Self-healing nanocomposite dna hydrogels with high mechanical strength
Yüksek mekanik dayanıma sahip kendini onarabilen nanokompozit dna hidrojelleri
- Tez No: 516549
- Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN GÜNEY, PROF. DR. OĞUZ OKAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 132
Özet
DNA hidrojelleri, biyo uyumluluk, hacim faz geçişi, moleküler tanıma ve selektif bağlanma gibi DNA'nın ayırt edici özellikleri nedeniyle gelecek vaadeden yumuşak malzemeler sınıfına girmektedir. Bununla birlikte, şimdiye kadar sentezlenen bu tür hidrojeller, mekanik dayanım gerektiren uygulamalarda sınırlı mekanik özellikleri ve düşük boyutsal kararlılığı nedeniyle yetersiz görülmektedir. Buna ek olarak, ileri teknolojik uygulamalar, bir yük uyguladıktan veya dış etmenlerden kaynaklı bir hasar meydana geldikten sonra kendini onarma kabiliyeti gibi daha spesifik özelliklere sahip materyallerin varlığını gerektirmektedir. Sözkonusu bu tez çalışmasında, bu mevcut dezavantajları gidermek ve buna ek olarak sıcaklık duyarlılığına ve kendini iyileştirme kabiliyetine sahip olan yüksek mukavemetli çift sarmal yapılı (ds) DNA hidrojellerinin hazırlanması için yeni bir konsept önermeye odaklanılmıştır. Bahsi geçen hidrojeller, yüksek dolaşıklı halde bulunan, ağırlık/hacim oranı yüzde 2 ila 8 arasında değişen ds-DNA içeren sulu Laponit dispersiyonlarında N-izopropilakrilamid (NIPA) veya N'N dimetilakrilamid (DMAA) monomerinin serbest radikal polimerizasyonu ile sentezlenmiştir. Çift sarmal yapılı DNA'nın kritik örtüşme konsantrasyonu olarak ifade edilen c* değerinin yaklaşık olarak ağırlık/hacim oranı yüzde 0.043 olarak belirtilmiştir. Sentetik nanokil (Laponite XLG® veya Laponite XLS®) partikülleri, kuvvetli kil-polimer etkileşimleri nedeniyle üç boyutlu bir fiziksel ağ oluşturarak dinamik bir çapraz bağlayıcı görevi görür. Çeşitli Laponit miktarlarında hazırlanan hidrojeller, hem kullanılan monomerlerin (poli(N-izopropilakrilamid) ya da, poli(N'N dimetilakrilamid)) hem de ds-DNA'nın özelliklerini, örneğin sıcaklık duyarlılığını, kendi kendini iyileştirme kabiliyetini, yüksek ölçüde tekrarlanabilirliğini, DNA'nın denatürasyonunu ve renatürasyonunu göstermektedir. Sıralanan bu özellikleri gözlemleyebilmek amacıyla bu tez çalışması boyunca sistematik bir dizi deney gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, jelleşme kinetiği ve hidrojellerin ağ yapısının oluşumunu ve oluşan bu yeni jel ağ yapısının iç dinamiklerini anlamak için reometrik ölçümler yapılmıştır. Reometre deneyleri, DNA ve Laponite XLG nin hidrojellerin viskoelastik özellikleri üzerindeki birbirine zıt etkilerini ortaya çıkarmıştır. Deneyler sonucunda sentezlenmiş jel ağ yağısı içinde, XLG bir tür kimyasal çapraz bağlayıcı gibi hareket ederken, elastik modülü arttırıp kayıp faktörünü (tan δ) azaltarak hidrojellerin elastik davranışını geliştirdiği gözlemlenmiştir. Aksine, DNA'nın ise jelin viskoelastisitesine katkıda bulunduğu ve daha düşük bir modül ve daha yüksek bir kayıp faktörü oluşturarak DNA varlığında kil-polimer etkileşimlerinin zayıflattığı gözlemlenmiştir. Üç boyutlu jel ağ yapısının oluşmasının ardından, hidrojellerin mikroyapısı hakkında daha derin bir anlayış elde etmek amacıyla, reometre tarafından izotermal koşullarda ve önceden belirlenmiş bir frekans aralığında frekans tarama testi gerçekleştirilmiştir. Ardışık ölçümler, düşük frekanslarda, nanokompozit DNA hidrojellerinin (NC-DNA), DNA içermeyen klasik nanokompozit hidrojellere (NC) kıyasla daha düşük bir modül ve daha yüksek bir kayıp faktörü sergilediğini göstermiştir. Bu enerji dağılımı, uzun deneysel zaman ölçeklerinde zayıf kil/DNA etkileşimlerine atfedilmiştir. Yüksek frekanslarda ise,“NC-DNA'ların”davranışı NC'lerinkine benzerdir, çünkü 50 nm'lik bir uzunluğuna sahip yarı-esnek ds-DNA, jel ağ yapısı içerisinde yüksek bir frekans ile hareket edememektedir. ds-DNA'nın erime sıcaklığının altında ve üstünde gerçekleştirilen döngüsel ısıtma/soğutma deneyleri ise, fiziksel ağ yapısı içinde termal olarak indüklenen DNA denatürasyon ve renatürasyonuna bağlı olarak nanokompozit DNA hidrojellerin elastik modülünde büyük bir artış olduğunu ortaya koymaktadır. Erime sıcaklığının üzerine çıkacak bir termal enerji uygulayarak DNA sarmallarının kısmi olarak açılması, ve buna bağlı olarak soğuma periyodunda oluşan rastgele hidrojen bağları sistem içerisinde ekstra çapraz bağlayıcı vazifesi görerek sözkonusu modül artışına neden olmaktadır. Sıcaklık duyarlılığını test etmek için jel numuneleri, dinamik modül değişikliklerinin sıcaklığın fonksiyonu olarak izlendiği, 2oC/dk hızında 20 ila 50 oC arasında ısıtılmıştır. PNIPAAM'nın hacim-faz geçiş sıcaklığına karşılık gelen 32 oC'de elastik modül G' hızla artarken, kayıp faktörü tan δ azalır. NC-DNA hidrojellerinin mekanik özellikleri tek eksenli uzama ve sıkıştırma testleri ile 24 ± 1 ° C'de incelenmiştir. Yapılan bu mekanik ölçümler DNA molekülünün termal olarak denatüre/renatüre olmasının makro mekanik etkilerini daha iyi gözlemlemek amacıyla hem termal döngü öncesi hem de termal döngü sonrası olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Beklendiği gibi, termal döngüsünden sonra Young modülünde ve kopma uzama değerinde önemli bir artış gözlenmiştir. Üstelik, NC-DNA hidrojellerinin gerilebilirliği,% 4 ila % 7 veya daha yüksek DNA içeriklerinde % 140 ila 800 arasındadır, fakat DNA içeriğinin azalmasıyla bu gerilebilme (uzayabilme) kabiliyeti önemli ölçüde artmaktadır. Çalışmalar sonucunda % 1100 ila % 1500 arasında bir kopma uzaması sergileyen oldukça gerilebilir hidrojeller % 1-4 aralığında DNA içeren jellerden elde edilebilmiştir. Bu sonuçlar aynı ısıtma-soğutma prosedürünün uygulandığı tek eksenli sıkıştırma testlerinden de elde edilmiştir, ve bu davranış Laponite konsantrasyonundan bağımsızdır. NC-DNA jellerine uygulanan mekanik stress altında gözlemlenen tersinir hidrojen bağ kopmaları, sözkonusu jellerin kendi kendini iyileştirme yeteneklerini ortaya koymaktadır. Örneğin daha önce kesilerek ortadan ikiye ayrılan jel numuneleri kontak haline getirilip 30 dakika boyunca 90 °C'de bekletildikten sonra oda sıcaklığına doğru yavaş soğumaya bırakıldığında, birleşen bu iki parçanın el ile çekilmesiyle ayrılmasının mümkün olmadığı gözlemlenmiştir. 90 °C sıcaklık altında ilgili jelin kendini onarmasıyla beraber Young modülü ve parçalanma/kopma stres değerinin (σf) artması dikkate değer bir özellik olarak göze çarpmıştır. Bu sıradışı davranışa sebep olan faktörün sadece kesilen yüzeylerde değil aynı zamanda tüm jel içerisinde oluşan hidrojen bağları olduğu anlaşılmıştır. Kesik arayüzünde denatürasyona bağlı oluşan tek sarmal yapıdaki DNA zincirleri soğumaya bağlı olarak tersinir bir şekilde yüzeyler arası hidrojen bağları oluşturup kesik yüzeyi onarırken, tüm jel ağyapısı içerisinde bulunan ve kısmen tek sarmal yapıya bürünen DNA zincirleri ise aynı şekilde ekstra çapraz bağlar oluşturarak modül ve kopma dayanım değerlerini normal değerinin üzerine çıkarmaktadır. NC-DNA hidrojellerinin şişme kinetik ölçümleri, hidrojel içerisinde bulunan ds-DNA'nın, başlangıç şişme süreci sırasında kısmen jel ağyapısının içerisinden çıktığının öngörülmesine neden olmaktadır. Şişme sürecinin ilk iki gününe karşılık gelen zaman zarfı içerisinde jel içerisinde mevcut olan DNA'nın fosfat gruplarına ait olan iyonların neden olduğu yüksek ozmotik basınc nedeniyle hidrojel tipik bir polielektrolit gibi davranıp yüksek şişme oranlarına ulaşmaktadır. Bununla birlikte, DNA hidrojelden yavaşça salınırken, iyonik ozmotik basınç azalır, böylece hidrojel belirgin bir şekilde azalmış şişme oranı ile daha az iyonik bir hidrojele dönüşür. Artan DNA muhtevasına bağlı olarak denge şişme derecesinin de artması ve ölçümlerden ortaya çıkan sabit oranda DNA salımının gözlenmesiyle, denge şişme oranında daha yüksek DNA içeriğine sahip jeller de bu sayede sentezlenenbilmektedir. Şişirme işlemi sırasında gözlemlenen bu DNA salma davranışı, gen terapisi tedavi yöntemlerinde ya da DNA taşıyıcıları olarak NC-DNA hidrojellerinden faydalanılmasına olanak sağlayabilmektedir.
Özet (Çeviri)
DNA hydrogels are promising soft materials because of the distinctive properties of DNA such as biocompatibility, coil-globule transition, molecular recognition, and selective binding. However, such hydrogels synthesized so far suffer from poor mechanical properties and low dimensional stability, which limit their stress-bearing applications. What is more, advanced technological applications demand more sophisticated properties for materials such as self-healing ability and high recovery after applying a load or exposing an external damage. In this thesis study, the focus is to resolve these disadvantages and propose a novel concept for the preparation of high-strength double-stranded (ds) DNA hydrogels with temperature sensitivity and self-healing ability. The hydrogels were synthesized by free-radical polymerization of N-isopropylacrylamide (NIPA) or N'N-Dimethylacrylamide (DMAA) in aqueous nanoclay (Laponite) dispersions containing ds-DNA between 2-8 w/v % which is assumed to be in a highly entangled state since the critical overlap concentration c* of ds-DNA is around 0.043 w/v %. The nanoparticles of synthetic nanoclay (Laponite XLG® or Laponite XLS®) act as a dynamic cross-linker to form a three-dimensional physical network due to strong clay-polymer interactions. We observed that ds-DNA maintains its native structure and function during the formation of nanocomposite hydrogels. The hydrogels prepared at various Laponite contents display the characteristics of both the polymers poly(N-isopropylacrylamide) or poly(N'N dimethylacrylamide) and ds-DNA e.g., temperature sensitivity, self-healing ability, highly strechability, denaturation and renaturation of DNA strands, and they exhibit a high tensile fracture stress and elongation to break. A systematic series of experiments were conducted throughout the thesis study. At first, the gelation kinetics and formation of the network structure of hydrogels were monitored by rheometry in order to understand the internal dynamics of this novel gel network structure. Rheological measurements revealed the opposite effects of DNA and Laponite XLG on the viscoelastic properties of hydrogels. Within the constructed gel network, XLG acts like a chemical cross-linker and promotes the elastic behavior of the hydrogels by increasing the modulus and decreasing the loss factor. In contrast, DNA contributes to their viscoelasticity and produces hydrogels with a lower modulus and a higher loss factor, suggesting the weakening of clay-polymer interactions in the presence of DNA. Following the formation of 3D gel network structure, frequency sweep test were carried out by rheometry under isothermal conditions in order to gain a deeper understanding about the internal microstructure of hydrogels. Consecutive measurements showed that at low frequencies, nanocomposite DNA hydrogels (NC-DNA)s exhibit a lower modulus and a higher loss factor as compared to the classical nanocomposite hydrogels that is the hydrogels without DNA, revealing energy dissipation. This energy dissipation on long experimental time scales is attributed to the weak clay/DNA interactions. ds-DNA molecules in the hydrogel could follow the slow oscillation and slip on the surface of the nanoparticles by dissipating energy. At high frequencies, tan δ of NC-DNAs' is similar to that of NCs', likely because the semiflexible ds-DNA with a persistence length of 50 nm could not move with a high frequency in the gel network. Cyclic heating/cooling experiments conducted between below and above the melting temperature of ds-DNA revealed a drastic increase in the elastic modulus of nanocomposite DNA hydrogels due to the thermally induced denaturation and renaturation of DNA within the physical network. Unzipping of the helices of DNA by applying a thermal energy above its melting temperature, allow to form additional cross-linking during the cooling period by constructing H bonds irregularly.For testing the temperature sensitivity, The gel samples were heated from 20 to 50 oC at a rate of 3.25 oC min-1 during which the changes in the dynamic moduli were monitored as a function of temperature. The elastic modulus G' rapidly increases while the loss factor tan δ decreases at around 32 oC corresponding to the volume-phase transition temperature of PNIPAAM. Mechanical properties of NC-DNA hydrogels were investigated at 24 ± 1 °C by uniaxial elongation and compression tests. Because of the significant effect of the heating-cooling cycle between below and above the denaturation or the melting temperature (Tm) of ds-DNA on the hydrogel properties, the tests were carried out on the gel specimens before and after subjecting to the thermal cycles. As it is expected, a significant increase in Young's modulus and fracture stress was observed after the thermal cycle. Moreover, the stretchability of NC-DNA hydrogels is between 140 and 800% at or above 4 w/v % DNA, whereas it significantly increases with decreasing DNA content. Highly stretchable hydrogels exhibiting an elongation at break between 1100 and 1500% could be obtained at 1-4 w/v % DNA. Similar results were also obtained from uniaxial compression tests in which the same heating-cooling procedure was applied while this behavior is independent of the Laponite concentration. The quasi-reversible manner of dissociation of hydrogen bonds in NC-DNA hydrogels under stress suggests their self-healing abilities. When the two gel samples were put into contact and allowed to stand at 90 °C for 30 min followed by slowly cooling to room temperature, it was not possible to separate the two parts by stretching manually. It is interesting to note that both the Young's modulus E and the fracture stress σf of the hydrogel significantly increase after its healing at 90 °C. Enchanced mechanical properties after self-healing of NC-DNA hydrogels healed at 90 °C is due to the increase of the modulus E and fracture stress σf of DNA-containing hydrogels as observed during the heating-cooling cycles. This increment of mechanical properties as well as the self-healing behavior was not observed for the gel samples with or without DNA when the gels are healed at temperatures below 90 oC, suggesting that DNA itself faciliating the healing process by formation of bridges between the cut surfaces via the H bonds. Swelling profile of NC-DNA hydrogels also suggests that ds-DNA in the hydrogels partially releases during the initial swelling process. Thus, the hydrogel initially behaves as a polyelectrolyte, due to the osmotic pressure of phosphate counterions of DNA and attains a large swelling ratio. However, as the DNA is gradually released from the hydrogel, the ionic osmotic pressure reduces so that the hydrogel progressively changes into a less ionic hydrogel with a distinctly reduced swelling ratio. Increasing equilibrium swelling ratio mrel,eq with increasing DNA content indicates that a larger amount of DNA can be entrapped within the gel network in equilibrium with water as the DNA concentration at the gel preparation is increased. This DNA release behavior during swelling process may provide applications of NC-DNA hydrogels as DNA carriers in gene therapy methods.
Benzer Tezler
- Development of supramolecular hydrogels with adjustable viscoelastic, mechanical and self-recovering properties
Ayarlanabilir viskoelastik, mekanik ve kendi-kendini onarma özelliklerine sahip supramoleküler hidrojellerin geliştirilmesi
ESRA SU
- Çinko nanotanecik içeren polimer nanokompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of polymer nanocomposite materials incorporated zno nanoparticles
ALEV AKBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE KÜÇÜKBAYRAK OSKAY
- Elektro döndürme yöntemi ile elde edilen karbon nanolif ve karbon nanotüplerin karakterizasyonu ve işlevselleştirilmesi
Characterisation and functionalization of electrospun carbon nanofibers and carbon nanotubes
MERVE YILMAZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Bölümü
YRD. DOÇ. FİLİZ ALTAY
- Multi-scale self-healing nanocomposite shielding material for aerospace
Havacılık ve uzay için kendini çok boyutta onarabilen nanokompozit zırh malzemesi
TAYFUN BEL
Doktora
İngilizce
2018
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CÜNEYT ARSLAN
PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Kendi kendini onarabilen nanokompozit hidrojel sistemlerin tasarımı, sentezi ve karakterizasyonu
Design, synthesis and characterization of self-healing nanocomposite hydrogel systems
NURNİSA ELÇİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATİCE KAPLAN CAN