Modified hydrogels based on N,N-dimethylaminoethyl methacrylate: Synthesis, characterization and mechanical properties
N,N-dimetilaminoetil metakrilat esaslı modifiye hidrojeller: Sentez, karakterizasyon ve mekanik özellikler
- Tez No: 389222
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: N-dimetilaminoetil metakrilat, hidrojel, elastisite, çapraz bağlanma, şişme, difüzyon, N-dimethylaminoethyl methacrylate, hydrogel, elasticity, crosslinking, swelling, diffusion
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 153
Özet
Tıp ve eczacılık amaçlı yeni polimerik biyomalzemelerin geliştirilmesi, yaşam-bakım biliminin ve biyoteknolojinin büyük ilgi odağıdır. İlk olarak endüstriyel amaçlı kullanılmaya başlanan sentetik jeller ile ilgili çalışmalar sürekli gelişim göstermiş ve son yıllarda nanoteknoloji ve biyoteknoloji alanındaki gelişmelerle birlikte dikkate değer bir artış göstermiştir. Jellerle ilgili çalışmaların son zamanlarda popüler olmasının sebebi jellerin günlük yaşamımızda her yerde bulunmasıdır. Genel bir tanımlamayla içerisine çözücü alarak şişme özelliği gösteren çapraz bağlı ağ yapısına sahip homo ya da kopolimerler polimerik jel olarak adlandırılmaktadır. Hidrojeller, polimerik jellerin önemli bir sınıfı olup hidrofillik ve suda çözünmemeleriyle karakterize edilen polimerik malzemelerdir. Bir polimerin çapraz bağlandığında hidrojel özelliği gösterebilmesi için ana zincir ya da yan dallarında hidroksil, karboksil, karbonil, amin ve amid gibi hidrojen bağı oluşturabilme yeteneğine sahip su sever grupları içermesi gerekmektedir. Hidrojellerin calışılan biyolojik ortama zarar vermemesi, yüksek verimle kullanılabilmesi ve hedeflenen amaca cevap verebilmesi için üç-boyutlu ağ yapılarının içinde bulundukları ortamla olan termodinamik etkileşimleri araştırmaya değer önemli bir konudur. Bu sistemler için gerekli olan şişme-büzülme, mekanik, morfoloji gibi pek çok özelliğin aynı hidrojel yapısı içinde bir araya gelmesi önemlidir. Hidrojeller, doğal dokulara benzer kauçuğumsu yapıları, biyouyumluluk göstermeleri ve düşük yüzey gerilimlerinden dolayı insan dokusuna benzerliği nedeniyle biyomedikal ve farmasötik uygulamalarda ilgi çeken sentetik malzemelerdir. Reaksiyon koşulları değiştirilerek yapısal özelliklerinin istenildiği gibi ayarlanabilir olması ve ekonomik olarak elde edilebilmeleri nedeniyle, hidrojeller geniş kullanım alanlarına sahiptir. Biyomateryal özelliğe sahip hidrojeller, kontakt lenslerde, ilaç taşıyıcı ve kontrollü salınım sistemlerinde, sentetik kıkırdak, yapay kornea ve yapay organ yapımı, enzim tutuklama sistemleri, kemik hastalıkları tedavisinde ve omurlar arası boşlukların doldurulması için yardımcı materyal gibi pek çok uygulamada etkin olarak kullanılmaktadır.Biyoteknolojik uygulamalarda kullanılan hidrojellerin, gerçek sistemlere benzer şekilde, dış ortamdan gelebilecek uyarılara cevap verebilecek özelliklere sahip olması istenmektedir. Sıcaklık, pH, iyonik kuvvet ve bazı kimyasallar gibi çevresel uyaranlara yanıt olarak şişen veya büzülen çok-amaçlı akıllı hidrojel sistemleri son on yılda oldukça dikkat çekmiştir. Jel yapısına katılan monomerlerin türüne bağlı olarak, çeşitli uyaranlara cevap verebilen ve akıllı polimerlerin üzerinde en çok çalışılan sınıfı olan“uyarı-cevap hidrojelleri”elde edilebilir.Uyarı-cevap hidrojelleri taşıdıkları fonksiyonel gruplar sayesinde veya kimyasal yapılarına bağlı olarak çevresel etkilere hacim değiştirerek yanıt verirler ve 'hacim faz geçişi' gösterirler. Bu çevresel etkiler fiziksel ve kimyasal olmak üzere pH, sıcaklık, iyonik kuvvet, manyetik alan, elektrik alan ve metal gibi çok çeşitli olabilir. Hacim faz geçişi, belli bir uyaran aralığında yavaş yavaş olabildiği gibi, ani/keskin bir değişim şeklinde de gözlenebilmektedir. Uyarı-cevap hidrojelleri, mikro yapılarında hidrofillikten hidrofobluğa ani ve tersinir geçiş yapabilme özelliklerinden dolayı yapay kas ve ilaç salım proseslerinde kullanılması öngörülmüştür. Biyomedikal cihazların tasarımı, hidrojellerin yapı-özellik-tepki ilişkilerinin daha iyi anlaşılması gerektirdiğinden, bu jellerin“hareket ve algılama”gerektiren uygulamalarda kullanılabilmeleri için şişme davranışları ve mekanik özellikleri ile ilgili kesin bilgilere ihtiyaç bulunmaktadır. Bu özelliklerin anlaşılması, biyosensörler için kaplama ve harekete duyarlı cihazların tasarımı için önemli bir etkiye sahiptir. Bu çalışmanın amacı, farklı deneysel koşullar altında akrilat-bazlı kopolimerik hidrojellerin şişme ve elastisite davranışlarının anlaşılması, sentez parametreleri ve elde edilen fiziksel özellikler arasındaki ilişkilerin belirlenmesidir. Jel hazırlama koşullarının, jellerin makroskopik şişme özelliklerini nasıl etkilediği ve jellerin mekanik dayanıklılığının bu koşullar ile nasıl değiştiği araştırma kapsamında ele alınan kritik sorulardır. Bu çalışmada kopolimerik hidrojeller, N,N-dimetilaminoetil metakrilat (DMAEMA) ile Hidroksietil metakrilat (HEMA) monomerinin sulu ortamda dietilenglikol dimetakrilat (DEGDMA) çapraz bağlayıcısının Ammonium persulfate - N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (APS-TEMED) redoks başlatıcı sistemi varlığında serbest radikal mekanizma ile kopolimerizasyonu sonucunda elde edilmiştir. Çıkış monomerlerinin ve diğer deney koşullarının uygun şekilde seçilmesiyle, belirli özelliklere sahip polimerik sistemlerin tasarımının mümkün olduğu ileri sürülmüştür. Poli(N,N-dimetilaminoetil metakrilat-ko-Hidroksietil metakrilat) P(DMAEMA-ko-HEMA) kopolimerik hidrojellerini polimer-su ve polimer-polimer etkileşimleri sonucu meydana gelen pH / sıcaklığa bağlı faz geçiş davranışları incelenmiştir. Kopolimerik hidrojeller, deney koşulları ile şişme ve mekanik özellikleri kontol edilecek şekilde tasarlanmıştır. Kopolimerik jellerin şişme kapasiteleri ve şişme davranışı saf suda, farklı pH değerlerine sahip tampon çözeltilerde ve farklı iyonik şiddete sahip tuz çözeltileri içerisinde incelenmiş olup denge şişme ölçümleri ile karakterize edilmiştir ve sonuçlar Flory-Rehner denge şişme teorisi ile analiz edilmiştir. Hidrojellerin su tutma özellikleri, küçük moleküllerin jel içine difüzyonunda önemli bir etkiye sahip olduğundan, hidrojellerin şişme kinetiği ölçümleri gerçekleştirilmiş ve şişme-büzülme kapasiteleri belirlenmiştir. Solvent moleküllerinin jel içine difüzyonu, kimyasal yapıya, polimer zincirlerinde ve ağyapıdaki hidrofobik-hidrofilik monomer birimlerinin dağılımına bağlı olarak değişim göstermektedir. Farklı miktarlarda HEMA içeren kopolimerik hidrojellerin şişme dengesine ve dinamik şişme-büzülme kinetiğine, şişme ortamının pH ve sıcaklığı gibi deneysel koşulların ve farklı tuzların etkisi incelenmiştir. Hidrojellerin, etkili çapraz bağlanma yoğunluğu, çapraz bağlama verimliliği ve ardışık çapraz bağlar arasındaki segment sayısı gibi karakteristik ağyapı parametrelerinin belirlenmesi için, sentez sonrasında ve şişme dengesine ulaşıldıktan sonra tek eksenli sıkıştırma testleri uygulanmıştır ve Rubber elastisite teorisi kullanılarak jellerin mekanik davranışlarının belirlenmesi sağlanmıştır. P(DMAEMA-ko-HEMA) kopolimerik hidrojelleinin mükemmel yapısal ve mekanik özelliklerinin yanısıra zaman-bağlı şişme davranışlarının kontrol edilebilir olduğu anlaşılmıştır. Hidrojellerin kopolimer bileşiminin değiştirilmesi ile ayarlanabilir fiziko-kimyasal özelliklere sahip olduğu gösterilmiştir. Bu çalışma, akrilat bazlı hidrojellerin şişme oranı, şişme mekanizması, yanıt süresi ve jel mukavemeti derecesinin, kopolimer yapısı, komonomer konsantrasyonu, sıcaklık ve şişme ortamının pH'ı gibi deneysel etkenlerin denetlenerek modüle edilebileceğini göstermektedir. Sonuçlar, aynı zamanda iyileştirilmiş mekanik özellikler gösteren P(DMAEMA-ko-HEMA) hidrojellerinin ilaç ve biyomedikal uygulamalarda moleküllerin/ajanların taşınması için bir su tutucu olarak kullanılabilir olduğunu desteklemektedir.
Özet (Çeviri)
The development of new polymeric biomaterials for medical and pharmaceutical purposes is of great interest to life-care science and biotechnology. Multipurpose smart hydrogel systems that swell and shrink in response to environmental stimuli such as temperature, pH, ionic strength and certain chemicals have attracted much attention in the past ten years. Depending on the type of monomers incorporated in the gel structure, they can be made to respond to a variety of external stimuli leading to what are known as stimuli-responsive hydrogels which are perhaps the most extensively studied classes of intelligent hydrogels. Among researchers there has been a long-standing interest in polymer systems that demonstrate a phase transition in response to variations in solution pH and temperature. Stimuli responsive hydrogels show the reversible volume changes with pH changes and on–off switching of electric field. Since the design of biomedical devices requires better understanding of the structure - property - response relationships of hydrogels, the precise information on the swelling behavior and the mechanical properties are required in their use in actuation and sensing applications. Understanding these properties have significant impact for the design of coatings for biosensors and for actuation devices based on stimuli-responsive hydrogels. The aim of this study is to understand the swelling and elasticity behavior of acrylate-based copolymeric hydrogels under different conditions and to find quantitative correlation between the synthesis parameters and resulting physical properties. The critical questions that need to be addressed include: how the gel preparation conditions affect the macroscopic swelling properties of gels and how mechanical stability of resulting gels vary with these conditions. Thus, the experimental work of this consists two parts. In the experimental work of this thesis, the copolymeric hydrogels were prepared by free-radical crosslinking copolymerization of N,N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) with 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA) in aqueous solution in the presence of diethylene glycol dimethacrylate (DEGDMA) as the crosslinker. It was proposed that through proper choice of monomers and other experimental conditions it is possible to tailor-make polymeric systems with specific properties. pH/temperature-induced phase transition behavior resulting from polymer-water and polymer-polymer interactions was demonstrated using poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate-co-Hydroxyethyl methacrylate) P(DMAEMA-co-HEMA) copolymeric hydrogels. The extent of swelling and mechanical properties of the copolymeric P(DMAEMA-co-HEMA) hydrogels was designed by changing the preparative conditions. The swelling behavior of copolymeric hydrogels was characterized by the equilibrium swelling measurements and the results were analyzed by using Flory-Rehner theory of swelling equilibrium. Since the water adsorption characteristics of hydrogels have a significant influence on the diffusive behavior of small molecules into the gel, the swelling kinetics measurements were investigated to determine the swelling-deswelling rate of resulting gels. The diffusion of the swelling agent into the gel changes depending on the chemical composition and distribution of the hydrophobic-hdyrophilic monomer units along the macromolecular chain. The equilibrium swelling and dynamic swelling kinetics of hydrogels containing different amounts of HEMA were investigated under various experimental conditions such as temperature and pH of the swelling medium and in the presence of different types of salts. Compressive mechanical testing was performed at a state just after preparation and after equilibrium swelling in order to characterize the network structure of hydrogels such as the effective crosslinking density, the crosslinking efficiency and the number of segments between consecutive crosslinks. P(DMAEMA-co-HEMA) copolymeric hydrogels showed excellent compositional and mechanical features as well as unique tunable time-dependent swelling behavior. It was shown that these hydrogels possess tunable physicochemical properties that can be adjusted by changing copolymer composition. This work shows that the extent of the swelling ratio, the swelling mechanism, the response time and the gel strenght of acrylate-based hydrogels could be modulated by controlling the factors such as the copolymer structure, the comonomer concentration, the temperature and the pH of the swelling media. The results also support that P(DMAEMA-co-HEMA) hydrogels with improved mechanical properties can be used as a water retainer for carrying substances in pharmaceutical and biomedical applications.
Benzer Tezler
- Swelling dynamics and thermomechanical properties of multifunctional hybrid systems based on N-alkyl methacrylate esters
N-alkil metakrilat ester-esaslı çok fonksiyonel hibrit sistemlerin şişme dinamikleri ve termomekanik özellikleri
RABİA BOZBAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
- Synthesis and characterization of graphene oxide-based self-healable nanocomposite hydrogels
Grafen oksit esaslı kendini onaran nanokompozit hidrojellerin sentezi ve karakterizasyonu
EZGİ BERFİN ÇEPER
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN GÜNEY
- Temel bileşeni n-izopropilakrilamit olan, özellikleri değiştirilmiş kompozit hidrojellerin şişme, ilaç salım ve mekanik davranışlarının incelenmesi
Investigation of swelling, drug release and mechanical properties of modified n-isopropylacrylamide based composite hydrogels
BESTENUR YALÇIN
- Lipaz immobilize edilmiş poliakrilamit hidrojellerinin şişme, aktivite ve salım davranışlarının incelenmesi
Investigation of swelling, activity and relese behaviours of lipase immobilized polyacrylamide hydrogels
NAZLI ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova ÜniversitesiKimya ve Süreç Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DİDEM OMAY
- Charged functionalized semi-ipn nanocomposite materials with enhanced physico-chemical properties
Gelişmiş fizikokimyasal özelliklere sahip fonksiyonel yarı-ıpn nanokompozit malzemeler
KÜBRA KARA ERSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN