Innovative hybrid composite nanomaterials

Dijital aydinlatma ve biyogörüntüleme gelişmekte olan önemli araştırma alanlarındandır. Nanoteknoloji, sunduğu geniş yüzey/hacim oranına sahip, yüksek verimlilikli ve düşük toksisiteye sahip nanoboyuttaki parçacıkların yanı sıra fonksiyonelleşmeyi, verimli kaliteli aydınlatmayı ve gelişmiş biyouyumlu görüntülemeyi mümkün kılması nedeniyle bu uygulamaların merkezinde bulunmaktadır. Optoelektronik ve görüntüleme alanlarında sıklıkla kullanılan, aynı zamanda tümü bu tez kapsamında aydınlatma ve görüntüleme için kolloid yaklaşımlar kullanılarak geliştirilen hibrit kompozitlerde çalışılan nanoparçacıklar (NP) arasında kolloidal yarıiletken kuvantum noktacıklar (KN), kolloidal konjuge polimer nanoparçacıklar ve kolloidal demir oksit nanoparçacıklar (DO NP) yer almaktadır. Işıyan inorganik nanoparçacıklar olarak kolloidal KN'ler, birçok optoelektronik ve biyomedikal uygulamalar için oldukça ilgi çekicidir. Bu yapılar, geniş soğurma bandı, yüksek kuvantum verimliliği ve dar ışıma spektrumu gibi birçok avantaja sahip olmalarına rağmen, kadmiyum içerikli yapıları nedeniyle geri dönüşümleri için ciddi endişeler barındırmaktadırlar. Alternatif olarak, göreceli olarak daha az toksik yapıdaki ışıyan polimer nanoparçacıklar veya oligomer nanoparçacıklar öne çıkmaktadır. Ancak, katı fazda azalan ışıma verimlilikleri ve dayanıklılıkları, bu malzemelerin yaygın katı hal aydınlatma uygulamalarında kullanımları için büyük bir engel teşkil etmektedir. Bu problemlere çözüm olarak bu tezin ilk kısmında katı hal aydınlatmada kullanımları için oligomer nanoparçacıkların yeni hibrit kompozit malzeme sistem tasarımlarını önerdik ve gösterdik. İlk olarak, önermiş olduğumuz kristalizasyon yöntemi ile katı haldeki oligomer nanoparçacıkların ışıma verimliliklerinin ve dayanıklılıklarının istatistiksel olarak anlamlı derecede arttığını gösterdik. Burada, bahsi geçen basit ve ucuz yaklaşım ile oligomer nanoparçacık yekpare taşlar, bu kristallerin tozlarından oluşturulmuştur. Kuvantum noktacıkların kullanımındaki birtakım dezavantajlara rağmen, yüksek kuvantum verimlilikleri ve dar bant ışımaları, bu malzemeleri katı hal aydınlatma için halen çok değerli kılmaktadır. Ancak, düşük katı film verimlilikleri, halen üzerinde durulması gereken önemli bir problemdir. Bu bakış açısıyla, bu tezde, nanoışıyıcıların ışıma kapasitelerinin artırılması amacıyla ışınımsız enerji transferine izin veren KN yüklenmiş kristal matrislerden yararlandık. Antrasin, ilginç bir kristal yarıiletken organik molekül olduğu için antrasini mesken verici ortam olarak ve kristale gömülen KN'leri ise eksiton alıcı olarak kullandık. Burada, antrasin ışıma tepelerinin her birinden kuvantum noktacıklara olan ışınımsız enerji transferini sistematik olarak inceledik. Ayrıca, hazırlanan bu kompozit sistemin ışık yayan diyotlar (LEDs) üzerinde renk dönüştürücü olarak kullanımını ve KN'lerin bu kristal sistemi içerisindeki polarizasyon oranlarının değişimlerini de gösterdik. Bu tez çalışmasının ikinci kısmında, kolloidal nanoparçacıkları kullanarak kontrast malzemesini geliştirdiğimiz manyetik rezonans görüntüleme (MRG), iyi bir yumuşak doku kontrastı sağlayan ve yüksek üç boyutlu çözünürlüğe sahip güçlü bir tanısal cihazdır. Bu yöntem, ilgilenilen bölgenin daha aydınlık görünmesini sağlayan T1- veya daha karanlık görünmesini sağlayan T2-ağırlıklı görüntüler oluşturmaktadır. Süperparamagnetik DO NP'ler, T2-ağırlıklı kontrast ajanlarının önemli bir üyesi olup, düşük toksisite özelliğine sahiptir. Ancak, oluşturdukları karanlık kontrast nedeniyle anatomik detayların ayırt edilmesi konusunda ciddi problemlere neden olmaktadırlar. Bu nedenle T1- ve T2-ağırlıklı özelliklerin tek bir DO üzerinde birleştirilmesi (çift-modlu kontrast) MRG için önemli bir gelişmedir. T1- ve T2-ağırlıklı görüntüleme yeteneğine sahip çift-modlu kontrast ajanlarına duyulan gereksinimi karşılamak amacıyla, bu tezde yükse tekil dağılımlı süperparamagnetik küp DO NP'ler sentezledik. In vivo MRG deneyleriyle birlikte yürütttüğümüz manyetik karakterizasyon çalışmaları, bu nanoparçacıkların çift-modlu görüntüleme için umut vaat edici özelliklerine sahip olduğunu gösterdi. Paramagnetik malzemelerin yüklenmesi veya nanoparçacık boyutunun 5 nm altında olacak şekilde küçültülmesi gibi yaklaşımlar kullanılmadan görülen bu çift-modlu görüntüleme etkisindeki artış, bizi T1 ve T2 relaksasyonlarının DO NP'lerinin boyutuna ve şekline bağlı ilişkisini artırmaya yöneltti. Bu çalışmada, magnetit DO NP'lerin kendiliğinden içlerinde barındırdıkları bir paramagnetik faz olduğunu bulduk. Ayrıca, bu paramagnetik katkının küp yapıdaki nanoparçacıklarda küre şeklindekilere kıyasla daha fazla olduğunu ve tekil dağılıma sahip süperparamagnetik nanoküplerde de bu nedenle çift-modlu görüntüleme etkisinin daha kuvvetli görüldüğünü gösterdik. Anahtar sözcükler: Oligomer nanoparçacıklar, kuvantum noktacıklar, ışık yayan diyotlar (LEDs), ışınımsız enerji transferi (NRET), süperparamagnetik demir oksit nanoparçacıklar (SPIONs), manyetik rezonans görüntüleme (MRG).