Tasarlanmış ZnO tozların kitosan/polivinil alkol biyobozunur polimerlerin yapısına ve özelliklerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of designed ZnO powders on the structure and properties of chitosan / polyvinyl alcohol biodegradable polymers
Yazar: YELİZ KÖSE
Danışman: PROF. DR. ENDER SUVACI
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Antibakteriyel aktivite = Antibacterial activity ; Geçiş metalleri = Transition metals ; Kitosan = Chitosan ; Polivinil alkol = Polyvinyl alcohol ; Çinko oksit = Zinc oxide

Özet:
Biyobozunur polimerler, küresel sürdürülebilirlik çözümünün kritik bir parçası olmak için büyük bir potansiyel sergiler; ancak zayıf bariyer özellikleri, zayıf UV direnci, düşük termal direnci, düşük mekanik mukavemeti ve yetersiz antibakteriyal özellikleri nedeniyle uygulama alanları sınırlıdır. Nano metal oksit tozları genellikle biyobozunur polimerlerin özelliklerini geliştirmek için kullanılsa da; toksisite ve fitotoksisite sergilerler ve bazen kontrolsüz aglomerasyon yoluyla işleme zorluklarına neden olabilirler. Polimerlerin özelliklerini iyileştirmek için hem mükemmel UV direnci hem de antibakteriyal etki sağlayan biyouyumlu olacak alternatif katkı formlarına ihtiyaç vardır. Son zamanlarda, biyouyumlu ve çevreye zarar vermeyen ince birincil parçacıklardan oluşan, tasarlanmış, MicNo® olarak adlandırılan mikron boyutunda altıgen plaka parçacıkları, nanoparçacıkların olumsuz etkilerini azaltırken hem mikron hem de nano boyutunun avantajlarından yararlanmak için geliştirilmiştir. Bu çalışmanın araştırma amacı, katkısız MicNo® ZnO, Ag ve bir geçiş metali katkılı MicNo® ZnO parçacıklarının yapı geliştirme ve dolayısıyla kitosan/PVA filmlerinin optik, mekanik ve antibakteriyal özellikleri üzerindeki etkilerini nano ZnO'ya göre literatürde ilk kez değerlendirmektir. XRD ve SEM sonuçları, MicNo® parçacıklarının herhangi bir kontrolsüz aglomerasyon göstermeden film boyunca homojen olarak dağılabileceğini gösterdi. Ek olarak, FTIR sonuçları, muhtemelen daha büyük yüzey alanı/hacim oranı nedeniyle, polimerik kısım ile nanopartiküllere göre daha güçlü moleküller arası bağlanma sergilediklerini ortaya koydu. Sonuç olarak, MicNo® içeren filmler, katkılı filmler arasında sırasıyla 1,41 MPa ve % 43,54 ile en yüksek ortalama çekme mukavemeti ve uzama sergilemiştir. Bu mukavemet değeri, saf ve nanoparçacık içeren filmlere göre sırasıyla % 206 ve % 115 iyileşme anlamına gelir. Ayrıca, hem katkısız MicNo® ZnO hem de Ag ve bir geçiş metali katkılı MicNo® ZnO içeren filmler, nano ZnO partikül içeren filmlerden daha yüksek UV absorbans değerleri sergilemiştir. Bu sonuçlar, filmlerin UV direncinin, nanopartiküllere göre MicNo® partikülleri tarafından çok daha etkili bir şekilde geliştirilebileceğini göstermektedir. Bu olağanüstü performans artışı, küresel nano parçacıklara göre MicNo® parçacıklarının benzersiz altıgen morfolojisinin çok daha etkili yüzey kaplama kabiliyetine bağlanabilir. Katkısız filmler düşük antibakteriyal aktivite sergilemesine rağmen, filmlere ZnO partiküllerinin dahil edilmesi antibakteriyal etkinin gelişmesine neden olmuştur. Hem S.Aureus hem de E.Coli bakterilerine karşı katkısız MicNo® ZnO, Ag ve bir geçiş metali katkılı MicNo® ZnO partikülleri çok yüksek antibakteriyal etki göstermiştir. Özellikle S.Aureus'a karşı nano ZnO içeren filmler 2,57 antibakteriyal R değeri gösterirken, katkısız MicNo® ZnO, Ag ve bir geçiş metali katkılı MicNo® ZnO içeren filmler için bu değer sırasıyla 6,91- 7,72 ve 6.91'dir. Sonuç olarak, MicNo® partikülleri nano partiküllere göre dolgu malzemesi olarak birçok avantaja sahip durumdadırlar ve bu nedenle biyobozunur polimerler için uygulama alanlarını genişletmek için yeni nesil katkı sistemleri olarak büyük bir potansiyel sergilemektedirler.

Abstract:
Biodegradable polymers exhibit great potential to be a critical part of the global sustainability solution; however, their application areas are limited due to their weak barrier properties, poor UV resistance, low thermal resistance, low mechanical strength and inadequate antibacterial properties. Although nano metal oxide powders are often used to improve the properties; they exhibit toxicity and phytotoxicity, and sometimes can cause processing difficulties via uncontrolled agglomeration. Accordingly, alternative additive forms that will be biocompatible, providing both excellent UV resistance and antibacterial effect, are needed to improve the properties of polymers. Recently, designed, biocompatible and environmentally benign micron size hexagonal platelet particles that are composed of fine primary particles, called as MicNo® , have been developed to exploit the advantages of both micron and nano size, while mitigating the adverse effects of nanoparticles. Consequently, the research objective of the present study was to evaluate effects of undoped MicNo® ZnO, Ag and a transition metal doped MicNo® ZnO particles on structure development and hence optical, mechanical and antibacterial properties of Chitosan/PVA films with respect to nano ZnO as a first time in the literature. XRD and SEM results showed that MicNo® particles can be distributed evenly throughout the film without demonstrating any uncontrolled agglomeration. In adiditon, FTIR results revealed that they exhibit stronger intermolecular bonding with the polymeric part with respect than the nanoparticles probably due to larger surface area to volume ratio. As a result, the MicNo® containing films exhibited the highest average tensile strength and elongation as 1.41 MPa and 43.54 %, respectively, among the doped films.  This strength value refers to 206 % and 115 % improvement with respect to pristine and nanoparticle containing films, respectively. Furthermore, both undoped MicNo® ZnO, Ag and a transition metal doped MicNo® ZnO containing films exhibited higher UV-absorbance values than nano ZnO particle containing films. These results suggest that the UV resistance of the films can be improved much more effectively by MicNo® particles with respect to nanoparticles. This outstanding performance enhancement can be attributed to much more effective surface covering ability of unique hexagonal morphology of MicNo® particles with respect to speherical nano particles. Although the pristine films exhibited poor antibacterial activity, incorporation of ZnO particles into the films resulted in development of antibacterial effect. Against to both S. Aureus and E.Coli bacteria undoped MicNo® ZnO, Ag and a transition metal doped MicNo® ZnO particles exhibited very high antibacterial effect. Particularly against to S. Aureus, whereas nano ZnO containing films demonstrated 2.57 antibacterial R value, this value were 6.91, 7.72, 6.91 for undoped MicNo® ZnO, Ag and a transition metal doped MicNo® ZnO containing films, respectively. Consequently, MicNo® particles exhibit many advantages over nano particles and hence demonstrate a great potential as new generation additive systems for biodegradable polymers to extend their application areas.