Modified hydrogels based on N,N-dimethylaminoethyl methacrylate: Synthesis, characterization and mechanical properties

Tıp ve eczacılık amaçlı yeni polimerik biyomalzemelerin geliştirilmesi, yaşam-bakım biliminin ve biyoteknolojinin büyük ilgi odağıdır. İlk olarak endüstriyel amaçlı kullanılmaya başlanan sentetik jeller ile ilgili çalışmalar sürekli gelişim göstermiş ve son yıllarda nanoteknoloji ve biyoteknoloji alanındaki gelişmelerle birlikte dikkate değer bir artış göstermiştir. Jellerle ilgili çalışmaların son zamanlarda popüler olmasının sebebi jellerin günlük yaşamımızda her yerde bulunmasıdır. Genel bir tanımlamayla içerisine çözücü alarak şişme özelliği gösteren çapraz bağlı ağ yapısına sahip homo ya da kopolimerler polimerik jel olarak adlandırılmaktadır. Hidrojeller, polimerik jellerin önemli bir sınıfı olup hidrofillik ve suda çözünmemeleriyle karakterize edilen polimerik malzemelerdir. Bir polimerin çapraz bağlandığında hidrojel özelliği gösterebilmesi için ana zincir ya da yan dallarında hidroksil, karboksil, karbonil, amin ve amid gibi hidrojen bağı oluşturabilme yeteneğine sahip su sever grupları içermesi gerekmektedir. Hidrojellerin calışılan biyolojik ortama zarar vermemesi, yüksek verimle kullanılabilmesi ve hedeflenen amaca cevap verebilmesi için üç-boyutlu ağ yapılarının içinde bulundukları ortamla olan termodinamik etkileşimleri araştırmaya değer önemli bir konudur. Bu sistemler için gerekli olan şişme-büzülme, mekanik, morfoloji gibi pek çok özelliğin aynı hidrojel yapısı içinde bir araya gelmesi önemlidir. Hidrojeller, doğal dokulara benzer kauçuğumsu yapıları, biyouyumluluk göstermeleri ve düşük yüzey gerilimlerinden dolayı insan dokusuna benzerliği nedeniyle biyomedikal ve farmasötik uygulamalarda ilgi çeken sentetik malzemelerdir. Reaksiyon koşulları değiştirilerek yapısal özelliklerinin istenildiği gibi ayarlanabilir olması ve ekonomik olarak elde edilebilmeleri nedeniyle, hidrojeller geniş kullanım alanlarına sahiptir. Biyomateryal özelliğe sahip hidrojeller, kontakt lenslerde, ilaç taşıyıcı ve kontrollü salınım sistemlerinde, sentetik kıkırdak, yapay kornea ve yapay organ yapımı, enzim tutuklama sistemleri, kemik hastalıkları tedavisinde ve omurlar arası boşlukların doldurulması için yardımcı materyal gibi pek çok uygulamada etkin olarak kullanılmaktadır.Biyoteknolojik uygulamalarda kullanılan hidrojellerin, gerçek sistemlere benzer şekilde, dış ortamdan gelebilecek uyarılara cevap verebilecek özelliklere sahip olması istenmektedir. Sıcaklık, pH, iyonik kuvvet ve bazı kimyasallar gibi çevresel uyaranlara yanıt olarak şişen veya büzülen çok-amaçlı akıllı hidrojel sistemleri son on yılda oldukça dikkat çekmiştir. Jel yapısına katılan monomerlerin türüne bağlı olarak, çeşitli uyaranlara cevap verebilen ve akıllı polimerlerin üzerinde en çok çalışılan sınıfı olan "uyarı-cevap hidrojelleri" elde edilebilir.Uyarı-cevap hidrojelleri taşıdıkları fonksiyonel gruplar sayesinde veya kimyasal yapılarına bağlı olarak çevresel etkilere hacim değiştirerek yanıt verirler ve 'hacim faz geçişi' gösterirler. Bu çevresel etkiler fiziksel ve kimyasal olmak üzere pH, sıcaklık, iyonik kuvvet, manyetik alan, elektrik alan ve metal gibi çok çeşitli olabilir. Hacim faz geçişi, belli bir uyaran aralığında yavaş yavaş olabildiği gibi, ani/keskin bir değişim şeklinde de gözlenebilmektedir. Uyarı-cevap hidrojelleri, mikro yapılarında hidrofillikten hidrofobluğa ani ve tersinir geçiş yapabilme özelliklerinden dolayı yapay kas ve ilaç salım proseslerinde kullanılması öngörülmüştür. Biyomedikal cihazların tasarımı, hidrojellerin yapı-özellik-tepki ilişkilerinin daha iyi anlaşılması gerektirdiğinden, bu jellerin "hareket ve algılama" gerektiren uygulamalarda kullanılabilmeleri için şişme davranışları ve mekanik özellikleri ile ilgili kesin bilgilere ihtiyaç bulunmaktadır. Bu özelliklerin anlaşılması, biyosensörler için kaplama ve harekete duyarlı cihazların tasarımı için önemli bir etkiye sahiptir. Bu çalışmanın amacı, farklı deneysel koşullar altında akrilat-bazlı kopolimerik hidrojellerin şişme ve elastisite davranışlarının anlaşılması, sentez parametreleri ve elde edilen fiziksel özellikler arasındaki ilişkilerin belirlenmesidir. Jel hazırlama koşullarının, jellerin makroskopik şişme özelliklerini nasıl etkilediği ve jellerin mekanik dayanıklılığının bu koşullar ile nasıl değiştiği araştırma kapsamında ele alınan kritik sorulardır. Bu çalışmada kopolimerik hidrojeller, N,N-dimetilaminoetil metakrilat (DMAEMA) ile Hidroksietil metakrilat (HEMA) monomerinin sulu ortamda dietilenglikol dimetakrilat (DEGDMA) çapraz bağlayıcısının Ammonium persulfate - N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (APS-TEMED) redoks başlatıcı sistemi varlığında serbest radikal mekanizma ile kopolimerizasyonu sonucunda elde edilmiştir. Çıkış monomerlerinin ve diğer deney koşullarının uygun şekilde seçilmesiyle, belirli özelliklere sahip polimerik sistemlerin tasarımının mümkün olduğu ileri sürülmüştür. Poli(N,N-dimetilaminoetil metakrilat-ko-Hidroksietil metakrilat) P(DMAEMA-ko-HEMA) kopolimerik hidrojellerini polimer-su ve polimer-polimer etkileşimleri sonucu meydana gelen pH / sıcaklığa bağlı faz geçiş davranışları incelenmiştir. Kopolimerik hidrojeller, deney koşulları ile şişme ve mekanik özellikleri kontol edilecek şekilde tasarlanmıştır. Kopolimerik jellerin şişme kapasiteleri ve şişme davranışı saf suda, farklı pH değerlerine sahip tampon çözeltilerde ve farklı iyonik şiddete sahip tuz çözeltileri içerisinde incelenmiş olup denge şişme ölçümleri ile karakterize edilmiştir ve sonuçlar Flory-Rehner denge şişme teorisi ile analiz edilmiştir. Hidrojellerin su tutma özellikleri, küçük moleküllerin jel içine difüzyonunda önemli bir etkiye sahip olduğundan, hidrojellerin şişme kinetiği ölçümleri gerçekleştirilmiş ve şişme-büzülme kapasiteleri belirlenmiştir. Solvent moleküllerinin jel içine difüzyonu, kimyasal yapıya, polimer zincirlerinde ve ağyapıdaki hidrofobik-hidrofilik monomer birimlerinin dağılımına bağlı olarak değişim göstermektedir. Farklı miktarlarda HEMA içeren kopolimerik hidrojellerin şişme dengesine ve dinamik şişme-büzülme kinetiğine, şişme ortamının pH ve sıcaklığı gibi deneysel koşulların ve farklı tuzların etkisi incelenmiştir. Hidrojellerin, etkili çapraz bağlanma yoğunluğu, çapraz bağlama verimliliği ve ardışık çapraz bağlar arasındaki segment sayısı gibi karakteristik ağyapı parametrelerinin belirlenmesi için, sentez sonrasında ve şişme dengesine ulaşıldıktan sonra tek eksenli sıkıştırma testleri uygulanmıştır ve Rubber elastisite teorisi kullanılarak jellerin mekanik davranışlarının belirlenmesi sağlanmıştır. P(DMAEMA-ko-HEMA) kopolimerik hidrojelleinin mükemmel yapısal ve mekanik özelliklerinin yanısıra zaman-bağlı şişme davranışlarının kontrol edilebilir olduğu anlaşılmıştır. Hidrojellerin kopolimer bileşiminin değiştirilmesi ile ayarlanabilir fiziko-kimyasal özelliklere sahip olduğu gösterilmiştir. Bu çalışma, akrilat bazlı hidrojellerin şişme oranı, şişme mekanizması, yanıt süresi ve jel mukavemeti derecesinin, kopolimer yapısı, komonomer konsantrasyonu, sıcaklık ve şişme ortamının pH'ı gibi deneysel etkenlerin denetlenerek modüle edilebileceğini göstermektedir. Sonuçlar, aynı zamanda iyileştirilmiş mekanik özellikler gösteren P(DMAEMA-ko-HEMA) hidrojellerinin ilaç ve biyomedikal uygulamalarda moleküllerin/ajanların taşınması için bir su tutucu olarak kullanılabilir olduğunu desteklemektedir. Anahtar Kelimeler: N,N-dimetilaminoetil metakrilat, hidrojel, elastisite, çapraz bağlanma, şişme, difüzyon