Çevresel uyarılara duyarlı yumuşak ve akıllı nanokompozit jeller

Yumuşak ve akıllı jeller, doku yapılarına olan benzerlikleri, değişen ortam koşullarına göre tepki verme özellikleri ve sıvı ortamlarda kullanılmaya uygun olmaları sebebiyle biyomedikal uygulamalar, doku mühendisliği, sensörler ve kas tipi uyarıcılar için çok yönlü ve umut verici bir malzeme sınıfıdır. Bu malzemelerin yapısal özelliklerinin geliştirilerek kullanım alanlarının genişletilmesi ve mevcut uygulamalarda daha kullanışlı hale getirilmeleri büyük önem taşımaktadır. Polimerik jellerin yapısına nanomalzemelerin eklenerek jellerin şişme davranışlarının ve mekanik dayanımlarının geliştirilebilmesi için birçok çalışma yapılmaktadır. Nanomalzemelerin geniş yüzey alanı ve çeşitliliği birçok açıdan malzeme özelliklerine olumlu etki etmektedir. Killer ise şişebilme özellikleri, kolay bulunmaları ve ucuz olmaları gibi avantajları nedeniyle polimerik nanokompozit sentezlerinde yaygın olarak kullanılan nanomalzemelerdir. Değişen kil türü ve kil miktarı ile polimerik jellerin şişme ve mekanik özellikleri geliştirilebilmektedir. Bu tezde, yeni tip yumuşak ve akıllı polimerik jeller ve nanokompozit jeller tasarlanarak polimerik jellerin çevre-duyarlı özellikleri tanımlanmıştır. Polimerik jellerin değişen monomer konsantrasyonu ile yapısal ve çevre-duyarlı özelliklerinde meydana gelen değişimler incelenmiştir. Aynı şekilde nanokompozit jellerin yapısal ve çevre-duyarlı özelliklerindeki değişim, değişen kil konsantrasyonu ile incelenmiştir. Çalışmada hem polimerik hem de nankompozit jelleri sentezlemek amacıyla sıcaklığa ve pH' a duyarlı davranışı sebebiyle N,N-dimetilaminoetil metakrilat (DMAEMA) monomeri kullanılmıştır. Çalışma kapsamında, geniş jel hazırlama konsantrasyonu aralığında sentezlenen zayıf katyonik polielektrolit poli(N,N-dimetilaminoetil metakrilat) (PDMAEMA) bazlı çevresel uyarılara duyarlı jellerin hazırlanması sunulmuştur. Tezin birinci bölümünde, kil içermeyen homopolimerik PDMAEMA hidrojelleri ve kriyojelleri, çapraz bağlayıcı dietilenglikol dimetakrilat (DEGDMA) varlığında ana monomer DMAEMA'ın sulu serbest radikalik çapraz bağlama kopolimerizasyonu ve kriyopolimerizasyonu ile sentezlenmiştir. Polimerizasyon reaksiyonlarını başlatmak için amonyum persülfat (APS) ve N,N,N',N'- tetrametiletilendiamin (TEMED) redoks-başlatıcı sistemi kullanılmıştır. Jellerin uygulama niteliklerini kavrayabilmek amacıyla sudaki, farklı pH çözeltilerinde ve tuz çözeltilerindeki şişme tepkileri, sentez sonrası ve şişme dengesindeki mekanik davranışları ve polimerizasyon sıcaklığının sentezlenen jellerin yapısal özellikleri üzerine etkisi, jel hazırlama konsantrasyonunun fonksiyonu olarak incelenmiştir. Jel hazırlama konsantrasyonuna bağlı olarak değişen yapısal özelliklere (etkin çapraz bağlanma yoğunluğu, çapraz bağlar arasındaki polimer zincirlerinin ortalama molekül ağırlığı, şişme ve elastisite) ait sonuçların birlikte ele alınmasıyla termodinamik parametreler hesaplanmış ve sentez koşulları ile jel ağ yapısına ait parametreler arasındaki ilişki belirlenmiştir. Geniş pH aralığında hazırlanan tampon çözeltilerinde ve farklı konsantrasyonlardaki çeşitli tuz çözeltilerinde gerçekleştirilen salınımlı şişme-büzülme çalışmaları ile kil içermeyen PDMAEMA kriyojel ve hidrojel ağyapıları için etkin difüzyon katsayısı, dinamik şişme profilleri kullanılarak belirlenmiştir. Jellerin oda sıcaklığında sudaki şişme ölçümlerinden faydalanılarak PDMAEMA-su sistemi için polimer-solvent etkileşim parametresi hesaplanmıştır. Ayrıca, sıcaklığın jellerin sudaki şişme davranışına olan etkisini aydınlatmak için farklı sıcaklıklarda jellerin şişme ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma sonuçlarından faydalanarak farklı sıcaklıklarda PDMAEMA-su sistemi için polimer-solvent etkileşim parametresi hesaplanmıştır. Tezin ikinci bölümünde ise, bir dizi polimer-kil nanokompoziti sabit polimer konsantrasyonu ve değişen kil miktarı ile sentezlenmiştir. Nanokompozit jellerin sentezinde, şişebilme özelliğine sahip 2:1 tabakalı kil grubundan montmorillonit kili kullanılmıştır. Montmorillonitin (tabakalı silikat) ara katmanları arasında, çıkış monomeri DMAEMA ve 2-akrilamido-2-metil-propanosülfonik asidin (AMPS) çapraz bağlayıcı DEGDMA varlığında kriyopolimerizasyonu ve serbest radikalik çapraz bağlanma polimerizasyonu ile, APS-TEMED redoks-başlatıcı sistemi kullanılarak hazırlanmıştır. Çeşitli miktarda inorganik MMT kili içeren nanokompozit PDMAEMA/MMT NC-kriyojel ve NC-hidrojeller fourier dönüşüm kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ve X-ışını kırınım yöntemi (XRD) ile analiz edilerek, polimer-kil etkileşimi incelenmiştir. Bu analizler sonucunda, nanokompozit jel oluşumu doğrulanmış ve kilin polimer matrisindeki davranışı aydınlatılmıştır. Sentezlenen PDMAEMA/MMT nanokompozit jellerinin XRD analizleri yorumlanarak, polimer-kil etkileşim türü belirlenmiş ve PDMAEMA/MMT nanokompozit jeller bu etkileşim türüne göre sınıflandırılmıştır. Nanokompozit jellerin yüzey morfolojisinin incelenmesi için taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Kilin, hidrojel ve kriyojellerin şişme ve mekanik davranışlarına olan katkısı yanında, termal dayanım davranışlarına olan katkısının da incelenmesi amacıyla termogravimetrik analizler gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan PDMAEMA/MMT nanokompozit jeller, kilsiz hompolimerik PDMAEMA hidrojeller ve kriyojellerde olduğu gibi tek eksenli sıkıştırma ölçümlerinin yanında şişme ölçümleri ile de karakterize edilmiştir. PDMAEMA/MMT nanokompozit jellerin sudaki, farklı pH çözeltilerinde ve tuz çözeltilerindeki şişme tepkileri, sentez sonrası ve şişme dengesindeki mekanik davranışları, kil miktarının fonksiyonu olarak incelenmiştir. Böylece, kilin ve kil miktarının hidrojel ve kriyojellerin mekanik özelliklerine ve şişme/büzülme davranışlarına etkisi incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Kil içeriğinin nanokompozit jellerin geniş pH aralığında hazırlanan buffer çözeltilerinde ve farklı konsantrasyonlardaki çeşitli tuz çözeltilerindeki denge şişme miktarına olan etkisi incelenmiştir. Ayrıca, pH ve tuz çözeltilerinde gerçekleştirilen şişme-büzülme deneyleri ile PDMAEMA/MMT nanokompozit kriyojel ve hidrojel ağyapıları için etkin difüzyon katsayısı, dinamik şişme profilleri kullanılarak belirlenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda, PDMAEMA/MMT nanokompozit hidrojel ve kriyojellerde, 0.20 ile 3.40 w/v% arasında değişen MMT konsantrasyonları için, nanokompozit PDMAEMA/MMT nanokompozit hidrojel ve kriyojellerin, kil içermeyen PDMAEMA hidrojel ve kriyojellerden daha yüksek şişme oranına ve daha güçlü mekanik mukavemete sahip olduğu bulunmuştur. Özellikle, az miktarda kilin yapıya katılması ile PDMAEMA/MMT nanokompozit kriyojellerin mekanik davranışlarında kayda değer gelişme gözlenmiştir. Kilin polimerik matrise ile katılması PDMAEMA hidrojel ve kriyojellerin yüzey yapılarında değişiklik meydana gelmiştir. Kilsiz hompolimerik PDMAEMA hidrojellerin pürüzsüz yüzeyi kilin varlığıyla pürüzlü bir hal alırken, PDMAEMA kriyojellerin por büyükleri kilin yapıya katılmasıyla artmıştır. Çeşitli pH'larda hazırlanan tampon çözeltilerinde ve farklı konstantrasyonlardaki tuz çözeltilerinde gerçekleştirilen şişme deneyleri sonucunda elde edilen sonuçlar, zayıf yüklü dialkilaminoetil metakrilat bazlı polimer-kil nanokompozit kriyojellerinin pH'a ve iyonik kuvvete bağlı ayarlanabilir şişme davranışı ile ilgili bilgi sağlamıştır ve zayıf bazik karakterli nanokompozit jellerin biyomedikal malzemeler olarak, çalışma kapsamında açıklanan şişme ve mekanik özelliklerini birleştiren uygulamaların geliştirilmesini desteklemiştir.