Gama ışınları ile başlatılan raft polimerizasyonu ile poli(akrilik asit) (PAA) - poli(n-vinil pirolidon) (PVP) blok kopolimerlerinin sentezi ve nanojellerinin hazırlanması
Synthesis of poly(acrylic acid) (PAA) - poly(n-vinyl pyrrolidone) (PVP) block copolymers by gamma ray initiated raft polymerization and preparation of their nanogels
Yazar: SEMİHA DUYGU SÜTEKİN
Danışman: PROF. DR. OLGUN GÜVEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Poli (akrilik asit) (PAA) biyouyumlu ve polielektrolit yapısı ile özellikle akıllı jel olarak oldukça dikkat çeken bir polimerdir. PAA, sulu çözeltilerinde pH<4 koşulunda karboksilat gruplarının protonlanmasıyla çökme eğilimi gösterir ve çözünürlüğü azalır. pH>4 koşulunda ise karboksilat grupları proton kaybeder ve bu nedenle polimer zincirleri genleşir ve yapı şişer. Bu jellerin pH ve iyonik şiddet değişimlerine karşı gösterdikleri şişme ve büzülme tepkileri geri dönüşümlüdür. Poli(N-vinil pirolidon) (PVP) ise antijenik olmaması, biyouyumlu, biyobozunur özelliğe ve düşük toksisiteye sahip olması nedeniyle FDA tarafından onay alan bir sentetik polimerdir. Bu nedenle bu ikilinin oluşturduğu blok kopolimerlerden nanojel sentezi gelecekteki uygulamalar için oldukça önemlidir. Bu çalışmada literatürde oldukça ilgi çeken PAA ve PVP polimerlerinin radyasyon başlatıcılı kontrollü blok kopolimer sentezi ve farklı amfifilik özellikte nanojellerinin sentezi amaçlanmıştır.
PAA-b-PVP blok kopolimerine ulaşmak amacıyla önce RAFT yöntemi ile dar dağılıma (dispersiteye) sahip Poli(tert-bütil akrilat) (PtBA) homopolimerinin sentezi 2-(dodesiltiyokarbonotiyoiltiyo)-2-metilpropiyonik asit (DMPA) tritiyokarbonat RAFT ajanı varlığında kontrollü olarak gerçekleştirilmiş, PtBA homopolimerinin makroRAFT ajanı olarak kullanılarak VP ile reaksiyonu sonrasında yeni tip amfifilik PtBA-b-PVP kopolimerinin sentezi sağlanmıştır. PtBA-b-PVP kopolimerinin hidrolizi ile de çift hidrofilik PAA-b-PVP ve üçlü amfifilik (PtBA-ko-PAA)-b-PVP kopolimerinin sentezlenmiştir. Kopolimerlerdeki blok oranları (PAA/PVP, PtBA/PVP) elementel analiz ve NMR-spektroskopisi ile kantitatif olarak bulunmuştur.
Paralel çalışmalarda ise doğrudan PAA'in homopolimerleri DMPA ve ksantat bazlı O-etil-S-(1-metoksikarbonil)etil ditiyokarbonat (RA1) RAFT ajanı varlığında elde edilmiş ve VP ile blok kopolimerizasyonu sağlanmıştır. Tüm polimerizasyonlarda RAFT mekanizması kontrollü ilerlemekle beraber farklı RAFT ajanlarının homo ve kopolimerizasyona etkisi incelenmiştir. Gerçekleştirilen tüm RAFT polimerizasyonlarında [monomer]/[zincir transfer ajanı (ZTA)] oranı azaldıkça polimerizasyonun daha kontrollü gerçekleşmesi ile dispersite ve molekül ağırlığı değerlerinde düşüş gözlenmiştir. Bu da söz konusu monomerlerin RAFT mekanizmasının düzgün yürüdüğünü kanıtlamaktadır. Ancak RA1 veya DMPA ile gerçekleştirilen PAA ve PAA-b-PVP sentezlerinde DMPA ile RAFT polimerizasyonunun çok daha kontrollü bir şekilde ilerlediği dispersite ve ulaşılan %dönüşüm değerlerinden gözlenmiştir. Bu sonuçlar radyasyonla başlatılan RAFT polimerizasyonu ile PtBA, PAA, PtBA-b-PVP, (PtBA-ko-PAA)-b-PVP ve PAA-b-PVP yapılarının kontrollü bir şekilde sentezlendiğini göstermektedir.
PtBA ve PtBA-b-PVP yapılarından yola çıkarak kontrollü hidrolizler gerçekleştirilmiş ve yeni tür PtBA-ko-PAA ve (PtBA-ko-PAA)-b-PVP yapıları sentezlenmiştir. Yapıların karakterizasyonu spektroskopik yöntemlere ek olarak temas açısı ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) ölçümleri ile desteklenmiştir.
(PtBA-ko-PAA)-b-PVP, PAA-b-PVP'un sulu ortamdaki yumak boyutu ve zeta potansiyelleri Dinamik Işık Saçılması (DLS) yöntemiyle analiz edilmiştir. Sulu ortamda yapıda bloklar arası etkileşim baskın olduğundan boyut dağılımının geniş olduğu ve çözünürlüğün düştüğü gözlenmiştir. Bu problemleri gidermek için yüksek pH'ta ve 0,25 Aseton/su ortamında çözeltiler hazırlanmış ve monodispers yumaklar elde edilmiştir. Bu çözeltiler ışınlanarak 23-151 nm aralığında nanojeller elde edilmiştir. Nanojellerde yapıdaki PAA oranı arttıkça pH'a duyarlılık artmış ve yüksek pH'larda PAA yapısındaki karboksilik asit gruplarının deprotone olması ile itişmeler gerçekleşerek nanojel yapılarının şiştiği ve ayrıca zeta potansiyelin arttığı DLS sistemi ile belirlenmiştir. Sonuç olarak birbirinden oldukça farklı polielektrolit davranış gösteren ve %18 – %82 oranında PAA oranına sahip nanojeller sentezlenmiştir. Nanojellerin boyutları DLS yöntemine ek olarak atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile de analiz edilmiştir.

Abstract:
PAA is a highly remarkable polymer due to it's biocompatible and polyelectrolyte structure. In its aqueous solutions PAA tends to precipitate with the protonization of carboxylate groups at pH<4, and at pH>4 carboxylate groups deprotonate hence polymer chains expand and the structure swell. These gels show reversible expansion and contraction upon the changes in pH and ionic strength. Poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) is an FDA proved polymer because of its non-antigenic, biocompatible and biodegradable structure with low toxicity. Therefore it is highly important to synthesize nanogels from the block copolymers of these two for future applications. In this study it is aimed to synthesize block copolymers of PAA and PVP in a controllable manner with radiation induced RAFT polymerization and to synthesize their nanogels having different amphiphilic behaviour.
A controlled synthesis of monodisperse PtBA homopolymers were performed in order to obtain PAA-b-PVP block copolymers in the presence trithiocarbonate based 2-(Dodecylthiocarbonothioylthio)-2-methylpropionic acid (DMPA). PtBA homopolymer was used as a macroRAFT agent for the reaction with VP and the synthesis of novel amphiphilic PtBA-b-PVP copolymers were achieved. Upon the hydrolysis of PtBA-b-PVP copolymers double hydrophilic PAA-b-PVP and triple amphiphilic (PtBA-co-PAA)-b-PVP copolymers were synthesized. Copolymers' block ratio (PAA/PVP, PtBA/PVP) was quantitatively evaluated by element analysis and NMR-spectroscopy.
In parallel studies PAA homopolymers were synthesized with further block copolymerization with VP to directly synthesize PAA-b-PVP stuctures in the presence of DMPA and xanthate based O-ethyl-S-(1-methoxycarbonyl)ethyl dithiocarbonate (RA1) RAFT agent. Moreover the effect of different RAFT agents were investigated. In all the RAFT polymerizations molecular weight and dispersity values were decreased as [monomer]/[chain transfer agent (CTA)] ratio was lowered. This also proves that RAFT mechanism works properly for all the monomers. However, RAFT polymerization for PAA and PAA-b-PVP was proceeded in a more controlled manner for the polymerization in the presence of DMPA. This was confirmed by dispersity and %conversion values. These results show controlled synthesis of PtBA, PAA, PtBA-b-PVP, (PtBA-co-PAA)-b-PVP and PAA-b-PVP can be maintained by radiation induced RAFT polymerization.
Based on PtBA and PtBA-b-PVP structures controlled hydrolysis studies were performed and PtBA-co-PAA ve (PtBA-co-PAA)-b-PVP structures were synthesized. The structural changes were supported by differential scanning calorimetry (DSC) analyses in addition to spectroscopic methods.
Coil size and zeta potential of (PtBA-co-PAA)-b-PVP, PAA-b-PVP were analyzed by Dynamic Light Scattering (DLS). It was observed that size distributions were broad and solubility was also low in aqueous solutions due to interactions between blocks. In order to overcome these problems solutions were prepared at high pH and in 0,25 Ac/water medium and monodisperse coils were obtained. These solutions were irradiated and nanogels with sizes of particle sizes of 23-151 nm were obtained. The pH sensitivity of nanogels were increased by the increase in PAA amount and swelling of nanogels by the repulsion of deprotonated carboxylic acid groups in PAA structure was defined by Dynamic Light Scattering (DLS). Finally nanogels having substantially different polyelectrolyte behavior with PAA ratio between %18 and %82 were obtained. Nanogel sizes were also analyzed by atomic force microscopy in addition to DLS method.