Bor nitrür takviyeli biyokompozit malzemeler:Sentez, fizikokimyasal ve biyolojik karakterizasyon
Boron nitride reinforced bio-composites: Synthesis, physicochemical and biological characterization
Yazar: DENİZ DOĞAN
Danışman: PROF. DR. AYŞEGÜL ÜLKÜ METİN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Hekzagonal bor nitrür, yüksek termal iletkenlik, üstün termal kararlılık ve mükemmel mekanik özelliklere sahiptir. Ayrıca, iyi biyolojik uyumluluğa sahip olan bu malzemeler, çeşitli malzemelerin termal ve mekanik özelliklerini geliştirmek için dolgu malzemesi olarak kullanılmaktadır. Bu doğrultuda bu tez çalışması, biyomedikal alanda kullanılan farklı polimerik malzemelerin fizikokimyasal, mekanik ve biyolojik özelliklerine bor nitrürün etkisini incelemeyi amaçlamıştır.
Çalışmanın ilk bölümünde, fonksiyonel bor nitrür (f-BNNSs) içeren poli(2-hidroksi etil metakrilat) (pHEMA) kompozit filmler, hidroksietil metakrilat monomerinin UV-fotopolimerizasyonu ile üretilmiştir. Bu amaçla, ilk olarak hekzagonal bor nitrür, farklı güç ve sürelerde mikrodalga yoluyla eksfoliye edilmiş, ardından (3-Aminopropil) trimetoksi silan (APTMS) ve poli(etilen glikol) (PEG) ile modifiye edilmiştir. Farklı takviyelerde (0-2,0 mg/ml) fonksiyonel bor nitrür nano tabakaları içeren pHEMA kompozit filmler, (pHEMA/f-BNNSs), üretilerek, fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri ile şişme davranışı ve bozunabilirlik özellikleri belirlendi. Elastik modülü ve kopma anında uzama yüzdesi gibi mekanik parametreler, f-BNNSs eklenmesinin pHEMA'nın hidrofilik davranış, kan uyumluluğu ve biyolojik uyumluluğunu olumsuz yönde etkilemeden mekanik özelliklerini önemli ölçüde geliştirdiğini gösterdi. f-BNNSs takviyesi ile, pHEMA'nın çekme geriliminin %50, kopma anında uzamasının   %37 ve sertliğinin  ise %95 oranında arttığı belirlendi. Ayrıca, üretilen tüm kompozit filmlerin E. coli ve S. aureus bakteri suşlarına karşı, pHEMA ile karşılaştırıldığında üstün antibakteriyel aktivite gösterdiği belirlendi. E. coli kolonisinde yaşayan bakteri sayısı, tüm kompozit türleri için muameleden sonra ilk 1 saat içinde %100 azaldığı, S.aureus kolonisinde benzer sonuca 24 saat sonunda ve f-BNNSs (1,0 mg/ml ve 2,0 mg/ml) içeren kompozit filmler ile ulaşıldığı görülmüştür.

Çalışmanın ikinci bölümünde, bor nitrür nano tabakalarının, elektroeğirme ile üretilen biyolojik olarak parçalanabilir poli(vinil alkol) (PVA)/poli(akrilik asit) (PAA) nanoliflerin özellikleri üzerine etkisi araştırıldı. Bu amaçla, ilk olarak bor nitrür, etanol ortamında eksfoliasyona tabi tutuldu ve hidroksillenmiş bor nitrür nanopartiküllerine (mBN) dönüştürüldü. Farklı takviye oranlarında (kütlece %0; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0) bor nitrür nanopartikülleri (mBN) içeren PVA/PAA kompozit nanolifler elektroeğirme tekniği ile üretildi. mBN içeren PVA/PAA nanoliflerin (mBN-PVA/PAA), morfolojik, yapısal, mekanik ve termal özellikleri incelendi. mBN oranı arttıkça, kompozitin termal kararlılığının ve mekanik özelliklerinin ham PVA/PAA nanoliflerine göre arttığı, termal iletkenliğin ise kütlece %1 mBN takviye oranına kadar arttığı, bundan sonraki takviye oranlarında azaldığı gözlendi. mBN takviyesi ile birlikte, ham PVA/PAA nanoliflerin su absorpsiyon ve bozunma davranışının kontrol edilebildiği belirlendi. L929 fibroblast hücre hattı kullanılarak yapılan biyolojik uyumluluk analizi sonuçlarına göre, mBN-PVA/PAA kompozit nanoliflerin toksik özellik (%70) göstermediği belirlenmiştir. Ayrıca, mBN-PVA/PAA kompozit nanoliflerin, mBN oranı arttıkça bakteri suşlarına karşı antibakteriyel aktivitelerinin arttığı, en yüksek mBN takviye oranında 24 saatlik inkübasyonun sonunda, E. coli ve S.aureus  kolonilerinin yaşayan hücre sayısını sırasıyla %68,88 ve %72,2 oranında azalttığı belirlendi. 
Çalışmanın son bölümünde, mBN nanopartiküllerinin antibakteriyel özelliğini daha fazla geliştirmek ve bunun yanı sıra antioksidan özellik kazandırmak amacıyla, çevreci bir yaklaşımla çeşitli metal oksit nanopartikülleri (CuO, ZrO2 ve ZnO), mBN nanopartikülleri üzerine biriktirildi. Metal iyonlarının hidrofobik yapıdaki bor nitrür yüzeyine immobilizasyonunu sağlamak amacıyla, bor nitrür nanopartikülleri sırasıyla (3-Aminopropil) trimetoksi silan, glutaraldehit ve L-histidin ile aktive edildi. Cu(II), Zn (II) ve Zr(IV) iyonlarının adsorpsiyonu ile yüzeye immobilize edilen metal iyonları Stevia rebaudiana bitki yapraklarından elde edilen ekstrakt ile hidroksillerine, daha sonra uygun sıcaklık ve sürelerde uygulanan ısıl işlem ile metal oksitleri haline dönüştürüldü. Elde edilen tüm nanopartiküllerin özellikleri Zeta-Sizer, FTIR ve SEM/EDXS kullanılarak aydınlatıldı. Daha sonra metal oksit taşıyan bor nitrür (fBN/CuO, fBN/ZnO ve fBN/ZrO2) takviyeli PVA/PAA kompozit nanolifleri elektroeğirme tekniği ile üretildi. Metal oksit immobilize bor nitrür nanopartikülleri takviyeli (fBN/MO)-PVA/PAA kompozit nanoliflerin morfolojik, yapısal, termal ve biyolojik özellikleri belirlendi. PVA/PAA nanoliflerine fBN/CuO takviyesinin, diğer metal oksit taşıyan bor nitrür nanopartiküllerine göre hem termal kararlılığı hem de termal iletkenliği oldukça geliştirdiği sonucuna ulaşıldı. Termal iletkenlik değeri yaklaşık olarak 12 kat artarak 0,752 W/mK'e ulaştı. Bununla birlikte, fBN/MO takviyesinin, L929 fibroblast hücrelerinin canlılığını kontrol grubuna göre azalttığı, E. coli ve S. aureus'un yanı sıra S. mutants ve A. baumanni bakterilerine karşı üstün antibakteriyel etki gösterdiği belirlendi. fBN/MO-PVA/PAA nanoliflerin, PVA/PAA ile karşılaştırıldığında, antioksidan özelliğinin de geliştiği, en yüksek antioksidan davranışın fBN/CuO-PVA/PAA kompozit nanoliflerinin (%26,620,21) tarafından gösterildiği belirlendi.   

Anahtar Kelimeler: Bor nitrür, 3-Aminopropil trimetoksisilan, poli(etilen glikol), poli (2-hidroksietil metakrilat), film, poli(vinil alkol), poli(akrilik asit), nanolif, elektroeğirme, metal oksit, termal iletkenlik, biyouyumluluk, antibakteriyel ve antioksidan aktivite

Abstract:
Hexagonal boron nitride has high thermal conductivity, superior thermal stability, and excellent mechanical properties. In addition, boron nitrides, which have good biocompatibility, are used as filling to improve various materials' thermal and mechanical properties. In this direction, this thesis study aimed to examine the effect of boron nitride on the physicochemical, mechanical, and biological properties of different polymeric materials used in the biomedical field.

In the first part, poly(2-hydroxy ethyl methacrylate) (pHEMA) composite films containing functional boron nitride (f-BNNSs) were produced by UV-photopolymerization of hydroxyethyl methacrylate monomer. For this purpose, firstly, hexagonal boron nitride was exfoliated by microwave at different powers and times and then modified with (3-Aminopropyl) trimethoxysilane (APTMS) and poly(ethylene glycol) (PEG). Poly(2-hydroxy ethyl methacrylate) composite films (pHEMA/f-BNNSs) were produced in different f-BNNSs concentrations (0-2.0 mg/ml). Then the physical, chemical, and mechanical properties, swelling behavior, and degradability properties of pHEMA/f-BNNSs were determined. Mechanical parameters such as elastic modulus and percent elongation at break showed that adding f-BNNSs significantly improved the mechanical properties of pHEMA without adversely affecting hydrophilic behavior, blood compatibility, and biocompatibility. It was determined that with f-BNNSs reinforcement, the tensile stress of pHEMA increased by 50%, elongation at the break by 37%, and hardness by 95%. In addition, it was determined that all produced composite films showed superior antibacterial activity against E. coli and S. aureus bacterial strains compared to pHEMA. The number of bacteria living in the E. coli decreased by 100% within the first 1 hour after treatment for all the composites; similar results were obtained in the S.aureus after 24 hours with composites containing 1.0 mg/ml and 2.0 mg/ml of f-BNNSs.

In the second part of the study, the effect of boron nitride nanolayers on the properties of biodegradable poly(vinyl alcohol) (PVA)/ poly(acrylic acid) (PAA) nanofibers produced by electrospinning was investigated. For this purpose, boron nitride was first exfoliated in an ethanol medium and converted into hydroxylated boron nitride nanoparticles. PVA/PAA composite nanofibers containing boron nitride nanoparticles (mBN) at different reinforcement ratios (0%; 0.5; 1.0; 2.0; 5.0 by mass) were produced by the electrospinning technique. Morphological, structural, mechanical, and thermal properties of mBN-containing PVA/PAA nanofibers (mBN-PVA/PAA) were investigated. It was observed that as the mBN ratio increased, the composite's thermal stability and mechanical properties increased compared to the raw PVA/PAA nanofibers. In contrast, the thermal conductivity increased to 1% mBN reinforcement rate by mass and decreased in the following reinforcement ratios. It was determined that the water absorption and degradation behavior of crude PVA/PAA nanofibers could be controlled with mBN supplementation. The results of biocompatibility analysis using the L929 fibroblast cell line determined that mBN-PVA/PAA composite nanofibers did not show cytotoxic properties (70%). In addition, the antibacterial activities of mBN-PVA/PAA composite nanofibers against bacterial strains increased as the mBN ratio increased; the number of viable cells of E. coli and S. aureus colonies at the end of 24 hours were 68.88% and 72%, respectively.

In the last part of the study, various metal oxide nanoparticles (CuO, ZrO2, and ZnO) were immobilized to boron nitride nanoparticles with an environmentally friendly approach to improve the antimicrobial properties of boron nitride nanoparticles and to add antioxidant properties. In order to ensure the immobilization of metal ions on the hydrophobic boron nitride surface, firstly, boron nitride nanoparticles were activated with (3-Aminopropyl) trimethoxy silane, glutaraldehyde, and L-histidine, respectively. 
The metal ions (Cu (II), Zn (II), and Zr (IV)) were adsorbed on the surface of mBN. They were converted into their hydroxyls with the extract obtained from the Stevia plant and then into metal oxides by the calcination process applied at appropriate temperatures and times. The properties of all obtained nanoparticles were elucidated using Zeta-Sizer, FTIR, and SEM/EDS. Then, metal oxide-carrying boron nitride (fBN/CuO, fBN/ZnO, and fBN/ZrO2) reinforced PVA/PAA composite nanofibers were produced by electrospinning. Morphological, structural, thermal, and biological properties of metal oxide immobilized boron nitride nanoparticles reinforced (fBN/MO)-PVA/PAA composite nanofibers were determined. It was concluded that fBN/CuO reinforcement to PVA/PAA nanofibers significantly improved thermal stability and thermal conductivity compared to other metal oxide-carrying boron nitride nanoparticles. The thermal conductivity value increased approximately 12 times and reached 0.752 W/mK. However, it was determined that fBN/MO reinforcement decreased the viability of L929 fibroblast cells compared to the control group and showed a superior antibacterial effect against E. coli, S. aureus, S. mutants and A. baumanni bacteria. It was determined that the antioxidant properties of fBN/MO-PVA/PAA nanofibers also improved when compared to PVA/PAA, and the highest antioxidant behavior was shown by fBN/CuO-PVA/PAA composite nanofibers (26.62% 0.21%).

Keywords: Boron nitride, 3-Aminopropyl trimethoxysilane, poly(ethylene glycol), poly (2-hydroxyethyl methacrylate), film, poly(vinyl alcohol), poly(acrylic acid), nanofiber, electrospinning, metal oxide, thermal conductivity, biocompatibility, antibacterial and antioxidant activity