Akıllı malzeme hidrojellerin viskoelastik özelliklerinin mikroreoloji yöntemi ile incelenmesi

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.