Yüksek mekanik dayanıma sahip kendini onarabilen nanokompozit dna hidrojelleri

DNA hidrojelleri, biyo uyumluluk, hacim faz geçişi, moleküler tanıma ve selektif bağlanma gibi DNA'nın ayırt edici özellikleri nedeniyle gelecek vaadeden yumuşak malzemeler sınıfına girmektedir. Bununla birlikte, şimdiye kadar sentezlenen bu tür hidrojeller, mekanik dayanım gerektiren uygulamalarda sınırlı mekanik özellikleri ve düşük boyutsal kararlılığı nedeniyle yetersiz görülmektedir. Buna ek olarak, ileri teknolojik uygulamalar, bir yük uyguladıktan veya dış etmenlerden kaynaklı bir hasar meydana geldikten sonra kendini onarma kabiliyeti gibi daha spesifik özelliklere sahip materyallerin varlığını gerektirmektedir. Sözkonusu bu tez çalışmasında, bu mevcut dezavantajları gidermek ve buna ek olarak sıcaklık duyarlılığına ve kendini iyileştirme kabiliyetine sahip olan yüksek mukavemetli çift sarmal yapılı (ds) DNA hidrojellerinin hazırlanması için yeni bir konsept önermeye odaklanılmıştır. Bahsi geçen hidrojeller, yüksek dolaşıklı halde bulunan, ağırlık/hacim oranı yüzde 2 ila 8 arasında değişen ds-DNA içeren sulu Laponit dispersiyonlarında N-izopropilakrilamid (NIPA) veya N'N dimetilakrilamid (DMAA) monomerinin serbest radikal polimerizasyonu ile sentezlenmiştir. Çift sarmal yapılı DNA'nın kritik örtüşme konsantrasyonu olarak ifade edilen c* değerinin yaklaşık olarak ağırlık/hacim oranı yüzde 0.043 olarak belirtilmiştir. Sentetik nanokil (Laponite XLG® veya Laponite XLS®) partikülleri, kuvvetli kil-polimer etkileşimleri nedeniyle üç boyutlu bir fiziksel ağ oluşturarak dinamik bir çapraz bağlayıcı görevi görür. Çeşitli Laponit miktarlarında hazırlanan hidrojeller, hem kullanılan monomerlerin (poli(N-izopropilakrilamid) ya da, poli(N'N dimetilakrilamid)) hem de ds-DNA'nın özelliklerini, örneğin sıcaklık duyarlılığını, kendi kendini iyileştirme kabiliyetini, yüksek ölçüde tekrarlanabilirliğini, DNA'nın denatürasyonunu ve renatürasyonunu göstermektedir. Sıralanan bu özellikleri gözlemleyebilmek amacıyla bu tez çalışması boyunca sistematik bir dizi deney gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, jelleşme kinetiği ve hidrojellerin ağ yapısının oluşumunu ve oluşan bu yeni jel ağ yapısının iç dinamiklerini anlamak için reometrik ölçümler yapılmıştır. Reometre deneyleri, DNA ve Laponite XLG nin hidrojellerin viskoelastik özellikleri üzerindeki birbirine zıt etkilerini ortaya çıkarmıştır. Deneyler sonucunda sentezlenmiş jel ağ yağısı içinde, XLG bir tür kimyasal çapraz bağlayıcı gibi hareket ederken, elastik modülü arttırıp kayıp faktörünü (tan δ) azaltarak hidrojellerin elastik davranışını geliştirdiği gözlemlenmiştir. Aksine, DNA'nın ise jelin viskoelastisitesine katkıda bulunduğu ve daha düşük bir modül ve daha yüksek bir kayıp faktörü oluşturarak DNA varlığında kil-polimer etkileşimlerinin zayıflattığı gözlemlenmiştir. Üç boyutlu jel ağ yapısının oluşmasının ardından, hidrojellerin mikroyapısı hakkında daha derin bir anlayış elde etmek amacıyla, reometre tarafından izotermal koşullarda ve önceden belirlenmiş bir frekans aralığında frekans tarama testi gerçekleştirilmiştir. Ardışık ölçümler, düşük frekanslarda, nanokompozit DNA hidrojellerinin (NC-DNA), DNA içermeyen klasik nanokompozit hidrojellere (NC) kıyasla daha düşük bir modül ve daha yüksek bir kayıp faktörü sergilediğini göstermiştir. Bu enerji dağılımı, uzun deneysel zaman ölçeklerinde zayıf kil/DNA etkileşimlerine atfedilmiştir. Yüksek frekanslarda ise, "NC-DNA'ların" davranışı NC'lerinkine benzerdir, çünkü 50 nm'lik bir uzunluğuna sahip yarı-esnek ds-DNA, jel ağ yapısı içerisinde yüksek bir frekans ile hareket edememektedir. ds-DNA'nın erime sıcaklığının altında ve üstünde gerçekleştirilen döngüsel ısıtma/soğutma deneyleri ise, fiziksel ağ yapısı içinde termal olarak indüklenen DNA denatürasyon ve renatürasyonuna bağlı olarak nanokompozit DNA hidrojellerin elastik modülünde büyük bir artış olduğunu ortaya koymaktadır. Erime sıcaklığının üzerine çıkacak bir termal enerji uygulayarak DNA sarmallarının kısmi olarak açılması, ve buna bağlı olarak soğuma periyodunda oluşan rastgele hidrojen bağları sistem içerisinde ekstra çapraz bağlayıcı vazifesi görerek sözkonusu modül artışına neden olmaktadır. Sıcaklık duyarlılığını test etmek için jel numuneleri, dinamik modül değişikliklerinin sıcaklığın fonksiyonu olarak izlendiği, 2oC/dk hızında 20 ila 50 oC arasında ısıtılmıştır. PNIPAAM'nın hacim-faz geçiş sıcaklığına karşılık gelen 32 oC'de elastik modül G' hızla artarken, kayıp faktörü tan δ azalır. NC-DNA hidrojellerinin mekanik özellikleri tek eksenli uzama ve sıkıştırma testleri ile 24 ± 1 ° C'de incelenmiştir. Yapılan bu mekanik ölçümler DNA molekülünün termal olarak denatüre/renatüre olmasının makro mekanik etkilerini daha iyi gözlemlemek amacıyla hem termal döngü öncesi hem de termal döngü sonrası olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Beklendiği gibi, termal döngüsünden sonra Young modülünde ve kopma uzama değerinde önemli bir artış gözlenmiştir. Üstelik, NC-DNA hidrojellerinin gerilebilirliği,% 4 ila % 7 veya daha yüksek DNA içeriklerinde % 140 ila 800 arasındadır, fakat DNA içeriğinin azalmasıyla bu gerilebilme (uzayabilme) kabiliyeti önemli ölçüde artmaktadır. Çalışmalar sonucunda % 1100 ila % 1500 arasında bir kopma uzaması sergileyen oldukça gerilebilir hidrojeller % 1-4 aralığında DNA içeren jellerden elde edilebilmiştir. Bu sonuçlar aynı ısıtma-soğutma prosedürünün uygulandığı tek eksenli sıkıştırma testlerinden de elde edilmiştir, ve bu davranış Laponite konsantrasyonundan bağımsızdır. NC-DNA jellerine uygulanan mekanik stress altında gözlemlenen tersinir hidrojen bağ kopmaları, sözkonusu jellerin kendi kendini iyileştirme yeteneklerini ortaya koymaktadır. Örneğin daha önce kesilerek ortadan ikiye ayrılan jel numuneleri kontak haline getirilip 30 dakika boyunca 90 °C'de bekletildikten sonra oda sıcaklığına doğru yavaş soğumaya bırakıldığında, birleşen bu iki parçanın el ile çekilmesiyle ayrılmasının mümkün olmadığı gözlemlenmiştir. 90 °C sıcaklık altında ilgili jelin kendini onarmasıyla beraber Young modülü ve parçalanma/kopma stres değerinin (σf) artması dikkate değer bir özellik olarak göze çarpmıştır. Bu sıradışı davranışa sebep olan faktörün sadece kesilen yüzeylerde değil aynı zamanda tüm jel içerisinde oluşan hidrojen bağları olduğu anlaşılmıştır. Kesik arayüzünde denatürasyona bağlı oluşan tek sarmal yapıdaki DNA zincirleri soğumaya bağlı olarak tersinir bir şekilde yüzeyler arası hidrojen bağları oluşturup kesik yüzeyi onarırken, tüm jel ağyapısı içerisinde bulunan ve kısmen tek sarmal yapıya bürünen DNA zincirleri ise aynı şekilde ekstra çapraz bağlar oluşturarak modül ve kopma dayanım değerlerini normal değerinin üzerine çıkarmaktadır. NC-DNA hidrojellerinin şişme kinetik ölçümleri, hidrojel içerisinde bulunan ds-DNA'nın, başlangıç şişme süreci sırasında kısmen jel ağyapısının içerisinden çıktığının öngörülmesine neden olmaktadır. Şişme sürecinin ilk iki gününe karşılık gelen zaman zarfı içerisinde jel içerisinde mevcut olan DNA'nın fosfat gruplarına ait olan iyonların neden olduğu yüksek ozmotik basınc nedeniyle hidrojel tipik bir polielektrolit gibi davranıp yüksek şişme oranlarına ulaşmaktadır. Bununla birlikte, DNA hidrojelden yavaşça salınırken, iyonik ozmotik basınç azalır, böylece hidrojel belirgin bir şekilde azalmış şişme oranı ile daha az iyonik bir hidrojele dönüşür. Artan DNA muhtevasına bağlı olarak denge şişme derecesinin de artması ve ölçümlerden ortaya çıkan sabit oranda DNA salımının gözlenmesiyle, denge şişme oranında daha yüksek DNA içeriğine sahip jeller de bu sayede sentezlenenbilmektedir. Şişirme işlemi sırasında gözlemlenen bu DNA salma davranışı, gen terapisi tedavi yöntemlerinde ya da DNA taşıyıcıları olarak NC-DNA hidrojellerinden faydalanılmasına olanak sağlayabilmektedir.