Silk fibroin cryogel-based shape memory organohydrogels
İpek fibroin kriyojel bazlı şekil hafızalı organohidrojeller
- Tez No: 883311
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ OKAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, 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: 95
Özet
İpek, binyıllardır süregelen kullanımıyla insanoğlunun faydalandığı en kadim malzemelerden biridir. Dünya medeniyetine sayısız katkıları olmuş, kültürler ve coğrafyalar arası köprüler kurmuş ipeğin serüveni, tarihin akışı ile de farklı bir hal almış, gelişen kimya ve malzeme teknikleri bu doğal polimerin yüksek teknoloji uygulamalarına zemin hazırlamış ve onu bambaşka platformlarda insanlığın faydasına sunmuştur. İpek yapısını oluşturan iki proteinden biri olan fibroin, ipek liflerine yapısal bütünlük ve mekanik mukavemet kazandıran doğal bir biyopolimerdir. Tabiatta ipek böcekleri ve örümceklerin vücut salgısı olarak üretilen fibroin, gelişen rekombinant DNA uygulamaları sayesinde laboratuvar ortamında mikro-organizmalar tarafından da üretilebilir hale gelmiştir. Bilhassa bu materyalin canlı organizmalarla mükemmel biyouyumluluğu, fibroini en gözde biyomalzemelerden biri haline getirmiş ve doku mühendisliği, kontrollü ilaç salınımı gibi uygulamalar için çok cazip bir alternatif kılmıştır. Polimerik jeller, özünde çapraz bağlı polimer yapıda yumuşak ve ıslak malzemelerdir. Konvansyionel çapraz bağlı polimer termosetlerden farklı olarak jeller, polimerin çözünebildiği bir çözücü içerisinde çapraz bağlanır, böylelikle zincirler arası polimer bulunmayan çözücü ile dolu bölgeler muhafaza edilir. Bu gözenekli morfolojileri polimerik jellere katalizörler, süperkapasitörler, biyosensörler ve akıllı malzemeler gibi pek çok kullanım alanı yaratmıştır. Sıklıkla kullanılan çözücü tipine bağlı olarak sınıflandırılan jeller temel olarak, hidrojel, organojel ve aerojel olarak üç sınıfa ayrılırlar. Bu tip jellerde sırasıyla su ve organik çözücüler çözücü olarak kullanılırken, aerojellerde ise çözücü süperkritik kurutma yahut solvent değişimi ile yerini havaya bırakır. Hidrojeller, yapılarında %90'ın üzerinde su ihtiva ettiklerinden canlı hücreler ve dokularla büyük oranda uyum gösteren yapılardır. Kriyojel, özel bir hidrojel sınıfıdır. Konvansiyonel hidrojeller termal radikalik başlatıcı vasıtasıyla 0 oC'nin üstündeki sıcaklıklarda üretilirken kriyojeller, çeşitli başlatıcı yahut katalizörler yardımıyla 0 oC'nin altındaki sıcaklıklarda, bir başka ifadeyle 'kriyojenik şartlarda' sentezlenirler. Burada jelleşme reaksiyonu için gereken etki, yüksek sıcaklıklardaki aktivasyon enerjisinden değil, donmuş solvent içerisinde donmadan kalan yüksek konsantrasyon bölgelerinde jel bileşenlerinin derişiminin artması ve sıkışmasından ileri gelir. Bu duruma 'kriyo-konsantrasyon etkisi' denir. Bu etki, kriyojellere daha muntazam bir gözenek morfolojisi kazandırır ve çeper kalınlığı dağılımı sağlar. Bu düzgün gözenekli yapı kriyojellere, hidrojellere nazaran daha hızlı şişebilme, uyarıcılara daha çabuk tepki verebilme, daha üstün mekanik özellikler ve parçalanmaksızın birkaç kez sıkıştırılıp yeniden şişebilme gibi üstün özellikler kazandırır. Ayrıca polimerik kriyojellerin, elektron mikroskop görüntüleri incelendiğinde, hücresizleştirilmiş insan ekstraselüler matrisine gösterdiği kayda değer bir benzerlik kolaylıkla fark edilebilmektedir. Tüm bu özellikleri, polimerik kriyojelleri doku mühendisliği uygulamaları açısından oldukça kıymetli malzemeler haline getirmiştir. Polimerik jellerde konvansiyonel kovalent çapraz bağlar yer alabileceği gibi, bu bağların yanı sıra ya da yalnızca kovalent olmayan çapraz bağlanmalar da bulunabilir. Bu çapraz bağlanmalar, moleküller arası ikincil etkileşimlerden (hidrojen bağı, iyon-dipol, Van der Waals vs.) ileri gelen elektrostatik etkileşimlerdir. Normalde iyonik yahut kovalent etkileşimlere nazaran çok zayıf kabul edilen bu kuvvetler, sayıları ve yoğunlukları molekül boyunca çok arttırıldığında molekül konformasyonunu sabitleyecek kadar güçlü bir etki yaratabilirler. Bu bağların güçlü etkileşimlerin aksine dış uyaranlar vasıtasıyla (UV, ısı, elektrik, özel iyonlar ve moleküller) tersinir olarak kaybolup yeniden oluşabilme özellikleri, bu nevi bağlar içeren polimerik jellere akıllı malzeme özellikleri kazandıran temel prensiptir. Bağları dağıtan etkilere 'uyarıcı' (stimulus); bu etkilerle özellikleri değişen malzemelere de 'uyarıcılara duyarlı' (stimuli-responsive) malzemeler denir. Bu 'akıllı malzemeler', uyaranlar karşısında hacim, şekil, mekanik mukavemet, elektrik iletkenliği gibi çeşitli özelliklerini değiştirebilme yetisine sahiptirler. Özellik değiştiren bu akıllı malzemeler kontrollü ilaç salınımından yumuşak robotiğe, biyosensörlerden aktüatörlere geniş çapta uygulama alanına sahiptirler. Bu tez çalışması kapsamında, Bombyx mori türü ipek böceği kozasından izole edilen ipek fibroin proteininden mamul kriyojeller, donmalı kurutucu ile kurutulmaları sonrası gözeneklerin içinde hidrofobik n-oktadesil akrilat (C18A) ile aksrilik asit (AAc) kopolimeri bir organojel termal polimerizasyon ile oluşturularak ipek fibroin kriyojellere şekil hafıza özelliği kazandırılması amaçlanmıştır. Bu yeni bifazik yapı, polimerik kriyojel bazlı organohidrojel (OHG) olarak nitelendirilmiştir. OHG'ler, konvansiyonel jellerin aksine yapılarında hidrofilik ve oleofilik segmentler bulundururlar. Tabiattan ilham alan OHG'lerin sentezlenmesinden amaç, çeşitli canlıların vücutlarında görülen bu tür yapıların canlılara verdikleri ekstrem koşullara dayanım ve ayarlanabilir mekanik özellikleri gibi akıllı malzeme özelliklerini sentetik olarak taklit etmede bir yaklaşım geliştirmektir. Ayrıca bu malzemeler, şekil hafıza özellikleri münasebetiyle yumuşak robotik gibi uygulamalarda ümit vaat eden alternatiflerdir. Mikro-organojel ağın OHG özelliklerine etkisi iki seri malzeme geliştirilerek araştırılmıştır. İlk grup malzemeler sabit ipek fibroin başlangıç konsantrasyonunda (%5 ağ/hac) kriyojellere, farklı C18A mol kesrinde (%10-30) organojeller yüklenerek dört farklı OHG oluşturulmuş, ikinci grup malzemeler ise farklı ipek fibroin konsantrasyonlarında kriyojellere (%5-20 ağ/hac) sabit C18A mol kesrinde (%30) organojeller yüklenerek bu defa fibroin konsantrasyonunun yapısal özelliklere etkisi irdelenmiştir. Başlangıçta farklı fibroin konsantrasyonlarında üretilen kryiojeller, saf suda şişme özellikleri, gözenek morfolojisi ve boyutları, tek eksenli sıkıştırma testleri ile mekanik özellikleri bakımından, kuru ve ıslak durumda karakterize edilmiştir. Kriyojel gözenekliliğinin %5'ten %20'ye artan fibroin konsantrasyonu ile %92'den %74 seviyesine azaldığı ölçülmüştür. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntülemesi ortalama gözenek çaplarının 25,7 μm'den 16,8 μm'ye azaldığını göstermektedir. Fourier-Dönüşümlü Kızılötesi Spektrometrisi (FTIR) ölçümleri, artan fibroin konsantrasyonu ile β-tabaka düzeyinde %10 artış olduğunu ortaya koymaktadır. Donmalı kurutucu ve organojel sentezi sonrası OHG gözenekliliğinin %45-8 aralığına azaldığı görülmüştür, kriyojeller için hesaplanan 17,3 – 2,9 mL/g aralığında olan gözenek hacmi değerleri, OHG'ler için 0.16 mL/g seviyesine dek azalmıştır. Kriyojeller için en az 0,04 MPa düzeyinde olan Young Modülü değerinin, artan fibroin konsantrasyonu ve C18A mol kesri ile 17,7 MPa'a kadar yükseldiği görülmüştür. OHG haline gelen kriyojellerde kopma gerinimi yüzde on azalırken, kopma geriliminin on kat kadar arttığı gözlenmiştir. OHG'lere akıllı malzeme yetilerini kazandıran özellik, organojel ağ yapısına katılan C18A monomerlerinin uzun hidrokarbon zinciri yapısındaki kuyruklarının kümelenerek kristallenmesine yol açan hidrofobik etkileşimlerdir. OHG içerisinde oluşturulan birbirine bağlı mikro-organojel yapının sıcaklığa bağlı özellik değişimleri diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve reometre testleri ile gözlemlenmiştir. İlk seride artan C18A mol kesrinin yapıdaki ikincil etkileşim miktarını arttırdığı gözlenmiştir. Bu etki, DSC eğrilerinde erime ve kristallenme pik alanlarındaki artıştan hesaplanan kristalinite indeksi (fcry) adı verilen bir parametre üzerinden mukayeseli olarak ortaya konmuştur. Bu değer, organojel içerisinde kristalin yapıya katılan C18A monomerlerinin fraksiyonunu ifade etmektedir. Malzemeler 0 – 80 oC sıcaklıklar arasında iki döngü halinde ısıtılıp soğutulduklarında, DSC eğrilerinde poli(n-oktadesil akrilat) hidrofobik kristallerinin erime ve kristallenmesine atfedilen pikler sırasıyla ısıtmada 54 oC ve soğutmada 43 oC dolaylarında gözlenmiştir. Erime entalpileri gözetilerek hesaplanan fcry değerleri C18A mol kesri %30'dan %10'a azaldığında, %15,7 ± 0,01'den %2 ± 0,3'e azalmıştır. Yapılan bükme şekil hafızası testleri neticesinde ise C18A mol kesri en yüksek olan (%30) OHG'lerin verilen kalıcı şekilleri tam bir başarıyla tutabilirken, en düşük mol kesrine sahip (%10) OHG'lerin verilen geçici şekli tam olarak sabitlemeyemedikleri gözlemlenmiştir. İkinci seride ise artan fibroin konsantrasyonunun gözenek boyutunu küçültmesi ve kriyojel çeper kalınlığını arttırması sonucu mikro-organojel yapıda ikincil etkileşimlerin daha az miktarda oluştuğu ortaya çıkmıştır. Hesaplanan fcry değerlerinin, %5'ten %20 ağ/hac'ye artan fibroin konsantrasyonları ile %15,7 ± 0.01'den %2,9 ± 0,08'e düştüğü gözlemlenmiştir. X-Işını Kırınım (XRD) testleri ile kriyojel ve OHG'lerin morfolojisi derinlemesine araştırılmıştır. Kriyojellerde artan fibroin konsantrasyonu ile 2θ = 9,5 o, 20 o, 24.6o açılarına karşılık gelen piklerin büyüyüp keskinleşmesi β-tabakalar gibi düzenli formasyonların artışını ortaya koymuştur. OHG'lerin XRD desenlerinde ise, kriyojellerde görülmeyen ve d = 0.41 nm aralığına tekabül eden 2θ = 21.6o pikleri, yapıda C18A kristalitlerinin oluştuğunu ortaya koymuştur. Artan fibroin konsantrasyonu ile bu piklerin küçülmesinin, daralan gözeneklerde kristalin bölgelerin oluşması için gerekli yönlenmenin gerçekleşmesinin zorlaşmasından ileri geldiği düşünülmektedir. Oda sıcaklığında yapılan reometre ölçümleri neticesinde fibroin konsantrasyonu %5 ve C18A mol fraksiyonu %30 olan OHG'lerin, başlangıçta 1,5 MPa civarı olan elastik modülleri (G') 65 oC'a ısıtılmaları sonrası 220 kPa seviyesine düştüğü görülmüştür. Buna ek olarak malzemelerin tan δ değerlerinin frekansa duyarlı olarak değişimi de bu sıcaklıkta malzemelerin yumuşadığına dalalet etmektedir. OHG'ler yeniden oda sıcaklığına soğutulduklarında ise G' değerlerinin eski büyüklüğüne ulaştığı görülmüştür, bu da malzemede tersinir olarak eriyip kristallenebilen yapıların varlığının bir başka göstergesidir. Ayrıca yapılan şekil hafıza testlerinde üretilen tüm OHG'lerin, %95'in üzerinde şekil geri kazanım değeriyle şekil hafıza yeteneği sergilediği gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
From textile fibers to biotechnology, silk has been a pivotal material for humanity for centuries. Fibroin, one of the two proteins that consist of silk, facilitates the structural integrity and physical endurance of the silk fibers and has been isolated and widely used for several purposes with its features like hydrophilicity, biocompatibility, and mechanical robustness. Polymeric gels are polymer-based, crosslinked wet and soft materials, including pore walls spaced by solvents that dissolve the polymer. Regarding the solvent-separator type that they include, the polymeric gels are mainly categorized into three types: hydrogels, organogels, and aerogels and they include water, organic solvents, and air in their pores, respectively. Hydrogels consist of over 90% water in their structure, most of all, possess unparalleled biomimicry due to their hydrophilic nature. Cryogels are a subclass of hydrogels that are synthesized under 'cryogenic' conditions, meaning under the freezing temperature of the water. Contrary to the conventional hydrogel case, the reason that gelation reaction occurs here is not the heat given to the system, rather it is the increased concentration of gel components in the unfrozen high concentration channels in the reaction system. This influence is called the 'cryo-concentration effect'. This effect provides the cryogels with more reliable mechanical performance and a strictly ordered porous structure that conventional hydrogels lack. Also, the porous morphology of the cryogels mimics the natural extracellular matrix structure of the animals perfectly, according to the scanning electron microscopy (SEM) image comparison of acellularized tissue scaffold and cryogels. Like there are conventional covalent crosslinks between the polymer chains of polymeric gels, there can also be some secondary interactions whose impact becomes significant upon an increased number of them. They regulate the chain conformation with various bindings they form out of many electrostatic interactions. These switchable crosslinks give the materials adjustable mechanical properties, fixing temporary shapes and healing the defects in their structure. The materials having such properties are called 'smart materials'. Smart materials have a variety of application areas such as sustained drug release systems, nanorobotics, biosensors, and tissue engineering. In the scope of this thesis, it was aimed to form an interconnected micro-organogel structure made of n-Octadecyl acrylate (C18A) and acrylic acid (AAc) monomers, within the pores of silk fibroin cryogels which are freeze-dried and swollen in an organogel precursor solution. The effect provides the OHGs their smart material abilities are the reversible dissipation and assembling of crystalline domains formed by the long alkyl tails of C18A monomers, with the repelling influence of water surrounding them and the hydrophobic interactions between them. These weak bonds would disappear upon heat exposure, over the melting temperature of poly(C18A) crystallites, around 50 oC, and would be reformed after the materials cooled down. These switchable crosslinks should provide the OHGs with their altering mechanical (softening and reformability) and shape memory properties. To confirm these assumptions, two sets of samples were prepared and tested. One set of OHG was made of constant fibroin concentration (5 w/v %) cryogel templates and embedded with micro-organogel structures including 4 different C18A monomer mole fractions: 10, 20, 25, and 30 %. The other set of OHG consisted of 4 different fibroin concentration cryogels: 5, 10, 15, and 20 w/v% scaffolds, and each one was filled with the organogel that has a 30% mole fraction C18A. The questioned parameters in each OHG set were the influence of the C18A mole fraction of organogel and fibroin concentration of cryogel, respectively. Initially, cryogel templates having 4 different fibroin concentrations were characterized regarding their swelling properties, pore morphologies and sizes, and uniaxial compression mechanical behavior. It was observed that cryogel porosity has decreased from 92 % to 74% with increasing fibroin concentration from 5 w/v% to 20 w/v%. SEM visualization showed that the average pore diameter decreased from 25.7 μm to 16.8 μm. Fourier Transform Infrared Spectrophotometry (FT-IR) results indicated a 10 % increase in the β-sheet conformation ratio. After the freeze-drying and organogel synthesis within, the OHG porosity was decreased to 45-8 %. The calculated specific pore volume was 17.3 – 2.9 mL/g for cryogels and it was also decreased to a minimum of 0.16 mL/g for OHGs. While Young's modulus was calculated as 0.04 MPa for 5 w/v% cryogels, regarding the increased fibroin concentration and C18A mole fraction, it was raised to a maximum of 17.7 MPa for OHGs with fibroin concentration of 20 w/v%, and C18A mole fraction of 30%. Fracture strains were observed as 10 % lower for the cryogels that became OHGs, while the fracture stresses increased 10 times their initial values. OHGs were subjected to differential scanning calorimetry (DSC) and rheometer tests to investigate this affiliation between temperature and material properties. In DSC testing, the materials were heated up from 0 to 80 oC in two cycles. The melting peaks observed around 54 oC during the heating stage of the test and the crystallization peak at 43 oC during the cooling stage were attributed to the reversible dissipation and regeneration of poly(C18A) crystallites. The first series of OHGs indicated that the increased mole fraction of C18A has increased the number of secondary interactions. This effect was comparatively shown between OHGs with the aid of a parameter called crystallinity index (fcry) which was calculated from the area below the melting peaks of crystallites in the heating stage of DSC tests. fcry describes the fraction of C18A monomers that contributed to the formation of poly(C18A) crystallites. The fcry values that were calculated regarding the melting enthalpies have shown a drop from 15.7 to 2 % when the C18A mole fractions were decreased from 30 to 10%. As a consequence of the bending shape memory tests, also, the OHGs with maximum C18A mole fractions have been seen to be perfectly capable of keeping the shape dictated to them, whereas OHGs with minimum C18A mole fractions were not. The second series of OHGs indicated that, with increasing fibroin concentration and cryogel pores getting narrower, the amount of secondary interactions within the micro-organogel structure gets lower. The calculated fcry values got decreased from 15.7 to 2.9 % with increasing fibroin concentration, from 5 to 20 w/v%. The morphology of cryogels and OHGs was investigated with X-Ray Diffraction (XRD) tests. Growth and sharpening of the peaks corresponding to 2θ = 9.5o, 20o, 24.6o angles with increasing fibroin concentration in cryogels revealed an increase in regular formations such as β-sheets. In the XRD patterns of OHGs, 2θ = 21.6o peaks, which are not seen in cryogels and correspond to the d = 0.41 nm range, revealed that C18A crystallites were formed in the structure. It is thought that the reduction of these peaks with increasing fibroin concentration is due to the difficulty of the orientation required for the formation of crystalline domains in the narrowing pores. Rheometer measurements done with OHGs with 5 w/v% fibroin and 30% C18A mole fraction have exhibited a significant drop in the elastic modulus (G') of the material, from 1.5 MPa to 220 kPA between room temperature and heated to 65 oC state. Once the material cooled down to room temperature again, it recovered its initial G' value, which indicated the existence of the reversibly dissipated and reformed crystalline domains. These results indicated the OHG's reversibly adjustable viscoelastic properties with the influence of heat. Also, all OHG's synthesized have exhibited shape memory capability with around 95% shape recovery ratio each.
Benzer Tezler
- Design of biocompatible hydrogels with regions of different chemical and mechanical properties
Farklı kimyasal ve mekanik özellikte bölgeler içeren biyouyumlu hidrojel tasarımları
ASLIHAN ARĞUN
- İpek fibroin kriyojellerinin sentezi ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Preparation of silk fibroin cryogels and investigation of their mechanical properties
FATİH AK
- Sentez sıcaklığı ve çapraz bağlayıcı konsantrasyonunun ipek fibroin kriyojelerinin özelliklerine etkisi
Effects of preparation temperature and cross-linker concentration on the properties of silk fibroin cryogels
ZEYNEP ÖZTOPRAK
- Üstün mekanik özelliklere sahip ipek fibroin iskeletlerinin yüksek fibroin konsantrasyonlarında üretimi
Production of silk fibroin scaffolds with remarkable mechanical properties at high fibroin concentrations
CANER AKINCI
- Rational design of hydro- and organo-cryogels
Hidro- ve organo-kriyojellerin rasyonel tasarımı
BERKANT YETİŞKİN
