Grafen tabanlı materyallerin antimikrobiyal özelliklerinin değerlendirilmesi  ve üretilen hipotezlerin pamuklu kumaş üzerinde denenmesi
Evaluation of antimicrobial properties of graphene based materials and testing of hypothesis produced on cotton
Yazar: MERVE KAŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SİBEL YİĞİTARSLAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının temel materyali olan grafen, yüksek iletkenliğe sahip, bilinen en ince ve dayanıklı materyal olması gibi özellikleriyle özellikle Biyoteknoloji alanında birçok çalışmaya konu olmaktadır. Bu alanda tercih
edilen materyallerde aranan temel özelliklerden biri ise antimikrobiyal özelliktir. Literatürdeki çalışmalardan bazıları grafen ve grafen oksitin bulunduğu ortamda mikroorganizma üremesi görülmesine karşın iyi bir
antimikrobiyal özellikte olduğunu savunurken, bazı çalışmalarda ise antimikrobiyal özelliğinin olmadığı açıkça belirtilmiştir. Bu nedenle, tez çalışmasında grafen oksit, indirgenmiş grafen oksit, katı grafen yüzeyleri ve
grafen içerikli %100 pamuklu kumaş varlığında mikroorganizma büyümesinin incelenmesi ve bu materyallerin antimikrobiyal özelliğinin irdelenmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, altı farklı derişimdeki (5-400 μg GO/mL) grafen oksit çözeltileri ve indirgenmiş grafen oksit içeren sıvı ortamlarda, beş farklı özellikteki mikroorganizmanın büyümesi spektrofotometrik olarak takip edilmiştir. Aynı süreçlerde alınan örnekler katı ortamda çoğaltılıp koloni sayma cihazıyla analizlenerek de mikroorganizma sayısı belirlenmiştir. Çalışmada, patojen olmayan gram negatif bakteri sınıfını temsilen Escherichia coli Nissle 1917, patojen gram negatif bakterileri türlerini temsilen Escherichia coli, gram pozitif ve patojen özellikte olan bakteriler için Clostridium dificille, gram pozitif patojen olmayan bakteriler için Candida krusei seçilmiştir. Her mikroorganizma, deneylerde kullanılmadan önce kendine özgü besiyerlerinde aktif hale getirilmiştir. İncelenen bütün grafen oksit derişimlerine sahip sıvı ortamlarda mikroorganizma türüne bağlı olmaksızın standart büyüme eğrisinin oluştuğu
tespit edilmiştir. Ancak grafen oksit partiküllerinin mikroorganizma çeşidine bağlı olarak lag, log, durağan ve ölüm fazlarının hem süre hem de oluşumlarında farklılıklar yarattığı gözlemlenlenmiştir. Ortamda oluşan mikroorganizma sayılarında azalmayla birleştirildiğinde bu durumun grafen oksitin mikroorganizmaların ikincil metabolik yollarında rol oynayan enzimlerini etkileyebilmesinden kaynaklandığı öngörülmüştür. Sülfirik asit ile aşındırılmış-pürüzlendirilmiş grafen tabakaları üzerine mikroorganizmaya has katı besiyeri ve aktifleştirilmiş mikroorganizma ekilerek yapılan katı ortam deneyleri sonucunda, materyalin kendi hidrofobisitesi nedeniyle mikroorganizmaların yüzeye tutunamadığı ve pürüzlü yüzeylere çarpan mikroorganizmaların hücre bütünlüğünü koruyamadığı belirlenmiştir. Her hidrofobik veya pürüzlü materyalin antimikrobiyal olmadığı gerçeğinden yola çıkarak grafen oksit emdirilmiş kumaş yüzeyler sıvı besiyeri içerisine daldırılarak mikroorganizmaların büyüme miktarları incelenmiştir. Bu deneyler sonucunda da kumaşa yakın yerlerde katı yüzey bulgularının, sıvı bölgelerde ise daha önce sıvı ortamlarda elde edeilen bulguların tekrarlandığı görülmüştür. Dolayısyla, grafen oksit ve grafen materyallerinin antimikrobiyal özelliğinin olmadığı sonucuna varılmıştır. Bu bulguyu doğrulamak adına üç parametreli üç-seviyeli Box-Behnken deney dizaynı kullanılarak çoklu optimizasyon tekniğiyle mikroorganizma türü, grafen içerikli kumaş boyutu ve grafen oksit derişiminin mikroorganizma büyümesi üzerindeki tekli ve çoklu etkileri analizlenmiştir. Tüm istatistiksel ve fiziksel uygunluk testleri uygulandıktan sonra elde edilen
kuadratik model fonksiyonuyla parametrelerin üç-boyutlu yüzey grafikleri bilgisayar programıyla çizdirilmiştir. Kumaş boyutu ve grafen oksit derişimi ne olursa olsun mikroorganizma büyümesinin gerçekleştiği, mikrobiyal büyümenin sadece ortamda mevcut olan besinin kullanım hızından dolayı mikroorganizma çeşitliliğine bağlı olduğu tespit edilmiştir. Dolayısıyla, ortamda grafen oksitin sıvıya dağılmış veya katıya emdirilmiş halde eklenmesinin mikrobiyal büyüme üzerinde etkisiz olduğu bir kez daha kanıtlanmıştır.

Abstract:
Graphene, which was the basic material of this thesis, is the subject of many studies especially in the field of Biotechnology with its features such as being the finest and durable material with high conductivity. Antimicrobial property is one of the basic properties of the materials preferred in this field. While some of
the studies in the literature claim that it has good antimicrobial properties despite the growth of microorganisms being reported in the presence of graphene and graphene oxide, some studies have clearly stated that they do not
have antimicrobial properties. Therefore, in this thesis, it is aimed to investigate the growth of microorganisms in the presence of graphene oxide, reduced graphene oxide, solid graphene surfaces and 100% cotton fabric containing graphene and to investigate the antimicrobial properties of these materials. Accordingly, the growth of five different microorganisms was monitored spectrophotometrically in liquid media containing reduced graphene oxide, and graphene oxide solutions of six different concentrations (5-400 GOg / mL). The number of microorganisms were determined by colony counter by taking the samples at the same time and growing them in a solid medium. In the study, Escherichia coli Nissle 1917 representing the non-pathogenic gram negative bacteria class, Escherichia coli representing the species of gram negative bacteria, Clostridium dificille for gram positive and pathogenic bacteria, Candida krusei for gram positive non-pathogenic bacteria were selected. Each microorganism was activated on its own media before being used in the experiments. Regardless of microorganism type, standard growth curves
formation was determined in liquid media containing all graphene oxide concentrations examined. However, it has been observed that the lag, log, stationary and death phases of graphene oxide particles create differences in
both duration and formation depending on the microorganism type. When combined with reduction in the number of microorganisms formed in the environment, it is predicted that this is due to the fact that graphene oxide can
affect the enzymes involved in the secondary metabolic pathways of the microorganisms. As a result of solid media experiments containing activated microorganisms on the graphene layers etched with sulfuric acid, it was
determined that the microorganism did not capable of holding onto the surface due to materials hydrophobicity, and that microorganisms hitting the rough surfaces did not capable of protecting the cell integrities. Based on the fact that not every hydrophobic or rough material is antimicrobial, the growth amounts of microorganisms were investigated in liquid medium in which the fabric surfaces impregnated with graphene oxide was immersed. As a result of these experiments, it was observed that the solid surface findings were found as same as those obtained at near the fabric, and the findings obtained in the liquid areas were repeated as those observed previously in the liquid regions. Therefore, it was concluded that graphene oxide and graphene materials had no antimicrobial properties. In order to confirm this finding, single and multiple effects of microorganism type, graphene containing fabric size, and graphene oxide concentration on microorganism growth were analyzed by using multiple
optimization technique with three-parameter three-level Box-Behnken experimental design. After performing all statistical and physical fitness tests, three-dimensional surface graphs of the parameters were drawn by computer
program with the quadratic model function. Regardless of fabric size and graphene oxide concentration, it was determined that microorganism growth occurs and microbial growth depends only on the variety of microorganisms
due to the speed of use of nutrients present in the medium. Thus, it was proven once again, that the presence of graphene oxide in the medium as dispersed in liquid or as impregnated into the solid was to be ineffective on microbial growth.