Synthesis of quaternary poly(4-vinyl pyridine) based submicron particles for preparing biocidal dispersions and permanent antibacterial cotton fabrics
Biyosidal dispersiyonların ve kalıcı antibakteriyel kumaşların hazırlanması için kuaterner poli(4-vinil piridin) esaslı mikronaltı taneciklerin sentezi
- Tez No: 467290
- Danışmanlar: PROF. DR. NİYAZİ BIÇAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 88
Özet
Bakteri, mantar ve parazit gibi mikroorganizmalar insanoğlunun hayat kalitesini olumsuz yönde etkileyen ciddi enfeksiyonlara sebep olmaktadırlar. Bundan dolayı bu mikroorganizmaların çoğalmasının kontrolü büyük önem arz etmektedir. Bitkiler, hayvanlar ve hatta mikroorganizmaların kendileri dahi kendilerini korumak amacıyla çeşitli mekanizmalar geliştirmişlerdir. Günümüzde bu mikroorganizmaların çoğalmasını kontrol etmek veya onları yok etmek amacıyla çeşitli antibakteriyel ajanlar kullanılmaktadır. Fakat, bu antibakteriyel ajanlar mikroorganizma kaynaklı enfeksiyonların tamamını engelleyememektedir. Buna ek olarak bazı mikroorganizmalar antibakteriyel ajanlara karşı direnç kazanmakta ve antibiyotiğe dirençli hastaların sayısı da gün geçtikçe artmaktadır. Bu sebepten ötürü mikrobiyal enfeksiyonların tedavisi daha da zorlaşmaktadır. Bunu önlemenin en etkin yolu ise bakterinin tutunup çoğalabileceği nemli ortamı ortadan kaldırmaktır. Bakteriler tutunabildikleri ortamda polisakkarit bazlı biyofilm oluştururlar ve bu biyofilmin bakterilerin biyositlere karşı direncini 1000 kata kadar artırdığı bilinmektedir. Bu biyofilmler insanoğlunun yaşam kalitesini olumsuz etkileyen bakterilerin çoğalması için uygun koşulları korudukları gibi tutundukları yüzeyin yapısının bozulmasına da sebep olurlar. Hipoklorit, hidrojen peroksit ve diğer reaktif oksijen türleri (ROS) yüzey temizliğinde kullanılan dezenfektan türevleridir. Gümüş tuzları, kuaterner amonyum tuzları (polikuatlar), alkoller ve triklosan ise bu dezenfektanların diğer alternatifleridir. Fakat bu dezenfektanların kullanıldığı işlemler kalıcı olmamakla birlikte, özellikle triklosan kullandığı takdirde, çevre kirliliğine sebep olmaktadırlar. Buna ek olarak bu dezenfektanların sık kullanımıyla bazı bakterilerin direnç kazandığı bilinmektedir. Örneğin, penisilinin yarısentetik analoğu olan metisilinin sık kullanımı sonucu Staphylococcus aureus metisiline karşı direnç kazanmıştır. Bu bakteri hastane kaynaklı enfeksiyonlara yol açmakta ve günümüzde Amerika Birleşik Devletleri'nde HIV'den daha fazla ölüme sebep olmaktadır. Bakterilerin biyofilm oluşturmasını engellemenin en başarılı yolu antibakteriyel yüzeylerdir. Bu yüzeyler biyositlerle fonksiyonlandırıldıktan sonra bakterileri kendilerinden uzakta tutarak yüzeye tutunmalarını engeller veya yüzeye temas edenleri öldürürler. Fakat yukarıda bahsedilen dezenfektanlar zamanla etkilerini yitirdikleri için kalıcı antibakteriyel etki sağlayamazlar. Teknolojinin gelişmesiylebirlikte kimyasal, elektriksel veya optik etki sonucu biyosit salınımı yapan antibakteriyel yüzeyler geliştirilmiştir. Antibakteriyel yüzeylerin eldesinde kullanılan etkin yöntemlerden biri de polimerik materyaller gibi yüksek molekül ağırlıklı ajanların kullanımıdır. Antibakteriyel polimerler geniş kullanım alanları sebebiyle gerek endüstrinin gerekse de akademinin dikkatini çekmişlerdir. Sentezlenen ilk antibakteriyel polimer 1965 yılında 2-metakriloksitroponon türevleriyle literatürde yerini almıştır. Keşfedildikleri günden bu yana geniş bir çalışma alanına sahip olan bu materyaller polimerik biyositler, biyosidal polimerler ve biyosit salınımı yapan polimerler olarak 3 ana grupta incelenirler. Antibakteriyel polimerlerin etki mekanizması genel olarak pasif ve aktif etki olarak iki gruba ayrılır. Yüzeyin antibakteriyel polimerle kaplanması sonucu biyofilm oluşumunun engellenmesi tekniği pasif etki olarak adlandırılmaktadır. Mikroorganizmaların membranları genellikle hidrofob ve negatif yüklü olduğu için yüzeyin kaplanacağı polimerik materyalin seçimi de buna göre belirlenir. Mikroorganizmaların yüzeye yaklaşmasının engellenebilmesi için polimerik materyal hidrofilik karakterde, negatif yüke ve düşük yüzey enerjisine sahip olmalıdır. Polimerin düşük yüzey enerjisine sahip olması, sterik etkisi ve elektrostatik olarak itme kabiliyeti bakterinin yüzeyde tutunmasını engeller, Pasif etkiye sahip polimerlere poli(dimetil siloksan), polipeptoid, poli(dimetil akrilamid), poli(2-metil-2-oksazolin), poli(n-vinil-pirolidon) ve poli(etilen glikol) örnek olarak verilebilir. Antibakteriyel peptidler, antibiyotikler ve katyonik biyositler gibi aktif etkiye sahip polimerler uygulandıkları yüzeye temas eden mikroorganizmaları öldürücü etkiye sahiptirler. Etki mekanizmaları kısaca biyosit salınımı ve temas anında öldürmeleriyle açıklanabilir. Polikuatlar gibi pozitif yüklü antibakteriyel polimerler günümüzde en sık kullanılan antibakteriyel polimerlerdir. Bu materyaller mikroorganizmanın hücre duvarını yırtar ve hücrenin yaşamsal faaliyetleri için gerekli olan organellerin dışarı sızması sonucu hücre ölür. Yukarıda bahsedilen avantajlarından ötürü antibakteriyel materyallerin özellikle ucuz kaynaklardan yola çıkılarak üretimi son yıllarda oldukça revaçtadır. Fakat, tek kullanımlık materyallerin kullanımının tekrarlanmasının getirdiği maliyet göz önünde bulundurulduğunda uygulama maliyetleri artmaktadır. Bu tezde kalıcı antibakteriyel etkiye sahip kumaşların eldesi çalışılmıştır. Doğal bir polimer olan selülözün biyosidal moleküllerle kimyasal olarak fonksiyonlandırılması zahmetli bir iş olduğu için pratikte uygulanması pek mümkün değildir. Sunulan çalışmada işlenmemiş kumaşın fiberlerini saran çaprazbağlanma polimerleşmesi ile antibakteriyel etkiye sahip kumaş elde edilmiştir. Bu amaçla, 4-vinilpiridinin alkil halojenürler varlığında kendiliğinden polimerleşmesi tekniği tercih edilmiştir. Dihalojenürler çaprazbağlı yapının eldesinde çaprazbağlayıcı olarak kullanılmıştır. Bu yapının eldesinde 4-vinilpiridin, mono alkil halojenür ve 1,6-dibromohekzan uygun miktarda kuru kumaş ile gece boyunca oda sıcaklığında etkileştirilmiştir. Tepkimenin sonunda kumaş deterjanlı su ile yıkanmış ve kurutulmuştur. Elde edilen kumaş renksiz ve aynı yumuşaklığında elde edilmiştir. Kumaş yüzeyinde polikuatın varlığı fenil kırmızısı, bromtimol mavisi, metil oranj ve Denactive Blue Derf gibianyonik boyalarla etkileştirilerek doğrulanmıştır. Polikuat ile işlenen kumaşlar, ham kumaşlara nazaran üstün boya tutma kabiliyetine sahip olduğu gözlemlenmiştir. Tepkime şartlarının incelenmesi amacıyla aynı tepkime asetonitril varlığında yapılmış ve mikronaltı tanecikler elde edilmiştir. DLS ölçümleri ve SEM görüntüleri elde edilen taneciklerinin boyutlarının 150 nm ile 1000 nm arasında değiştiğini ortaya koymuştur. Bu taneciklerin %5'lik suda ve alkoldeki disperisyonlarının antibakteriyel etkinlikleri ölçülmüş ve Gram-negatif bakteri olan E. coli'ye karşı etkin oldukları belirlenmiştir. Bunun yanısıra yukarıda adı geçen anyonik boyalarla etkileştirildiğinde taneciklerin renklendiği belirlenmiştir. Bu çalışma ile birlikte hem serbest hem de kumaş yüzeyine tutturulan polikuatların boyanabilirlikleri ortaya konulmuştur. Çalışmanın en etkileyici sonucu ise oluşturulan çaprazbağlı polikuatın kumaş fibrillerine kimyasal olarak bağlanmaması, fibrillerin etrafını sarmasıdır. Bu yaklaşım ile elde edilen kumaşın çeşitli tekstil materyallerinde uygulama alanı bulması beklenmektedir. Sunulan metod, hastane önlükleri, otel çarşafları, çeşitli ev gereçleri gibi materyallerin eldesinde oldukça elverişlidir. Kalıcı antibakteriyel etkiye sahip olan bu kumaşların günümüzde kullanılan tekstil ürünlerinden daha üstün olacağı öngörülmektedir. Bakterileri öldürme etkisi sunulan bu metod kağıda da işlenebileceği gibi antibakteriyel kağıt eldesi için mevcut kullanılan uçucu dezenfektanların yerini alabilecek yeni bir ürüne dönüştürülebilir.
Özet (Çeviri)
Manufacturing of antibacterial materials have found great interest in recent years. Especially their synthesis from cheap sources has been popular area of research. However, their use as disposable material makes the process uneconomical. Therefore, to create reusuable materials is beneficial not only for the economical reasons but also for avoiding repetation of the application process. In the present work, we have targeted to permanent antibacterial cotton fabrics. However, chemical attachment of the biocidal functions onto a natural polymer such as cellulose is very tedious work which is deterred to employ in practice. It was concluded that permanent antibacterial material can be formed either on woven or nonwoven fabrics by crosslinking polymerization in fibrillar matrix of the fabric without covalent attachment. For this purpose, polymerization of 4-vinylpyridine in the presence of alkyl halides resulting in spontaneous polymerization was chosen. To generate crosslinking structure we have used dihalides as crosslinking agents. Generation of such a structure a simple in which 4-vinylpyridine, mono alkyl halide and 1,6-dibromohexane were left to contact with the certain amount of a dry fabric for overnight. The reaction takes place at room temperature. At the end of the reaction the fabric is washed several times with water in the presence of commercial detergents. Dried fabric obtained was still soft and colorless. Presence of the quaternary polymer (polyquat) was simply confirmed by colorination of the fabric when contacted with anionic dyes such as, phenyl red, bromothymol blue, methyl orange and Denactive Blue Derf. Strong colorination of the fabric samples revealed presence of the polyquat in the structure of the cotton fabric. In order to investigate the reaction conditions of the polyquat formation the crosslinking polymerization was performed in acetonitrile. This process gave submicron size forming stable dispersions in alcohol and water. DLS measurements and SEM images showed that sizes of the particles are in 150 nm – 1000 nm. It was demonstrated that the dispersions of the crosslinked particles have antibacterial activity against Gram-negative bacteria E. coli in 5% concentrations. The particle also undergo rapid colorization in the presence of the dyes discussed above. What we learnt from this study is that both free and attached polyquats possess dyeabilities. The most striking outcome of this work is possibility of generating polyquats in the fibrilles of the cotton fabric without covalent attachment. This approach is expected to find different applications in fabrication of numerous textile materials. Considering failures of the current production processes the method presented here is very promising especially in manufacturing of special wears such as, bedsheets, aprons and various households. The materials obtained would be superior to the current products as permanent antibacterial. The bacteria killing method presented can be extended to manufacturing of paper based antibacterial goods as well. It can be replaced with the volatile disinfectants which are currently used.
Benzer Tezler
- HPMA ve poli(Q4-VP) bazlı çift katmanlı antimikrobiyal yara örtüsünün üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of HPMA-poly(Q4-VP) based bilayer antimicrobial dressing
CEMRE DEMİRKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEVİL DİNÇER İŞOĞLU
- Synthesis and characterization of nanoparticle integrated antibacterial cryogels
Nanopartikül içerikli antibakteriyel kriyojellerin sentezi ve karakterizasyonu
MARIA DAABOUL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT TOPUZOĞULLARI
DOÇ. DR. MEHMET MURAT ÖZMEN
- Bakteriyel poliesterlerin kimyasal modifikasyonları ve karakterizasyonları
Chemical modifications and characterizations of microbial polyesters
ALİ HAKAN ARKIN
- Kinolin sübstitüe ftalosiyaninlerin sentezi, optik ve elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi
Synthesis and examination of optical and electrochemical properties of quinoline-substituted phthalocyanines
FUAT DAHİL
- Atık polietilentereftalattan özel blok kopolimerler ve çevre dostu alkid reçine üretimi
Production of special block copolymers and environmental friendly alkyd resins from PET wastes
OĞUZ MECİT