Özel tasarım yüzey aktif maddeler kullanılarak nano/mikro boyutlu tübüler yapıların oluşturulması,karakterizasyonu ve uygulamaları
Formation, characterization and applications of nano/micro sized tubular structures by utilizing specially designed surface active materials
Yazar: HANDE ÜNSAL
Danışman: PROF. DR. NİHAL AYDOĞAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Kendiliğinden kümeleşme yöntemiyle oluşturulan lipit nanotüpler, kolay üretim
prosedürleri, yüksek biyo-uyumlulukları ve elektronikten biyoteknolojiye uzanan geniş
kullanım alanları gibi avantajları sayesinde son yıllarda oldukça ilgi gören konular arasında
yer almaktadır. Özellikleri dış uyarıcılar ile tersinir olarak değiştirilebilen akıllı lipit
nanotüp sistemlerinin oluşturulması ise lipit nanotüplerin fonksiyonelliklerini daha da
arttıracaktır. Literatürde dış uyarıcılarla morfolojisi değiştirilebilen lipit nanotüplerle ilgili
bazı çalışmalar bulunsa da bu çalışmalar oldukça yetersiz ve kısıtlıdır. Ancak nanotüp
morfolojisinin dış uyarıcılarla kontrolü son dönemde giderek daha çok ilgi çeken bir alan
halini almaktadır. Bu nedenle bu çalışmada, biyomakromoleküllerin veya
mikroorganizmaların kapsüllenmesi, ilaç taşınımı ve kontrollü salınımı, şablon
uygulamaları, organik-metal hibrit tek boyutlu yapıların oluşturulması gibi proseslerde
kullanılabilecek, özellikleri ortam koşulları değiştirilerek tersinir olarak kontrol edilebilen,
akıllı lipit nanotüplerin kendiliğinden kümeleşme yöntemiyle elde edilmesi ve çeşitli
alanlardaki kullanımlarına dair ön incelemelerin yapılması amaçlanmıştır. Tez çalışması
kapsamında ayrıca molekül yapısı ile kümeleşme özellikleri arasındaki ilişkinin
araştırılması da hedeflenmiştir. Bu hedefler doğrultusunda, yapısına özel olarak
yerleştirilmiş COOH ve antrakinon grupları sayesinde, ortam koşullarına karşı çift-cevap
özelliği taşıyan, pH'a duyarlı ve redoks-aktif Aqua (AQ-NH-(CH2)10COOH) molekülü
tasarlanmış ve sentezlenmiştir. Aqua molekülü, kendisi ile molce eşit miktarda etanolamin
varlığında, sulu ortamda, sol-yönelimli nanotüpler oluşturmaktadır. Akiral Aqua
molekülünün kiral nanotüpler oluşturması, nanotüp oluşumunun kiral-simetri kırılması
mekanizmasına dayandığını göstermektedir. Oluşan lipit nanotüplerin özellikleri Aqua
derişimi, zıt iyon türü ve ortamda bulunan tuz miktarı gibi parametrelerden de oldukça
etkilenmektedir. Aqua nanotüplerinin morfolojisi, hedeflendiği gibi, hem pH hem de
redoks reaksiyonları etkileriyle tersinir olarak değiştirilebilmektedir. Aqua molekülünün
pKa değeri olan 4.9'un altındaki pH'larda, nanotüp morfolojisinde bozulmalar oluşmakta
ve nanotüpler, pH düştükçe kademeli olarak açılarak, daha gevsek nanotüpler veya
tamamen açılmış levha tipli yapılar haline dönüşmektedir. Bu değişim pH 3-9 değerleri
arasında büyük ölçüde tersinirdir ve bozulmuş nanotüp yapılarına ait çözelti pH'ı tekrar
arttırıldığında orijinal çözeltideki nanotüp yapısı tekrar oluşmaktadır. Aqua nanotüp
çözeltisi indirgendiğinde ise nanotüpler, çok daha ince kurdele tipli yapılara dönüşmekte
ve indirgenmiş çözeltinin tekrar yükseltgenmesi sonucunda ise bu kurdele tipli yapılar
tersinir olarak tekrar nanotüp formuna kavuşmaktadır. Molekül yapısındaki fonksiyonel
grupların nanotüp oluşumu üzerine etkilerine dair çalışmalar ise, antrakinon ve COOH
gruplarının molekül yapısında birlikte bulunmasının ve hidrokarbon zincir uzunluğunun
tek sayı olmasının lipit nanotüp oluşumu ve oluşan nanotüplerin çaplarının küçültülmesi
açılarından sinerjik bir etki yarattığını göstermiştir. Aqua molekülü organik çözücüler ve
bu çözücülerin sulu karışımlarında ise çoğunlukla ipliksi yapılar oluşturmakta ve çözücü
türü ve bileşimi değiştirilerek elde edilen bu yapıların çap ve boy değerleri geniş bir
aralıkta kontrol edilebilmektedir. Farklı ortamların birçoğunda ipliksi yapılar elde edilmesi
Aqua'nın molekül tasarımına bağlı olarak, uzun kümeleşmeler oluşturma eğiliminin
oldukça baskın olduğunu göstermektedir. Aqua nanotüpleri, çeşitli protein ve ilaç
yapılarını yüksek kapasitede tutabilmekte ve pH'a duyarlı bir salım profili sergilemektedir.
Bu durum ise Aqua nanotüplerinin enkapsülasyon ve kontrollü salım uygulamaları için
kullanışlı bir alternatif olabileceğini göstermektedir. Ayrıca Aqua nanotüpleri kloroaurik
asit tuzunu indirgeyerek nanotüp yüzeylerinde altın nanopartiküllerin oluşmasını
sağlamakta ve Aqua-altın hibrit nanotüp yapıları oluşturulabilmektedir. Literatürde hem
pH hem redoks etkileriyle tersinir olarak nanotüplerinin morfolojik kontrolü
gerçekleştirilebilen ilk molekül Aqua'dır. Bu özellikleri sayesinde ise Aqua nanotüplerinin
çok geniş alanlarda etkin kullanıma sahip olabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Recently, self-assembled lipid nanotubes are among the most interested topics due to their
advantages such as quite simple production procedures, high bio-compatibilities and wide
application areas ranging from electronics to biotechnology. Formation of smart lipid
nanotube systems whose properties can be reversibly tuned by using external stimuli will
evidently increase the functionality of the lipid nanotubes. Although there exist some
studies about external stimuli-morphology-tunable lipid nanotubes, they are limited and
insufficient. However, this topic becomes more and more attractive day by day. Thus, in
this study, it is aimed to form smart self-assembled lipit nanotubes whose properties can be
reversibly controlled by changing the external stimuli and which can be used for the
encapsulation of biomacromolecules and microorganisms, drug transportation and
controlled release, template applications, formation of 1D organic-metallic hybrid
structures etc. and to perform some pre- investigations about their usabilities in some of
those application areas. It is also aimed in this thesis to quest for the relationship between
the molecular structure and aggregate properties. In order to achieve these aims, Aqua
molecule (AQ-NH-(CH2)10COOH), which has a dual stimuli-responsive character, i.e. both
pH sensitive and redox active, owing to the COOH and anthraquinone groups, which are
specially integrated to the molecular structure, is designed and synthesized. Aqua
molecule forms left-handed nanotubes in aqueous medium in the presence of equimolar
amount of ethanol amine. Formation of chiral nanotubes by the achiral Aqua molecule
shows that the formation mechanism for Aqua nanotubes is the chiral-symmetry-breaking
mechanism. The nanotube properties are affected by the parameters such as Aqua
concentration, counter-ion type, amount of salt in the solution. Aqua nanotube
morphology, as aimed, can be altered reversibly by both pH and redox effects. There exist
some deterioration in the nanotube morphology below the pKa i.e. 4.9, and as the pH is
further decreased, gradual unfolding of the nanotubes causing looser nanotubes or fully
opened sheet-type structures occur. This morphological change is reversible between the
pH values of 3-9 and, the original nanotube structure is re-formed upon re-increasing the
pH of destroyed nanotube solution. Also, when the Aqua nanotube solution is reduced,
then the nanotube structure transforms into thinner ribbons and after re-oxidation of the
reduced solution these ribbons reversibly return to original nanotube structures. The studies
about the effects of functional groups in the molecular structure on the nanotube formation,
indicates that the coexistence of both COOH and anthraquinone groups in the molecular
structure and existence of an odd numbered hydrocarbon chain have a synergistic effect for
nanotube formation and decreasing the nanotube diameter. In the organic solvents and
organic solvent-water mixtures, Aqua generally forms fiber-like aggregates and the
diameters and lengths of these fibers can be controlled in a wide range by changing the
solvent type and composition. Formation of fiberous structures in much of the different
mediums means that the due to its molecular design Aqua has a dominant tendency to form
elongated aggregates. Aqua nanotubes can encapsulate various proteins and drugs with a
quite high capacity and has pH dependent release profiles. This situation shows that Aqua
nanotubes can be a useful alternative for the encapsulation and controlled release
applications. Additionally, Aqua nanotubes form gold nanoparticles on the nanotube
surfaces by reducing chloroauric acid and thus provide to obtain Aqua-gold hybrid
nanotubes. Aqua is the first molecule in the literature whose nanotube morphology can be
reversibly controlled by both pH and redox effects. Owing to these properties it is believed
that Aqua nanotubes can be efficiently utilized in a wide range of applications.