrometresi, Zetasizer, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) ve Raman Spektrometresi ile karakterize edilmiştir. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) is a surface sensitive vibrational spectroscopy technique that results in the enhancement of Raman scattering by molecules adsorbed on rough metal surfaces. It is a powerful, sensitive and non-destructive technique which is used in chemical, material and life sciences including biosensing, catalysis, spectroelectrochemistry, criminology, single molecule SERS applications and many others. Nanoparticle (NP) embedded multilayer films using Layer by Layer (LbL) technique is one of the types of SERS substrates that have unique properties. Herein, pH-controllable exponentially grown (rougher) and linear grown (smoother) (Poly(allylamine hydrochloride)/Poly(acrylic acid)) polyelectrolyte-NP multilayer film systems were studied for sensing benzenethiol (BT) molecule (up to 10-7M). The effects of number of polyelectrolyte layers and deposition times of gold (Au) NPs on SERS signals were studied and the enhancements in Raman signals are similar for all the studied systems. Characterizations of these surfaces are made by UV-vis Spectrometer, Zeta sizer, Atomic Force Microscope (AFM) and Raman Spectrometer. 77

Piezoelektrik malzeme elektrik enerjisini mekanik enerjiye ya da mekanik enerjisini elektrik enerjisine dönüştürebilen malzemedir. Piezoelektriklik genellikle seramik malzemelerin bir özelliği olarak düşünülmektedir çünkü kristal ağ yapıları merkez simetriye sahip değildir, sonuç olarak seramiklerin birim hücreleri elektriksel iki kutup içermektedir. Fakat poli(viniliden florür)'ün (PVDF) piezoelektrik özellikleri keşfedildikten sonra, polimer malzemeler yüksek esneklik, az maliyet, yüksek kimyasal kararlılıklarından dolayı seramiklerin yerine tercih edilmektedirler. Piezoelektrik özelliklerin elde edilmesi için, malzemeye elektriksel kutuplaşma prosesi uygulanmalıdır. Bunun anlamı da malzemeler kutuplaştırılmalıdır. Katman-katman kendiliğinden yapılanma çok katmanlı aşırı ince filmleri hazırlamak amaçlı kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem zıt yüklü polielektrolitlerin yüzeyde birbiri ardına kaplanmasına dayanmaktadır. Katman-katman kendiliğinden yapılanan filmler çok katmanlı filmlerin içindeki polarizasyondan dolayı potansiyel piezoelektrik malzemeler olarak incelenmektedir, bu yöntem piezoelektrik malzeme elde etmek için kullanılan elektriksel kutuplaşma işlemini elemektedir. Bu çalışmada, katman-katman kendiliğinden yapılanan filmlerin piezoelektrik karakteristikleri farklı polielektrolit çiftleri için incelenmektedir ve karşılaştırılmaktadır. Piezoelectric material is the material which converts the electrical energy to the mechanical energy or mechanical energy to the electrical energy. Piezoelectricity is usually considered as a property of ceramic materials because their crystal lattice structure does not have a centre of symmetry, as a result, the unit cells of ceramics contain a small electric dipole. However, after piezoelectric properties of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) were discovered, polymeric materials have been preferred over the ceramic ones due to their high flexibility, low cost, high chemical stability, etc.. In order to obtain piezoelectric properties, electrical poling process has to be applied to the materials, which means that they have to be polarized. Layer-by-layer self-assembly is a technique to produce ultra-thin multilayer films. It is based on alternating deposition of oppositely charged polyelectrolytes at the surface. LbL films have been investigated as potential piezoelectric materials due to polarization within the multilayers, eliminating the electrical poling treatment to obtain a piezoelectric material.In this study, piezoelectric characteristics of LbL films of different polyelectrolyte pairs have been examined and contrasted. 96

Katman katman film büyütmek ekstra ince filmlerin hazırlanması için kullanışlı bir metottur. Bu teknik kullanılarak, birkaç Angstromdan başlayıp birkaç mikrometre kalınlığa kadar olan çok ince filmler elde edilebilir. Son zamanlarda, polielekrolit uygulamalarının büyük bir kısmında, medikal araştırmalarda önemli bir rol oynayan doğal polimerler, özellikle anyonik aljinat (ALG) ve katyonik kitosan (CHI) kullanılmaktadır. Biyouyumluluk, biyobozunurluk, doğada bulunabilirlik ve işleme kolaylığı gibi özelliklerinin yanısıra, bu polimerlerin bazı biyolojik mikroortamları taklit edebilme potansiyeli vardır. Kalsiyum fosfat bileşenleri de, insan kemiğindeki mineral yapısına benzerliklerinden dolayı tercih edilen, ortopedi ve diş hekimliği uygulamalarında, hücre farklılaşmasını ve çoğalmasını toplamda yeni kemik dokusu oluşumunu arttıran, graft, dolgu, ve taşıyıcı olarak hormon, büyüme faktörü ve ilaç için kullanılan malzemelerdir. Jelatin (GEL) de çok katmanlı polielektrolit film oluşturmakta kullanılan önemli bir polimerdir. Katman katman oluşturulan CHI/GEL ve ALG filmler bölgesel antibiyotik tedavisi için iyi bir aday olabilirler. Bu çalışmada, ilk olarak, birbirleriyle etkileşimi iyi olan kitosan (CHI) ve aljinat (ALG) kullanarak ve de katmanlar arasında kalsium fosfat nişleri oluşturmak amacıyla ortama bazı tuz çözeltileri ekleyerek iki boyutlu (2B) filmler halinde çok katmanlı nanokompozitler oluşturulmuştur. Optimum film oluşturma şartları ortam pH'ı, tuz konsantrasyonu ve katman depozisyon sıralaması gibi farklı parametreler kullanılarak tayin edilmiştir. Oluşturulan filmler üzerindeki Saos-2 tipi hücrenin tutunması ve çoğalması incelenmiştir. Bu çalışmanın ikinci bölümünde, mikro katman filmler çözelti döküm metodu ile hazırlanmıştır. Bu filmler üç tabaka olarak yapılmış ve bazıları model bir antibiyotik olarak ceftriaxon sodium (CS) ile yüklenmiştir. Bu filmler, kontrol olarak ilaçsız veya aljinat tabakasına CS yüklenmiş olarak hazırlanmış ve CHI/ALG/CHI, CHI/ALG-CS/CHI, CHI-GEL/ALG/CHI-GEL ve CHI-GEL/ALG-CS/CHI-GEL olarak kodlandırılmıştır. Oluşturulan filmlerin mekanik özellikleri ve CS'nin filmlerden salım kinetikleri incelenmiştir. Nano LbL filmlerin implant yüzeylerine kaplanarak yüzeyi biyouyumlu yapmasının mümkün olduğu ve çözücü döküm metodu ile hazırlanan mikro filmlerin ilaç taşıyıcılar olarak iyi bir aday olduğu yorumu yapılmıştır. Layer-by-layer (LbL) deposition is a useful method for the preparation of ultra-thin films. Using this technique, very thin films, starting from few Angstroms up to few micrometers can be obtained. Lately, most of the polyelectrolyte applications have employed natural polymers, mainly anionic alginate (ALG) and cationic chitosan (CHI), which have been playing an important role in biomedical research. Besides their attractive biocompatibility, biodegradability, abundance and ease of processing, these polymers have a potential ability to mimic some biological microenvironments. Calcium phosphate compounds are also preferable materials because of their similarity to natural bone minerals, and used in orthopedic and dental applications as grafts, fillings, as carrriers for hormons, growth factors or drugs which all enhance the differentiation and proliferation of cells and in total formation of new bone tissue. Gelatin (GEL) is also an important polymer used in polyelectrolyte multilayers. Layer-by-layer growth of CHI/GEL and ALG can be a good candidate for local antibiotic treatment. In this work, firstly, multilayered nanocomposites were produced as LbL two-dimensional (2D) films by using chitosan (CHI) and alginate (ALG) as interacting polymers as well as some salt solutions to obtain nano size calcium phosphates niches within each layer. Optimum film formation conditions were determined by using different parameters such as pH of the medium, salt concentration and layer deposition order. The produced films were tested for Saos-2 cell attachment and proliferation. In the second part of the study, microlayer films were prepared via solvent casting method. These films contained three layers and some loaded with a model antibiotic namely ceftriaxone sodium (CS). The films were prepared either without drug as controls, or CS loaded in alginate layer and coded as CHI/ALG/CHI, CHI/ALG-CS/CHI, CHI-GEL/ALG/CHI-GEL and CHI-GEL/ALG-CS/CHI-GEL. Mechanical properties of the films and release kinetics of CS from the films were investigated.It was concluded that, formation of nano LbL films on implant surfaces to make them biocompatible is possible, and microfilms prepared by solvent casting can be good candidates as drug carrier devices. 173

Ortam koşullarına duyarlı katman-katman polimer filmler ilaç, protein, büyüme hormonları gibi işlevsel biyolojik moleküllerin kontrollü salımı için ümit verici polimerik platformlardır. Son yıllarda, hem biyogörüntüleme hem de biyolojik moleküllerin kontrollü salımını gerçekleştirebilecek iki işlevselliğe sahip süperparamanyetik nanoparçacıklar içeren katman-katman filmlerin hazırlanması yoğun ilgi çekmektedir. Süperparamanyetik nanoparçacıkların sıcaklığa duyarlı polimer filmlerin içerisine yerleştirilmesi durumunda ise harici tetikleme yöntemlerinden biri olan manyetotermal tetikleme aracılığıyla işlevsel biyolojik moleküllerin istenildiği zaman yüzeyden salınmasını mümkün kılmaktadır. Bu tez çalışması elektriks yüklü demir oksit nanoparçacıklarının nötr hidrojen bağlı katman-katman polimer filmlerin içerisine yerleştirilmesi için bir yolsunmaktadır. İlk olarak, boyutları 20 nm'den küçük manyetik demir oksit nanoparçacıkları `birlikte çöktürme` tekniği ile ultrasound uygulaması eşliğinde sentezlenmiştir. Demir oksit nanoparçacıkları dinamik ışık saçılımı, zeta-potansiyel ölçümü, Infrared Spektroskopisi (IR), X-ışını kırınım yöntemi (XRD), taramalı elektron mikroskobu (TEM) ile görüntüleme yöntemleri ile tanımlanmıştır. Film üretimi için poli (vinil kaprolaktam) (PVCL) ve Tanik Asit(TA) yapı-taşları olarak kullanılmıştır. PVCL hidrojen alıcı gruplara sahip nötr bir polimer, TA ise hidrojen verici hidroksil gruplara sahip olup yaklaşık pKa değeri ~ 8.5'tir. Orta derecede asitliğe sahip ortamlarda, TA hem protonlanmış hem de iyonize hidroksil gruplarına sahiptir. Böylece hidrojen bağları aracılığıyla PVCL ile etkileşmesi, elektrostatik bağlar aracılığıyla da demir oksit nanoparçacıkları ile etkileşmesi mümkündür. Katman-katman filmler pH 4'te substratınsırayla TA, PVCL, TA and demir oksit nanoparçacıklar içeren çözeltilere ardışık olarakdaldırılması suretiyle üretilmiştir. Bu işlemistenilen katman sayısına ulaşana kadar substratın aynı sırayı takip ederek çözeltilerin içerisine daldırılması yoluyla devam eder. Filmlerin pH değişimlerine karşı kararlığı detaylı olarak idelenmiştir. Çok-katmanlı filmlerin üretimi ve pH kararlığı UV-Görünür Bölge Spektroskopisi kullanılarak takip edilmiştir. Filmlerin morfolojisi Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), manyetik özellikleri ise Manyetik Kuvvet Mikroskobu (MFM) kullanarak tanımlanmıştır. TA/PVCL/TA/demir oksit nanoparçacıklarından oluşan çok-katmanlı filmler asidik ve bazik koşullarda oldukça kararlı davranış gösterdiler. Ayrıca, çok-katmanlı filmlerin yüzeyinden vücut içerisinde farklı bakteriyel infeksiyonların tedavisinde kullanılan ciprofloxacin isimli antibiyotiğin salımı nötr ve hafif bazik pH değerlerinde vücut sıcaklığında başarıyla gerçekleştirilmiştir. Çok-katmanlı filmlerin yüzeyinden ciprofloxacin salımı UV-Görünür Bölge Spektroskopisi kullanılarak takip edilmiştir.Bu çalışma bilgimiz dahilinde, manyetik demir oksit nanoparçacıkları içerenhidrojen-bağlı sıcaklığa duyarlıpolimer filmlerin hazırlanmasını ve tanımlanmasını gösteren ilk çalışmadır. Filmler, sıcaklık duyarlıklarının yanısıra pH tetiklemesi ile ciprofloxacin isimli antibiyotiğin salımını mümkün kılmaktadır. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar teranostik (tedavi ve teşhis) uygulamalar için daha gelişmiş duyarlı film sistemlerinin üretimi için temel bilgi birikimini oluşturmaktadır. Stimuli responsive layer-by-layer (LbL) polymer films are promising materials as platforms for controlled release of functional biological molecules such as drugs, proteins, growth hormones, etc. from surfaces. Recently, there has been a growing interest for preparation of LbL polymer platforms containing superparamagnetic iron oxide nanoparticles for dual functionality, i.e. bioimaging and controlled delivery of biological molecules. Moreover, if superparamagnetic iron oxide nanoparticles are embedded into temperature-responsive polymer films, an external trigger mechanism, i.e. magnetothermal trigger can also be used to release functional biological molecules on demand from the surfaces.The study presented in this thesis presents a strategy to incorporate charged iron oxide nanoparticles into neutral hydrogen-bonded polymer LbL films. First, iron oxide nanoparticles with size smaller than 20 nm were synthesized by co-precipitation technique using ultrasonication during synthesis. Iron oxide nanoparticles were characterized using dynamic light scattering, zeta-potential measurements, Fourier Transform Infrared Microscopy (FTIR) Spectroscopy, X-ray Diffraction (XRD) and Transmission Electron Microscopy (TEM) imaging. For multilayer assembly, polyvinyl caprolactam (PVCL) and tannic acid (TA) were used as polymer building blocks. PVCL is a hydrogen accepting neutral polymer whereas TA has hydrogen donating hydroxyl groups with a pKa of ~ 8.5. At moderately acidic conditions, TA carries both protonated and ionized hydroxyl groups, thus can interact with PVCL through hydrogen bonding interactions, whereas it associates with positively charged iron oxide nanoparticles through electrostatic interactions. LbL films were constructed at pH 4 by immersing the substrate into solutions of TA, PVCL, TA and iron oxide nanoparticles. This process is repeated in the same order of solutions until desired number of layers is deposited at the surface. Stability of multilayers against pH was examined in detail. Multilayer growth and pH-stability were followed by UV-Visible Spectroscopy. Morphology of the multilayers were characterized using Atomic Force Microscopy (AFM). Information about magnetic properties of multilayers was obtained using Magnetic force Microscopy (MFM). Multilayers of TA/PVCL/TA/iron oxide nanoparticles were highly stable at acidic and slightly basic conditions. Moreover, these multilayers were capable of releasing ciprofloxacin, an antibiotic used for treatment of different bacterial infections in the body, at neutral and slightly basic conditions at body temperature. Release of ciprofloxacin from the multilayers was followed using UV-Visible Spectroscopy. The work in this thesis presents the first example of preparation of temperature responsive hydrogen-bonded multilayers containing magnetic iron oxide nanoparticles. In addition to temperature response, multilayers were capable of releasing ciprofloxacin by a pH trigger. Results obtained in this study form a basis for the development of more advanced responsive multilayer films for theranostic (therapeutic and diagnostic) applications. 96

Hidrojen bağlı çok-katmanlı filmlerin pH-kararlılığını iyileştirmek ve çözünme kinetiklerini kontrol edilebilir hale getirmek için zirkonyum oksiklorür oktahidrat (ZrOCl2.8H2O) kullanarak yeni ve kolay bir yaklaşım geliştirilmiştir. Bir polifenol olan tanik asit (TA) ve ZrOCl2.8H2O'dan elde edilen koordinasyon komplekslerinin (TA+Zr), PVCL, PNIPAM ve PEO gibi nötral polimerler ile hidrojen bağları aracılığıyla pH 2'de yüzeyde biriktirilmesi suretiyle katman-katman filmler elde edilmiştir. (TA+Zr) komplekslerini çok-katmanlı hidrojen bağlı polimer içerisine yerleştirerek pH kararlıkları yüksek filmler elde edilebileceği gösterilmiştir. Filmlerin pH'a karşı kararlıkları Zr4+ katyonlarının TA'nın fenolat oksijenlerine olan eğilimi ve böylelikle film yapısı içerisinde sağlanan yük dengesi ile açıklanabilir. Ayrıca, pH yükselmesi ile (TA+Zr) kompleksleri arasındaki etkileşimin artması da pH kararlığının artmasına etki etmiş olabilir. Daha da önemlisi, (TA+Zr) komplekslerinin çok-katmanlı filmler içerisine yerleştirilmesi ile filmlerin çözünme kinetiklerinin kontrol edilebilmesi mümkün kılınmıştır. PNIPAM ve (TA+Zr) komplekslerinden oluşan filmlerin çözünmesi pH 7.5'te yaklaşık 10 saat süreyle ertelenmiştir. Ayrıca, (TA+Zr) kompleksleri sayesinde filmlerin çözünme süresi de uzamıştır. pH 7.5'te üssel olarak çözünen PNIPAM ve TA çok-katmanlı filmlerinin aksine, PNIPAM ve (TA+Zr) komplekslerinden oluşmuş filmler doğrusal olarak daha uzun sürede çözünmüşlerdir. Bu tür hidrojen bağlı çok-katmanlı polimer filmler kontrollü ilaç salımı uygulamaları için umut verici malzemeler olabilir.Anahtar kelimeler: Katman-katman film oluşturma tekniği, hidrojen bağlı çokkatmanlıfilmler, çok katmanlıfilmlerde kararlılık A facile approach is developed to enhance the pH-stability and controlling destruction kinetics of purely hydrogen-bonded multilayers using ZrOCl2.8H2O. To produce layer-by-layer (LbL) films, coordination complexes of a polyphenol, Tannic Acid (TA) and ZrOCl2.8H2O ((TA+Zr) complexes) were produced and then they were self-assembled at the surface with neutral polymers such as PVCL, PNIPAM and PEO through hydrogen bonding interactions at pH 2. It was shown that incorporation of (TA+Zr) complexes into hydrogen-bonded multilayers provided excellent pH-stability. Stabilization of the films against pH can be explained by the high affinity of Zr4+ for phenolate oxygens of TA assuring the charge balance within the multilayers at increasing pH values. In addition, enhanced association between (TA+Zr) complexes with increasing pH could have also contributed to the stability of multilayers. More importantly, (TA+Zr) complexes allowed controlling kinetics of dissolution. The onset of disintegration of PNIPAM and (TA+Zr) multilayers could be delayed for approximately 10 hours at pH 7.5. In addition, incorporation of (TA+Zr) complexes into multilayers extended the disintegration time period. In contrast to multilayers of PNIPAM and TA which eroded exponentially at pH 7.5, multilayers of PNIPAM and (TA+Zr) complexes disintegrated in a linear fashion in longer periods of time. Such hydrogen-bonded multilayers may be promising for controlled drug release applications from surfaces.Keywords: Layer-by-layer technique, hydrogen-bonded multilayers films, stability of multilayer films 78