TiO2 nanotüpler, ilaçlar için rezervuar görevi görebilirler [6]. TiO2 nanotüplerin içerisine, molekül büyüklüğü, çözünürlük ve yük bakımından farklı özelliklere sahip çeşitli ilaçlar yüklenebilir [126]. Literatür çalışmaları incelendiğinde, TNT yapısına ilaç yüklemek için kullanılan çeşitli yöntemler mevcuttur. Bu yöntemler şu şekilde sınıflandırılabilirler:
1. Basit fiziksel adsorbsiyon:
Basit fiziksel adsorbsiyon ile TNT yapısına ilaç yüklemek için, ilaç solüsyonu numune yüzeyine yayılıp oda sıcaklığında bekletilir. Yükleme işlemi sonunda numune durulanarak (örneğin fosfat tamponlu tuz çözeltisi/PBS ile) yüzeydeki ilaç kalıntıları giderilir ve durulama çözeltisi, yükleme verimi ya da yüklenen ilaç miktarının belirlenmesi gibi sonraki analizler için kullanılabilir [6, 126].
2. İlaç çözeltisinde bekletme (Çözeltiden çöktürme):
İlaç çözeltisinden çöktürme/biriktirme olarak da adlandırılmakla beraber, bazı kaynaklarda ilaç kalsiyum fosfatla birlikte çökeltildiğinden birlikte çöktürme olarak da tanımlanmaktadır. Bu yaklaşım, TiO2 numunelerinin ilaç çözeltisinde bekletilmesine dayanmaktadır. Böylece, çözeltiden çöktürme/biriktirme yoluyla nanotübüler yapıya ilaç yüklenmektedir [6, 126-128]. Yöntem fiziksel adsorbsiyon esasına dayanır [118]. Numuneler solüsyondan çıkarıldıktan sonra havada kurutulup, sonrasında da çözücünün nanotüplerden uzaklaştırılması için vakumda kurutulabilir. İşlem sonunda numune durulanarak, durulama çözeltisi yükleme veriminin belirlenmesi için kullanılabilir [126, 129, 130].
Aninwene ve ark.’nın yaptıkları çalışmada, TNT yapısına ilaç yüklemek için iki farklı yöntem kullanılmış ve bunların karşılaştırmaları yapılmıştır. Buna göre, basit fiziksel adsorbsiyon ve çözeltiden çöktürme yoluyla TNT’lere ilaç yüklenmiştir. Basit fiziksel adsorbsiyon ile ilaç yüklemek üzere, numuneler yüzeyleri ilaç solüsyonuyla kaplandıktan sonra oda sıcaklığında 3 gün bekletilmiştir. Çözeltiden biriktirme yöntemiyle ilaç yüklemek içinse numuneler yapay vücut sıvısı (stimulated
bekletilerek, solüsyondan çökelme yoluyla yüklenen TNT yapısından daha uzun süreli salım gerçekleştiği bildirilmiştir [6].
Yao ve ark., çözeltiden çöktürme/çözeltiden birlikte çöktürme yöntemiyle SBF’den TNT’lere eş zamanlı olarak hem ilaç hem de kalsiyum fosfat kristallerini birlikte yüklemişlerdir [6, 128]. Kalsiyum fosfat kristalleri, nanotübüler titanyumun ilaçlarla etkili bir şekilde kaplanması için optimum yüzey enerjisi sağlayabilir [6]. Dolayısıyla bu şekilde yapılan bir ilaç yüklemesinin, TiO2 nanotüplerin yüzey gerilimini optimize edip ilacın gözeneklerden uzun süreli salımını sağlaması beklenir [126]. Bu numuneleri, basit fiziksel adsorbsiyon ile yüklenmiş numunelerle karşılaştırmışlar ve fiziksel adsorbsiyonla yüklenmiş numunelerin ilaç salımı sadece 150 dk sürerken, SBF’den birlike çöktürme yöntemiyle yüklenen numunelerden salımın 3 haftaya kadar uzadığını bildirmişlerdir [128].
3. Sürekli difüzyon/Kendiliğinden devam eden difüzyon
Shokuhfar ve ark. yapmış olduğu çalışmada, TiO2 nanotüplerin içerisine ilaç (Sodium naproxen) yüklemek için, sürekli difüzyon/kendiliğinden devam eden difüzyon yöntemini uygulamışlardır [117].
Oda sıcaklığında ve ortam basıncında yapılan yükleme, nanotüpleri kaplayan bir ilaç çözeltisinde, çözünen maddenin (ilaç) TNT’lerin içerisine difüzyonu ile sağlanır. Bu işlem, normal şartlarda nanotüplerin içindeki ve dışındaki konsantrasyon farkı dengeleninceye kadar devam eder ve denge sağlandıktan sonra difüzyon sona erer. Fakat bahsedilen yöntemde, işlem sırasında çözücü bir taraftan ısı tabanı ile
buharlaştırılmaktadır. Dolayısıyla, çözücü buharlaştıkça nanotüplerin dışındaki ilaç konsantrasyonu sürekli arttığından bu durum nanotüplerin içi ve dışı arasındaki konsantrasyon farkını devam ettirir ve böylece difüzyon işlemini sürdürür. Sonuç olarak oda sıcaklığı ve basıncında nanotüplerin neredeyse tamamen yüklenmesi mümkündür [117].
4. Pipetleme-kurutma:
Pipetleme-kurutma ile ilaç yükleme işleminde, ilaç çözeltisi TiO2 yüzeyine bir kez veya tekrar tekrar pipetlenir ve kuruması sağlanır [126]. Ardından, yüzeyde biriken ilaç fazlasını almak için, yumuşak dokulu bir bez yardımıyla yüzey silinir. Tekrarlı pipetleme ile ilaç yükleme prosesinde, her pipetleme-kurutma-silme bir döngüdür ve istenen miktarda ilacın nanotüplere yüklenebilmesi için bu döngü tekrarlanır [133, 134]. Silme işlemi olmaksızın, tekrarlı pipetleme-kurutma döngüsü uygulanarak da TNT yapısına ilaç yüklenebilmektedir. Yükleme işlemi tamamlandıktan sonra, numune durulanarak veya silinerek yüzeydeki ilaç artığı giderilir [125, 135]. Yükleme sürecinde ilaç çözeltisinin nanotüplere daha etkin bir şekilde nüfuz etmesini sağlamak için, kurutma işlemi vakum koşulları altında (vakumda kurutma) da gerçekleştirilebilir. Kurutma işlemi, çözücünün buharlaştırılması ve böylece ilacın nanotüplere nüfuz edebilmesi açısından önemlidir [92, 126, 136].
Literatürde, pipetleme-kurutma prosesiyle ilaç yükleme çalışmalarındaki kurutma işlemi aşağıdaki şekillerde yapılmıştır:
1. Açık havada kurutma [134, 137, 138],
2. Fırında sıcak ortamda (sıcaklık artırılarak) kurutma,
3. Vakumda kurutma: (i) Vakumda oda sıcaklığında kurutma (ıslak vakum emdirme/vakumda ıslak emdirme) veya (ii) vakumda dondurarak kurutma (liyofilizasyon).
Atmosfer basıncı düştükçe suyun kaynama noktası da düşer. Bu nedenle buharlaşma düşük basınçta daha kolay gerçekleşir. Dolayısıyla düşük atmosfer basıncında yani vakumda, düşük sıcaklıklarda kurutma mümkündür [139-142]. Eğer vakumda kurutma işlemi, sıcaklığın çok fazla düşürülmesiyle çözeltinin dondurularak
(basitleştirilmiş liyofilizasyon) yoluyla TNT yapısına ilaç yüklemişlerdir. Islak vakum emdirme, tekrarlı pipetleme-kurutma işleminin kurutma aşaması olarak uygulanmıştır. Yüzey, ilaç çözeltisi ile pipetlenip ıslatıldıktan sonra kurutma işlemi vakumda 2 saat süre ile yapılmış ve bu döngü uygun miktarda ilaç yüklenene kadar tekrar edilmiştir. Çözeltiden çöktürme ile %10’dan daha az bir yükleme verimi elde edilirken, pipetleme-vakumda oda sıcaklığında kurutma (ıslak vakum emdirme) ile yaklaşık %49 yükleme verimi elde edilmiştir [141].
5. Vakumda emdirme/yükleme:
Tüplerin içine giren hava, yükleme çalışmalarında ilaç solüsyonunun tüp içerisine nüfuz etmesini (infiltrasyon) engelleyebilmektedir. Bu problemi aşmak için ilaç yüklemesi vakum ortamında yapılarak infiltrasyon fiziksel olarak desteklenebilir. İlacın nanotüplerin derinlerine yüklenmesi için, Byrne ve Deasy’nin sunduğu yönteme göre bir vakum emdirme tekniği kullanılabilir. Buna göre, numuneler bir kaba hapsedilip vakum ile kabın havası alındıktan sonra kaba ilaç çözeltisi konup bekletilerek çözeltinin nanotüplerin içerisine nüfuz etmesi sağlanır. Son olarak, yüklenen numuneler kaplardan çıkarılıp kurutulur [131]. Yöntem şematik olarak Şekil 4.4.’de gösterilmektedir [132].
Şekil 4.4. Vakumda ilaç emdirme yöntemi, şematik. a) Sisteme ilaç çözeltisi verilmeden önce vakuma alınmış ortam, b) sisteme ilaç çözeltisi verilmesi ve ortamın atmosferik basınca getirilmesiyle ilaç yüklemesi [132]
4.3.1. TiO2 nanotüplere ilaç yükleme mekanizması
İlaçların gözenekli ortamlarda mekanik taşınımı, Kelvin denklemi gibi teorik kavramlarla desteklenebilir. Nanoporlar veya nanotüplere ilaç yükleme, esas olarak kapiler etki ile ilaç adsorpsiyonu yoluyla meydana gelir [144].
Titanyum nanotüplerin yüzeyinde terminal hidroksil gruplarının varlığı, yüzeyde negatif yük ile sonuçlanır [143]. Bu nedenle TiO2 nanotüp yüzeylerin negatif yüklü olduğu kabul edilmektedir [126]. Nanotüplere ilaç yüklemesinin hem basit fiziksel bir hapsolma yoluyla hem de nanotüp yüzeyinde TiO2’nin negatif yükleri ile ilacın pozitif yükleri arasında meydana gelen elektrostatik etkileşimler nedeniyle gerçekleştiği söylenebilir [145].
Şekil 4.5.’de bir model ilaç (Gentamicin) için, nanotüp yapısına ilaç yükleme prosedürü ve mekanizması şematize edilmiştir [145].
Şekil 4.5. TiO2 nanotüplere açık atmosferde ilaç (Gentamicin) yükleme, şematik: a) yükleme prosedürü, b) yükleme mekanizması [145]
Zhang ve ark., anodizasyon ile elde ettikleri TNT numunelerine FTIR analizi yaparak, TNT yüzeyinde çok sayıda hidroksil grubu olduğunu belirlemişler ve ilaç solüsyonuna batırıldığında, ilaç molekülleri ile TNT yüzeyi arasında hidrojen bağları oluştuğunu bildirmişlerdir. İleri sürdükleri ve Şekil 4.7.’de verilen model (nanotübüler TiO2 yapısına ilaç yükleme ve salım mekanizması) buna dayanmaktadır. Çalışmalarında, ilaç solüsyonu yüzeye pipetlendikten sonra vakumda 30 ℃’de 2 saat kurutulmuş ve ilacın TNT’lerin içine girmesi sağlanmıştır. İlaç solüsyonundaki çözücünün kurutma işlemi sonucu buharlaştırılması, ilacın nanogözeneklerin içinde kristalin taneler oluşturmasına izin verir. Yükleme miktarının artmasıyla, ilaç mikrokristalin tanecikleri partiküller oluşturarak TiO2
tabakasının yüzeyinde ve nanotüplerin içinde yavaş yavaş birikecektir, Şekil 4.6. [136].
Şekil 4.6. TiO2 nanotüplere ilaç yükleme ve salım mekanizması (DXM/ Dexamethasone: model ilaç) [136]
Yükleme koşulları ve nanotüplerin geometrik parametreleri (çap, uzunluk vb), nanotüplerin içerisine yüklenen ilaç miktarını etkilemektedir. Bu nedenle, tüplerin yükleme kapasitesi anodizasyon koşulları (elektrolit konsantrasyonu, potansiyel, süre vb.) ile kontrol edilebilir [126]. Tüplerin uzunluğu yüklenen ilaç miktarını artırmaktadır [136]. Tüp çapının, yüklenen ilaç miktarı üzerinde nanotüp uzunluğuna kıyasla daha az etkiye sahip olduğu bildirilmiştir. Organik elektrolitlerde üretilen TNT tabakaları geniş çaplı ve birbirinden bağımsız nanotüpler sergilediği için ilaç molekülleri nanotüplerin dış yüzeyinde de adsorbe edilebilir. TNT üretiminde sulu elektrolitler kullanılırsa, anodik oksit yapı birbirine bağlı küçük gözeneklerden oluşacağından, ilaç yüklemesi için toplam yüzey alanı artar ve daha fazla ilaç yüklenebilir [126].
4.3.2. İlaç yükleme analizi
Yükleme verimi, bir ilaç yükleme prosesini tanımlayan önemli bir kavramdır [126]. Hazırlanan başlangıç ilaç çözeltisindeki ilaç miktarının ne kadarının nanotüplere yüklendiğini belirlemek için kullanılmaktadır [140, 143].
Yükleme işlemi tamamlandıktan sonra numuneler durulanır ve bu durulama sıvısı (genellikle PBS) saklanıp yükleme verimi analizinde kullanılır [140, 143]. Laboratuvar çalışmalarında bazı deneylerin, kanın pH’ı (pH:7,35-7,45) ile uyumlu pH aralıklarında yapılması gerekir ve pH değeri fazla değişmeyen çözeltilere gerek
Yükleme verimi, durulama sonrası ilaç yüzdesini ifade eder [143] ve aşağıdaki Denklem (4.1)’e göre hesaplanabilir [126]:
ηy =ρ0ρ0−ρd 𝑥 100 (4.1)
Burada;
ηy: yükleme verimi,
ρ0: nanotüplere yüklenen başlangıç çözeltisindeki ilaç miktarı,
ρd: yükleme işleminden sonra yapılan durulama çözeltisindeki ilaç miktarıdır.
Durulama sıvısındaki ilaç miktarı UV-Vis spektrometresi veya kolorimetrik yöntemle analiz edilerek ρd değeri belirlenir. Alternatif olarak, başlangıç ve durulama solüsyonlarındaki ilaç konsantrasyonları biliniyorsa, yükleme verimi aynı formül kullanılarak hesaplanabilir [126, 140]. Bu durumda:
ηy =Co−CdCo 𝑥 100 (4.2)
Burada;
ηy: yükleme verimi,
Co: başlangıç çözeltisindeki ilaç konsantrasyonu,
İlaç çözeltisinin konsantrasyonu arttırıldığında, yükleme veriminin arttığı bildirilmiştir. Nanopor veya nanotüplerin içerisine yüklenen ilaç miktarı, termogravimetrik analiz (TGA) veya Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) gibi fizikokimyasal yöntemler kullanılarak belirlenebilmektedir [126].