Light induced synthesis and characterization of clickable polyacrylamide hydrogels
Çıt çıtlanabilir poliakrilamid hidrojellerin ışık ile uyarılmış sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 714474
- Danışmanlar: PROF. DR. YUSUF YAĞCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 86
Özet
Hermann Staudinger'in makromoleküller üzerine çığır açan çalışması 10 Aralık 1953'te Nobel Kimya Ödülü ile tanındı.“Yüksek Polimerler Yüksek Onur Getiriyor”dünya çapında bir manşet oldu. Staudinger, yüksek moleküler ağırlıklı doğal ve sentetik“polimerik malzemelerin”moleküler planlarını tanımlamıştı. Makromoleküller oluşturmak için çok sayıda küçük monomer molekülünün kovalent olarak bağlanmasını içeren çığır açan konsepti, yüksek moleküler ağırlıklı yapısal ve fonksiyonel polimerik malzemelerin moleküler tasarımında yeni bir çağı başlattı. Polimerik malzemeler, cazip bir fiyat/performans oranı, hazırlama ve işleme sırasında düşük enerji gereksinimi, esnek hammadde tedariki, modern endüstriyel seri üretimin tipik özelliği olan kısa çevrim süreleriyle basit işleme ve özellik profilleri açısından olağanüstü çok yönlülüğü bir araya getirme yeteneklerinde benzersizdir. Adımlı büyüme (kondenzasyon) polimerizasyonu ve katılma (zincir büyümesi) polimerizasyonu, kinetik olarak sınıflandırılabilen iki tip polimerizasyon işlemidir. Bu prosedürleri sınıflandırmak için polimer zincirlerinin yayılma yöntemleri de kullanılabilir. Katılma polimerizasyona ek olarak zincirlerin yayılması radikal, katyonik ve anyonik reaksiyonlarla oluşturulurken, adımlı büyüme polimerizasyonunda zincirlerin yayılması poliadisyon ve polikondenzasyon işlemleri ile oluşturulur. Polimerler birçok farklı teknikle hazırlanabilir. Bu teknikler arasında fotopolimerizasyon, termal polimerizasyona göre çeşitli avantajlar sunduğu için hızla büyüyen bir teknolojidir. Daha yüksek polimerizasyon oranları, geçici ve uzaysal kontrol, uçucu organik bileşiklerin ortadan kaldırılmasından elde edilen çevresel faydalar, termal polimerizasyona göre fotopolimerizasyonun avantajlarından bazılarıdır. Ayrıca zincir transferi gibi yan reaksiyonların oluşma olasılığı azalır ve daha düzenli makromoleküllerin sentezi sağlanır. Bir fotopolimerin formülasyonunda minimum bir miktar oluşturmasına rağmen, fotobaşlatıcılar, tipik olarak 250 ile 450 nm arasındaki ultraviyole-görünür spektral aralıktaki ışığı soğurarak ve bu ışık enerjisini fotopolimerizasyonu başlatan serbest radikaller, katyonlar ve anyonlar. dahil olmak üzere reaktif ara ürünler biçiminde kimyasal enerjiye dönüştürerek hayati bir rol oynarlar. İki tip serbest radikal başlatıcı, Tip I (α-yarılması) ve Tip II (H koparılması)'dir. Benzoin ve türevleri, benzil ketaller ve asetofenonlar gibi ikame edilmiş karbonil ve aromatik bileşikler, en yaygın Tip I (unimoleküler) başlatıcılardır. Öte yandan, bimoleküler fotobaşlatıcılar olarak da bilinen Tip II fotobaşlatıcılar, benzofenon, tiyoksanton veya kinon içeren bir fotobaşlatıcıyı ve ayrıca bir alkol veya amin gibi bir yardımcı başlatıcıyı içeren fotobaşlatıcı sistemlerdir. Staudinger'in 1920'lerde yaptığı ilk tanımlamadan bu yana, 100 yıl içinde polimer bilimi dikkate değer bir ilerleme kaydetti.“Akıllı polimerik malzemeler”, son teknoloji polimerlerin bir örneğidir. Hidrojeller, akıllı polimerik malzemeler alt sınıfına aittir ve hidrofilik yapıları nedeniyle büyük miktarlarda suyu emebilen ve çapraz bağlı yapılarının bir sonucu olarak çözünmeyen çapraz bağlı polimerler olarak tanımlanır. Bugün, çığır açan akıllı araçlar, sensörler ve aktüatörler üretmek için yaygın olarak kullanılmaktadırlar; yetenekleri, gözlemlenebilir bir tepki ile dış uyaranlara tepki verme kapasitelerinden kaynaklanır. Kaynaklarına göre hidrojeller doğal ve sentetik olarak sınıflandırılabilir. Doğal ve sentetik hidrojellerin en yaygın örneklerinden bazıları sırasıyla hyaluronik asit ve poliakrilamiddir. Hidrojellerin en önemli özelliklerinden biri, genişletilmiş uygulamalarını destekleyebilen post-sentetik modifikasyonlar için uygun işlevselliklere sahip olmasıdır. Hidrojelleri çapraz bağlamak için kimyasal bağlar, kalıcı veya geçici fiziksel karışıklıklar ve hidrojen bağları gibi ikincil etkileşimler kullanılabilir. Fizyolojik koşullarda, kovalent çapraz bağlar genellikle stabildir. Sentetik hidrojellerdeki reaktanların oranları değiştirilerek mekanik özellikler ayarlanabilir. Bu hidrojellerin üretiminde kullanılan toksik kimyasallar ise biyouyumluluklarını azaltabilir. Akrilamid monomerinin bir polimeri olan poliakrilamid, dayanıklı, emilmeyen, toksik olmayan ve immünojenik olmayan, ayrıca hidrofilik, viskoelastik, yapışkan ve biyouyumlu olan renksiz bir hidrojeldir. Bu çekici özelliklerinden dolayı poliakrilamid hidrojeller en çok çalışılan hidrojeller arasındadır. Uygun modifikasyon yöntemleri uygulanarak, poliakrilamid hidrojellere şişmeyi ayarlayabilen ve mekanik özellikleri geliştirebilen fonksiyonel gruplar dahil edilebilir. 2001 yılında K. Barry Sharpless tarafından ortaya atılan“çıt çıt kimyası”, biyokonjugasyonda kullanılan ve spesifik biyomoleküllerin belirli substratlara bağlanmasına izin veren biyouyumlu reaksiyonlar ailesidir. Çıt çıt kimyası tek bir spesifik reaksiyon değil, küçük modüler parçaları birleştirerek doğal örnekleri ve molekülleri taklit eden bileşikler üretme yöntemidir. Çıt çıt reaksiyonları, çeşitli uygulamalarda bir biyomolekül ile bir raportör molekülü birbirine bağlar.“çıt çıt”reaksiyonu kavramı kemoproteomik, farmakolojik ve farklı biyomimetik uygulamalarda kullanılmıştır ve biyolojik ayarlarla sınırlı değildir. Sharpless'ın bir dizi idealize işlemi“çıt çıt”reaksiyonları olarak yenilikçi sınıflandırmasını takiben, malzeme bilimi ve sentetik kimya araştırma grupları bu çıt çıt reaksiyonlarını belirlemek ve yürütmek için çeşitli yollar izlemiştir. Christopher N. Bowman, bir örnek olarak radikal aracılı tiyol-en reaksiyonunu inceledi. Bu reaksiyon, bir çıt çıt reaksiyonunun tüm ideal özelliklerine sahiptir: son derece verimlidir, yürütülmesi kolaydır, hiçbir yan ürün üretmez ve hızlı bir şekilde yüksek verim verir. Ayrıca, tiyol-en reaksiyonu, özellikle yüksek oranda homojen polimer ağları ile sonuçlanan fotopolimerizasyonlar için sıklıkla ışık ile başlatılır, bu da çıt çıt reaksiyonunun benzersiz uzaysal ve zamansal kontrol yeteneklerini arttırır. Bakır-katalizli-azid-alkin-siklokatılma reaksiyonu, çıt çıt kimyası reaksiyonlarının başka bir model örneğidir. Bu reaksiyonda, bir azid, 1,2,3-triazol üretmek için bir terminal alkin ile reaksiyona sokulur. Bu reaksiyon, sadece 1,4-disübstitüe ürün oluşturduğu için bölgeye özgüdür, su dahil çeşitli çözücülerde çok çeşitli sıcaklık ve pH değerlerinde gerçekleştirilebilir. Ayrıca, katalize edilmemiş reaksiyondan 107 kat daha hızlıdır, bu özellikleri de onu hidrojellerin modifikasyonu için ideal bir aday haline getirir. Bu çalışmada, ultraviyole ve görünür ışık altında, farklı fotobaşlatıcıların varlığında ve herhangi bir çapraz bağlayıcı yokluğunda akrilamid ve propargil akrilat kullanılarak fotopolimerizasyon yoluyla çıt çıtlanabilir poliakrilamid hidrojelin kolay bir sentezi rapor edilmiştir. Çıt çıtlanabilir poliakrilamid hidrojelleri, Irgacure 2959 (suda çözünür fotobaşlatıcı), BAPO (görünür bölge fotobaşlatıcı) ve DMPA varlığında sentezlenmiştir. Suda çözünür başlatıcı ile sentezlenen jel 3 saat, 6 saat, 9 saat ve 24 saat boyunca aydınlatılmıştır. Aydınlatma süresinin jel fraksiyonu, şişme derecesi ve sıkıştırma elastikiyeti üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Üretilen hidrojellerin tiyol-en, tiyol-in ve bakır katalizli azid-alkin siklokatılma çıt çıt işlevselliği, ilgili floresan çıt çıt bileşenleri kullanılarak doğrulanmıştır. Ayrıca, hidrojellerin üzerine 1,6-hekzanditiyol çıt çıtlanarak hidrofobikliğin şişme derecesi üzerindeki etkisi incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
Hermann Staudinger's groundbreaking study on macromolecules was recognized with the Nobel Prize in Chemistry on December 10, 1953.“High Polymers Bring High Honors”became a worldwide headline. Staudinger had identified the molecular blueprints of natural and synthetic“polymeric materials”with high molecular weights. His groundbreaking concept, which involved covalently bonding a large number of small monomer molecules to form macromolecules, ushered in a new age of molecular design of high molecular weight structural and functional polymeric materials. Polymeric materials are unique in their ability to combine an attractive cost to performance ratio, low energy demand during preparation and processing, flexible feedstock supply, simple processing with short cycle times typical of modern industrial mass production, and extraordinary versatility in terms of property profiles, application ranges, and waste recycling. Step-growth (condensation) polymerization and chain-growth (addition) polymerization are the two types of polymerization processes that can be classified kinetically. The propagation methods of polymer chains can also be used to classify these procedures. The propagation of the chains in addition polymerization are formed by radical, cationic, and anionic reactions, whereas the propagation of the chains in step-growth polymerization are formed by polyaddition and polycondensation processes. Polymers can be prepared by several techniques. Among theses techniques, photopolymerization is a rapidly growing technology since it offers several advantages over thermal polymerization. Higher rates of polymerization, temporal and spatial control, environmental benefits from the elimination of volatile organic compounds are some of the advantages of photopolymerization over thermal polymerization. In addition, probability of side reactions such as chain transfer to occur gets lower enabling the synthesis of more ordered macromolecules. Although constituting a minimal amount in the formulation of a photopolymer, photoinitiators play a vital role by absorbing the light in ultraviolet-visible spectral range, typically between 250 and 450 nm, and converting this light energy into chemical energy in the form of reactive intermediates including free radicals, cations and anions, which then initiate photopolymerization. The two types of free radical initiators are Type I (α-cleavage) and Type II (H abstraction). Substituted carbonyl and aromatic compounds such as benzoin and its derivatives, benzyl ketals and acetophenones are the most common Type I (unimolecular) initiators. On the other hand, Type II photoinitiators, also known as bimolecular photoinitiators, are photoiniating systems that include a photoinitiator including benzophenone, thioxanthone, or quinone, as well as a co-initiator such as an alcohol or amine. Since the first definition made by Staudinger in 1920s, in 100 years, polymer science has witnessed remarkable progress.“Smart polymeric materials”are an example of state-of-the-art polymers. Hydrogels belong to the smart polymeric materials subclass and defined as crosslinked polymers which can absorb large quantities of water due to their hydrophilic structure while not being dissolved as a consequence of their crosslinked structure. Today, they are widely used to produce groundbreaking smart gadgets, sensors, and actuators; their capabilities arise from their capacity to react to external stimuli with an observable reaction. According to their source, hydrogels can be classified as natural and synthetic. Some of the most common examples of natural and synthetic hydrogels are hyaluronic acid and polyacrylamide, respectively. One of the most important features of hydrogels is to possess suitable functionalities for post-synthetic modifications that can support their extended applications. Chemical bonds, permanent or temporary physical entanglements, and secondary interactions, such as hydrogen bonds, can all be used to cross-link hydrogels. In physiological conditions, covalent cross-links are often stable. Mechanical properties can be tuned by altering the ratios of reactants in synthetic hydrogels. Toxic chemicals utilized in the manufacturing of these hydrogels, on the other hand, may diminish their biocompatibility. Polyacrylamide, a polymer of the acrylamide monomer, is a colorless hydrogel that is durable, nonresorbable, nontoxic, and nonimmunogenic, as well as hydrophilic, viscoelastic, cohesive, and biocompatible. Due to these attractive properties, polyacrylamide hydrogels are among the most widely studied hydrogels. By applying appropriate modification methods, functional groups which can tune swelling and enhance mechanical properties can be incorporated into polyacrylamide hydrogels. Coined by K. Barry Sharpless in 2001,“click chemistry”is a family of biocompatible reactions utilized in bioconjugation that allows specific biomolecules to be joined to specified substrates. Click chemistry is not a single specific reaction, but rather a method of producing compounds that mimic natural instances and molecules by connecting small modular parts. Click reactions connect a biomolecule with a reporter molecule in a variety of applications. The concept of a“click”reaction has been employed in chemoproteomic, pharmacological, and different biomimetic applications, and it is not confined to biological settings. Following Sharpless' innovative classification of a number of idealized processes as click reactions, the materials science and synthetic chemistry research groups have followed a variety of paths to identify and execute these click reactions. Christopher N. Bowman has reviewed the radical-mediated thiol-ene reaction as an example. This reaction has all of the ideal characteristics of a click reaction: it is extremely efficient, simple to execute, produces no side products, and gives a high yield rapidly. Furthermore, the thiol–ene reaction is frequently photoinitiated, especially for photopolymerizations that result in highly uniform polymer networks, boosting unique spatial and temporal control capabilities of the click reaction. Copper-catalyzed-azide-alkyne-cycloaddition reaction is another model example of a click reaction. In this reaction, an azide is reacted with a terminal alkyne to produce 1,2,3-triazole. This reaction is regiospecific since it only forms 1,4-disubstituted product, can be carried out at a wide range of temperatures and pH values, in a variety of solvents including water. Furthermore, it is 107 times faster than the uncatalyzed reaction, making it an ideal candidate for the modification of hydrogels. In the present work, a facile synthesis of clickable polyacrylamide hydrogel by photopolymerization using acrylamide and propargyl acrylate in the presence of different photoinitiators and in the absence of any crosslinking agent under ultraviolet and visible light is reported. Clickable polyacrylamide hydrogels were synthesized in the presence of Irgacure 2959 (water soluble photoinitiator), BAPO (visible light photoinitiator) and DMPA. Afterwards, gel synthesized by water soluble initiator was irradiated for 3 h, 6 h, 9 h and 24 h. The effect of irradiation time on gel fraction, swelling degree and compressive elasticity was investigated. Thiol-ene, thiol-yne and copper catalyzed azide-alkyne cycloaddition click functionality of the produced hydrogels were confirmed by using respective fluorescent click components. Furthermore, the effect of hydrophobicity on swelling degree was examined by clicking 1,6- hexanedithiol onto hydrogels.
Benzer Tezler
- Kenetlenme tepkimeleri ile makromoleküler yapıların sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis of macromolecular structures by coupling reactions and their characterization
BİROL IŞKIN
- Foto 'click' kimyasıyla yıldız polimerlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and chracterization of graft copolymers by photo 'click' chemistry
HATİCE BÜŞRA TINMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ATİLLA TAŞDELEN
- Design, fabrication and characterization of light-responsive functionalized hydrogel for tissue engineering applications
Doku mühendisliği uygulamaları için ışığa duyarlı fonksiyonelleştirilmiş hidrojelin tasarımı, imalatı ve karakterizasyonu
SYEDA RUBAB BATOOL
Doktora
İngilizce
2021
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA KIZILEL
- Organik ışık yayan diodlar ve güneş pili uygulamaları için tiyenotiyofen ve bor türevli moleküllerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of thienothiphene and boron containing molecules for organic light emitting diodes and solar cell applications
PELİN ULUKAN
- Kendi kendini onarma mekanizmasını destekleyecek disülfit bazlı tiyokzanton türevi fotobaşlatıcının sentezi ve karakterizasyonu
The synthesis and characterization of disulfide based thioxanthone derived photoinitiator to support self repairing mechanism
DAMLA KİMENÇE