İyonik olmayan çift-ağyapılı poliakrilamid  hidrojellerinin sentezi ve mekanik özellikleri
Synthesis and mechanical properties of non-ionic polyacrylamid double-network hydrogels
Yazar: BAHADIR UĞUR ALTUN
Danışman: PROF. DR. OĞUZ OKAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Hidrojeller fiziksel ya da kimyasal çapraz bağlarla oluşan, suda çözünmeyen ancak su absorplayabilen hidrofilik üç boyutlu polimer ağ yapıların suda şişmeleri ile oluşan malzemelerdir. Su absorplama yeteneği polimerin tipine ve çapraz bağlanma derecesine göre değişir. Hidrojeller endüstriyel alandaki potansiyel uygulamaları nedeniyle gittikçe artan bir öneme sahip olmuşlardır. Bu polimerler suların saflaştırılması ve ayrılmasında membran hazırlanmasında,   kontak lenslerde,   tarımda,   gıda endüstrisinde,  tıp ve biyoteknoloji alanında kullanılmaktadırlar. Hidrojeller geniş uygulama alanlarına sahip olmalarına rağmen mekanik dayanımlarının yetersiz olması büyük bir dezavantajdır. Mekanik performansı iyi, yüksek derecede tok malzemeler geliştirmek için dünyada halen devam eden pek çok çalışma bulunmaktadır.
Üstün mekanik özelliklere sahip hidrojellerin geliştirilmesi, hem mevcut hemde potansiyel uygulama alanlarında büyük önem taşımaktadır. Özellikle sentetik hidrojeller çok az bir kuvvet altında dahi kolayca parçalanır. Hidrojellerin çok zayıf olan mekanik performanslarının başlıca nedeni,  jel ağyapısı içerisinde yapı bütünlüğünü sağlayan ve uygulanan kuvveti ağyapısının tamamına yayabilecek mekanizmanın bulunmaması ve bunun sonucu olarak da jel içinde kırılmanın kolaylıkla gerçekleşmesidir.  Yüksek mekanik dayanıma sahip bir jel elde edebilmek için jel içerisinde etkin bir enerji dağılım mekanizmasının yaratılması gerekmektedir. 
Bu bağlamda mekanik performansı yüksek jellerin elde edilmesindeki tekniklerden bir tanesi iç içe geçmiş ağ yapılardan (Interpenetring network-IPN) oluşan çift ağyapılı jellerdir. Uygulanan kuvvetin ikinci ağyapı tarafından dağıtılmasıyla çok üstün mekanik özellikler görülebilmektedir.
Çift-ağyapılı hidrojellerin sentezleri üzerine son yıllarda yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Tüm bu çalışmalarda, çift-ağyapılı hidrojeli oluşturan birinci ağyapı, ikinci ağyapıyı oluşturacak monomer çözeltisini yeterli derecede emebilmesi için, iyonik bir polimerden elde edilmektedir. Dolayısıyla, biyomedikal alanda geniş bir uygulama alanı bulabilecek iyonik olmayan ve aynı zamanda üstün mekanik özellikler gösterebilen çift-ağyapılı hidrojeller sentezlenememiştir.       
Bu çalışma kapsamında mekanik dayanımı yüksek, iyonik olmayan çift-ağyapılı jellerinin sentezi amaçlanmıştır. Jel sentezinde çapraz bağlayıcı olarak N,N?metilenbis(akrilamid) (BAAm) ve polietilen glikol dimetakrilat (DMA-9) kullanılmış olup çapraz bağlayıcı tipinin jellerin özelliklerine etkileri ortaya çıkarılmıştır. Çapraz bağlayıcı tipinin jellerin özelliklerine büyük bir etkisi vardır.  Bilindiği üzere, çapraz bağlardan oluşan hidrojellerde çapraz bağ noktaları arasındaki uzaklık sabit olmayıp dağılım göstermektedir. Ayrıca jel oluşumu esnasında kullanılan çapraz bağlayıcı moleküllerinin tümü yapıya girip etkin çapraz bağ oluşturmaz; önemli bir kısmı halka oluşumu ve çok-katlı çapraz bağlanma reaksiyonları gibi yan reaksiyonlarda harcanır. Bunun sonucunda jel içindeki çapraz bağ yoğunluklarında dalgalanma söz konusu olup, bazı bölgelerde daha yoğun, bazı bölgelerde daha az yoğun olarak bulunur. Yapısal inhomojenite olarak bilinen bu özellik jellerin mekanik performansını ciddi ölçüde azaltmaktadır. Dolayısıyla bu çalışma kapsamında çift-ağyapılı hidrojellerin özelliklerine çapraz bağlayıcı tipinin etkisi de incelenmiştir.
Tez çalışmaları kapsamında hem tek-ağyapı ve hemde çift-ağyapılı jeller sentezlenmiş, şişme ve elastik davranışları belirlenmiştir.  Diğer yandan yapısal inhomojenite dereceleri statik ışık saçınımı tekniği ile incelenmiştir. İyonik grup içermeyen  tek ve çift-ağyapılı poliakrilamid (PAAm) hidrojelleri farklı konsantrasyonlarda BAAm ve DMA-9 çapraz bağlayıcıları ile elde edilmiştir. Elde edilen jellerin şişme davranışları, mekanik özellikleri ve inhomojeniteleri mukayese edilmiştir.
Çalışmanın ilk bölümünde tek-ağyapılı jellerin özellikleri tartışılmıştır.  Başlangıç monomer konsantrasyonu sabit (10 ağ/h %) tutularak, farklı çapraz bağlayıcı  konsantrasyonlarında elde edilen iyonik grup içermeyen tek-ağyapılı PAAm hidrojellerinin şişme ve elastik davranışı, inhomojenite derecesi ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Serbest radikalik mekanizması ile gerçekleşen reaksiyonlarda redoks başlatıcı sistemi olarak amonyum persülfat (APS) ve N,N,N',N'- tetrametiletilendiamin (TEMED) kullanılmıştır. APS başlatıcı görevi görürken TEMED hızlandırıcı işlevi görmektedir.
Şişmiş ve sentez sonrası elastisite ölçümlerinden, BAAm çapraz bağlayıcısı ile elde edilen jellerin DMA-9?a oranla daha yüksek elastik modüle sahip olduğu gözlenmiştir. Kullanılan çapraz bağlayıcı DMA-9 ın BAAm e oranla daha az etkin çapraz bağlayıcı olduğu, büyük miktarının çok katlı çapraz bağlanma ve halka oluşumu reaksiyonlarına harcandığı saptanmıştır. 
Işık saçınım ölçüm sonuçlarından  polimer  jellerinin,  polimer  çözeltilerinden  daima  daha  fazla  ışığı   saçtığı bulunmuştur.    Jellerde  gözlenen  bu  fazla  saçınım  intensitesi  çapraz  bağlayıcı konsantrasyonu arttıkça belirgin bir  şekilde artmaktadır. 
Işık saçınım intensitelerinden Debye Bueche teorisi yardımıyla inhomojen  bölgelerin  boyutları    (ksi)    ve  konsantrasyon  dalgalanmalarının  kareleri ortalaması  (etakare) değerleri hesaplanmıştır.
İkinci bölümde ise, ilk bölümde elde edilen tek-ağyapılı jellerin akrilamid (AAm) çözeltilerinde şişirilmeleri ile çift-ağyapılı PAAm hidrojelleri hazırlanmış ve çapraz bağlayıcı türünün mekanik özelliklere ve inhomojeniteye etkileri kıyaslanmıştır. İkinci ağ yapıyı oluşturan çözeltilerde çapraz bağlayıcı bulunmayıp, termal başlatıcı olarak potasyum persülfat (KPS) kullanılmıştır. 
Üstün mekanik dayanıma sahip çift-ağyapılı hidrojellerin geliştirilmesinde; tek ağyapının yüksek çapraz bağlayıcı konsantrasyonunda elde edilmesi ve ikinci ağyapının birinci ağyapıya mol oranın (n21) yüksek olması gerektiği bulunmuştur. Diğer yandan bu çalışma kapsamında çapraz bağlayıcı tipinin de çift-ağyapılı jellerin mekanik özelliklerinde önemli etkisi olduğu ortaya çıkarılmıştır. 
DMA-9 ile sentezlenen çift-ağyapılı jellerin BAAm?le sentezlenen jellere oranla çok daha üstün özellikler gösterdiği belirlenmiş ve literatürde ilk olarak çapraz bağlayıcının çift-ağyapılı jellerin mekanik özelliklerinde önemli etkisi olduğu ortaya konulmuştur.
DMA-9  ile sentezlenen jeller ikinci ağyapı çözeltisini daha çok emebildikleri için daha yüksek n21 değerine ulaşmakta ve bunun sonucu olarak üstün mekanik özellikler göstermektedir. Örneğin, molce % 4,0 DMA-9 ile sentezlenen çift-ağyapılı jel, aynı şartlarda sentezlenen tek-ağyapılı jele kıyasla mekanik dayanımı yaklaşık 46 kata kadar artarken, BAAm ile sentezlenen, molce %2,0 BAAm ile sentezlenen çift ağyapılı jelde ise 18 kat iyileşme gözlenmiştir.
Yapılan tek eksenli döngüsel sıkıştırma testleri ile çift-ağyapılı jellerde önemli bir histeresis enerjisinin birinci döngüde ortaya çıktığı ve birinci döngü sonunda bir kısım bağların kendini feda ederek yapı bütünlüğünü koruduğu görülmüştür. Bunun sonucu olarak birinci döngüde, diğer döngülere kıyasla çok daha yüksek histeresis enerjileri ölçülmüştür. Çift-ağyapılı jellere özgü olan bu davranış, çift-ağyapılı jellerin neden üstün mekanik özelliklere sahip olduğunu açıklamaktadır.
Işık saçınım ölçüm sonuçlarından  hem DMA-9  hemde BAAm çapraz bağlayıcısı ile sentezlenen çift-ağyapılı PAAm hidrojellerinde artan mekanik dayanıma paralel olarak saçınan ışık intensitelerinde azalma gözlenmiştir. Debye Bueche teorisi yardımıyla hesaplanan inhomojen  bölgelerin  boyutlarının (ksi) hızla büyüdüğü, konsantrasyon  dalgalanmalarının  kareleri ortalaması  (etakare) değerlerinin ise hızla azaldığı görülmüştür. 
Mekanik dayanımın artması sonucu hem dayanıklı hem de daha homojen jeller elde edilmiştir.

Abstract:
Hydrogels are soft and smart materials with a wide range of applications such as tissue engineering, separation and chromatography, drug release, sensors, and actuators.  Hydrogels may be prepared by various techniques, however the most common synthetic route is the free-radical crosslinking copolymerization of a hydrophilic monomer such as acrylamide (AAm) with a small amount of a cross-linker, e.g., N,N'-methylenebis(acrylamide) (BAAm).  Although synthetic hydrogels resemble natural biological soft materials, their mechanical properties greatly differ from those of biological gels.  For example, conventional hydrogels are normally very brittle when handled in the swollen state, which limits their technological applications.  
This feature originates from the very low resistance of chemical hydrogels to crack propagation due to the lack of an efficient energy dissipation mechanism in the gel network.  Moreover, in contrast to the ideal gels with a homogeneous distribution of crosslinks throughout the gel sample, real gels always exhibit an inhomogeneous crosslink density distribution, known as the spatial gel inhomogeneity.  Such inhomogeneity in the final materials is undesirable for applications because structural inhomogeneity results in a dramatic reduction in the strength of the crosslinked materials. Since the gel inhomogeneity is closely connected to the spatial concentration fluctuations, scattering methods such as light scattering, small-angle X-ray scattering, and small-angle neutron scattering have been employed to investigate the spatial inhomogeneities.  The gel inhomogeneity can be manifested by comparing the scattering intensities from the gel and from a semi-dilute solution of the same polymer at the same concentration.  The scattering intensity from gels is always larger than that from the polymer solution.  The excess scattering over the scattering from polymer solution is related to the degree of the inhomogeneities in gels.
To obtain a hydrogel with a high degree of toughness, one has to increase the overall viscoelastic dissipation along the gel sample by introducing dissipative mechanisms at the molecular level.  A number of techniques for toughening of gels have recently been proposed including the double network gels, topological gels, nanocomposite hydrogels, and cryogels.  Double-network (DN) gels have drawn much attention as a material with both a high water content and high mechanical strength and toughness.  DN gels consist of two types of polymer components with opposite physical natures: the minor component is highly cross-linked polyelectrolytes and the major component comprises of poorly cross-linked or linear neutral polymers.  The former and the latter components are referred to as the first network and the second network, respectively, since the synthesis should be done in this order.  DN gels exhibit excellent mechanical performances, i.e., they  possess hardness (elastic modulus of 0.1-1.0 MPa),  strength (failure tensile nominal stress 1-10 MPa, strain 1000-2000%; failure compressive nominal stress 20-60 MPa, strain 90-95%), and toughness (tearing fracture energy of 100 - 1000 J/m2).  Extensive research has been conducted in recent years to understand the toughening mechanism of DN gel.  Studies have shown that the highly cross-linked first network serves as a "sacrificial bond" during fracture.  Thus, the first network creates an energy dissipation mechanism preventing growth of a microscopic crack to macroscopic level.  
Conventional DN gels are synthesized via a two-step network formation process. The first gel is synthesized and immersed in a solution of the second monomer, and then the second monomer is polymerized within the first gel. If a polyelectrolyte is used as the first gel, it swells to a considerable extent in the monomer solution owing to the high osmotic pressure, resulting in a highly extended rigid first network in the final swollen gel.  As a consequence, the second network content of the final DN is much greater than that of the first network.  In contrast, when neutral gels are used to create first network, they show poorer swelling ability in the second monomer solution, so that the resulting DN gel has very low toughness. Hence, the candidate materials for the rigid first network in tough DN gels are limited to polyelectrolyte gels.
Within the framework of this thesis, we developed a general method and applied it for the successful synthesis of tough DN gels by using neutral hydrogel to create the first network. Since the key to the development of such a strong DN gel is making the neutral first network rigid while maintaining its concentration low, we attempted to expand this network by using a cross-linker with very low crosslinking efficiency.  For this purpose, gelation reactions were carried out in the presence of polyethylene glycol dimethacrylates (DMA-9) as the cross-linker in the preparation of the first network.  
The results were compared with those obtained using the conventional cross-linker N,N'-methylenebis(acrylamide) (BAAm).  Free-radical crosslinking copolymerization of acrylamide (AAm) monomer and DMA-9 or BAAm  cross-linker was carried in an aqueous solution at 25oC in the presence of ammonium persulfate (4.39 mM) - N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (0.025 v/v %) redox initiator system.  The initial monomer concentration was kept constant at 10 % while the cross-linker concentration was varied over a wide range up to the onset of turbidity in the gelation system.  After the preparation of the first non-ionic polyacrylamide (PAAm) gel, it was immersed in aqueous AAm solutions of various concentrations, containing potassium persulfate (37 mM) initiator.  After equilibrium swelling, the second network was created within the first network by conducting the polymerization reactions at 60oC for one day.  
The results show that the first gels prepared using DMA-9 exhibit much lower moduli of elasticity as compared to those formed using the conventional BAAm cross-linker.  Calculations show that the crosslinking efficiency of DMA-9 is around 6 %, that is, only 6 % of the cross-linker in the feed form effective crosslinks while the rest is consumed in cyclization and multiple crosslinking reactions.  In contrast, the crosslinking efficiency of BAAm is between 20 and 100 % and, it increases as the concentration of BAAm is increased.  As a consequence,  the first gels formed using DMA-9 exhibited a much larger swelling ratios in the second monomer solutions as compared to those formed using BAAm.
Light scattering measurements were carried out on the first gels prepared at various DMA-9 and BAAm concentrations.  Excess scattering intensities from gels Rex(q) were calculated as Rex(q) = Rgel(q) - Rsol(q), where Rgel(q) and Rsol(q) are the Rayleigh ratios for gel and polymer solution, respectively.  It was found that the gels scatter much more light than the corresponding polymer solution of the same concentration.  The excess scattering from gels increased with increasing DMA-9 or BAAm content.  Since Rex(q) is a measure of the spatial inhomogeneity in a gel, this indicates that the PAAm gel becomes more inhomogeneous with increasing cross-linker concentration.  However, as compared to the gels formed using BAAm, those formed using DMA-9 exhibited a much larger degree of spatial inhomogeneity.
DN gels derived from the first gels described above were characterized by uniaxial compression and cyclic compression tests as well as by light scattering measurements.  
The results show that two factors are prime important for the enhancement of the mechanical properties of DN gels.  These are the cross-linker concentration used to prepare the first network and, the second network content of the DN.  Increasing cross-linker concentration of the first gel or, increasing the second network content of DN also increased the strength and toughness of DN hydrogels.  
Moreover, a significant improvement in the mechanical performance of DN gels was observed if DMA-9 was used as a cross-linker in the preparation of the first network.  At a molar ratio of second-to-first network of 2.4 and at 4 % DMA-9 concentration, DN hydrogels sustain up to 4 MPa compressions at 98 % strain.  
The results also show that DN gels are much more homogeneous than the corresponding first gels and the degree of inhomogeneity further decreases as the second network content is increased.