Effect of molecular weight and D-lactic acid content of polylactide on its electrospinning behaviour
Polilaktik asidin moleküler ağırlığının ve D-laktik asit oranının elektroüretim davranışı üzerine etkisi
- Tez No: 664871
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Son yıllarda nanoteknoloji büyük bir önem kazandı. Nanoteknoloji malzeme bilimine yeni bir bakış sunmakta. Malzemeler nano boyutlara inildiğinde, normal boyutlarda sahip olduklarından daha farklı özellikler gösterirler. Nanomalzemelerden yapılmış ürünler daha hafif bir yapıya sahiptirler ve daha iyi mekanik özellikler gösterirler. Nanomalzemeler modifiye edilerek arzu edilen özellikleri de kazanabilir. Bu malzemeler pek çok farklı şekillerde de üretime olanak sağlamaktalar. Nanomalzemeler; nanoküreler, nanotüpler, nanokristaller ve nanofiberler gibi pek çok farklı yapıda üretilebilirler. Çapı 1 mikrondan küçük olan fiberler nanofiber olarak sınıflandırılmaktadır. Nanofiberlerin yüzey alanının hacmine oranı oldukça yüksektir, bu sayede pek çok farklı alanda pek çok farklı uygulamada kullanılabilirler. Kompozit uygulamalarında güçlendirici faz olarak genelde nanopartiküller kullanılır. Bu sayede daha hafif ve mekanik olarak daha güçlü bir yapı elde edilebilir. Fakat nanopartiküller yerine nanofiberler kullanıldığında, nanofiberlerin yüksek yüzey alanı sayesinde matriks ve güçlendirici faz arasındaki bağ daha güçlü olur. Fiberler matriks içine bir eksende hizalanarak yerleştirildiğinde bu spesifik yöndeki mekanik özellikler güçlendirilmiş olur. Bu özellik bazı spesifik uygulamalarda büyük önem kazanmaktadır. Nanofiberler ayrıca yüksek porlu yapıları sayesinde filtreleme uygulamalarında da yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bu malzemelerdeki por yapısı ve büyüklüğü kontrol edilerek farklı uygulamalar için özelleştirilebilir. Bu sayede belirli boyutlardaki moleküller filtrelenebilir. Nanofiberler farklı malzemeler kullanılarak üretilebileceği için belirli bir uygulama için gerek duyulan mekanik, termal ve kimyasal özelliklere uygun filtre üretimi gerçekleştirilebilir. Nanofiber filtreler belirli moleküllerin yüzeye yapışıp kalmasını sağlayacak şekilde kimyasal olarak modifiye edilmeye de imkan tanımaktadırlar. Nanofiberler biyomedikal alanda da yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Biyomedikal uygulamalarda malzemelerin biyo-uyumluluğu ve biyo-bozunurluğu çok önemli bir kriterdir. Eğer malzemeler bu özellikleri sağlamıyorlarsa etraflarındaki dokuyu enfekte edebilirler. Geniş malzeme yelpazesi sayesinde biyo-uyumlu ve biyo-bozunur nanofiberler üretilebilir. Hücrelerarası madde, hücrelerin dışında bulunan ve hücreleri birbirine bağlayıp destekleyen dokuya verilen isimdir. Nanofiberlerin boyutları hücrelerarası maddeyi (extracellular matrix) oluşturan yapıların boyutlarına çok yakındır. Bu nedenle nanofiberlerden biyomedikal kalıplar (scaffold) üretilebilmektedir. Nanofiberlerin biyomedikal kalıp yapımında kullanılmasının bir diğer avantajı iste porlu yapıları sayesinde hücrelerin ihtiyaç duyduğu moleküllerin geçişine izin vermeleridir. Geniş yüzey alanları sayesinde nanofiberler ilaç salınımı uygulamalarında da kullanılmaktadırlar. Doku içerisine salınımı yapılacak olan ilaç nanofiberlerin yüzeyine kaplanır ve bu sayede önceden belirlenmiş bir zaman dilimi içerisinde, nanofiberler çözünürken ilacın dokuya kontrollü ve eşit salınımı sağlanmış olur. Nanofiberlerin kullanıldığı bir diğer biyomedikal uygulama ise yara örtüleridir. Porlu yapı gaz geçirgenliğine izin verip yaranın hava almasını sağlarken aynı zamanda yarayı nemli tutmaya da yardımcı olur. Por büyüklüğü kontrol edilerek mikroorganizmaların yaraya girişi engellenebilir. Yarayı enfeksiyon riskinden korumak için nanofiberlerin yüzeyi antimikrobiyel ajanlarla kaplanabilir. Nanofiberler enerji alanındaki uygulamalarda da kullanılmaktadırlar. Lityum iyon piller sahip oldukları yüksek enerji kapasitesi, uzun çevrim ömrü ve düşük boşalma hızı nedeniyle günümüzde yaygın olarak kullanılmaktalar. Bu pillerde yer alan seperatörler pil güvenliği için büyük önem arz etmekte. Seperatör anot ve katodun birbirine değmesini engeller. İyi bir seperatör anot ve katot arasında serbest iyon dolaşımına izin verecek porlu bir yapıda olmalıdır. Seperatörün elektrolit tarafından ıslatılabilir olması da önemli bir etmendir. Nanofiberler pek çok farklı malzemeden üretilebilmeleri ve porlu yapıları sayesinde seperatör yapımında kullanılmaktadırlar. Sensörler de nanofiberlerin kullanıldığı bir diğer uygulama alanıdır. Yüksek yüzey alanı oranı ve kimyasal olarak modifiye edilebiliyor olmaları sayesinde nanofiber malzemeler sensör yapımına uygun yapıdadırlar. Aktif ajanlar kimyasal olarak nanofiber yüzeyine tutturulurlar. Teksil alanında da nanofiberler kendilerine yer edinmişlerdir. Porlu yapıları sayesinde gaz geçirgenliğini sağlayarak hava alan kumaşların üretimine olanak veririler. Ayrıca, yüzey kimyasal olarak modifiye ederek belirli moleküllerin filtrasyonu veya nötralizasyonu da sağlanabilir. Nanofiberler; yaş çevirme (wet spinning), kuru çevirme (dry spinning), eriyik çevirme (melt spinning) ve elektroüretim (electrospinning) gibi pek çok farklı yöntem ile üretilebilir. Bu yöntemler arasında en düşük üretim maliyeti ve en yüksek üretim oranı elektroüretime aittir. Elektorüretim basit bir üretim yöntemidir. Bu üretim yönteminde, diğer üretim metotlarında kullanılan mekanik kuvvetler yerine elektrostatik kuvvetler kullanılır. Bir polimer solüsyonu şırınga pompasına iletilir. Uygulanan potansiyel fark belirli bir değere ulaştığında şırınganın ucundan bir jet çıkarak toplayıcıya doğru ilerler. Yol boyunca jetteki çözücü buharlaşır ve toplayıcı üzerinde nanofiberler birikir. Elektoüretimin pek çok avantajı vardır. Diğer yöntemlerle kıyaslandığında üretim oldukça kolaydır. Proses parametreleri ayarlanarak nanofiber morfolojisi kontrol edilebilir. Bu yöntemin bir diğer avantajı da kullanılabilecek malzeme çeşidinin çokluğudur. Bir çözücüde çözünebilen her polimerden elektroüretim yöntemi ile nanofiber üretmek mümkündür. Petrol bazlı plastikler ucuz olmaları ve kolay işlenebilirlikleri sayesinde pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Fakat bu malzemelerin çevreye olan etkileri büyük bir endişe kaynağıdır çünkü doğada çözünmemektedirler. Biyopolimerler bu soruna bir çözüm sunmaktadırlar. Biyopolimerler biyo-bazlı maddelerden üretilir ve doğada çözünebilirler. Poli (laktik asit) (PLA) biyo-bozunur, biyo-uyumlu, alifatik bir polyesterdir. Şeker kamışı, mısır nişastası gibi doğal maddelerden üretilir. Ticari olarak üretimi çember açılımı polimerizasyonu (ring-opening polymerization) ile sağlanmaktadır. PLA, biyo-bozunur olması sayesinde pek çok uygulamada kullanılmaktadır. Bu uygulama alanlarından biri yiyecek ambalajlamadır. Biyo-uyumlu bir malzeme olduğundan vücut içinde kullanıma uygundur. PLA pek çok biyomedikal uygulama için de kullanılmaktadır. Bu çalışmada PLA'in farklı özelliklerinin ve çözücü seçiminin elektroüretim yöntemi ile imal edilmiş nanofiberler üzerine ektileri incelenmiştir. PLA'in farklı özelliklerini incelemek adına üç farklı çeşit PLA kullanılmıştır. PLA 2500HP yarı kristalin yapıda bir malzemedir ve kristalin yapının fiberler üzerine etkisini araştırmak için bu çalışmada kullanılmıştır. PLA 4060D ve PLA 8302D amorf yapıdadır. Bu iki malzemenin moleküler ağırlıkları birbirinden farklı olup bu çalışmada malzemenin moleküler ağırlığının nanofiberler üzerine olan etkilerini araştırmak için kullanılmışlardır. Her bir PLA ağırlıkça % 5, 7.5 ve 10 olmak üzere, 100/0, 75/25, 50/50, 25/75 oranlaında kloroform (CHL) / dimetilformamid (DMF) çözüldü. Bu solüsyonlardan elektroüretim yöntemi ile üretilen nanofiberlerin morfolojisi incelendi. Saf CHL solüsyonları en kalın fiberleri üretti. Bunun nedeni CHL'nin sahip olduğu düşük iletkenlik ve düşük kaynama sıcaklığı olarak tespit edildi. CHL'a, DMF eklenmesi ile üretilen nanofiberlerin çapı büyük oranda azaldı. Bunun nedeni DMF'in elektroüretim yöntemi için CHL'den daha iyi özelliklere sahip olması olarak belirlendi. En ince fiberler hacimce % 25/75 (CHL/DMF) çözücü oranına sahip karışımdan elde edildi. PLA 2500HP'in yüksek kristalin yapısı nedeniyle sadece yüksek oranda CHL içeren solüsyonlardan fiber üretimi gerçekleşti, bu fiberlerin çapları diğer numunelerinkinden daha kalındı. PLA 4060D her zaman PLA 8302D'den daha kalın çapta fiberler üretti. Bunun nedeni PLA 4060D'nin yüksek moleküler ağırlığının solüsyonun viskozitesini arttırması olarak saptandı. Tüm PLA çeşitleri artan konsantrasyon ile birlikte solüsyon viskozitesinin de artması nedeni ile daha kalın fiberler üretti.
Özet (Çeviri)
Nanotechnology has gained significant importance in recent years. It provides a new approach to material science. At nanoscale, materials show different properties than they have in bulk form. Products that are produced from nanomaterials are lighter in weight, have better mechanical properties, and also they allow for modification to have the desired properties. Nanomaterials also provide flexibility in production. It is possible to produce nanomaterials in many forms such as nanospheres, nanotubes, nanocrystals, nanofibers, etc. Nanofibers are classified as fibers that have a diameter of less than 1 micrometer. They have a very high surface area to volume ratio which allows the fabrication of numerous different materials in many different areas. In composite application, nanoparticles are used to reinforce the matrix; thus, a material with superior mechanical strength and lighter weight can be produced. However, when nanofibers instead of nanoparticles are used, better bonding between the reinforced phase and the matrix can be achieved, when fibers aligned, directional mechanical properties are obtained which are important for some specific applications. Nanofibers are also used in filtration applications thanks to their highly porous structure. It is possible to control and adjust the size of the pores for different applications. This allows the filter the molecules of specific sizes. Furthermore, it is also possible to have the desired mechanical, thermal, and chemical properties thanks to the wide selection of materials. Nanofiber filters can also be modified chemically, which allows the adsorption of the specific molecules. Biomedical field is also an application area for nanofibers. In biomedical applications, biocompatibility and biodegradability of the material is an important factor. If the materials do not possess these qualities, they may infect the tissue around them. Thanks to wide material selection, it is easier to produce nanofibers made of biocompatible and biodegradable materials. Biomedical scaffolds are produced from nanofibers because the dimensions of nanofibers are similar to the components of the extracellular matrix which is the connective and supportive tissue outside the cells. Using nanofiber scaffolds is advantageous because the porous structure enables the movement of the necessary molecules for the cells. Nanofibers are also used in drug delivery due to their high surface area to volume ratio. Nanofibers are coated with drugs and a calculated amount of drug is unloaded as the nanofiber degrades over a specific time. This ensures a uniform effect on the tissue. Another important biomedical application of nanofibers is wound dressings. The porous structure allows gas permeability and keeps the wound moist. By controlling the pore size, the entrance of microorganisms can be limited. Also, it is possible to treat antimicrobial agents on the fiber web to protect the wound from infections. Another important area where nanofibers are employed is energy applications. Lithium-ion batteries are in demand due to their high energy density, long cycle life, and low self-discharge rate. The separator in these batteries plays a crucial role in terms of battery safety. It prevents anode and cathode to touch each other. A good separator should have a porous structure to allow the ion exchange between anode and cathode. It is also important that the separator has good electrolyte wettability. Nanofibers are used in separator production due to their highly porous structure and flexibility in material selection. Nanofibers are also used in sensors. Thanks to having high surface area and being chemically modifiable, active agents can be treated onto the surface which makes nanofibers a very good candidate for sensor applications. Nanofibers have also important applications in textile industry. Owing to the highly porous structure it is possible to produce fabrics allowing gas permeation. Also, by chemically modifying the surface, it is possible to filtrate and neutralize specific chemical agents. It is possible to produce nanofibers using different methods such as wet spinning, dry spinning, melt spinning, or electrospinning. Among these methods, electrospinning stands out because of its low production cost and high production rate. Electrospinning is a simple production method. Unlike other methods, it uses electrostatic forces to produce fibers instead of mechanical forces. A polymer solution is fed to the syringe pump. When the applied electrical potential reaches a specific value, a jet ejects from the tip of the syringe and travels to the collector. During the travel of the jet, the solvent evaporates and nanofibers are collected on the collector. Electrospinning has many advantages. Production is rather easy compared to other methods and it is possible to control the morphology of the nanofibers by adjusting the process parameters. Another advantage of electrospinning is the flexibility in material selection. It is possible to produce nanofibers from any polymer solution. Petroleum-based plastics are commonly used for many applications due to the low cost and ease of production. However, the impact they have on the environment is a big concern today. They do not degrade in nature. Biopolymers offer a solution to this problem. Biopolymers are derived from natural resources and easily degrade in nature. Poly (lactic acid) (PLA) is a biodegradable, biocompatible, aliphatic polyester. It is derived from natural resources such as sugar cane or corn starch. It is commercially produced with ring-opening polymerization. Thanks to its biodegradability, it has many application areas. One of the main applications of PLA is food packaging applications. Since it is a biocompatible material, it is safe to use in vivo. Many different biomedical applications are produced using PLA. In this study, the effects of different properties of PLA and solvent selection on electrospun nanofibers were studied. Three different PLA grades were used in order to study how the different properties of PLA impact the fiber quality. PLA 4060D and PLA 8302D are, respectively, high and low molecular weight amorphous PLA grades. They were used to investigate the effect of PLA molecular weight on fiber properties while no crystallinity is involved. PLA 2500HP is also a high molecular weight semi-crystalline PLA and was used to investigate the effect of PLA crystallization on electrospinning behavior. Each PLA was dissolved with varying concentration ratios of 5, 7.5 and 10 wt.% in Chloroform (CHL) / Dimethylformamide (DMF) solvents at the volume ratios of 100/0, 75/25, 50/50, 25/75 and 0/100. The solutions were electrospun and the morphology of the fibers was investigated. Pure CHL solutions electrospun the most coarse fibers due to the low conductivity and low boiling point of CHL. With the addition of DMF to CHL, the mean fiber diameter decreased drastically because DMF has more suitable boiling point and dielectric constant for electrospinning than CHL. The finest fibers were produced from 25/75 v.% (CHL/DMF) solution. It was seen that due to the high crystallinity of PLA 2500HP, only the solutions with a high CHL ratio could electrospun and obtained fibers were coarser than the other samples. PLA 4060D always produced coarser fibers than PLA 8302D due to higher molecular weight. Higher molecular weight made the solution more viscous, therefore; the bending of the jet was limited resulting in coarser fibers. Also with increasing polymer concentration, the mean fiber diameter increased for each PLA because of the increased viscosity of the solution.
Benzer Tezler
- Seryum (IV)-poliaminokarboksilli asit redoks başlatıcılı akrilamid polimerizasyonu
Polymerization of acrylamide by cerium (IV) polyaminocarboxylic acid redox initiation
CANAN CİN
- Seryum (IV) ve permanganat başlatıcısı ile bazı hidroksi asitler ve difenileterin akrilamid polimerizasyonu
Polymerization of acrylamide by cerium (IV) and permanganate - hydroxy acid and diphenyl ether redox initiation
A.VERDA COKA
- Gökkuşağı alabalığı (onchorynchus mykiss richardson, 1846) ve aynalı sazandan (cyprinus carpio linnaeus, 1758) izole edilen laktik asit bakterilerinin metabolik ve antimikrobiyal aktivitelerinin incelenmesi
Studies in metabolic and antimicrobial activity of lactic acid bacteria isolated from rainbow trout (o. mykiss richardson, 1846) and mirror carp (c. linnaeus, 1758)
HİKMET KATIRCIOĞLU (TÜRK)
- Bakteriyel aşı üretiminde poli (D, l-laktik-ko-glikolik asit) (PLGA) biyopolimerinin adjuvant etkisinin araştırılması
Investigation of adjuvant effect of poly(D, l-lactic-co-glycolic acid) (PLGA) biopolymer in the production of bacterial vaccine
ZEHRA AKINCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
BiyomühendislikFırat ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN KALENDER
- Poli̇eti̇leni̇n bi̇yopoli̇merlerle blendleri̇ni̇n hazırlanması ve bi̇yobozunur özelli̇kleri̇ni̇n i̇ncelenmesi̇
Preparation of polyethylene blends with various biopolymers and investigation of biodegradability of these blends
BURCU KEKEVİ