Poli(N-izopropilakrilamit) in poli(etilen teraftalat) yüzeyine doku mühendisliği uygulamaları için foto başlatma yoluyla aşılanması
Photo-induced grafting of poly(N-isopropylacrylamide) from poly(ethylene terephthalate) surface for tissue engineering applications
Yazar: PARISA GOLSHAEI
Danışman: PROF. DR. OLGUN GÜVEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Duyarlı yüzeylerin hazırlanması, biyoloji biliminde ve mühendislikte uygulama potansiyelleri nedeniyle dikkat çekmektedir. Bu uyarıya tepki veren yüzeyler genellikle sıcaklık, ışık, pH, elektrik alanı, iyon kuvveti ve manyetik alan gibi çevresel koşullarda duyarlı polimerlerle substratların modifikasyonu ile hazırlanır. Duyarlı yüzeyleri hazırlamak için kullanılan çeşitli tepki veren polimerler arasında sıcaklık-duyarlı poli (N-izopropilakrilamit) (PNiPAAm) en popüler polimerdir. Bunun nedenlerinden biri PNiPAAm suda 32°C civarında aşağı kritik çözelti sıcaklığına (AKÇS) sahip olmasıdır. AKÇS altındaki bir sıcaklıkta, polimer zincirleri şişirilir ve suda çözünürken, AKÇS 'nin üstündeki bir sıcaklıkta zincirler çöker ve su içinde çözünmez hale gelir. Bu nedenle, doku mühendisliği uygulamaları için sıcaklığa-duyarlı yüzeylerin hazırlanması büyük ilgi görmektedir.
Poli (etilen teraftalat) (PET), uygun işlenebilirlik, mukavemet, ısı direnci ve şeffaflık gibi mükemmel özelliklerinden dolayı biyolojik, kimyasal ve tıbbi bilimlerde en yaygın kullanılan polimer malzemelerden biridir.
Bu çalışmada, NiPAAm 'in PET yüzeyle aşı kopolimerizasyonu ile sıcaklık-duyarlılık sağlanmıştır. PET yüzeyleri önce H2O2 varlığında foto-oksitlenmiş, daha sonra -COOH grupları ile zenginleştirilmiş yüzeylerde vinil uç grubu oluşturmak için allilamin (AlAm) ile reaksiyona sokulmuştur. Böylece yüzeye bağlanan vinil uç grupları NiPAAm 'in aşı kopolimerizasyonu için aktif merkez olarak kullanılmıştır. Çözücünün, monomer konsantrasyonunun ve sürenin aşılama üzerine etkisi araştırılmıştır.
Aşı kopolimerizasyonu foto başlatıcı olarak benzofenon içeren monomer çözeltisi içerisine PET filmleri yerleştirilerek, hava ortamında ve oda sıcaklığında gerçekleştirildi. En etkili yüzey modifikasyonu için aşılama verimini etkileyen monomer derişimi (% 5-15), benzofenon miktarı (%5-20), UV uyarım süresi (1-4 saat) gibi parametreler incelendi. İstenilen yüzey özelliğini elde edebilmek için % 10 monomer derişimi, %10 benzofenon ve 60 dakika ışınlama süresi optimum koşullar olarak belirlendi.
Konvansiyonel polimerizasyona ek olarak, PET-g-NiPAAm yüzeyi azot atmosferi altında 70 ºC'de Siyanometil dodesil trityokarbonat RAFT ajanı varlığında RAFT aşı polimerizasyonu ile sentezlendi.
%Aşılama derecesi gravimetrik metot kullanılarak hesaplanmıştır. Aşı tabakanın kalınlığı aşılama derecesi ile aşılama reaksiyon parametreleri ile ayarlanabilir ve ayrıca Elipsometri ile teyit edilebilir. Su ortamında görüntüleme ile, PNiPAAm 'in AKÇS sıcaklığın altında ve üzerinde yüzey morfolojisinin geri dönüşümlü modifikasyonunu ortaya koymuştur. Aşılanmış yüzeyler, kolorimetrik deney, ATR-FTIR, Raman, Taramalı Elektron Mikroskopisi-Enerji Dispersiv X-ışını (SEM-EDX), XPS spektroskopileri, Termogravimetrik analiz (TGA) ve Diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC) ile analiz edildi. Polimerin sayıca ortalama molekül ağırlığı (Mn) ve polidispersite indeksi Büyüklükçe Ayırma Kromatografisi (BAK) kullanılarak tayin edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Sıcaklık duyarlı yüzey, PET, yüzey modifikasyonu, PNiPAAm, foto aşılama, aşı kopolimerizasyon.

Abstract:
The preparation of stimuli-responsive surfaces has attracted increasing attention due to their potential for applications in biological science and engineering. These stimuli-responsive surfaces are usually prepared by modification of substrates with environmentally responsive polymers that can respond to environmental stimuli such as temperature, light, pH, electric field, ion strength, and magnetic field. Among various responsive polymers used to prepare stimuli-response surfaces, thermally responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNiPAAm) is the most popular one because it exhibits a reversible phase transition at around 32 ºC (known as the lower critical solution temperature, LCST). At a temperature below its LCST, the polymer chains are swollen and soluble in water, whereas at a temperature above the LCST the chains collapse and become insoluble in water. As such it has received great attention for the preparation of thermo-responsive surfaces for tissue engineering.
Poly (ethylene terephthalate) (PET) is one of the most widely used polymer materials in biological, chemical, and medical sciences because of its perfect properties such as convenient processability, mechanical strength, thermal stability and optical transparency.
In this study, thermo-sensitivity has been introduced onto PET surfaces by graft copolymerization of NiPAAm. The PET surface was first photo-oxidized in the presence of H2O2, to have enriched concentration of -COOH groups which were later reacted with allylamine (AlAm) to introduce vinyl end group at the surface. These groups were used as active sites for graft copolymerization of NiPAAm. The influence of solvent, monomer concentration and time on grafting has been investigated. 
Graft copolymerization was performed in air at room temperature by placing PET films into monomer solution which contains benzophenon as photoinitiator. For the most effective surface modification, parameters as monomer concentration (% 5-15), photoinitiator amount (%5-20), UV excited time (1-4 hour) that effect the graft yield were investigated. In order to obtain desired surface property, % 10(w/w) monomer concentration, %10(w/w) benzophenone and 60 minutes irradiation time were determined as the optimum conditions.
In addition to conventional polymerization, PET-g-NiPAAm surface was synthesized by RAFT-mediated graft polymerization in the presence of Cyanomethyl dodecyl trithiocarbonate based RAFT agent at 70 ºC under nitrogen atmosphere. 
%Grafting degree was calculated by using gravimetric method. The thickness of grafted layer can be adjusted by grafting reaction parameters via grafting degree and also confirmed by Ellipsometry. Imaging in water environment revealed the reversible modification of surface morphology below and above the LCST temperature of PNiPAAm. The grafted surfaces were analyzed by colorimetric assay, ATR-FTIR, Raman, Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray (SEM-EDX), XPS spectroscopies, Thermogravimetric analysis (TGA), and Differential scanning calorimetry (DSC). Number-average molecular weights (Mn) and dispersity indices of the polymers were determined by Gel Permeation Chromatography (GPC).


Keywords: Thermo-sensitive surface, PET, surface modification, PNiPAAm, photo grafting, graft copolymerization.