3B yazıcı platformu yardımıyla üretilen antibakteriyel ultrafiltrasyon membranlarının yapı ve performanslarının incelenmesi

Ultrafiltrasyon membran teknolojisi, su arıtımından biyoteknolojiye kadar geniş bir alanda kritik öneme sahip olsa da üretim süreçlerindeki standardizasyon eksikliği ve işletme verimliliğini düşüren biyolojik kirlenme problemleriyle kısıtlanmaktadır. Bu doktora tezi, söz konusu iki temel soruna bütüncül bir çözüm sunmak amacıyla, metodolojik olarak hassas laboratuvar ölçekli bir üretim platformunun geliştirilmesini ve malzeme bilimi açısından antibakteriyel özelliğini yenileyebilen membranların sentezlenmesini amaçlamaktadır. Çalışmanın ilk aşamasında, laboratuvar ölçekli membran üretimindeki tekrarlanabilirlik sorununu aşmak amacıyla, ticari bir 3B yazıcı herhangi bir donanımsal modifikasyona gerek duyulmadan hassas bir film döküm platformuna dönüştürülmüştür. Bu platform kullanılarak polietersülfon membranların morfolojisi ve performansı üzerinde etkili olan döküm sıcaklığı, çekim hızı, koagülasyon banyosu sıcaklığı ve membran kalınlığı parametreleri tek seferde tek değişken yöntemi kullanılarak optimize edilmiştir. Analizler sonucunda 60 oC döküm sıcaklığı, 65 mm s-1 çekim hızı, 30 oC koagülasyon banyosu sıcaklığı ve 50 μm aplikatör aralığının, yüksek akı (271 L m-2 sa-1) ve yüksek seçicilik (%95 üzeri BSA tutma) dengesini sağlayan optimum koşullar olduğu belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, biyolojik kirlenmeye karşı sürdürülebilir bir çözüm geliştirmek amacıyla N-halamin esaslı hidantoin halkaları içeren fonksiyonel bir homopolimer sentezlenmiş ve optimum koşullarda PES matrisine katkılanmıştır. Klorlama işlemiyle aktive edilen N-halamin katkılı membranlar, %0,31 aktif klor yüklemesi ile güçlü bir oksidatif potansiyel kazanmıştır. Antibakteriyel testlerde, bu membranlar hem Staphylococcus aureus hem de Escherichia coli bakterilerine karşı sadece 15 dakikalık temas süresinde %100 oranında tam inaktivasyon sağlayarak aktif bir biyosidal bariyer görevi görmüştür. Çalışmanın en özgün bulgusu, geliştirilen membranların yenilenebilir kirlenme direnci özelliğidir. Ticari sodyum hipoklorit ile yapılan kimyasal temizleme işlemi, membran yüzeyini temizlemenin yanı sıra, N-halamin yapılarını da aktive etmiştir. Artan yüzey hidrofilikliği ve oksidatif etki sayesinde membranların tersinmez kirlenme oranı %1,4 seviyesine indirilmiş ve tekrarlı kirlenme döngüleri sırasında %98,6 gibi yüksek bir akı geri kazanım oranına ulaşılmıştır. Sonuç olarak bu tez, 3B yazıcı teknolojisi ile akıllı malzeme kimyasını birleştirerek, uzun ömürlü, yüksek performanslı ve kendini yenileyebilen yeni nesil membranların geliştirilmesinde öncü bir yaklaşım ortaya koymuştur.