Çekirdek-kabuk manyetik nanotaneciklerin hazırlanması için poli(vinil pirolidon-B-vinil alkol) çifte hidrofilik blok kopolimer sentezi

Nanoboyutlu malzemelerin sentezi ve stabilizasyonu son yıllarda giderek daha çok çalışmaya konu olmaktadır. Bunlar arasından magnetit nanotanecikler olağanüstü özellikleri ve davranışları dolayısıyla özellikle biyomedikal alanında; hipertermiya yönteminde, MR (Manyetik Resonans) görüntülemede ve ilaç taşıyıcı olarak uygulama bulmuşlardır. Magnetit nanotaneciklerin bu olağanüstü özellikleri süperparamanyetik davranış göstermelerinden ileri gelmektedir. Süperparamanyetik özellik boyuta bağımlı olduğundan taneciklerin nano boyutta olması gerekmektedir. Ayrıca magnetit nanotaneciklerin özelliklerinden yararlanabilmek için uygun kaplamayla oksidasyona karşı korunması ve çözeltide kararlı dispersiyon oluşturması sağlanmalıdır. Polimer kaplı magnetit nanotanecikler, boyutlarının kontrol edilebilmesi ve biyouyumlu malzemelerle kaplanabilmeleri ile biyolojik bir sistemde, istenilen bölge ile etkileştirilebilmeyi mümkün kılmaktadır. Bunun yanı sıra magnetit nanotanecikler, harici bir manyetik alan ile kontrol edilebilmeleri de mümkündür. Söz konusu kontrol mekanizmasının işleyebilmesi için magnetit nanotaneciklerin süperparamanyetik özellik göstermesi gerekmektedir. Kısaca açıklamak gerekirse, magnetit nanotaneciklere harici bir manyetik alan uygulandığında hızlıca manyetize oldukları gibi, manyetik alan ortadan kalktığında, herhangi bir manyetik artık taşımazlar. Bu özellik boyuta bağımlı olduğundan nanotanecik boyutunun genellikle, 100 nm ve altında olması gerekmektedir. Bu boyut aralığındaki nanotanecikler, daha büyük magnetlerde olduğu gibi çoklu bölgelere sahip değildir. Aksine, tek bir manyetik bölgeleri vardır ve "tek süper spin" davranışına sahiptirler. Yani, manyetik alan uygulandığında büyük magnetlere göre çok daha hızlı tepki verirler. Bu özelliklerinden dolayı biyolojik sistemlerde yönlendirilmeleri oldukça kolaydır. Magnetit nanotaneciklerin biyolojik sistemler ile uyumlu çalışabilmeleri için biyo uyumlu polimerik veya küçük moleküller ile kaplanmış olmaları gerekmektedir. Bu gereklilik, gerek kolay okside olabilmeleri, gerekse suda dispersiyonlarının sağlanması açısından oldukça elzemdir. Ayrıca, bu kaplamaların istenilen ilaç aktif maddeler ile fonksiyonlandırılması, söz konusu ilaçların biyolojik bir sistem içerisinde sadece hedeflenen bölge ile etkileştirilmesini mümkün kılmaktadır. Poli(N-vinil pirolidon) ve poli(vinil alkol) gibi biyouyumlu polimerlerin kopolimerlerinin özellikle biyomedikal uygulamalarda önemli bir yere sahip olduğu bilinmektedir. Bu proje çalışmasında, poli(vinil pirolidon-b-vinil alkol) kaplı magnetit nanotanecikler Fenton reaksiyonu ile çaprazbağlanma ve polimer kaplanmanın eşzamanlı olarak oluştulmasıyla elde edilmiştir. Blok kopolimerler öncelikle poly(vinil pirolidon-bvinil asetat) olarak amfifilik blok kopolimerlerin sentezi için oldukça uygun bir yöntem olan tersinir katılma-parçalanma zincir transferi (RAFT) polimerizasyonu ile sentezlenmiştir. Blok kopolimerlerin vinil asetat zinciriyle sentrezlenmesi ise vinil alkol monomerinin var olmamasından ileri gelmektedir. O nedenle bu çalışmada, vinil alkol segmentleri vinil asetat gruplarının direkt hidroliz edilmesi ile oluşturulmuştur. Laboratuvar çalışmaları sırasında, polimer kaplı magnetit nanotaneciklerin eldesi için iki farklı yol izlenmiştir (Seri A ve Seri B). Öncelikle bahsedilen polimerler RAFT ajanı, fenasil morfolin ditiyokarbamat, varlığında kontrollü olarak polimerleştirilmiştir. Seri A'da, öncelikli olarak poli(N-vinil pirolidon) zincirleri elde edilmiştir. Elde edilen bu makro zincir transfer ajanı, farklı oranlarda vinil asetat ile polimerleştirilerek farklı zincir boyutlarında blok kopolimerler elde edilmiştir. Daha sonra metanoliz ile vinil asetat segmentleri hidroliz edilip poli(N-vinil pirolidon-bvinil alkol) polimeri elde edilmiştir. Son olarak, polimerler Fenton reaksiyonu ile aynı anda çapraz bağlanırken magnetit (Fe3O4) nanotaneciklerin oluşturulması sağlanmıştır. Bu yöntemde amaç, kabuk yoğunluğu sabit tutulurken, çapraz bağ yoğunluğuna bağlı olarak çekirdek boyutunun değişiminin kontrol edilmesidir. İkinci yöntemde ise, makro zincir transfer ajanı olarak vinil asetat polimeri sentezlenerek bu zincir üzerinden N-vinil pirolidon bloğunun polimerleşmesi devam ettirilmiştir. Sonraki basamaklar (vinil asetat hidrolizi ve akabinde Fenton reaksiyonu ile çapraz bağlanma ile magnetit nanotanecik oluşumu) ilk yöntem ile aynıdır. Bu yöntemin denenmesindeki amaç ise, çapraz bağ yoğunluğu sabit tutulurken (çekirdek), kabuk yoğunluğunun değiştirilmesidir. Bu sayede magnetit nanotaneciklerin boyutlarının ayarlanmasında hangi parametrenin baskın olduğu yorumu yapılabilmiştir. Fenton reaksiyonu ile vinil alkol segmentlerinin çaprazbağlanması sağlanırken, eşzamanlı olarak magnetit nanotaneciklerin kaplanması amaçlanmıştır. Bu işlemde demir tuzlarının (II/III) polimer matrisi içerisinde hapsedilmesi sağlanmıştır. Daha sonra demir tuzları amonyak ile magnetit (Fe3O4) ve maghemit (γ-Fe2O3) gibi manyetik özellik gösteren demir bileşiklerine polimerik kaplama içerisinde dönüştürülmüştür. Bu prosedür akabinde istenilen manyetik nanotanecikler elde edilmiştir. Her sentez basamağında elde edilen ürünler çeşitli analiz yöntemleri ile karakterize edilmiştir. Polimerizasyon basamakları arasında, bütün polimerler 1H NMR (Nükleer Manyetik Rezonans) ve FT-IR (Fourier Dönüşümlü İnfrared Spektrofotometre) ile, blok kopolimerler 13C NMR ile analiz edilmiş, GPC (Jel Geçirimli Kromatografi) ile molekül ağırlığı ve PDI (Polidispersite İndeksi) değerleri saptanmıştır. Magnetit nanotaneciklerin boyut ve şekilleri ise DLS (Dinamik Işık Saçılımı) ve TEM (Geçirimli Elektron Mikroskopu) ile belirlenmiştir. Son olarak magnetit nanotaneciklerin polimer/magnetit oranları ve kararlılıkları TGA (Termogravimetrik Analiz) ile belirlenmiştir. Uygulanan DLS analizleri ile magnetit nanotaneciklerin nanoboyutta olduğu saptanmıştır. Magnetit nanotaneciklerin boyutlarının değişen PVA zincir uzunlukları ile değiştiği de gözlemlenmiştir. Bunun yanı sıra, çaprazbağ yoğunluğu veya PNVP zincir uzunluğunun magnetit nanotanecik boyutu üzerinde herhangi bir etkisi olduğu beklendiği üzere gözlemlenmemiştir. Bu bulgular, TEM ve SEM (Tarayıcı Elektron Mikroskopu) görüntüleri ile de desteklenmiştir. TEM görüntüleri, polimer ve magnetit bölgeleri arasındaki kontrast farkı sebebiyle, magnetitlerin polimer matrisi içerisinde oluştuğunu kanıtlar niteliktedir. Bu görüntülerde, polimer kaplamalar açık renkli olarak görülürken, magnetit nanotanecikler koyu noktalar halinde görülmektedir. Son olarak, TGA termogramlarından, polimer kaplı magnetit nanotaneciklerin organik ve inorganik madde madde miktarları elde edilmiştir. Yüksek sıcaklıkta yanmayan kalıntı, polimer içerisindeki magnetit miktarını göstermektedir. Ancak, deneysel data beklenenin aksine 1H NMRdan zincir uzunluklarına bağlı olarak hesaplanan magnetit miktarından fazla olarak bulunmuştur. Bu durum polimerlerin azot atmosferi altında yanma isteksizliğine bağlı olarak zift benzeri bir yapı oluşturmasından kaynaklanmaktadır. Yanmamış bu kalıntı inorganik kalıntı ile birleşerek daha yüksek yüzde magnetit miktarı ortaya çıkarmaktadır. Buna rağmen termogramlar inorganik kalıntı ile magnetit nanotaneciklerin varlığını göstermektedir.