Geri Dön

Effect of silanization agent on the development of nanohybrid systems

Nanohibrit sistemlerinin geliştirilmesinde silanlama ajanının etkisi

PDF İndir

  1. Tez No: 547893
  2. Yazar: MELTEM AKKULAK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 69

Özet

Biyobozunur polimerler, toksik olmamaları ve çevre dostu olmaları gibi önemli özelliklere sahip maddelerdir. Nanohibritler, polimer matrikslerinin inorganik maddeler ile doldurulması sonucu elde edilirler. Nanohibritlerin biyobozunur polimerlere göre daha iyi termal ve mekanik özelliklere sahip olmaları nedeniyle nanohibrit sistemlerinin geliştirilmesi önemli konulardan biri haline gelmiştir. Nanohibritler biyomedikal alanda doku mühendisliği ve kontrollü ilaç salınımı çalışmaları başta olmak üzere birçok uygulamada kullanılmaktadır. Alifatik biyopoliester olan polikaprolakton kimyasal katalizörler ya da enzimler kullanılarak ε-kaprolaktonun halka açılım reaksiyonu ile elde edilir. Enzimatik sentez kimyasal senteze göre birçok avantajı olduğu için daha çok tercih edilmektedir. Enzimatik sentezin en önemli avantajı enzimlerin toksik olmayan katalizörler olmasıdır. Bu çalışmanın amacı enzimatik polikaprolakton sentezi ve polikaprolakton içeren nanohibrit sistemlerinin geliştirilmesidir. Hidrolazlar grubunda bulunan lipaz enzimi (EC 3. 1. 1. 3) başta trigliseritlerin gliserol ve yağ asitlerine hidrolizi olmak üzere ester sentezi gibi reaksiyonları da katalizlemektedir. Son dönemde endüstrilerdeki üretimin artmasıyla birlikte enzimler ve enzim immobilizasyonu daha önemli konular olmuştur. İmmobilizasyon enzimlerin aktivite, stabilite ve tekrar kullanılabilirliği gibi özelliklerini geliştirmektedir. Fiziksel adsorpsiyon, kovalent bağlanma, çapraz bağlanma ya da tutulma gibi farklı immobilizasyon yöntemleri bulunmaktadır. Fiziksel adsorpsiyon en çok kullanılan immobilizasyon yöntemidir. Fiziksel adsorpsiyon yönteminde enzimler katı bir destek materyaline van der Waals ya da hidrojen bağları gibi zayıf etkileşimlerle bağlanır. Fiziksel adsorpsiyon kolay ve ekonomik bir yöntemdir ancak zayıf etkileşimler enzimin kaçması gibi problemlere neden olabilmektedir. Enzimler kovalent bağlarla immobilize edilebilir ya da gluteraldehit gibi yardımcı bir maddenin varlığı ile çapraz bağlanma yöntemi ile de immobilize edilebilir. Enzim immobilizasyonu, enzimlerin bir kafes ya da polimer matriksi içerisinde tutuklanması ile de sağlanabilir. Enzimler, yüzeyi aktifleşmiş destek materyalleri üzerinde tutuklanarak immobilize olurlar. Bu destek materyalleri polimerler, organik ya da inorganik maddeler olabilir. İnorganik destek materyalleri silika içeriği yüksek maddelerdir. Pirinç kabuğunun yakılması ile elde edilen pirinç kabuğu külü yüksek silika içeriği ile uygun bir destek materyalidir. Pirinç kabuğu küllerinin yüzey modifikasyonu için 3-Aminopropil trimetoksisilan (3-APTMS), 3-Glisitiloksipropil trimetoksisilan (3-GPTMS), 3- Aminopropil trietoksisilan (APTES) and Trimetosilil propil etilendiamin (TMSPDA) gibi farklı silanlama ajanları kullanılmaktadır. Bu çalışmada, Candida antarctica lipaz B (CALB) kullanarak PKL ve pirinç kabuğu üzerine aşılanmış PKL içeren nanokompozit sistemleri sentezlenmiştir. Buna ek olarak, Novozyme 435 kullanarak nanohibrit sistemleri elde edilmiştir. CALB enzimi hem fiziksel adsorpsiyon hem de çapraz bağlanma yöntemi ile immobilize edilmiştir. Destek materyali olarak pirinç kabuğu külü ve yüzey modifikasyonu için de 3-APTMS, 3-GPTMS, APTES ve TMSPDA kullanılmıştır. İmmobilize CALB enzimi ε-kaprolaktonun halka açılım reaksiyonunda ve PKL/pirinç kabuğu külü nanohibritlerinin geliştirilmesinde kullanılmıştır. Öncelikle, pirinç üretim tesisinden elde edilen pirinç kabukları 600 °C ve 6 saat boyunca pirinç kabuğu külü elde etmek için yakılmıştır. İmmobilizasyon işleminden önce pirinç kabuğu külleri ayrı bir şekilde dört farklı silanlama ajanı ile aseton içerisinde karıştırılmış ve su banyosunda bekletilerek yüzey modifikasyonunun gerçekleşmesi sağlanmıştır. Daha sonra, yüzeyi aktifleşen pirinç kabuğu külleri süzülmüş ve 60 °C'de kurutulmuştur. TMSPDA ile aktive edilen pirinç kabuğu külleri ek olarak gluteraldehit ile muamele edilmiştir. Yüzey modifikasyon işleminden sonra lipaz enzimi pirinç kabuğu külleri üzerine immobilize edilmiştir. ε-kaprolaktonun halka açılım reaksiyonu ve nanohibrit sistemlerinin geliştirilmesi enzim/monomer oranı %20 olacak şekilde immobilize enzimler ve Novozyme 435 kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Reaksiyon sıcaklığı ve süresi farklı enzimler için değişmektedir. Reaksiyon sonunda pirinç kabuğu külüne aşılanmış PKL zincirleri, böylece PKL ve PKL/pirinç kabuğu külü nanohibritlerini içeren polimer kompozitinin elde edilmesi amaçlanmıştır. Reaksiyon sonunda yüzeydeki polimer aşılama etkinliğini belirlemek için karışım pirinç kabuğu külünce zengin ve polimerce zengin olmak üzere iki kısma ayrılmıştır. Çalışmanın ikinci kısmında, aşılama etkinliğini belirlemek için pirinç kabuğunca zengin kısma Termal Gravimetrik Analiz (TGA) uygulanmıştır. Daha sonra, nanohibrit sistemi elde etmek için deneyler pirinç kabuğu külünce zengin kısım polimerce zengin kısım içerisinde bırakılarak tekrarlanmıştır. Nanohibritlerin karakterizasyonu Hidrojen Nükleer Manyetik Rezonans (HNMR), Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC), X-Işını Kırılması (XRD) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmanın sonunda, PKL/pirinç kabuğu külü nanohibritleri farklı aşılama etkinlikleri ile başarılı bir şekilde elde edilmiştir. Nanohibritlerin aşılama etkinlikleri sırasıyla APTMS, GPTMS ve APTES ile aktive edilmiş pirinç kabuğu külleri için %8, %4 ve %14'tür. Nanohibritlerin molekül ağırlıkları 4317, 4346 ve 8916 g/mol olarak bulunmuştur. TMSPDA ile aktive edilmiş pirinç kabuğu külü kullanıldığında ise molekül ağırlığı 8446 g/mol olarak hesaplanmıştır. PKL/pirinç kabuğu külü nanohibritlerinin kristaliniteleri polikaprolaktondan daha düşük olarak elde edilmiştir. Bu kristalinite değerleri sırasıyla 32%, 23%, 38.6% ve 39.3%'tür. Nanohibritlerin düşük kristalinite değerine sahip olması amorf yapıda olduğunu göstermektedir bu nedenle PKL/pirinç kabuğu külü nanohibritlerinin ilaç taşınım çalışmalarında kullanımı uygun olmaktadır. Gelecek çalışmalarda, PKL/pirinç kabuğu külü nanohibritleri doku mühendisliği veya kontrollü ilaç salınımı uygulamalarında kullanılabilir. Literatürde PKL/silika nanohibritlerinin biyomedikal uygulamalarda kullanıldığı çalışmalar bulunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Biodegradable polymers are important materials with their biocompatible, non-toxic and environmentally friendly properties. Nanohybrids are formed by filling polymer matrices with inorganic nanofillers. Development of nanohybrid systems become an attractive issue because of increasing thermal, mechanical properties and usability of biodegradable polymers. Nanohybrids are used in many applications especially biomedical field like tissue engineering or controlled drug delivery. Polycaprolactone which is an aliphatic biopolyester can be obtained by ring opening polymerization of ε-caprolactone with using chemical catalysts or enzymes. Enzymatic synthesis is generally preferred because it has lots of advantages over chemical synthesis. The main advantage of enzymatic synthesis is that enzymes are non-toxic catalysts whereas chemical ones are toxic. The aim of this study is to synthesize polycaprolactone enzymatically and prepare nanohybrids based on PCL. Lipase enzyme (EC 3. 1. 1. 3) that found in the group of hydrolases mainly catalyze triglycerides to glycerol and fatty acids. Moreover, lipases mostly used in ester synthesis. Recently with increasing production in industries, enzymes and their immobilization become more important. Immobilization provides many improved properties to enzymes such as improving their activity, stability and reusability. There are several immobilization methods like physical adsorption, covalent binding, cross-linking or entrapment. Physical adsorption is mostly used immobilization method. In physical adsorption enzymes are immobilized on support materials with weak interactions such as van der Waals forces or hydrogen bonding. It is an easy and economic method but weak interaction may cause a leakage problem. Enzymes can be immobilized by covalent bonds or with the help of a spacer arm like gluteraldehyde in cross-linking method. Moreover, enzymes can be immobilized in a cage or polymer matrix in entrapment method. Enzymes can be immobilized on surface activated support materials. These support materials may be polymers, organic or inorganic materials. Inorganic supports especially contains silica. Rice husk ash obtained from burning of rice husks is a suitable support material with its high silica content. For surface modification of rice husk ashes, many different silanization agents like 3-Aminopropyl trimethoxysilane (3-APTMS), 3-Glycidyloxypropyl trimethoxysilane (3-GPTMS), 3- Aminopropyl triethoxysilane (APTES) and Trimethoxycylyl propyl ethylenediamine (TMSPDA) may be used. In this study, nanocomposite systems that include PCL and PCL grafted on rice husk ash (RHA) nanohybrids are synthesized by immobilized Candida antarctica lipase B (CALB). Moreover, nanohybrids are also synthesized by Novozyme 435. CALB enzyme immobilized by both physical adsorption and cross-linking methods. RHA was used as support material; 3-APTMS, 3-GPTMS, APTES and TMSPDA were used for surface modification of RHA respectively. Immobilized CALB enzyme was used in the ring opening polymerization (ROP) of ε-caprolactone and formation of PCL/RHA nanohybrids. First of all, rice husks that obtained from a rice production company were burned at 600 °C for 6 h to obtain RHA. Before immobilization, surface modification of RHA was achieved by mixing RHA with four silanization agents separately in acetone and incubated in water bath. Then, surface-activated RHA was filtered and dried at 60 °C. For TMSPDA activated RHA, glutaraldehyde treatment was also applied. After surface modification, lipase enzyme immobilized on RHA samples. ROP of ε-caprolactone and development of nanohybrid systems were performed by using these immobilized enzymes and Novozyme 435 with enzyme to monomer ratio of 20% (w/w) separately. Reaction conditions (temperature and time) were different for these enzymes. At the end of the reactions it is aimed to obtain polycaprolactone (PCL) chains grafted onto RHA particles, thus polymer composites consisting of PCL and PCL/RHA nanohybrids. After the reaction, final mixture was separated into two fractions as RHA-rich and polymer-rich to determine polymer grafting at the surface. In the second part of the study, Thermal Gravimetric Analysis (TGA) was applied to determine grafting efficiency by analyzing solid RHA-rich fraction. Later, to obtain nanohybrid systems experiments were repeated with leaving RHA-rich fraction in polymer-rich fraction. Characterization of nanohybrids will be obtained by Hydrogen Nuclear Magnetic Resonance (HNMR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), X-Ray Diffraction Analysis (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM). At the end of this study, PCL/RHA nanohybrids were successfully obtained with different grafting efficiencies as 8%, 4% and 14% for APTMS-activated, GPTMS-activated and APTES-activated RHA respectively. Moreover, molecular weights of these nanohybrids found as 4317, 4346 and 8916 g/mol. For usage of TMSPDA activated RHA molecular weight was 8446 g/mol. Crystallinity degrees of PCL/RHA nanohybrids were lower than PCL that obtained from previous studies. These crystallinities were 32%, 23%, 38.6% and 39.3% respectively. Lower crystallinity of nanohybrids show that these nanohybrids have amorphous structure so that usage of PCL/RHA nanohybrids are suitable for drug delivery applications. In further studies, PCL/RHA nanohybrids may be used in tissue engineering or controlled drug delivery applications. Different studies about the usage of PCL/silica nanohybrids in medical applications exist in literature.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    831650

    Controlled delivery of chalcone via biopolyester nanohybrid

    Biyopoliester nanohibrit ile kalkonun kontrollü salımı

    YASEMİN KAPTAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  2. Tez No

    398071

    Immobilization of lipase on an inorganic support material and polycaprolactone synthesis

    Lipazın inorganik taşıyıcıda immobilizasyonu ve polikaprolakton sentezi

    CANSU ÜLKER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  3. Tez No

    549625

    Synthesis of polycaprolactone by lipase enzyme immobilized on an inorganic material

    İnorganik malzeme üzerine immobilize edilmiş lipaz enzimi ile polikaprolakton eldesi

    ŞEYDA ERCAN KORKAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  4. Tez No

    445055

    Effect of silanization agent on the immobilization of lipase on a silica-based support material

    Silika bazlı taşıyıcıya lipaz immobilizasyonunda silanlama ajanının etkisi

    YASEMİN KAPTAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  5. Tez No

    535389

    Manyetik demir oksit tabanlı siklodekstrin nanoadsorbentlerin sentezi

    Synthesis of magnetic iron oxide based cyclodextrin nanoadsrobent

    EMRE TUĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Kimya MühendisliğiSivas Cumhuriyet Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEMA SALGIN

Geri Dön