Nanofiberler

Yazar

Dr. Öğr. Üyesi Ece Güler

Öğretim Üyesi - İstanbul Kent Üniversitesi Eczacılık Fakültesi, Farmakoloji Anabilim Dalı, Kağıthane 34406 İstanbul, Türkiye Araştırmacı - Nanoteknoloji ve Biyomalzemeler Uygulama ve Araştırma Merkezi, Marmara Üniversitesi, İstanbul 34722, Türkiye

"Nanofiberler gelecek için ümit vadeden bir nanofarmasötik üründür."

Nanoteknoloji nedir?

İlk defa 1974’te Norio Taniguchi tarafından kullanılan nanoteknoloji kavramı, nano boyutta yapılan mühendislik ve teknoloji çalışmalarının tamamını kapsar. Günümüzde biyoloji, eczacılık, fizik, kimya, tıp, uzay gibi pek çok farklı alanda nanoteknolojideki gelişmelerden yararlanılmaktadır. Özellikle sağlık alanında nano ölçekli geliştirilen ilaç taşıyıcı sistemler ile var olan ilaçların etkinliklerinin artırılmasında, vücutta moleküler ölçekte müdahale edilmesinin gerekli olduğu durumlarda, teşhis ve tedavinin daha etkin sağlanmasında nanoteknolojinin faydalarından yararlanılmaktadır.

Nanofiber nedir?

Çapları 1 ile 1000 nm arasında değişebilen, polimerler kullanılarak üretilen, saç teline benzeyen ilaç taşıyıcı sistemlere nanofiber denir.

Nanofiber üretim teknikleri nelerdir?

İki bileşenli ekstrüzyon, şablon sentezi, kendi kendine montaj, faz ayırma, eriyik üfleme, çekme elektroeğirme ve basınçlı dönme tekniği en çok tercih edilen nanofiber üretim tekniklerindendir.

Nanofiberlerin avantajları nelerdir?

Nanofiberler; geniş yüzey alanı/hacim oranı, esneklik, küçük çap ve kontrol edilebilir gözenek boyutu, yüksek kıvrımlılık, yüksek geçirgenlik, biyouyumluluk, biyobozunurluk, kolay işlevselleştirme, malzeme kombinasyonuna olanak sağlama, hidrofilik ya da hidrofobik özellikte olabilme, nispeten düşük maliyete ve seri üretim kapasitesine sahip olma gibi özelliklere sahiptir.

Nanofiberlerin kullanım alanları nelerdir?

Nanofiberler sahip oldukları avantajları sayesinde elektrokimyasal madde üretiminde, sensör yapımında, ilaç taşıyıcı sistem geliştirilmesinde, hava ve su filtresi üretiminde, gıda ambalajı, enerji, tekstil sanayisinde ve doku mühendisliğinde bir biyomalzeme olarak kullanılmaktadır.

Doku mühendisliğinde nanofiberlerin rolü

Doku mühendisliği; biyoaktif bileşenler ve kök hücreleri kullanarak işlevsel olmayan doku ve organları yeniden oluşturmak veya değiştirmek ile uğraşan bir mühendislik alanıdır. Kontrollü bir bozunma oranı doku mühendisliği çalışmaları için oldukça önemlidir. Tedavi amaçlı geliştirilen iskele, yeni rejenere dokuların geliştiği süre içinde bozulmalıdır. Fiberler; ekstraselüler matrikse benzerlikleri, oksijen ve besin maddelerinin dolaşımının yanı sıra metabolik atıkların uzaklaştırılmasına olanak sağlamaları, dokuların yüzeylerine uygun kimyaları, birbirine bağlı gözenekli ağ yapıları, hücrelerin prolifere olmalarına uygun yüksek gözenekliliğe ve yüzey alanı/hacim oranına sahip olmaları, yüksek ilaç yükleme kapasiteleri ve uygun mekanik güce sahip olmaları ile dokunun veya organın taklit edilmesinde oldukça ilgi gören ve üzerine çalışmalar yapılan bir ilaç taşıyıcı sistemdir. Bunlarla birlikte büyüme faktörleri, ilaçlar, peptitler, sitokinler ve diğer biyoaktif moleküllerle yüzeyi işlevselleştirilmiş nanofiberler doku mühendisliğinde yapılan çalışmalarda daha iyi tedavi sonuçları umut vadetmektedir. Böylece hedeflemenin sağlanmasında, doku yenilenmesinin hızlandırılmasında, inflamasyon seviyesinin kontrol edilmesinde ve vaskülarizasyonun geliştirilmesinde oldukça etkin rol oynamaktadır. Tüm bu avantajlarıyla doku mühendisliği uygulamalarında deri, kemik, kıkırdak, kalp, sinir, damar, tendon ve bağ gibi çeşitli doku tiplerinde nanofiberler üzerinde çalışılmaya devam edilmektedir.

İlaç taşıyıcı sistem olarak nanofiberler

İlaç taşıyıcı sistem olarak nanofiberler antibiyotikler, antioksidanlar, antitümör, antiinflamatuvar, antidiyabetik, anti-Alzheimer ilaçların yanı sıra proteinler, antibakteriyel peptitler ve DNA'lar gibi biyomakromoleküller ve bitki ekstreleri de dahil olmak üzere çok çeşitli terapötik maddelerin kapsüllenmesinde kullanılabilirler. Bu çok yönlülük, nanofiberlerin çok çeşitli terapötik amaçlar için kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Nanofiberlerin ilaç dağıtım sistemlerindeki uygulamaları, yüksek ilaç yükleme kapasiteleri, kontrollü ilaç salım profilleri ve ilaçların nanofiberler sayesinde artan biyoyararlanım ve azalan yan etkileri ile hızla genişlemektedir. Fiber içerisine enkapsüllenen ilaçların fiberlerden salınım oranı ve hızı fiberlerin bozunma hızına, şişme davranışına, gözenekliliğine ve çapınına bağlı olarak değişmektedir. Bu sebeple fiber üretiminde kullanılacak polimer solüsyonunun fiziksel parametreleri ve seçilen fiber üretim tekniğinin parametreleri değiştirilerek ilaç salınma hız ve oranı ayarlanabilir.

Yara tedavisinde nanofiberlerin rolü

Fiberlerin en popüler kullanım alanlarından biri de yara iyileşmesidir. Yaralar iyileşme sürelerine göre akut ve kronik olarak ikiye ayrılabilir. Ameliyat yaraları ya da bıçak kesikleri çabuk iyileşen akut yaralara örnek iken diyabetik ayak ülseri ise kronik bir yaradır ve iyileşmesi zordur. Kronik yaralar, enfeksiyon kapma ve iltihaplanma eğiliminde olduklarından yara iyileşme sürecindeki zorluklar tıp alanı için önemli bir sorundur. Yaraya yapılan pansuman enfeksiyona karşı koruyucu bir bariyer görevi görür, yara iyileşmesini hızlandırır. Bandajlar ve gazlı bezler, yaranın durumuna bağlı olarak enfeksiyon riskini en aza indirmede ve patojenlere karşı bir dereceye kadar korumada etkin olsalar da kapsamlı enfeksiyon koruması sağlamada, yara iyileşme ortamını optimize etmede ve yara onarım sürecini desteklemede çok etkin değillerdir. Ancak nanofiberlerin yara iyileşmesindeki kullanımıyla yaranın dış etkenlere karşı etkili bir şekilde izole edilmesi, bakteriyel enfeksiyonlarına karşı korunması, yara yüzeyinden eksudaların emilmesi, gaz geçirgenliği, uygun nemli bir ortam sağlanması, antiinflamatuvar etkinin gösterilmesi, yaralı dokunun yenilenmesi için hücre çoğalmasını hızlandıran uygun koşulların oluşturulması ve iyileşme sürecinin hızlandırılması sağlanmaktadır. Ayrıca, ağır yaraların tedavisinde kullanılan kök hücre ile tedavide nanofiberlerin kullanımıyla artan doku rejenerasyonu umut vericidir. Bununla birlikte hücrelerin nanofibelerin yüzeyine tutunmasını, nanofiberlerin yüzeyinde çoğalmasını ve nanofiberlerin ağsı yapılarının içine sızmasını teşvik etmek için nanofiber üretiminde kullanılan sentetik polimerlerle birlikte hidrofilik doğal polimerler ve özellikle de yara onarımı artırmak için cilt dokusunda bulunan kollajen, hyaluronik asit ve fibronektin gibi maddeler tercih edilmektedir.

Santral sinir sistemi hastalıklarının tedavisinde nanofiberler

Santral sinir sistemi hastalıklarının (Alzheimer hastalığı, epilepsi, Parkinson gibi) tedavisinde en çok zorlanılan nokta kan beyin bariyeridir (KBB). KBB seçici geçirgen bir bariyerdir ve inflamasyon, hastalık etkeni, ksenobiyotik, terapötik ve patojenlerin beyne girişini engellerken düşük molekül ağırlığına (<500 Da) sahip lipofilik moleküllerin geçişine izin verir. Bu sebeple günümüzde tercih edilen tedavi stratejilerinin yüksek molekül ağırlıkları, düşük hedeflendirme yetenekleri sebebiyle tedavilerde istenilen başarı elde edilememektedir. Nanoteknolojideki gelişmelerle birlikte nano boyuttaki ilaç taşıyıcı sistemlerin geliştirilmesiyle KBB’yi aşmadaki problemlerin üstesinden gelinmiştir. Nanofiberler sahip oldukları nano çaplar ile santral sinir sistemi hastalıklarının tedavisinde etkili olmaktadır. Bununla birlikte fiberlerin içerisine ilaç yüklü nanopartiküller de gömülebilmektedir. Nano boyuttaki ilaç taşıyıcı sistemler direkt veya indirekt hedeflendirme teknikleriyle KBB’ye, nöronlara ya da beyindeki özel başka spesifik bölgelere hedeflendirilebilmektedir. Böylece ilaçlar nano boyuttaki ilaç taşıyıcı sistemlere yüklenerek ilaçların biyoyararlanımı artırılıp hedeflenen bölgeye ulaşması sağlanıp düşük doz ve dozlama sayısıyla tedavide yüksek etkinlik sağlanabilmektedir. Transdermal, sublingual, oral ilaç uygulama yollarıyla oldukça efektif, kolay, hasta uyuncu artırılmış ve nispeten ucuz bir tedavi stratejisi sağlanmaktadır.

Nanofiberlerin filtrasyondaki kullanımı

Atmosferdeki hava içerisinde virüs, bakteri, mantar, polen gibi çok çeşitli biyoaerosoller bulunmakta ve bu biyoaerosoller alerji, bulaşıcı hastalık, KOAH, astım gibi solunum sistemi hastalıkları, kanser gibi birçok sağlık problemine sebep olabilmektedir. Düşük çökelme hızları ve sahip oldukları küçük çapları, bu parçacıkların diğer aerosollere göre atmosferde daha uzun süre kalmasına sebep olmaktadır. Şu anda nanofiberlerin filtrasyonda kullanılması hava kirleticilerine karşı en etkili fiziksel yaklaşım olarak düşünülmektedir. Nanofiber membranlar hava kirleticilerin çoğunu yakalayabilir ve yüksek verim gösterebilir.

Nanofiberlerin yüz maskesindeki rolü

Nanofiberlerin sahip olduğu yüksek ilaç yükleme kapasiteleri, biyobozunur olmaları, birden fazla sayıda tabakada üretebilmeleri, farklı ilaçları farklı tabakalarda enkapsüllenebilmeleri, ilaç salım profillerinin üretimleri sırasında kullanılan polimerlerin kimyasal yapılarına bağlı olarak ayarlanabilmesi kozmetik sektöründe de nanofiberlerin tercih edilmesini sağlamıştır. Cildi yaşlanmaya karşı koruma, nemlendirme, sıkılaştırma, canlandırma, kuru çizgi ve kırışıklıkları gidermek için A vitamini, hyaluronik asit, kolajen, c vitamini, resveratrol gibi ilaç yüklenmiş nanofiberler gözaltı ve yüz maskesi olarak üretilmeye başlanmıştır. Böylece ilaçların artan biyoyararlanımlarıyla birlikte daha etkili bir cilt bakımı sağlamaları beklenmektedir.

1. Zhu J, et al., Physical characterization of electrospun nanofibers, in Electrospun Nanofibers. 2017, Elsevier. p. 207-238.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B978008100907900009X

2. Mayilswamy N, Jaya Prakash N, and Kandasubramanian B, Design and fabrication of biodegradable electrospun nanofibers loaded with biocidal agents. (2023).

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/00914037.2021.2021905

3. Wu J, et al., Mechanism of a long-term controlled drug release system based on simple blended electrospun fibers. (2020).

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168365920300286

4. Deepthi S, et al., Layered chitosan-collagen hydrogel/aligned PLLA nanofiber construct for flexor tendon regeneration. (2016).

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861716309225

5. Wu S, et al., Fabrication of aligned nanofiber polymer yarn networks for anisotropic soft tissue scaffolds. (2016).

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.6b05199?casa_token=N0GwRf7RfRIAAAAA%3AEGe6z7LtdwjXffk2mVoQOfDLAU-Tc44pKhTEatosZSPEmXiKhbOk3QE3tbRdSehTUupnx7_8VPbwBLaG

6. Preeth DR, et al., Bioactive Zinc (II) complex incorporated PCL/gelatin electrospun nanofiber enhanced bone tissue regeneration. (2021).

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928098721000701

7. Dart A, Bhave M, and Kingshott P, Antimicrobial peptide‐based electrospun fibers for wound healing applications. (2019).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/mabi.201800488?casa_token=oRW-CJfbJawAAAAA%3AlUD7bTml1ytD_pRsZuHCDIa8pdwgfLYWWnzdR529i-iW1QJf7pVG1VdmTwZbdjlBsMXaBj81JD2Ot7QZ

8. Abadi B, et al., Electrospun hybrid nanofibers: Fabrication, characterization, and biomedical applications. (2022).

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2022.986975/full

9. Cam ME, et al., Accelerated diabetic wound healing by topical application of combination oral antidiabetic agents-loaded nanofibrous scaffolds: An in vitro and in vivo evaluation study. (2021).

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928493120335049

10. Cam ME, et al., The comparision of glybenclamide and metformin-loaded bacterial cellulose/gelatin nanofibres produced by a portable electrohydrodynamic gun for diabetic wound healing. (2020).

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0014305720308016

11. Victor FS, et al., Electrospun nanofibers of polyvinylidene fluoride incorporated with titanium nanotubes for purifying air with bacterial contamination. (2021).

https://link.springer.com/article/10.1007/s11356-021-13202-3

12. Mohraz M, et al., Preparation and optimization of multifunctional electrospun polyurethane/chitosan nanofibers for air pollution control applications. (2019).

https://link.springer.com/article/10.1007/s13762-018-1649-3

13. Canalli Bortolassi AC, et al., Composites based on nanoparticle and pan electrospun nanofiber membranes for air filtration and bacterial removal. (2019).

https://www.mdpi.com/2079-4991/9/12/1740

14. İstanbulluoğlu S, Timur SS, and Gürsoy RN, Kozmetiklerde Kullanılan Biyoteknolojik Etkin ve Yardımcı Maddeler. (2019).

https://dergipark.org.tr/en/pub/hujpharm/issue/54286/685095

15. Topal F, et al., A novel multi-target strategy for Alzheimer's disease treatment via sublingual route: donepezil/memantine/curcumin-loaded nanofibers. (2022).