Akıllı malzeme hidrojellerin viskoelastik özelliklerinin mikroreoloji yöntemi ile incelenmesi
Investigation of the viscoelastic properties of smart hydrogel materiasls using microrheology method
- Tez No: 933237
- Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN BAYRAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Akdeniz Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
Bu tezde, akıllı malzeme hidrojellerinin viskoelastik özellikleri pasif video mikroreoloji yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Mikroreoloji, mikroskobik boyuttaki koloit parçacıklarının rastgele hareketlerini analiz ederek viskoelastik ortamların özelliklerini belirlemeyi sağlayan yenilikçi bir tekniktir. Bu yöntem, reolojik ölçümler için geleneksel makroskobik tekniklere kıyasla malzemenin yerel mekanik özelliklerini mikroskobik ölçekte değerlendirme imkanı sunar. Viskoelastik ortamın özellikleri, koloit parçacıklarının Brownian hareketini etkilediğinden, bu teknikle ortamın elastik ve viskoz davranışları hassas bir şekilde analiz edilmiştir. Çalışmada, sıcaklığa duyarlı iki farklı hidrojel türü olan PNIPAM (Poly(N-isopropil akrilamit)) ve PEGMA (Poly(etilen glikol metil eter metakrilat)) polimerleri kullanılmıştır. Bu hidrojellerin viskoelastik modüllerinin sıcaklık değişimleriyle nasıl farklılaştığı incelenmiştir. PEGMA'nın yüksek biyouyumluluğu ve elastik özellikleri ile PNIPAM'ın kritik çözünme sıcaklığı (Lower Critical Solution Temperature, LCST) özelliği, bu malzemelerin sıcaklık duyarlılığına bağlı mekanik davranışlarını incelemek için güçlü bir temel sağlamıştır. Video mikroreoloji yöntemi, malzeme içine gömülen koloit parçacıklarının rastlantısal hareketlerinden yararlanarak ortamın viskoelastik modüllerini hassas bir şekilde ölçmektedir. Deneysel çalışmalar, farklı sıcaklık aralıklarında gerçekleştirilmiş ve PEGMA ile PNIPAM hidrojellerinin elastik ve viskoz özelliklerindeki değişimler ayrıntılı olarak incelenmiş ve değerlendirilmiştir. Ayrıca, koloit parçacıklarının hareketlerini izlemek ve analiz etmek amacıyla video mikroskopisi ve görüntü işleme tekniklerinden faydalanılmıştır. Bu tez çalışması, viskoelastik özelliklerin sıcaklıkla değişimini anlamada mikroreoloji yönteminin potansiyelini vurgulamakta ve literatürdeki önemli bir boşluğu doldurmayı amaçlamaktadır. PEGMA hidrojellerine ait mikroreolojik ölçümler, sıcaklığa bağlı olarak belirgin bir sol-jel geçişi sergilediğini ortaya koymuştur. Yapılan analizler, 0.1 rad/s ile 10 rad/s arasındaki frekans aralığında PEGMA'nın viskoelastik yanıtında önemli değişimler meydana geldiğini göstermiştir. Düşük frekanslarda (ω < 0.1 rad/s) viskoz modülü (G'') elastik modülünden (G') büyük olup, hidrojelin baskın olarak akışkan özellikler sergilediği gözlemlenmiştir. Ancak sıcaklığın artmasıyla birlikte PEGMA numunelerinde sıcaklığa bağlı olarak kademeli bir geçiş süreci gözlenmiş, yaklaşık 36°C'de elastik modülün (G') viskoz modülü (G'') aşarak ağ sertleşmesi meydana getirdiği belirlenmiştir. Bu faz geçiş sürecinin değerlendirilmesinde, hidrojel matrisi içine gömülen 1 μm çapındaki amin ve karboksil kaplı floresan parçacıkların hareketleri analiz edilmiş ve parçacık yüzey kimyasının ortamın viskoelastik özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Amin kaplı parçacıklar, hidrojel ağı ile daha güçlü etkileşimler sergileyerek düşük sıcaklıklarda bile daha sınırlı hareketlilik göstermiş, bu durum kısıtlanmış difüzyon (caged motion) rejiminin daha düşük sıcaklıklarda başlamasına neden olmuştur. Buna karşılık, karboksil kaplı parçacıklar, hidrojel matrisi ile daha zayıf etkileşim göstermiş ve özellikle düşük sıcaklıklarda daha yüksek hareketlilik sergileyerek serbest difüzyon rejiminde daha uzun süre kalmıştır. MSD (Mean Squared Displacement) analizleri, bu farklı yüzey kimyalarının PEGMA hidrojellerindeki viskoelastik geçiş sürecine etkisini açıkça ortaya koymuş, amin kaplı partiküllerin PEGMA içindeki hareketliliğinin daha sınırlı olduğu ve viskoelastik modüllerin belirgin şekilde daha yüksek değerlere ulaştığı gözlemlenmiştir. Bu tez çalışmasında elde edilen veriler, PEGMA'nın faz geçişinin yaklaşık 36°C'de gerçekleştiğini ve viskoelastik modüllerde kademeli bir değişim gözlendiğini ortaya koymuştur. PEGMA'nın daha yüksek sıcaklıkta faz geçişi gerçekleştirmesi, biyomedikal uygulamalarda vücut sıcaklığına duyarlı sistemler için önemli bir avantaj sunmaktadır. Amin ve karboksil kaplı parçacıklarla yapılan analizler, farklı yüzey kimyalarının hidrojel ağ yapısıyla etkileşimini etkileyerek viskoelastik geçiş mekanizmasını değiştirebileceğini ve mikroreolojik ölçümlerle bu etkilerin hassas bir şekilde ortaya konulabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the viscoelastic properties of smart material hydrogels using the passive video microrheology method. Microrheology is an innovative technique that analyzes the random motion of microscopic colloidal particles to determine the properties of viscoelastic environments. Compared to conventional macroscopic techniques for rheological measurements, this method provides the opportunity to evaluate the local mechanical properties of the material at a microscopic scale. Since the characteristics of a viscoelastic medium influence the Brownian motion of colloidal particles, this technique enables a precise analysis of the elastic and viscous behavior of the system. In this study, two temperature-responsive hydrogel types, PNIPAM (Poly(N-isopropylacrylamide)) and PEGMA (Poly(ethylene glycol methyl ether methacrylate)), were used. The changes in the viscoelastic moduli of these hydrogels as a function of temperature were examined. The high biocompatibility and elastic properties of PEGMA, along with the lower critical solution temperature (LCST) behavior of PNIPAM, provided a strong basis for investigating the mechanical responses of these materials to temperature variations. The video microrheology method enables precise measurement of the viscoelastic moduli of the medium by utilizing the random movements of embedded colloidal particles. Experimental studies were conducted over different temperature ranges, and the variations in the elastic and viscous properties of PEGMA and PNIPAM hydrogels were thoroughly analyzed and evaluated. Additionally, video microscopy and image processing techniques were employed to track and analyze the motion of colloidal particles. This thesis highlights the potential of the microrheology method in understanding the temperature-dependent changes in viscoelastic properties and aims to address a significant gap in the literature. The microrheological measurements of PEGMA hydrogels have demonstrated a distinct sol-gel transition in response to temperature. The analyses revealed significant changes in the viscoelastic response of PEGMA within the frequency range of 0.1 rad/s to 10 rad/s. At low frequencies (ω < 0.1 rad/s), the loss modulus (G'') was greater than the storage modulus (G'), indicating that the hydrogel predominantly exhibited fluid-like properties. However, with increasing temperature, a gradual transition process was observed in PEGMA samples, and at approximately 36°C, the G' modulus exceeded the G'' modulus, marking the onset of network stiffening. In the evaluation of this phase transition process, the movement of 1 μm-diameter aminated and carboxylated fluorescent particles embedded in the hydrogel matrix was analyzed, and the effect of particle surface chemistry on the viscoelastic properties of the environment was investigated. Aminated particles exhibited stronger interactions with the hydrogel network, leading to more restricted mobility even at lower temperatures. This resulted in the caged motion regime beginning at earlier temperatures. In contrast, carboxylated particles exhibited weaker interactions with the hydrogel matrix and showed higher mobility at lower temperatures, remaining in the free diffusion regime for a longer duration. Mean squared displacement (MSD) analyses clearly demonstrated the influence of different surface chemistries on the viscoelastic transition process in PEGMA hydrogels, indicating that aminated particles exhibited more restricted motion within PEGMA and that the viscoelastic moduli reached significantly higher values. The findings of this thesis confirm that PEGMA undergoes a gradual viscoelastic transition at approximately 36°C, with progressive changes observed in the viscoelastic moduli. The fact that PEGMA exhibits a phase transition at a higher temperature suggests a significant advantage for biomedical applications, particularly for temperature-sensitive systems that respond to body temperature. The analyses conducted with aminated and carboxylated particles indicate that different surface chemistries can influence interactions with the hydrogel network, thereby altering the viscoelastic transition mechanism. These results also demonstrate that microrheological measurements can precisely reveal these effects, contributing to a deeper understanding of the thermoresponsive behavior of PEGMA hydrogels.
Benzer Tezler
- Nanoparçacık yüklü hidrojeller
Nanaoparticle loaded hydrogels
HÜSNA KILIÇ
Doktora
Türkçe
2023
BiyoteknolojiBezm-i Alem Vakıf ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DENİZ CEYLAN TUNCABOYLU
- Light induced synthesis and characterization of clickable polyacrylamide hydrogels
Çıt çıtlanabilir poliakrilamid hidrojellerin ışık ile uyarılmış sentezi ve karakterizasyonu
MEHMET BİLGEHAN BİLGİÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF YAĞCI
- Silk fibroin cryogel-based shape memory organohydrogels
İpek fibroin kriyojel bazlı şekil hafızalı organohidrojeller
YAHYA BAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ OKAY
- Development of conductive polymeric materials for sensor applications
Sensör uygulamaları için iletken polimerik malzemelerin geliştirilmesi
DİDEM AYCAN
Doktora
İngilizce
2023
Kimya MühendisliğiMarmara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NESLİHAN ALEMDAR YAYLA
PROF. DR. FATMA KARACA ALBAYRAK
- Rational design and applications of advanced functional polymer gels
İleri fonksiyonel polimer jellerin rasyonel tasarımı ve uygulamaları
MERTCAN ER
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN