Yüzeylerin titanyum nanoçubuklar ve onların altın/gümüş ile modifiye formları ile nanodesenlenmesi ve farklı alanlarda kullanılabilirliklerinin incelenmesi
Nanopatterning of surfaces with titanium nanorods and their gold/silver modified forms and investigation of their possible uses in different fields
Yazar: DİLEK ŞURA ÖZDEN DİNÇ
Danışman: PROF. DR. ERHAN BİŞKİN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Nanobilim ve nanoteknoloji, malzeme bilimini geniş bir şekilde dönüştürerek, yeni nano yapılı malzemelerin sürekli gelişimini sağlamaktadır. Nano ölçekte gerçekleşen fizikokimyasal olayların kapsamlı bir şekilde incelenmesi, sürekli olarak geniş bir uygulama alanına sahip ürünleri açığa çıkaran yenilikçi teknolojilere yeni yaklaşımlar getirmektedir. Bu yaklaşımlarla geliştirilen nanoyapılı titanyum, fotokataliz, sensör, fotovoltaik, suyun hidrolizi, lityum iyon bataryaları, doku mühendisliği, biyomedikal uygulamalar gibi birçok alanda kullanılabilecek fonksiyonel malzemelerin geliştirilmesinde büyük önem taşımaktadır. Çeşitli metal oksit 3D (üç boyutlu) nano yapılı malzemelerin içerisinde, titanyum nanoçubuklar benzersiz özelliklerinden dolayı oldukça dikkat çekmektedir. Titanyum nanoçubuk üretiminde kullanılan pekçok yöntem, bu yapıların kristal yapılarında ve düzenlerinde kontrol oluşturmamaktadır ve üretim parametreleri zahmetlidir. Bu zorluklara alternatif olarak geliştirilen yeni bir yöntem olan, fiziksel buharlaştırma birikimi (PVD) yöntemiyle termal olarak buharlaştırılan titanyum nanoçubuklar silisyum levha üzerinde biriktirilerek anizotropik titanyum nanoçubuk (TiNR) yüzeyler oluşturulmuştur ve çeşitli alanlarda kullanımı test edilmiştir. Eğik açı biriktirme (OAD) yöntemi ile oluşturulan TiNR yapıların yoğunlukları buhar fazı birikim açısının (α) değişimiyle ayarlanmış ve poroz yapılı yüzeyler elde edilmiştir. Yüzeylerin sensör amaçlı kullanımlarını ölçmek için öncelikle SERS tekniği ile yöntem geliştirilmesi hedeflenmiş ve yüzey hassasiyetini artıracak modifikasyonlar altın ve gümüş film kaplaması ile gerçekleştirilmiştir. SERS, kataliz ve hücre etkileşimi çalışmalarında kullanmak üzere altın ve gümüş film kaplı TiNR yüzeyler çeşitli sıcaklıklarda termal olarak işlenmiş ve dewetting (topaklanma) etkisi ile metal film nanoadacık/nanoküre yapılara dönüşmüştür. TiNR yüzeyler üzerinde oluşturulan altın/gümüş nanoadacık/nanoküre yapılar SERS sinyal şiddetine olumlu etki göstermiştir. Çapa, geometriye ve yoğunluğa bağlı olarak, TiNR yüzey üzerinde, yapıların uçlarında ve aralarında lokalize yüzey plazmon oluşumu sağlanmış ve bu durum raman zenginleştirmesi sağlamıştır. Bu amaçla bu yapıların SERS kullanımını test etmek için MB (Metilen Mavisi) raman molekülü olarak kullanılmıştır. Yüksek sinyal/gürültü oranında, tekrarlanabilir sonuçlar başarı ile elde edilmiştir. Bu yaklaşım ile elde edilen altın/gümüş parçacıklı TiNR yapılar çevresel bir atık olan p-nitroanilinin (PNA) p-fenilendiamine (PDA) indirgenme reaksiyonunu katalizleyen yapılar olarak test edilmiştir. Her yüzeyde katalitik dönüşümün başladığı, özellikle altın parçacıklarla modifiye edilmiş TiNR yüzeylerin katalitik dönüşümünün daha iyi olduğu gözlenmiştir. Katalizin TiNR yüzeylerinde oluşan altın/gümüş parçacıkların boyutları ve yoğunluklarına bağlı olduğu belirlenmiş ve en yüksek yüzey alanına sahip gözenekli yapıda altın parçacık kaplı TiNR yapının en iyi katalitik dönüşümü gösterdiği tespit edilmiştir. Altın/gümüş nanoadacık/nanoküre kaplı TiNR yüzeylerin biyomedikal alanda kullanımını test etmek için, Saos-2 insan kemik kanseri hücreleri ile etkileşimi, adhezyon ve toksisite özelliklerini incelemek için test edilmiştir. Biyolojik incelemeler sonucu, modifiye yüzeylerin sitotoksik etkisinin oldukça zayıf olduğu ve biyouyumluluğunun oldukça iyi olduğu görülmüştür. Pürüzlü yüzeye sahip altın ve gümüş kaplı yüzeyler hücrenin tutunmasına, yapışmasına ve yayılmasına olanak sağlamıştır.

Abstract:
Nanoscience and nanotechnology transform the material science into a wide range, providing the continuous development of new nanostructured materials. A comprehensive examination of physicochemical phenomena at the nanoscale brings new approaches to innovative technologies that constantly open products with a wide range of applications. Developed with these approaches, nanostructured titanium is of great importance in the development of functional materials that can be used in many applications such as photocatalysis, sensor, photovoltaic, water hydrolysis, lithium ion batteries, tissue engineering and biomedical applications. Within the various oxide and non-oxide 3D nano-structured materials, titanium nanorods have attracted considerable attention due to their unique properties. Many techniques used in the production of titanium nanorods are techniques that do not provide control over the crystal structures and layouts of these structures and production parameters are troublesome. Titanium nanorods thermally evaporated by physical vapor deposition (PVD) method were deposited on a silicon wafer to form anisotropic titanium nanorod (TiNR) array surfaces with a new technique developed as an alternative to these difficulties and tested for use in various fields. The intensities of the TiNR structures formed by the oblique angle deposition (OAD) method were adjusted by the variation of the vapor phase deposition angle (α) and the porous structure surfaces were obtained. For the sensor uses of the surfaces, firstly the method development with SERS technique is aimed and the modifications that increase the surface sensitivity are performed with gold and silver film coating. Gold and silver coated TiNR surfaces for use in SERS, catalysis and cell interaction studies have been thermally processed (annealed) at various temperatures and transformed into metal film particles and island structures with dewetting effect. The gold/silver nanoisland/nanodot structures formed on the TiNR surfaces have shown a positive effect on the SERS signal. Depending on the radius, geometry and density, localized surface plasmons are formed on the TiNR surface, at the end of the structures and between them, and this ensures raman enrichment. For this purpose, MB (methylene blue) raman molecule is used to test these structures by the use of SERS. Repeatable results with high signal/noise ratio have been achieved successfully. The gold/silver particulated TiNR structures obtained by this approach have been tested as catalytic structures for  reduction of p-nitroaniline (PNA) which are environmental waste to the p-phenylenediamine (PDA). It has been observed that the catalytic conversion occured on each surface, especially on the TiNR surfaces modified with gold particles. The catalysis was determined to be dependent on the size and density of the gold/silver nanoisland/nanodot structures formed on the TiNR surfaces, and the gold nanoisland coated TiNR structure in the porous structure with the highest surface area was found to exhibit the best catalytic conversion. For biomedical field use of gold/silver nanoisland/nanodot coated TiNR surfaces was tested to examine adhesion, toxicity properties and interaction with Saos-2 human bone cancer cells. Biological studies have shown that the cytotoxic effect of the modified surfaces is rather weak and the biocompatibility is quite good. Gold and silver coated TiNR surfaces with rough surface have allowed the cells to hold, stick and spread on the surfaces.