N-izopropilakrilamit'in radyasyonla başlatılan raft polimerizasyonu ve poli(N-izopropilakrilamit) nanojellerin hazırlanması
Radiation induced raft polymerization of N-isopropylacrylamide and preparation of poly(N-isopropylacrylamide) nanogels
Yazar: FEYZA KIRAÇ
Danışman: PROF. DR. OLGUN GÜVEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
N-izopropilakrilamit (NiPAAm) oldukça önemli, iyonik olmayan akrilamit monomerlerinden birisidir ve yıllardır yoğun bir araştırma konusu olmuştur. Çok yaygın olarak çalışılmasının nedenlerinden biri poli(N-izopropilakrilamit)?in (PNiPAAm) suda 32°C civarında aşağı kritik çözelti sıcaklığına (AKÇS) sahip olmasıdır. Bu sıcaklık insan vücut sıcaklığına (37°C) yakındır ve böylece PNiPAAm, ilaç taşıyıcı sistemler, biyoayırma ve katalizör geri kazanımı gibi alanlarda kullanılmaktadır.
Serbest radikal polimerizasyonu ile sentezlenen polimerlerin molekül ağırlığı dağılımının geniş olması, polimer yapısı ve molekül ağırlığı kontrolünün mümkün olmaması nedeniyle düşük polidispersiteye sahip polimerlerin sentezinde kontrollü radikal polimerizasyon yöntemleri kullanılmaktadır. Bu çalışmada, PNiPAAm gama ışınları kullanılarak Tersinir Katılma-Ayrılma Zincir Transfer Polimerizasyonu (RAFT) ile sentezlenmiştir. Monomer iki farklı tritiokarbonat bazlı RAFT ajanı siyanometildodesiltritiokarbonat (CDTC) ve 2-(dodesiltiokarbonatioiltio)-2-metilpropiyonik asit (DMPA) varlığında, oda sıcaklığında, azot atmosferi altında, dimetilformamit çözücüsünde, 0,030 kGy/saat doz hızına sahip 60Co gama kaynağında ışınlanarak polimerleştirilmiştir. Polimerin sayıca ortalama molekül ağırlığı (Mn) ve polidispersite indeksi (PDI) Büyüklükçe Ayırma Kromatografisi (BAK) kullanılarak tayin edilmiştir. Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR) ile yapısal karakterizasyon yapılmıştır. %Dönüşüm gravimetrik metot kullanılarak hesaplanmış ve sonuçlar 1H-NMR spektroskopisi kullanılarak doğrulanmıştır. Yapılan analizlerin sonucunda PNiPAAm?ın deneysel olarak bulunan sayıca ortalama molekül ağırlığı Mn ile teorik Mn değerlerinin uyumlu çıktığı ve polimerin polidispersite indeksinin 1,06-1,18 arasında olduğu görülmüştür. Bu sonuçlar radyasyonla başlatılan RAFT polimerizasyonu ile PNiPAAm?ın kontrollü bir şekilde sentezlendiğini göstermektedir. 
PNiPAAm?ın sulu ortamdaki yumak boyutu ve aşağı kritik çözelti sıcaklığı Dinamik Işık Saçılması (DLS) yöntemiyle analiz edilmiştir. Dar molekül ağırlığı dağılımına sahip olmasına rağmen PNiPAAm?ın sulu ortamda boyut dağılımının geniş olduğu gözlenmiştir. Bu dağılımı kontrol edebilmek için ortama aseton, metanol, etilmetilketon gibi organik çözücüler eklenmiştir. Bu çözücüler arasında en dar dağılımın oluşmasını sağlayan çözücünün aseton olduğu görülmüştür. Uygun hacim kesrinde aseton eklenmesiyle 70 nm civarında monodispers PNiPAAm yumaklar elde edilmiştir. Bu yumaklar 0,263 kGy/saat doz hızına sahip 60Co gama kaynağında, 5 kGy ve 10 kGy ışınlanarak PNiPAAm nanojeller sentezlenmiştir. Işınlanma sonrası yumaklar içinde oluşan çapraz bağlardan dolayı yumak içi büzülme meydana gelmiş ve 50 nm civarında nanojeller elde edilmiştir. Boyut kontrolü sağlandıktan sonra ışınlanarak elde edilen PNiPAAm nanojeller, Dinamik Işık Saçılması, Taramalı Elektron Mikroskopi (SEM), Geçirimli Elektron Mikroskopisi (TEM), Atomik Kuvvet Mikroskopi (AFM) ve Reometri yöntemleriyle karakterize edilmiştir. İleriki uygulamalarda problem teşkil etmemesi için RAFT ajanından kaynaklanan uç gruplardaki kükürtler termal yöntemle uzaklaştırılmış ve Elementel Analiz, BAK ve DLS yöntemleriyle analiz edilmiştir. İlaç taşıyıcı sistem olarak kullanılmak üzere tasarlanan PNiPAAm nanojellere Doksorubisin HCl isimli kanser ilacı yüklenmiş ve salım çalışmaları yapılmıştır.

Anahtar Kelimeler: Tersinir Katılma Ayrılma Zincir Transfer (RAFT) 
Polimerizasyonu, Radyasyonla nanojel sentezi, Poli(N-izopropilakrilamit) 
(PNiPAAm), Dinamik Işık Saçılması (DLS), Doksorubisin HCl

Abstract:
N-isopropylacrylamide (NiPAAm) is an extremely important nonionic acrylamido monomer and has been the subject of intensive research over the years. One of the reasons it has been so widely studied is that poly(N-isopropylacrylamide) (PNiPAAm) possesses a readily accessible lower critical solution temperature (LCST) in water around ~32 °C. This is close to human body temperature (37 °C) and as such has, for example, been evaluated in drug delivery applications, bioseparations and catalyst recovery.
Polymers with low polydispersity are synthesized by controlled radical polymerization techniques, since polymers synthesized by free radical polymerization, have broad molecular weight distribution, non-controlled molecular weight and polymer structure. In this study, PNiPAAm was synthesized by reversible addition?fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization by gamma irradiation. The monomer was polymerized in the presence of two different trithiocarbonate-based RAFT agents i.e., Cyanomethyl dodecyl trithiocarbonate (CDTC) and 2-(Dodecylthiocarbonothioylthio)-2-methylpropionic acid (DMPA) in dimethylformamide (DMF) at room temperature under nitrogen atmosphere in 60Co gamma source with 0.030 kGy/h dose rate. Number-average molecular weights (Mn) and dispersity indeces of the polymers were determined by Gel Permeation Chromatography (GPC). Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) was used to characterize the structure of polymer. %Conversion was calculated by using gravimetric method and also confirmed by 1H-NMR spectroscopy. The number-average molecular weights, Mn, are almost comparable to the theoretical Mn values of PNiPAAm. The polydispersity indices (PDI) of the resulting polymers are narrow, i.e., 1.06? PDI ?1.18, indicating the occurance of well-controlled polymerization occurred via the radiation induced RAFT process.
The coil sizes of PNiPAAm in aqueous solution and lower critical solution temperature (LCST) were analyzed by Dynamic Light Scattering (DLS). Although PNiPAAm has a narrow molecular weight distribution, it was observed that the coil size distribution of PNiPAAm in aqueous solution was broad. To control the coil size, organic solvents such as acetone, methanol and ethylmethylketone were added. Among these solvents, acetone provided the lowest polydispersity. Monodispers PNiPAAm coils were obtained reproducibly with particle size at around 70 nm after adding acetone with proper volume fraction. These PNiPAAm coils were irradiated to synthesize PNiPAAm nanogels in 60Co gamma source with 0.263 kGy/h dose rate and total dose 5 and 10 kGy. After irradiation, particle size was reduced to ?50 nm due to crosslinking of coils. The characterization of PNiPAAm nanogels were made by using Dynamic Light Scattering (DLS), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) and Rheometry techniques.
The end groups of RAFT agent, containing sulfur were removed by thermal method to avoid the problems for further applications and analyzed by Elemental Analysis, GPC and DLS. The cancer drug, Doxorubicin HCl (DOX), was loaded to PNiPAAm nanogels designed as drug delivery system and then the release of drug from nanogels was studied.


Keywords: Reversible addition fragmentation transfer (RAFT) polymerization, 
radiation induced nanogel synthesis, Poly(N-isopropylacrylamide) (PNiPAAm), 
Dynamic Light Scattering (DLS), Doxorubicin HCl