Swelling and elasticity of smart ionic gels based on N,N-dimethylacrylamide with acidic comonomers
N,N-dimetilakrilamit ile asidik komonomer esaslı akıllı iyonik jellerin şişme ve elastisitesi
- Tez No: 467158
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fiziksel Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 134
Özet
Polimerik biyomalzemelerin tıbbi ve eczacılık amaçlı iyileştirilmesi, yaşam bilimi ve biyoteknoloji için büyük önem taşımaktadır. Polielektrolit jeller ile ilgili çalışmalar günümüzde oldukça popülerdir ve birçok teknolojik uygulamada kullanılır. Bugüne kadar, kovalent bağ ile kimyasal olarak çapraz bağlanmış polimer zincirlerinde pozitif veya negatif yükleri olan polielektrolit jeller üzerine yapılan birçok çalışmada kovalent olmayan etkileşimlerden oluşan fiziksel olarak çapraz bağlı ağların suda yüksek şişme kabiliyetlerini veya pH, sıcaklık, tuz konsantrasyonu ve çözücü bileşimindeki değişikliklere yanıt olarak gösterdikleri büyük hacim geçişleri açıklanmıştır. Gastrik tahriş edici ilaçların verilmesinde çok yönlülüğün ve yaşamsal potansiyele bağlı olarak, karboksilik asit grupları içeren duyarlı polielektrolit jellerin şişme dengesi ve mekanik özelliklerine ilişkin araştırmalar, teorik ve deneysel açıdan büyük ilgi görmüştür. Hidrojeller, üç boyutlu yapıyı oluşturmak için hidrofilik gruplardan oluşan polimerik jellerdir ve hidrofilik yan grupları nedeniyle, hidrojeller, parçalanmadan ağlarında su emme ve su tutma yeteneğine sahiptir. 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 hacimleri, dış ortam şartlarının çok az değişmesi ile çok fazla değişim göstermektedir, bu sebeple teknolojide çok kullanılmaktadır. Kauçuğumsu yapılarından ötürü canlı dokulara benzerlik gösteren hidrojeller aynı zamanda biyouyumlu malzemelerdir. Bu özelliklerinden ötürü pek çok alanda çekici hale gelmişlerdir. Biyomateryal özelliğe sahip hidrojeller, kontakt lenslerde, ilaç taşıyıcı ve kontrollü salınım sistemlerinde, sentetik kıkırdak, yapay kornea ve yapay organ yapımı, kemik hastalıkları tedavisinde ve omurlar arası boşlukların doldurulması için yardımcı materyal gibi pek çok uygulamada etkin olarak kullanılmaktadır. Hidrojeller, biyomedikal alanda teşhis, tedavi ve implante edilir cihazlar olarak; çevre alanında ağır metal iyonlarının ve organik kirletici malzemelerin tutulmasıyla atık su temizlemesinde süper emici polimerler olarak kullanılmaktadırlar. Hidrojeller ayrıca biyoteknoloji, biyomühendislik, eczacılık, tarım, veterinerlik gibi alanlarda yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmanın amacı, akrilamid esaslı, farklı iyonik komonomerlerden oluşan kopolimerik hidrojel ve kriyojellerin şişme ve elastik davranışlarını anlamak ve sentez parametreleri ile elde edilen fiziksel özellikler arasında niceliksel korelasyon bulabilmektir. Bu tezin deneysel kısmında, kopolimerik hidrojel ve kriyojeller, N,Ndimetilakrilamid (DMAAm) monomeri ile Akrilik asit (AAc), Metakrilik asit (MAAc) ve Sodyum akrilat (NaA) gibi iyonik komonomerlerin sulu çözelti içerisinde N, N'-metilenbisakrilamidin (BAAm) çapraz bağlayıcı olarak kullanılması ile serbest radikalik çapraz bağlanma kopolimerizasyonu sonucunda hazırlanmıştır. Doğru monomerler ve diğer deneysel koşulları seçerek istenilen özelliklere sahip polimerik sistemler hazırlamak mümkündür. Kopolimerik jellerin şişme kapasiteleri ve şişme davranışı saf suda, farklı pH değerlerine sahip tampon çözeltilerde, 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. Ayrıca kopolimerik P(DMAAm-ko-NaA) hidrojellerin şişme davranışları farklı solvent ve yüzey aktif maddeler ile hazırlanan karışımlar içerisinde de incelenmiştir. Farklı miktarlarda AAc, MAAc ve NaA içeren hidrojellerin ve kriyojellerin denge şişmesi ve dinamik şişme kinetiği, çeşitli pH ve tuz çözeltileri altında incelenmiştir. Mekanik sıkıştırma testi, hidrojeller için hazırlandıktan hemen sonra ve denge anındaki şişme sonrasında etkin çapraz bağ yoğunluğu, çapraz bağlanma verimliliği ve ardışık çapraz bağlar arasındaki segment sayısı gibi jellerin ağ yapısını karakterize etmek için gerçekleştirilmiştir. Kriyojeller için ise mekanik sıkıştırma testi jeller hazırlandıktan hemen sonra gerçekleştirilmiştir. Etkin yük yoğunluğu anyonik komonomerler miktarı ile kontrol edilmiştir ve PDMAAm jellerinin elastisitesi, DMAAm ile anyonik komonomerlerinin karboksilat gruplarının araındaki elektrostatik etkileşimleri ile belirlenmiştir. Ağ zincirleri ile spesifik etkileşim potansiyeline sahip farklı tuz tiplerinin varlığında dimetilakrilamid ve AAc, MAAc ve NaA anyonik komonomerlerine dayanan polielektrolit jellerin elastisitesinin incelenmesi, bu çalışmada odaklanan ana sorunlardan biridir. Şişmede kullanılan tuzlar, iyonik jellerin elastik modülünü etkilemektedir. Yüksek konsantrasyona sahip tuzlar, farklı yük yoğunluklarına sahip olan hidrojellerin elastisitesini azaltır. Etkin yük yoğunluğunun denge şişme durumuna etkisi ve ortam pH'sındaki değişimlere verilen kinetik tepkinin anlaşılabilmesi için pH'ya duyarlı hidrojellerin kinetiği analiz edilmiştir. İyonik PDMAAm jellerinin sudaki şişme davranışlarının incelenmesi sonucunda, iyonik komonomer konsantrasyonunun artmasıyla, jelin şişme derecesinin de arttığı gözlemlenmiştir. Polimer yan zincirleri boyunca yüklerin etkileşimi ve itilmesi nedeniyle, şişme oranı homopolimerik PDMAAm'e göre arttırılmış ve DMAAm
Özet (Çeviri)
The improvement of polymeric biomaterials for medical and pharmaceutical purposes has great importance for life science and biotechnology. Studies related with the polyelectrolyte gels are popular nowadays and used in many technological applications. To date, most studies on polyelectrolyte gels with positive or negative charges on the polymer chains chemically cross-linked with covalent bonding as well as physically cross-linked networks composed of noncovalent interactions have described their high swelling capabilities in water or large volume transitions in response to changes in pH, temperature, salt concentration, and solvent composition. Due to their versatility and vital potential for the delivery of gastric irritating drugs, investigations on the swelling equilibrium and mechanical properties of carboxylic acid containing responsive polyelectrolyte gels have attracted considerable attention both theoretically and experimentally. The aim of the theis is to understand the swelling and elastic behavior of acrylamidebased ionic hydrogels and cryogels with different ionic comonomers and to find quantitative correlation between the physical properties obtained by the synthesis parameters. In the experimental work of the thesis, the ionic hydrogels and cryogels were prepared by free-radical crosslinking copolymerization of N,Ndimethylacrylamide (DMAAm) with ionic comonomers Acrylic acid (AAc), Methacrylic acid (MAAc) and Sodium acrylate (NaA) in aqueous solution in the presence of N,N'-methylenebisacrylamide (BAAm) as the crosslinker. It is possible to prepare polymeric systems with specific properties by selecting the correct monomers and other experimental conditions. The extent of swelling and mechanical properties of the copolymeric P(DMAAm-coAAc/MAAc/NaA) hydrogels and cryogels was designed by changing the preparative conditions. The swelling behavior of ionic PDMAAm hydrogels and cryogels was characterized by the equilibrium swelling measurements and the results were analyzed by using Flory-Rehner theory of swelling equilibrium. A correlation between the mechanical properties and the equilibrium degree of swelling was established and the charge density dependence of the equilibrium modulus and counterion dependence of the swelling ratio have been found for the prepared polyelectrolyte gels. Since the water adsorption properties of hydrogels and cryogels have a significant effect on the diffusion behavior of small molecules in the gel, swelling kinetic measurements were explored to determine the swelling-deswelling rate of the resulting PDMAAm gels. The equilibrium swelling and dynamic swelling kinetics of hydrogels and cryogels containing different amounts of AAc, MAAc and NaA were studied under various pH and salt solutions. Compressive mechanical testing was performed to hydrogels at a state just after preparation and after equilibrium swelling and for cryogels after equilibrium swelling in order to characterize the network structure of gels such as the effective crosslinking density, the crosslinking efficiency and the number of segments between consecutive crosslinks. The effective charge density was controlled by the amount of anionic comonomers and the elasticity of PDMAAm gels was determined by the delicate balance between DMAAm and the repulsive electrostatic interactions of the carboxylate groups of the anionic comonomers. The study of the elasticity of polyelectrolyte gels based on dimethylacrylamide and anionic comonomers AAc, MAAc and NaA in the presence of different types of salts which have the potential for specific interactions with network chains is one of the main problem focused in this thesis. The type of the salts used in the swelling affect the modulus of elasticity of the ionic PDMAAm hydrogels. At higher concentrations of salts, the elasticity of the hydrogel samples which have different charge densities is reduced by the salts. Influence of the effective charge density on the equilibrium swelling state and kinetics of pH-sensitive hydrogels was transiently analyzed providing a deep view of their kinetic response induced by the change in pH of surrounding medium. The results showed that the extent of the swelling ratio and the gel strenght of acrylamide-based hydrogels and cryogels could be modulated by controlling the factors such as the copolymer structure, the comonomer concentration, and the pH of the swelling media.
Benzer Tezler
- Alkylacrylamide-based semi-interpenetrating networks for temperature-sensitive smart systems
Sıcaklığa duyarlı akıllı sistemler için alkilakrilamid bazlı yarı iç içe geçmiş ağyapılar
BİRGÜL KALKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
- 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
TAYYİBE ÇELİK
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
- Soft and smart nanocomposite gels responsive to environmental stimulus
Çevresel uyarılara duyarlı yumuşak ve akıllı nanokompozit jeller
BERİL TANÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
- Rational design and applications of advanced functional polymer gels
İleri fonksiyonel polimer jellerin rasyonel tasarımı ve uygulamaları
MERTCAN ER
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
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