Mühendislik nanoparçacıklarının canlı sistemler ve/veya çevre ile etkileşim türlerinin ve mekanizmalarının sistematik olarak incelenmesi

Abstract

Son yıllarda, parçacıkların nanometre skalasında üretimleri artmıştır. Bu parçacıklar akademik ve endüstriyel alanlarda büyük ölçüde çalışılmakta ve nanoparçacık olarak isimlendirilmektedir. Nanoparçacıkların üretimi, gıda ürünlerinden kozmetik ürünlerine kadar çok geniş alanda kullanımı ve insanların nanoparçacıklara maruz kalma oranı günden güne artmış ve yaygınlaşmıştır. Bununla beraber çeşitli türlerdeki nanoparçacıkların üretimi ve uygulama alanlarında büyük bir artış görülmesine rağmen, bu parçacıklara maruz kalındıktan sonra etkilerini çalışan araştırmalar aynı oranda artış göstermesine rağmen, sistematik bir çalışma yapılmamasından dolayı aralarında bir fikir birliği oluşmamıştır. Buradan yola çıkarak, bu çalışmada, hücrelerle etkileşen çeşitli şekil, boyut ve türdeki oksit nanoparçacıkların in vitro ve in vivo toksisitelerinin sistematik bir şekilde incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmada ticari olarak satın alınan yalın haldeki titanyum dioksit (TiO2, E171) nanoparçacıkları, düzensiz şekil ve boyut dağılımına sahip yalın haldeki ve yüzeyleri amino propil silan (APTES) molekülüyle modifikasyonu gerçekleştirilen demir oksit (Fe3O4) nanoparçacıkları ve küresel şekil ve homojen boyut dağılımına sahip yalın haldeki ve yüzeyleri amino propil silan (APTES) molekülüyle modifikasyonu gerçekleştirilen demir oksit (Fe3O4) nanoparçacıkları kullanılmıştır. Bu nanoparçacıkların çözücü içerisinde dağılımları ve parçacık büyüklüğü hakkında genel bilgi edinmek için dinamik ışık saçılımı (DLS), yüzey morfoloji ve topografi analizleri için geçirimli elektron mikroskopisi (TEM), yüzey kimyasal yapısı ve yüzey modifikasyonlarının başarılı olup olmadığını analiz etmek için X-ray ışın spektroskopisi (XPS), kristal yapısı ve kristal özellikleri hakkında bilgi sahibi olmak için X-ışını kırınım spektroskopisi, yüzey alanı ve gözenek çapı analizi için Branauer- Emmet-Teller (BET), demir oksit nanoparçacıklarının manyetik özellik ve karakteristiğini belirlemek amacıyla titreşim numune manyetometresi (VSM) yöntemlerinden yararlanılarak fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlemek amacıyla sıralanan karakterizasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Nanoparçacıkların toksik özelliklerinin belirlenebilmesi için hücre canlılık (MTT) ve oksidatif stres deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, küresel şekle ve homojen boyut dağılımına sahip nanoparçacıkların in vitro ortamda sitotoksisitesi insan epitel kolorektal adenokarsinoma (CaCo-2) hücre hattı kullanılarak 7,81-500 µg/ml konsantrasyonlarında MTT'leri değerlendirilmiştir. Daha sonra, IC50/2 ve IC50/4 konsantrasyonlarında oksidatif stres özellikleri incelenmiştir. Küresel şekle ve homojen boyut dağılımına sahip demir oksit nanoparçacıkların in vivo genotoksik etki ve yaşam özelliği toksisitesi incelenmesi için ise tatlı su tatarcığı Chironomus riparius larvaları kullanılarak kg sediment başına 1, 5, 10, 50 ve 100 mg nano-Fe3O4 konsantrasyonlarında deneyler gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonunda nanoparçacıkların başarılı bir şekilde yüzey modifikasyonu gerçekleştirilmiştir. Nanoparçacıkların fiziksel ve kimyasal özellikleri belirlenerek, in vivo ve in vitro deneyler yapılarak sistematik bir şekilde toksik özellikleri değerlendirilmiştir.

Especially in recent years, the production of particles on the nanometer scale has increased. These particles are widely studied in academic and industrial fields and are called nanoparticles. The production of nanoparticles, their wide usege area from food products to cosmetics, and the rate of human exposure to nanoparticles have increased day by day and become widespread. Nonetheless, there has been a great increase in the production and application areas of various types of nanoparticles, and although the researches that studied their effects after exposure to these particles have increased in the same proportion, there has been no consensus among them due to the lack of a systematic study. From this point of view, in this study, it is aimed to systematically investigate in vitro and in vivo toxicities of oxide nanoparticles of various shapes, sizes and types that interact with cells. The commercially purchased bare titanium dioxide (TiO2, E171) nanoparticles, irregular shape and sized bare and amino propyl silane (APTES) modified iron oxide (Fe3O4) nanoparticles, and spheric and uniform bare and 3-amino propyl silane (APTES) modified iron oxide (Fe3O4) nanoparticles were used. Various characterization techniques have been carried out to determine the physical and chemical properties of these nanoparticles. Dynamic light scattering (DLS) to obtain general information about the dispersion and particle size in the solvent, transmission electron microscopy (TEM) for surface morphology and topography analysis, X-ray ray photoelectron spectroscopy (XPS) to analyze surface chemical structure and whether surface modifications are successful or not, X-ray diffraction (XRD) spectroscopy to investigate crystal structure and crystal properties, Branauer-Emmet-Teller (BET) for surface area and pore diameter analysis, vibration sample magnetometry (VSM) methods for the magnetic properties and characteristics of iron oxide nanoparticles were used. Cell viability assay (MTT) and oxidative stress experiments were carried out to determine the toxic properties of nanoparticles. For this purpose, the cytotoxicity of nanoparticles with spherical shape and homogeneous size distribution was evaluated with MTT results at 7.81-500 µg/ml concentrations by using human epithelium colorectal adenocarcinoma (CaCo-2) cell line in vitro. Then, oxidative stress properties at IC50 / 2 and IC50 / 4 concentrations were investigated. For the in vivo genotoxic effect and life treatment toxicity of spheric and uniform iron oxide nanoparticles experiments were carried out at 1, 5, 10, 50 and 100 mg nano-Fe3O4 concentrations per kg of sediment using freshwater midge Chironomus riparius larvae. At the end of the study, the surface modification of the nanoparticles was successfully performed. By determining the physical and chemical properties of nanoparticles, in vivo and in vitro experiments were performed to evaluate their toxic properties systematically.