Doğanın Biyomalzeme Armağanı: Kitosan


Nagihan Emeksiz – Yüksek Lisans Öğrencisi /Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin Üniversitesi

Deniz hayvanları tüketimi, bilinçli beslenme ve kolay temin edilebilme sayesinde gün geçtikçe artmaktadır. Peki deniz ürünleri denince aklımıza sadece balık mı geliyor? Yengeç, karides, ıstakoz gibi rafine lezzetler artık daha fazla tüketilir hale gelmişlerdir. Fakat kabuklu deniz ürünleri atıkları bir çevre kirliliği yaratır ve kaynak israfını temsil eder. Çünkü selülozdan sonra doğada en çok bulunan “kitin” bizler için mükemmel bir biyopolimer kaynağıdır. Kitin bazı mantarların hücre duvarlarında, kabuklu su ürünlerinde ve böcekler gibi eklem bacaklıların dış iskeletlerinde bulunmaktadır. Kitin ve onun türevi olan kitosanın en çekici özelliği yenilenebilir bir kaynak, çevre ve canlıyla uyum sağlayacak bir polimer olmasıdır. Kitosanın elde edilmesiyle kozmetik, gıda, tekstil, ziraat, atık su arıtımı, biyoteknoloji ve biyomedikal uygulamaları gibi birçok farklı sektörde kendine kullanım alanı oluşturmuştur. Kabukluların dış iskeleti %20-%40 protein, %20-%50 kalsiyum karbonat ve %15-%40 kitinden oluşur.[1] Kabukluların dış iskeletinden kitinin elde edilmesi için proteinlerin ve minerallerin uzaklaştırılması gerekmektedir. Kitin eldesi üç aşamada gerçekleştirilir: (i) Deproteinizasyon (proteinlerin uzaklaştırılması); (ii) Demineralizasyon (minerallerin uzaklaştırılması); (iii) Dekolorasyon (pigmentlerin uzaklaştırılması). İlk olarak proteinleri çözmek için kabuk artıkları ile sodyum hidroksit (NaOH) çözeltisi karıştırılır. Daha sonra demineralizasyon işlemi için hidroklorik asit (HCl) çözeltisi kullanılır. Son olarak hafif pembe olan kitin, potasyum permanganat, hidrojen peroksit, vb. gibi bir oksitleyici madde ile renksizleştirilir.[2]

Kitin hidroksil grubu (–OH) ve N-asetilamin grubuna (–NHCOCH3) sahiptir. Kitinde bulunan asetil grubunun çıkarılmasıyla (deasetilasyon) kitosan elde edilir. Böylece, kitosanda amino grubu (- NH2) oluşur.[3]


Biyomalzeme Olarak Kitosan Kullanımı

Biyomalzemeler sentetik veya doğal malzemelerden üretilmiş, canlı dokuların işlevini yerine getirebilmek ya da destekleyebilmek için terapötik, rejeneratif ve teşhis amaçlı olarak kullanılan materyallerdir. Biyomalzemelerin sahip olması gereken en temel özellik biyouyumlu olmasıdır. Biyouyumluluk yapay implatın çevre dokular ve vücut tarafından kabul edilmesidir. Böylece biyouyumlu malzemeler çevredeki yapıları tahriş etmez, anormal bir enflamatuar tepkiye, alerjik veya immünolojik reaksiyonlara ve kansere neden olmaz. Uygulama alanlarına göre biyomalzemeler kalıcı ya da geçici olabilir.[4] Biyomalzeme polimerler, metaller, seramikler ve kompozitler olarak sınıflandırılmaktadır. Polimerler genellikle biyouyumlu olmalarından dolayı diş ve protez malzemeleri, ilaç salınımı, doku mühendisliği gibi birçok biyomedikal uygulamalarında kullanılırlar. Biyomalzeme olarak kullanılan polimerler sentetik ve doğal olmak üzere iki gruba ayrılır. Doğal polimerler biyolojik olarak parçalanabilen ve biyoaktif malzemelerdir.[5] Tanı ve tedavi süreçlerinin insan sağlığı üzerindeki hassasiyetinden dolayı biyomalzeme çalışmaları büyük bir titizlikle yapılmaktadır. Özellikle iyi bir biyouyumluluk göstermesi nedeniyle doğal kaynaklı biyomalzemeler tercih edilmesi önem kazanmıştır. Kitosan, doğal kaynaklardan elde edilen bir polimerdir. Yüksek biyouyumluğunun yanı sıra biyobozunur ve anti-enflamatuar özelliklerine sahip olması nedeniyle doku mühendisliği, ilaç taşıma sistemleri ve yara onarımı gibi birçok biyomedikal uygulamalarda hem tek başına hem de kompozit yapılar şeklinde sıklıkla kullanılmaktadır.


1. Doku Mühendisliği

Kitosan, doğrusal boyutta düzenlenmiş N-asetil-D-glukozamin ve D-glukozamin içeren bir polisakkarittir. Hücre dışı matrisin ana bileşenlerinden olan glikozaminoglikan polisakkaritler, kitosanın yapısıyla benzerlik gösterirler. Bu da kitosan bazlı doku iskelelerine hücre büyüme faktörlerini etkileme yeteneği verir.[6] Ayrıca yapısındaki amino grubunun (–NH2) varlığı nedeniyle doğada katyoniktir. Bu nedenle proteoglikanlar gibi negatif yüklü moleküller ile aralarında elektrostatik çekim oluşur ve hücre dışı matrisin oluşumuna yardımcı olur.[7] Kitosan toksik olmaması, biyolojik olarak parçalanabilir ve biyouyumlu olmasından dolayı doku mühendisliği için uygun bir biyomalzemedir. Kornea epitel hücreleri, göz içindeki oküler sıvıyı pompalayarak kornea şeffaflığını korumaktan sorumludur. İnsan kornea epitel hücreleri yenilenemez, bu nedenle yaşlanma, travma veya hastalık nedeniyle epitel hücrelerinin kaybına bağlı görme bozukluğu ortaya çıkar. Yüksek talep ve kornea donerlerinin eksikliği, oküler hücre tedavisi için kornea doku mühendisliğini önemli kılmaktadır.[8] Wang ve ark. yapmış olduğu çalışma, ağırlıkça %25 oranında polikaprolakton (PCL) ve kitosan karışımı ile oluşan kompozitin potansiyel kullanımını kornea endotel hücrelerinin çoğalmasını üzerinde araştırmayı amaçlamıştır. Kompozit yapının performansını değerlendirmek için doku kültürü polistiren (TCPS) ile karşılaştırılmıştır. Kornea endotel hücreleri hem kitosan içerikli kompozit membranına hem de doku kültürü polistirenlere inkübe edilmiştir. Sonuçlar, hücrelerin yüzeye bağlanmasının kitosan içerikli kompozitinde daha yüksek bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir.[9]


2. İlaç Taşıma Sistemleri

Bazı ilaçlar çok kısa bir salınım süresine sahiptir ve hızla tüketilir. Bu durumda ilaç hedeflenen dokuya veya kanser hücresine yeterli dozda ulaşamadan vücut içerisinde dağılmaya başlar. Bu sorunun önüne geçmek için hastalara yüksek dozla ilaç verilmesi gerekir fakat bu hastalarda fazla yan etkilere sebep olur. İlaç taşıma sistemleri ilaçların yeterli dozunu koruyarak, kontrollü salınımını ve hedeflenen bölgeye doğru şekilde ulaşmasını amaçlamaktadır. İlaç salınım sistemleri proteinler, peptitler ve nanoparçacıklar ile oluşturulmaktadır. Proteinler biyouyumlulukları nedeniyle iyi bir ilaç taşıma ajanı olsa da en büyük dezavantajı enzimler tarafından kolayca parçalanır olmasıdır. Doğal polimerler özellikle kitosan, biyobozunur olması ve yüksek biyouyumluluk göstermesinden dolayı çeşitli ilaç taşıyıcılarını oluşturur. Kitosan, uygulama amacına bağlı olarak çeşitli formülasyonlara dönüştürülmektedir böylece terapötik etkinliği artırılarak sürekli ve yavaş salınımı kolayca sağlanmaktadır.[10] Li ve ark. yapmış oldukları çalışmada anti-tümör ilaç olan doksorubisin (DOX) ile kitosan kapsülleme yapılmış ve moleküler dinamik simülasyonlar yardımıyla farklı pH seviyelerine göre ilaç salınımları incelenmiştir.[11] Çalışmada pH'a duyarlı kitosan kullanılarak DOX’un tümör hücrelerine karşı aktivitesini ve seçiciliğini artırılması amaçlanmıştır. Kitosanın farklı derecelerde deasetilasyon yoluyla oluşturulduğu glukozamin (-NH2) ve asetil–glukozamin (-NHCOCH3) birimlerine bağlı olarak, –NH2 ve –NH3+ yüklü fraksiyonları kitosan zinciri boyunca farklı sayılarda dağıtılmıştır böylece kitosanın pH duyarlılığı değiştirmesi amaçlanmıştır. Ayrıca kitosan ve DOX molekülleri arasında oluşan H-bağı nedeniyle, DOX'un agregasyon (birikme) etkisi kitosan tarafından kısmen ortadan kaldırılabilinir. Kitosan bazlı ilaç taşıyıcılar kanser hücrelerine uygulandığında biyobozunur davranış sergiler. Asidik ortamda (pH<7), kitosan yavaş yavaş çözelti içinde dağılır ve DOX molekülleri yavaş yavaş kitosandan salınır. Sonuçlar, çeşitli pH seviyelerinde DOX ve kitosan arasındaki etkileşim mekanizmasını ortaya koymuştur ve anti-kanser ilacı DOX'un yüklenmesinin ve salınmasının kitosan bazlı ilaç taşıyıcısı yardımıyla ortamın pH değeri ile kontrol edilebileceğini göstermektedir.


3. Yara Onarımı ve Hemostatik Etki

Yaraların iyileşmesini üç aşamada özetlersek bunlar; yaradan hemen sonra başlayan pıthılaşma (hemostaz süreç), hücre proliferasyonu ile birlikte gerçekleşen enflamatuar reaksiyonlar ve doku büyümesi ve çoğalmasına zemin sağlayan hücre dışı matris oluşumu. Kitosan bazlı hidrojeller, yara iyileşmesinin her aşamalarında olumlu bir rol oynamaktadır. Trombositler, iyileşme sürecini arttırmak için kan pıhtılaşmasının en önemli bileşendir ve kitosan trombositleri etkileyerek pıhtılaşmayı hızlandırır. Yara iyileşmesinin enflamatuar fazı kısa bir süre sonra başlar. Bu süreçte kitosan bazlı hidrojeller, fibroblast ve endotel hücrelerin aktivitesini düzenleyebilir böylece iyileşmeye elverişli uygun bir enflamatuar mikro ortam oluşturabilir. Son olarak kitosan, 3D doku büyümesi için iyi bir matris sağlar.[12] Kitosan bazlı hidrojeller sadece yara iyileşmesini teşvik etmekle kalmaz, aynı zamanda yara iyileşmesine karşı oluşan aşırı enfeksiyon riskini de inhibe etmektedir. Enflamatuar yanıt yara iyileşmesinin temelidir, ancak aşırı iltihaplanma, yara iyileşmesini engelleyen bir faktördür. Kitosan bazlı hidrojeller, anti-enflamatuar ve antibakteriyel özellikleri nedeniyle iyileşme için uygun bir mikro ortam sağlar ve enfeksiyonu kontrol eder. Kitosanın deasetilasyon derecesine bağlı olarak amino grubun kimyasal modifikasyonuyla katyonik davranır. Böylece anyonik olan bakteri zarındaki proteinler, polisakkaritler ve nükleik asitlerler ile etkileşime girmesi durumunda bakteri bütünlüğünü bozarak antibakteriyel aktivite sergileyebilmektedirler.[12][13]





Referanslar

  1. Rajeswari, A., Gopi, S., Stobel Christy E., J., Jayaraj, K., Pius, A. (2020). Current research on the blends of chitosan as new biomaterials, Handbook of Chitin and Chitosan, s. 247-283. Doi: 10.1016/B978-0-12-817970-3.00009-2

  2. Islam, M., Shahruzzaman,M., Biswas, S., Sakib, N., Rashid, T., U. (2020). Chitosan based bioactive materials in tissue engineering applications-A review, Bioactive Materials, 5, pp. 164-183. Doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.01.012

  3. S. Ahmed ve S. Ikram, (2017). Chitin and chitosan: History, composition and properties, Chitosan: Derivatives, composites and applications , Scrivener Publishing LLC. , s. 1-24.

  4. D. F. Williams (2009). On the nature of biomaterials,Biomaterials,30, s.5897–5909.

  5. W. He ve R. Benson (2017). Polymeric Biomaterials, Applied Plastics Engineering Handbook (Second Edition), , s. 145-164.

  6. Bedian, L., Villalba-Rodríguez, A., M., Vargas, G., H., Saldiva, R., P., Iqbal, H., M. (2017). Bio-based materials with novel characteristics for tissue engineering applications – A review, International Journal of Biological Macromolecules,98, s. 837-846. Doi: 10.1016/j.ijbiomac.2017.02.048

  7. Madni, A., Kousar, R., Naeem, N., Wahid, F. (2021). Recent Advancements in Applications of Chitosan-based Biomaterials for Skin Tissue Engineering, Journal of Bioresources and Bioproducts, 5(1). Doi: 10.1016/j.jobab.2021.01.002

  8. Engelmann, K., Bednarz, J., Valtink, M. (2004). Prospects for endothelial transplantation, Experimental Eye Research, 78, s. 573–578. Doi: 10.1016/s0014-4835(03)00209-4

  9. Wang, Y., H., Young, T., H., Wang, T., J. (2019). Investigating the effect of chitosan/ polycaprolactone blends in differentiation of corneal endothelial cells and extracellular matrix compositions, Experimental Eye Research, 185. Doi: 10.1016/j.exer.2019.05.019

  10. Fakhri, E., Eslami, H., Marouf, P., Pakdel, F., Taghizadeh, S., Ganbarov, K., Yousef, M., Tanomand, A., Yousef, B., Mahmoudi, S., Kafil, H., S. (2020). Chitosan biomaterials application in dentistry, International Journal of Biological Macromolecules, 162, s. 956-974. Doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.06.211

  11. Li, J., Ying, S., Ren, H., Dai, J., Zhang, L., Liang, L., Wang, Q., Shen, Q., Shen, J., W. (2020). Molecular dynamics study on the encapsulation and release of anti-cancer drug doxorubicin by chitosan, International Journal of Pharmaceutics, 580. Doi: 10.1016/j.ijpharm.2020.119241

  12. Liu, H., Wang, C., Li, C., Qin, Y., Wang, Z., Yang, F., Li, Z., Wang, J. (2018). A functional chitosan-based hydrogel as a wound dressing and drug delivery system in the treatment of wound healing, The Royal Society of Chemistry, 8, s. 7533–7549. Doi: 10.1039/c7ra13510f

  13. Augustine, R., Rehman, S.,R.,U., Ahmed, R., Zahid, A., A., Sharifi, M., Falahati, M., Hasan, A. (2020). Electrospun chitosan membranes containing bioactive and therapeutic agents for enhanced wound healing, International Journal of Biological Macromolecules, 156, s. 153-170. Doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.03.207


137 görüntüleme0 yorum

Son Paylaşımlar

Hepsini Gör