Geri Dön

Hierarchically porous high surface area polymers with interconnected pores for fast and selective albumin adsorption

Hızlı ve seçici albümin adsorpsiyonu için hiyerarşik ve birbirine bağlı gözenek yapısına sahip olan yüksek yüzey alanlı polimerler

PDF İndir

  1. Tez No: 658454
  2. Yazar: MERVE SÜSLÜKAYA
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ERDEM YAVUZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 129

Özet

Gözeneklilik, canlı organizmalar ve madde arasında doğada gözlemlenebilir yapısal bir gerçektir. Gözeneklilik baz alınırsa, malzeme türü olarak polimerik malzemeler gözenekli metallere ve seramiklere kıyasla kimyasal yapıları nedeniyle en düşük bağıl yoğunluğa ve en yüksek özgül mukavemete sahiptir. Bu özelliklerine ek olarak fonksiyonel özellikli gözenekli polimer tasarlamak için çok sayıda monomer ve şablon mevcuttur. Ayrıca, endüstriyel ölçekte üretim aşamasında, polimerler, nispeten düşük sıcaklıkta işleme ve şekillendirmesi kolay malzemeler olarak ünlendikleri için maliyet düşürücü bir avantaja sahiptir. Doğal malzemelerin benzersiz performans özelliğini örnek alma amacıyla tasarlanan hiyerarşik gözenek yapısına sahip olan polimerler, günümüzde kataliz ve katalizör desteği, gaz depolama, enerji depolama ve dönüştürme, doku mühendisliği, ilaç dağıtımı, sensör, adsorpsiyon ve ayırma uygulamalarında kullanılmaktadır. Sürekli ve açık gözenek yapısı bu malzemelerin akışkanlara geçirgen olmasını sağladığı bir gerçektir. 1950'lerden beri istenen fonksiyona, gözenek boyutuna, ve yüzey alanına sahip polimerler tasarlamak için birçok metodoloji geliştirilmiştir. Bu metodolojiler, kullanılan şablon stratejisine göre şu şekildesınıflandırılabilir: Doğrudan Şablonlama, Doğrudan Sentez, Blok Kopolimer Kendi-Kendine Montaj, Fiziksel İşlem, Yüksek İç Faz Emülsiyonu. Dış faz hacminin toplam hacme oranı 0.74'ten büyük olan emülsiyon sistemleri, yüksek iç fazlı emülsiyonlar (HIPE'ler) olarak adlandırılır. Organik faz su fazı içine damlatılıyorsa emülsiyon suda-yağ (oil-in-water; o/w) emülsiyonu olarak sınıflandırılır ve tam tersi durumda yağda-su (water-in-oil; w/o) emülsiyonu veya“ters emülsiyon”olarak da adlandırılır. HIPE şablonlama yoluyla gözenekli polimerlerin hazırlanması için genellikle ters emülsiyon (yani, W/O) sistemleri çoğunlukla kullanılmaktadır. W/O HIPE'nin sürekli (organik) fazı monomerler, çapraz bağlayıcılar ve emülgatörden (yani yüzey aktif madde) oluşurken, dış faz suda çözünür başlatıcı ve stabilizatör içeren sudur. Polimerlerşme reaksiyonu için kullanılan başlatıcı monomer fazında çözünür olmadığından, HIPE sisteminin su damlacıkları içinde polimerizasyon gerçekleşmez, bu süspansiyon polimerizasyonu ile arasındaki temel farktır. Aksine, damlacıklar yalnızca gözenek oluşturmak için şablon olarak görevlendirilir ve hacimce artışları, damlacıkların yoğun bir şekilde paketlendiği ve ince bir monomer fazı tabakasıyla kaplandığı çok viskoz macun benzeri bir emülsiyon sistemi oluşturur. Bu ince ve sürekli monomer faz tabakasının polimerizasyonu, polimerize HIPE, yani poliHIPE (PH) olarak adlandırılan açık gözenekli bir polimer malzemesi oluşturur. PH'lerin diğer gözenekli polimerlere göre temel ayırt edici özelliği, makro boyutlu büyük gözenekler (0.5-600 μm) ve tüm yapıyı birbirine bağlayan daha küçük gözeneklerden (0.1-300 μm) oluşmasıdır. xxiv PH'ler, çok sayıda modifikasyon olanağı sunmaları nedeniyle çoğunlukla stiren türevi monomerler kullanılarak sentezlenir. Örneğin, polistirenin fenil grubu, elektrofilik aromatik katılma reaksiyonları ve buna göre çok sayıda fonksiyon üreten halojenleme reaksiyonları verir. Polivinil benzil klorür ise hidroksil, karbonil, karboksilik asit, sülfonik asit, tiyol ve amin gibi birçok fonksiyonel grupla reaksiyon verebilen benzil klorür grubu sayesinde nükleofilik yer değiştirme ve eliminasyon reaksiyonları verir. Literatürde“polyhipe”üzerine bugüne kadar yayınlanan 600'ün üzerinde patent ve 3000 üzeri araştırma makalesi bulunması bu malzemelere olan büyük ticari ve akademik ilgiyi göstermektedir. Bu ilginin temel nedeni, malzemenin kendisinin ayırt edici mekanik, morfolojik ve işlevsel özellikler sunarken aynı zamanda sentezlenmesi çok kolay ve uygun maliyetli olmasıdır. Birçok uygulama alanı dahil olmak üzere, özellikle ayırma işlemlerinde, PH'ların sahip olduğu yüksek derecede geçirgenlik özelliği kullanılacak malzeme seçiminde olması gereken bir özelliktir. Öte yandan, gözenek boyutu ve hiyerarşisi, hedef molekül boyutuna bağlı olarak yapılan ayırma uygulamalarında anahtar bir role sahiptir. Bununla birlikte, yapısındaki mezo ve makro boyutlu gözeneklerin eksikliğinden dolayı sonuçlanan düşük yüzey alanı gibi sınırlamaları nedeniyle PH'lerin bir noktada yüksek performanslı malzeme olarak ayırma uygulamalarında kullanımı verimsizdir. Bu nedenle, PH malzemesinin ideal bir adsorbant olarak ayırma ve saflaştırma uygulamalarında kullanılabilmesi için yapısında mikro ve mezo gözeneklerin oluşturulmasıg gereklidir. Bu soruna çözüm hiper çapraz bağlama (hypercrosslinking) adı verilen,“polimer çözeltilerinin veya düşük çarpraz bağlı kopolimerlerin yoğun çapraz bağlanması”olarak tanımlanan yeni bir metodoloji ile aşılabilir. Belirtildiği gibi, hiper çapraz bağlı polimerleri (HCP'ler) sentezlemek için prekürsör, doğrusal polimer çözeltisi veya PH, polimerik kürecik gibi önceden hafif çapraz bağlanmış kopolimerler olabilir. Bu uygulaması basit ve verimi yüksek olan method, Friedel-Crafts alkilasyon reaksiyonu yoluyla aromatik bileşiklerin fenil halkaları arasında yüksek miktarda metilen köprüleri kurulması fikrine dayanır. Polimerik prekürsör, çapraz bağların polimer ağ yapısı boyunca homojen dağılımını sağlamak için reaksiyon öncesi termodinamik olarak iyi bir çözücü içinde şişirilmeye bırakılmalıdır. Hiper çarpraz bağlanma reaksiyonunun ilk 10-15 dakikasında zincir-içi çarpraz bağlanmalar çok hızlı gerçekleşir ve sonraki 1-2 saat içerisinde polimer zincirleri arasındaki çarpraz bağlanmalar tamamlanır. Polimerik prekürsorun tüm hacmi, her bir aromatik benzen halkasını tüm olası konfigürasyonlarda birbirine bağlayarak entegre edilebilir. Bu nedenle, ortaya çıkan yüksek oranda birbirine bağlı polimerik ağ yapısı 0.5 ila 20 nm arasında mikro gözenek ve mezo gözeneklerden oluşan homojen gözenek dağılımına sahip olur. Yüksek çapraz bağlı olmalarına rağmen, HCP'ler hem polar hem de polar olmayan sıvılarda şişebilir ve ayrıca hacimlerini termodinamik olarak iyi çözücüler içinde 3 ila 5 kat genişletebilirler. HCP'ın bu benzersiz şişme davranışı, hacmini geniştirken iç gerilimi serbest bırakmak için ağ yapısındaki hem zincir içi hemde zincirler arası moleküller arası etkileşimlerin -çapraz bağların- rahat hareketliliği ile açıklanabilir. Ayrıca azalan polimer-polimer arası etkileşimler sonucu gelişen zincir esnekliği nedeniyle HCP'ler mekanik esnekliğini ve yüzel alanı yüksek olan malzemelerdir. Proteinler, tüm biyolojik varlıklar onlardan oluştuğu için yaşamdaki en hayati makromoleküler yapı taşlarıdır, yani biyopolimerlerdir. Polinükleotid, lipidler ve polisakkaridler gibi diğer yapısal biyopolimerlerle karşılaştırıldığında tek bir kuru xxv hücrede ağırlıkça yüzde ellinin üzerinde bulunmalarının yanı sıra hücre içi ve hücreler arası gerçekleştirdikleri tüm biyolojik mekanizmalardaki varlıkları nedeniyle (kimyasal reaksiyon, kataliz, nakliyeden, depolama, bağışıklık, iletişim, genetik bilginin transkripsiyonu ve aktarımı vs.) proteinler üzerinde en çok çalışılan bilimsel konu öznesidir. Ayrıca protein ekstraksiyonları büyük ölçekli olarak endüstride -özellikle ilaç ve gıda-hammadde olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle, protein ayırma ve saflaştırma uygulamaları, hedef proteinin kimyasal bileşiminin ve biyolojik işlevlerinin doğru karakterizasyonu için hayati bir adımdır. Genel olarak proteinler değişik çözünürlük, yük, boyut ve adsorpsiyon ortamlarında gösterdikleri fiziksel ve kimyasal farklılıklarından yararlanılarak karışımlardan ayrılabilir veya saflaştırılabilir. Sıvı-katı adsorpsiyon kromatografisi, adsorban (yani katı polimerik matris) ve adsorbat (adsorplanan molekül) arasındaki kovalent olmayan etkileşimlere dayalı olarak proteinlerin ayrılması ve saflaştırılması için tanınmış bir analitik araçtır. Bu bağlamda, proteinlerin adsorpsiyon esaslı ayrılması için iyon değişim kromatografisi, hidrofobik etkileşim kromatografisi ve afinite kromatografisi teknikleri kullanılabilir. Sıvı-katı adsorpsiyon mekanizması, gözenekli polimerik malzeme olan sabit fazı ve hem çözücü hem de çözünen maddeden oluşan mobil fazı içerir. Adsorpsiyon işlemi, mevcut tüm aktif bağlanma bölgeleri hedef molekül tarafından işgal edilene kadar gerçekleşir; bu nedenle, mobil faz içinde çözünen adsorbat konsantrasyonunun arttırılması, adsorpsiyon sürecini etkilemez. Adsorpsiyon işleminin tersi olan desorpsiyon ise, mobil fazın iyonik kuvvetini, polaritesini ve pH'ını değiştirerek sağlanabilir. Afinite kromatografisi, hedef proteine karşı yüksek hassasiyetli seçicilik sunduğu için adsorpsiyon bazlı ayırma ve saflaştırma teknikleri içinde en seçkin yöntemdir. Tasarlanan adsorban ve adsorbat arasında herhangi bir kovalent-olmayan spesifik zayıf etkileşim (örn. Hidrojen bağı, Van der Waals, hidrofobik veya elektrostatik etkileşim) kullanılabileceği için en kapsamlı yöntemdir. Hedef proteinin en ayırt edici fonksiyonu dikkate alınarak, o proteine yüksek seçici olan spesifik bir ligand sentezlenebilir. Benzer şekilde, desorpsiyon işlemi de spesifik olarak protein ve ligandın doğasına bağlıdır; bu nedenle, tampon çözeltisinin pH veya tuz konsantrasyonunda uygulanan değişiklikler elüsyon için yeterli olmayabilir ve su muamelesi, tampona serbest ligand ilavesi veya sıcaklığı düşürme gibi spesifik yöntemler geliştirilebilir. İnsan serum albümini (HSA), bir ozmotik basınç düzenleyici ve bir taşıyıcı olarak işlev görerek dolaşım sisteminde endojen ve eksojen kimyasalları geri dönüşümlü olarak taşıyabilen insan kan plazmasında bulunan en bol proteindir. Albumin, üç ana grup [I (aa 1-195), II (aa 196-383), III (aa 384-585)] ve altı alt grupta [IA (aa 1-105), IB (aa 106-195), IIA (aa 196-297), IIB (aa 297-383), IIIA (aa 384-497), IIIB (aa 498-585)] dizilen 585 amino asitten oluşan küresel, kalp şeklinde bir proteindir. Bu ana ve alt grupların her biri çeşitli molekül gruplarına özel etkileşim bölgesi (yani boşluklar, cepler) oluştuğu için HSA protein olarak olağanüstü bağlanma özellikleri sergiler. HSA ve sülfonamit (SAM) molekülleri arasında seçici bir etkileşim olduğu bilinen bir gerçektir. Ligand olarak SAM türevleri ile HSA proteini arasındaki etkileşimlerin deneysel spektroskopik yöntemlerle ve teorik moleküler modelleme ve simülasyonlar kullanılarak yapılan birçok çalışma literatürde bulunabilir. Bu çalışmaların sonuçları, SAM türevli ligandlar ile HSA arasındaki kovalent-olmayan zayıf etkileşimlerin genel olarak hidrofobik kuvvetler ve hidrojen bağları olduğunu göstermektedir. xxvi Bu çalışmada, birbirine bağlı ve hiyerarşik makro gözenekli polimerler, % 90 iç faz oranı (w/o) ile yüksek iç fazlı emülsiyon (HIPE) yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. PoliHIPE (PH) olarak adlandırılan bu polimer düşük yüzey alanı (SBET ~ 10 m2g-1) dezavantajına sahiptir. Bu dezavantaj, hiyerarşik makro gözenekli PH malzemesinin yapısına hiper çapraz bağlama reaksiyonu ile mezo- ve mikro gözeneklilik katılarak aşılmıştır. Ortaya çıkan hiper çapraz bağlı poliHIPE (HCLPH; SBET ~ 465 m2g-1), sülfonamit ile fonksiyonlanmış (SAM-f) HSA proteinine seçici olan polimer yüzeyi elde etmek için biirbirini izleyen iki aşamada klorosülfonik asit ve tris (hidroksimetil) aminometan (tris) kullanılarak başarıyla modifiye edildi. Bu çalışmada ilk olarak birbirinden farklı bir dizi SAM-f-polimeri için kullanılan şablon çeşidi (emülsiyon veya süspansiyon; PH veya polimer kürecikleri) ve hiper çapraz bağlanma derecesinin (reaksiyon süresine göre; 0-5-15-60 dakika), HSA adsorpsiyonu üzerine etkisini araştırdık. Sonuçlar, en hızlı ve en yüksek kapasite ile HSA adsorpsiyon performası en iyi olan SAM-f-polimerinin 15 dakikalık hiper çapraz bağlanmasıyla elde edildiğini ortaya koydu. Nitekim SAM-f-15minHCLPH malzemesi 103 mg/g'lık maksimum adsorpsiyon kapasitesinin % 80'ine ilk 2 dakika içinde ulaşmıştır. SAM-f-15minHCLPH adsorbanının yüksek performansının yanısıra lizozim ve α-amilaz gibi diğer proteinlerden ziyade HSA'ya karşı yüksek afinite gösterdiği de gözlenmiştir. HSA ile yüklü SAM-f polimerik adsorbanın, yalnızca tris tamponu (pH 7) ile işleme tabi tutularak kolayca desorbe edilebilir ve önemli bir adsorpsiyon kapasitesi kaybetmeden 8 kez yeniden kullanılabilir olduğu kanıtlanmıştır. Bu çalışmada ayrıca SAM-f-15minHCLPH ile hiper çarpraz bağlı olmayan SAM-f-PH için kesikli sistem adsorpsiyon sonuçları denge izotermleri (Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich) ve kinetik medelleri (sözde birinci derece, sözde ikinci derece, parçacık içi difüzyon) ile test edildi. Langmuir izotermi ve yalancı-ikinci derece kinetik modeli, tasarlanmış adsorpsiyon sistemimize uygun olduğu bulundu. Bunun yanı sıra değişik sıcaklıklarda yürütülen kesikli sistem adsorpsion kinetiği sınuçlarına göre yapılan termodinamik analiz çalışmasının sonuçları da sunulmuştur. Bu analizden adsorpsiyon sistemimizin aktivasyon enerjisi, entalpi ve entropi değişimleri ile farklı sıcaklıklar için Gibbs serbest bağlanma enerjileri bulunmuştur. Deneysel verilerden elde edilen sonuçlara ek olarak HSA proteini-SAM ligandı kompleksinin bağlanma mekanizması, teorik moleküler modelleme (docking) yöntemi kullanılarak da incelenmiştir. Deneysel termodinamik ve teorik modelleme analiz sonuçları birbiri ile uyumlu bulunmuş ve tasarlamış olduğumuz adsorbent ile HSA proteini arasındaki bağlanma mekanizmasının kovalent-olmayan zayıf hidrofobik etkileşimler ve hidrojen bağıları ile gerçekleştiği gösterilmiştir. Sonuç olarak, yüksek kapasite ve performans, kolay yeniden kullanım protokolü ve HSA'ya yüksek afinite özellikleri tasarlamış olduğumuz SAM-f-HCLPH'leri albümin ayırma ve saflaştırma uygulamaları için mükemmel bir adsorban yapmaktadır.

Özet (Çeviri)

Hierarchically macro porous polymers with interconnected pores were prepared by high internal phase emulsion (HIPE) method. Resulting polymers named polyHIPE (PH) has a disadvantage of low surface area (SBET ~10 m2 g-1) due to lack of structured meso- and macropores. This disadvantage has been overcome through hypercrosslinking reaction by introducing meso- and microporosity to the interconnected framework of hierarchically macroporous PH. Resulting hypercrosslinked polyHIPE (HCLPH; SBET ~ 465 m2 g-1 ) was successfully functionalized with chlorosulfonic acid and tris(hydroxymethyl)aminomethane (tris) in two consecutive steps to obtain sulfonamide functionalized (SAM-f) polymer surface. It has been very well known that there is a selective interaction between the SAMs and human serum albumin (HSA). Here we first demonstrated an adsorption performance comparison study for a number of SAM-f-polymers which are differ from each other by the applied template strategy such as emulsion and suspension (PHs or Beads), and/or the degree of hypercrosslinking based on reaction time (0-5-15-60 minutes). Results revealed that the highest HSA uptake capacity as well as the highest adsorption rate (80 % of its 103 mg/g batch uptake capacity can be reached in 2 minutes) was achieved with 15 minute hypercrosslinking of PH precursor. SAM-f-15minHCLPH with its unusual performance was found showing high affinity towards HSA rather than other proteins such as lysozyme and α-amylase. The polymer loaded with HSA can easily be regenerated by treating only with tris buffer (pH 7) and may be reused 8 times without losing a significant adsorption capacity. The results of a comprehensive study of isotherm (Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich) and kinetic (pseudo-first order, pseudo-second order, intra-particle diffusion) models fitting as well as the thermodynamic analysis were presented for SAM-f-15minHCLPH and non-hypercorsslinked SAM-f-PH. The binding mechanism of HSA/SAM ligand complex was investigated by performing simplified molecular modeling via docking. Hydrophobic interactions and hydrogen bonding were found from molecular docking as the major forces dominating the adsorption process which is the fact was also agreed with the interpreted results obtained from the thermodynamic analysis. The fast uptake, easy reuse protocol, and high affinity towards HSA make SAM-f-HCLPHs excellent adsorbents for albumin separation applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    802703

    Süper kapasitörler için bağlayıcısız nikel içeren grafen köpük elektrotunun tek adımda hazırlanması

    One-step preparation of binder-free nickel containinggraphene foam electrode for supercapacitors

    AZIZ AHMAD KARIMI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimyaİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERAFETTİN DEMİÇ

    DOÇ. DR. BURAK GÜLTEKİN

  2. Tez No

    761105

    Development of electrospun multifunctional fibrous structures for icephobic and superhydrophobic applications

    Buzfobik ve süperhidrofobik uygulamalar için elektroeğrilmiş çokişlevli lifli yapıların geliştirilmesi

    MAHMUT TAS

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Metalurji MühendisliğiThe University of Nottingham

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. XİANGHUİ HOU

  3. Tez No

    534359

    Metal-organic framework/graphene oxide derived porous carbons for platinum based electrocatalysts for oxygen reduction reaction

    Metal-organik kafes/grafen oksit türevli gözenekli karbonların platin bazlı oksijen indirgenme reaksiyonu elektrokatalizörlerinde kullanımı

    EMRE BURAK BOZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Bilim ve TeknolojiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL

  4. Tez No

    436600

    Pickering emülsiyonlar ile hiyerarşik makrogözenekli polimer kompozitlerinin hazırlanması ve fotokatalitik uygulamaları

    Preparation of hierarchical macroporous polymer composites with pickering emulsions and their photocatalytic applications

    ELİF YÜCE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Mühendislik BilimleriYalova Üniversitesi

    Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMİNE HİLAL MERT

  5. Tez No

    675911

    Isıl enerji depolama uygulamaları için modifiye edilmiş alüminyum-silikat nanopartiküller içeren emülsiyon şablonlu gözenekli polimerlerin hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation and characterization of emulsion-templated porous polymers containing modified aluminum-silicate nanoparticles for thermal energy storage applications

    SENA BAYRAM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Kimya MühendisliğiYalova Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HATİCE HANDE MERT

Geri Dön