Soft and smart nanocomposite gels responsive to environmental stimulus
Çevresel uyarılara duyarlı yumuşak ve akıllı nanokompozit jeller
- Tez No: 540793
- Danışmanlar: PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 177
Özet
Yumuşak ve akıllı jeller, doku yapılarına olan benzerlikleri, değişen ortam koşullarına göre tepki verme özellikleri ve sıvı ortamlarda kullanılmaya uygun olmaları sebebiyle biyomedikal uygulamalar, doku mühendisliği, sensörler ve kas tipi uyarıcılar için çok yönlü ve umut verici bir malzeme sınıfıdır. Bu malzemelerin yapısal özelliklerinin geliştirilerek kullanım alanlarının genişletilmesi ve mevcut uygulamalarda daha kullanışlı hale getirilmeleri büyük önem taşımaktadır. Polimerik jellerin yapısına nanomalzemelerin eklenerek jellerin şişme davranışlarının ve mekanik dayanımlarının geliştirilebilmesi için birçok çalışma yapılmaktadır. Nanomalzemelerin geniş yüzey alanı ve çeşitliliği birçok açıdan malzeme özelliklerine olumlu etki etmektedir. Killer ise şişebilme özellikleri, kolay bulunmaları ve ucuz olmaları gibi avantajları nedeniyle polimerik nanokompozit sentezlerinde yaygın olarak kullanılan nanomalzemelerdir. Değişen kil türü ve kil miktarı ile polimerik jellerin şişme ve mekanik özellikleri geliştirilebilmektedir. Bu tezde, yeni tip yumuşak ve akıllı polimerik jeller ve nanokompozit jeller tasarlanarak polimerik jellerin çevre-duyarlı özellikleri tanımlanmıştır. Polimerik jellerin değişen monomer konsantrasyonu ile yapısal ve çevre-duyarlı özelliklerinde meydana gelen değişimler incelenmiştir. Aynı şekilde nanokompozit jellerin yapısal ve çevre-duyarlı özelliklerindeki değişim, değişen kil konsantrasyonu ile incelenmiştir. Çalışmada hem polimerik hem de nankompozit jelleri sentezlemek amacıyla sıcaklığa ve pH' a duyarlı davranışı sebebiyle N,N-dimetilaminoetil metakrilat (DMAEMA) monomeri kullanılmıştır. Çalışma kapsamında, geniş jel hazırlama konsantrasyonu aralığında sentezlenen zayıf katyonik polielektrolit poli(N,N-dimetilaminoetil metakrilat) (PDMAEMA) bazlı çevresel uyarılara duyarlı jellerin hazırlanması sunulmuştur. Tezin birinci bölümünde, kil içermeyen homopolimerik PDMAEMA hidrojelleri ve kriyojelleri, çapraz bağlayıcı dietilenglikol dimetakrilat (DEGDMA) varlığında ana monomer DMAEMA'ın sulu serbest radikalik çapraz bağlama kopolimerizasyonu ve kriyopolimerizasyonu ile sentezlenmiştir. Polimerizasyon reaksiyonlarını başlatmak için amonyum persülfat (APS) ve N,N,N',N'- tetrametiletilendiamin (TEMED) redoks-başlatıcı sistemi kullanılmıştır. Jellerin uygulama niteliklerini kavrayabilmek amacıyla sudaki, farklı pH çözeltilerinde ve tuz çözeltilerindeki şişme tepkileri, sentez sonrası ve şişme dengesindeki mekanik davranışları ve polimerizasyon sıcaklığının sentezlenen jellerin yapısal özellikleri üzerine etkisi, jel hazırlama konsantrasyonunun fonksiyonu olarak incelenmiştir. Jel hazırlama konsantrasyonuna bağlı olarak değişen yapısal özelliklere (etkin çapraz bağlanma yoğunluğu, çapraz bağlar arasındaki polimer zincirlerinin ortalama molekül ağırlığı, şişme ve elastisite) ait sonuçların birlikte ele alınmasıyla termodinamik parametreler hesaplanmış ve sentez koşulları ile jel ağ yapısına ait parametreler arasındaki ilişki belirlenmiştir. Geniş pH aralığında hazırlanan tampon çözeltilerinde ve farklı konsantrasyonlardaki çeşitli tuz çözeltilerinde gerçekleştirilen salınımlı şişme-büzülme çalışmaları ile kil içermeyen PDMAEMA kriyojel ve hidrojel ağyapıları için etkin difüzyon katsayısı, dinamik şişme profilleri kullanılarak belirlenmiştir. Jellerin oda sıcaklığında sudaki şişme ölçümlerinden faydalanılarak PDMAEMA-su sistemi için polimer-solvent etkileşim parametresi hesaplanmıştır. Ayrıca, sıcaklığın jellerin sudaki şişme davranışına olan etkisini aydınlatmak için farklı sıcaklıklarda jellerin şişme ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma sonuçlarından faydalanarak farklı sıcaklıklarda PDMAEMA-su sistemi için polimer-solvent etkileşim parametresi hesaplanmıştır. Tezin ikinci bölümünde ise, bir dizi polimer-kil nanokompoziti sabit polimer konsantrasyonu ve değişen kil miktarı ile sentezlenmiştir. Nanokompozit jellerin sentezinde, şişebilme özelliğine sahip 2:1 tabakalı kil grubundan montmorillonit kili kullanılmıştır. Montmorillonitin (tabakalı silikat) ara katmanları arasında, çıkış monomeri DMAEMA ve 2-akrilamido-2-metil-propanosülfonik asidin (AMPS) çapraz bağlayıcı DEGDMA varlığında kriyopolimerizasyonu ve serbest radikalik çapraz bağlanma polimerizasyonu ile, APS-TEMED redoks-başlatıcı sistemi kullanılarak hazırlanmıştır. Çeşitli miktarda inorganik MMT kili içeren nanokompozit PDMAEMA/MMT NC-kriyojel ve NC-hidrojeller fourier dönüşüm kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ve X-ışını kırınım yöntemi (XRD) ile analiz edilerek, polimer-kil etkileşimi incelenmiştir. Bu analizler sonucunda, nanokompozit jel oluşumu doğrulanmış ve kilin polimer matrisindeki davranışı aydınlatılmıştır. Sentezlenen PDMAEMA/MMT nanokompozit jellerinin XRD analizleri yorumlanarak, polimer-kil etkileşim türü belirlenmiş ve PDMAEMA/MMT nanokompozit jeller bu etkileşim türüne göre sınıflandırılmıştır. Nanokompozit jellerin yüzey morfolojisinin incelenmesi için taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Kilin, hidrojel ve kriyojellerin şişme ve mekanik davranışlarına olan katkısı yanında, termal dayanım davranışlarına olan katkısının da incelenmesi amacıyla termogravimetrik analizler gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan PDMAEMA/MMT nanokompozit jeller, kilsiz hompolimerik PDMAEMA hidrojeller ve kriyojellerde olduğu gibi tek eksenli sıkıştırma ölçümlerinin yanında şişme ölçümleri ile de karakterize edilmiştir. PDMAEMA/MMT nanokompozit jellerin sudaki, farklı pH çözeltilerinde ve tuz çözeltilerindeki şişme tepkileri, sentez sonrası ve şişme dengesindeki mekanik davranışları, kil miktarının fonksiyonu olarak incelenmiştir. Böylece, kilin ve kil miktarının hidrojel ve kriyojellerin mekanik özelliklerine ve şişme/büzülme davranışlarına etkisi incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Kil içeriğinin nanokompozit jellerin geniş pH aralığında hazırlanan buffer çözeltilerinde ve farklı konsantrasyonlardaki çeşitli tuz çözeltilerindeki denge şişme miktarına olan etkisi incelenmiştir. Ayrıca, pH ve tuz çözeltilerinde gerçekleştirilen şişme-büzülme deneyleri ile PDMAEMA/MMT nanokompozit kriyojel ve hidrojel ağyapıları için etkin difüzyon katsayısı, dinamik şişme profilleri kullanılarak belirlenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda, PDMAEMA/MMT nanokompozit hidrojel ve kriyojellerde, 0.20 ile 3.40 w/v% arasında değişen MMT konsantrasyonları için, nanokompozit PDMAEMA/MMT nanokompozit hidrojel ve kriyojellerin, kil içermeyen PDMAEMA hidrojel ve kriyojellerden daha yüksek şişme oranına ve daha güçlü mekanik mukavemete sahip olduğu bulunmuştur. Özellikle, az miktarda kilin yapıya katılması ile PDMAEMA/MMT nanokompozit kriyojellerin mekanik davranışlarında kayda değer gelişme gözlenmiştir. Kilin polimerik matrise ile katılması PDMAEMA hidrojel ve kriyojellerin yüzey yapılarında değişiklik meydana gelmiştir. Kilsiz hompolimerik PDMAEMA hidrojellerin pürüzsüz yüzeyi kilin varlığıyla pürüzlü bir hal alırken, PDMAEMA kriyojellerin por büyükleri kilin yapıya katılmasıyla artmıştır. Çeşitli pH'larda hazırlanan tampon çözeltilerinde ve farklı konstantrasyonlardaki tuz çözeltilerinde gerçekleştirilen şişme deneyleri sonucunda elde edilen sonuçlar, zayıf yüklü dialkilaminoetil metakrilat bazlı polimer-kil nanokompozit kriyojellerinin pH'a ve iyonik kuvvete bağlı ayarlanabilir şişme davranışı ile ilgili bilgi sağlamıştır ve zayıf bazik karakterli nanokompozit jellerin biyomedikal malzemeler olarak, çalışma kapsamında açıklanan şişme ve mekanik özelliklerini birleştiren uygulamaların geliştirilmesini desteklemiştir.
Özet (Çeviri)
Soft and smart gels represent a versatile and very promising class of materials for biomedical applications, tissue engineering, sensors and muscle-type actuators owing to their resemblance of soft tissues, their autonomous intelligent structures as well as their easy operation in wet environments. In this thesis, new types of soft and smart polymeric gels as well as nanocomposite gels have been designed and the basis of environmentally-responsive properties in polymeric gels has been described. The research described herein presents the preparation of stimuli-responsive gels based on weak cationic polyelectrolyte poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA) with a broad range of gel preparation concentration. In the first part of the thesis, clay-free homopolymeric PDMAEMA hydrogels and cryogels have been synthesized via aqueous free radical crosslinking copolymerization as well as via cryopolymerization of the main monomer DMAEMA in the presence of the crosslinker diethyleneglycol dimethacrylate (DEGDMA). Ammonium persulfate (APS) and N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TEMED) were used as redox-initiator system to initiate the polymerization reactions. The swelling response, mechanical behavior and the effect of polymerization temperature on the structural characteristics of the prepared clay-free PDMAEMA gels were investigated as a function of the gel preparation concentration. The variation in the structural properties; effective-crosslinking density, average molecular weight of polymer chains between crosslinks and thermodynamic parameters from the combined swelling and elasticity results were disscussed as a function of the gel preparation concentration, and the correlation between synthesis conditions and structural parameters of gel networks have been determined. Oscillating swelling-shrinking studies were performed and the effective diffusion coefficient of water within the clay-free PDMAEMA cryogel and hydrogel matrix was estimated using the dynamic swelling profiles. In the second part of the thesis a series of polymer-clay nanocomposites were prepared via cryopolymerization and in situ free-radical crosslinking of the main monomer DMAEMA and 2-acrylamido-2-methyl-propanosulfonic acid (AMPS) between the interlayer spacing of montmorillonite (MMT) layered silicates using APS-TEMED as a redox-initiator system. The formation mechanism, thermal stability and surface morphology of the nanocomposite PDMAEMA/MMT NC-cryogels and NC-hydrogels incorporated with various amount of inorganic clay MMT were characterized by ATR-FTIR, XRD, SEM and TGA. The prepared nanocomposites were also characterized by uniaxial compression testing as well as swelling measurements. The effects of clay content on the equilibrium swelling, dynamic swelling kinetics, mechanical properties, swelling/deswelling behaviors under various pH and salt solutions were investigated and compared. For MMT concentrations ranging from 0.20 to 3.40 w/v%, the nanocomposite PDMAEMA/MMT NC-gels had larger volume swelling ratio and stronger mechanical strength than those for clay-free PDMAEMA gels. The obtained results provided more insights into the pH- and ionic strength- tunable swelling of slightly charged dialkylaminoethyl methacrylate-based polymer-clay nanocomposite gels and supported the development of potential applications combining the swelling and mechanical properties of weakly basic nanocomposite gels as biomedical materials.
Benzer Tezler
- Nanoparçacık yüklü hidrojeller
Nanaoparticle loaded hydrogels
HÜSNA KILIÇ
Doktora
Türkçe
2023
BiyoteknolojiBezm-i Alem Vakıf ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DENİZ CEYLAN TUNCABOYLU
- İyonik olmayan çift-ağyapılı poliakrilamid hidrojellerinin sentezi ve mekanik özellikleri
Synthesis and mechanical properties of non-ionic polyacrylamid double-network hydrogels
BAHADIR UĞUR ALTUN
- 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
- 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
- Antibakteriyel tekstillerde kullanılan nanopartiküllerin etkilerinin karşılaştırılması
Comparison of the effects of nanoparticles used in antibacterial textiles
SİBEL BAYKARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BUKET ARIK