TiO2 ince filmleri ile kaplanmış yüzeylerin Staphylococcus aureus'a karşı fotokatalitik bakterisidal etkilerinin incelenmesi
The investigation of photocatalytic bactericidal effects against Staphylococcus aureus by TiO2 thin films coated surfaces
Yazar: HAFİZE EFENDİLER
Danışman: PROF.DR. İSMAİL KARABOZ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Kimya = Chemistry ; Mikrobiyoloji = Microbiology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu aratırmada, saf ve metal doplu TiO2 ince filmlerininStaphylococcus aureus'a karı fotokatalitik bakterisidal aktivitesinisaptamak amaçlanmıtır.Bu çalımada, TiO2 ince filmleri sol jel daldırma yöntemi kullanılaraksodyum cam substratlar üzerine uygulanmıtır. TiO2 ince filmlerininhazırlanmasında kullanılan prekürsör solüsyonu, titanyum tetraizopropoksidinuygun miktarı, solvent olarak propanol ve katalist olarak nitrik asitkullanılarak hazırlanmıtır. Saf olmayan maddelerin TiO2 tabakasınadiffüzyonunu engellemek amacıyla sodyum cam substratlar öncelikle ince birsilika tabakası ile kaplanmıtır. TiO2 solü içerisine farklı konsantrasyonlardademir, bakır ve polietilen glikol (PEG 600) eklenerek filmlerin yüzey yapısımodifiye edilmitir. Daldırarak kaplama ve 120°C'lik ön-fırınlama ilemi 3kez tekrar edilmi ve bunu takiben filmler 500°C'de fırınlanmıtır. Prekürsörsolüsyona Fe, Cu, ve PEG ilavesinin ince filmlerin yüzey yapısına vefotokatalitik aktiviteye olan etkisi aratırılmıtır.Filmlerin morfolojik yüzey yapısı ve kompozisyonu, TaramalıElektron Mikroskobu (SEM), Taramalı Uç Mikroskobu (AFM) ve XIınları Kırınım Cihazı (XRD) kullanılarak incelenmitir. Yapılan SEMölçümleri sonucunda silikasız camlar üzerine kaplanan filmlerin homojenolmadıkları ve birçok yerlerinde çatlaklar içerdikleri buna karın silikakaplı substratlar üzerine hazırlanan filmlerin homojen ve çatlaksızoldukları saptanmıtır. 500°C'lik ısısal ilemden sonra PEG eklenenfilmler poröz yapıda olmutur. Demir ve bakır ile yapılan doplama, dopedilmeyen TiO2 örneklerinin düz yüzeyini poröz ve sünger-benzeri biryapıya dönütürmütür. Örneklerin AFM ölçümlerinde homojen birkümeleme tespit edilmitir. PEG içermeyen filmlerin pürüzlülük deerleri15,579-71,725 nm arasında deiiklik göstermi fakat PEG eklendiindebu deerler 0,5559 nm'ye kadar dümütür. XRD analizleri, 500°C'defırınlanan bütün filmlerin anataz formda olduklarını göstermitir.Uzun dalga boylu UV ııı (365 nm) ile ıınlanan TiO2 incefilmlerinin antibakteriyel etkinlii, model olarak Staphylococcus aureusATCC 6538P kullanılarak aratırılmıtır. Bakteriyel solüsyondan 50 mlalınarak TiO2 kaplı substratlar üzerine pipetlenmi ve kurumayı engellemekamacıyla hava geçirmeyen ve ıınlanan bir düzenee yerletirilmitir. Budüzenek, yaklaık 360 nm civarında pik veren ve ıık younlu UVradiometer (UVP) ile ölçülerek 1 mW/cm2'ye ayarlanan 20W siyah ıık(UVP Upland, CA 91786, Model XX-20 BLB) ile ıınlanmıtır. 30, 60, 90,120, dakikalık ıınlama periyotlarından sonra fosfat tamponu kullanılarakhücreler cam yüzeyinden yıkanmıtır. Canlı kalan hücre sayısını tespitetmek için, toplanan hücrelerin uygun seyreltmeleri Baird Parker Agarortamında 37°C'de 48 saat süreyle inkübe edilmitir.Yapılan sayısal analizler, filmlerin kompozisyonuna vekarakteristiklerine balı olarak 30 dakikalık UVA ıınlaması sonucunda TiO2ince filmlerinin gösterdikleri bakteriyel inhibisyonun % 52,36-100 arasındadeitiini göstermitir. TiO2 kaplı filmlerin etkinlii, bakteriyel inhibisyonoranı % 31,25-65,50 arasında deien TiO2 kaplı olmayan filmlerden belirginölçüde yüksek olmutur. SiO2 koruyucu filminin, TiO2 tabakasına Na iyondiffüzyonunu önlemede çok etkili olduu bulunmutur. Sodyum camsubstratları üzerine kaplanan TiO2 filmlerinin fotokatalitik aktivitesi, Naiyonlarının termal diffüzyonundan dolayı daha düük olmutur. TiO2 incefilmlerinin fotokatalitik aktivitesi Cu ve PEG (600) doplanmasıyla artmı, Fedoplanmasıyla dümütür. Fe doplu kaplamalar en düük antibakteriyelaktiviteyi gösterirken, Cu doplu kaplamalar en yüksek aktiviteyi göstermitir.Cu/TiO2 filmi üzerindeki S. aureus ATCC 6538P'nin canlılık oranı 30dakikalık ıınlama sonucunda belirlenemeyen düzeye inmitir. Cu/TiO2kaplamalarının karanlıkta da bakterisidal etki göstermesi, bakırın kendisininbakterisidal etki sergilediini kanıtlamıtır.Bu sonuçlar, TiO2 ince filmlerinin fotoindüklenmi bakterisidaletkisinin filmlerin karakteristiklerine balı olduunu göstermitir.

Abstract:
This research aimed to investigate the photocatalyticbactericidal effects of pure and metal doped TiO2 thin films againstStaphylococcus aureus.In this study, titanium dioxide thin films were preparedusing a sol-gel dip-coating tecnique on soda-lime glass substrates. Theprecursor solution for TiO2 thin films were prepared using the properamount of titanium tetraisopropoxide, propanol as a solvent and nitric acidas a catalyst. The soda-lime glass substrates were first coated with a thinlayer of silica to prevent impurity diffusion to TiO2 layer. The surfacestructures of the films were modified by adding different concentration ofiron, copper and polyethylene glycol (PEG 600) into TiO2 sol. Dip coatingand pre-annealing at 120°C were repeated 3 times and then the films werepost-annealed at 500°C for 1 hour. The effects of Fe, Cu and PEG additionto the precursor solution on the surface structure and photocatalytic activityof the resultant thin films were investigated.The morfology of surface structure and composition of the films wereexamined by Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic ForceMicroscopy (AFM) and X-ray Diffraction (XRD). The film prepared on sodalimeglass without silica was non-uniform and having cracks at many placeswhereas the film prepared on silica coated substrates was uniform and withoutcracks. After PEG was added, porous structures developed in the films anddoping with iron and copper converted the flat surfaces in the undoped TiO2samples to porous, sponge-like surfaces after thermal treatment at the 500°C.From the AFM images of the samples a uniform agglomeration was observedThe roughness profiles (RMS) of the film surfaces without PEG have beenmeasered in the range of 15.579 to 71.725 nm,.but when PEG was added, thevalues decreased to 0.5559 nm. XRD pattern showed that all TiO2 filmsdisplayed the characteristic diffraction peaks of anatase structure annealed at500°C.The antibacterial efficiency of longwave UV-irradiated (365nm) TiO2 thin films was investigated using Staphylococcus aureus ATCC6538P as a model. A 50 ml of the bacterial solution (3.0x108 cfu/ml) waspipetted onto TiO2 coated substrates and placed in an air tight illuminationchamber to prevent drying. This chamber was illuminated with 20W blacklight (UVP Upland, CA 91786, Model XX-20 BLB); the light intensity,which peaks at around 360nm, was 1.0 mW/cm2, which was measuredusing a UV radiometer (UVP). After each illumination time period for 30,60, 90, 120, min. the cells were washed from the glass surface in a sterilpetri dish using phosphate buffer solution (PBS). Appropriate dilutions ofthe collected cells were incubated at 37°C for 48 h in Baird Parker Agarmedium to determine the number of viable cells in terms of cfu.The quantitative experiments showed that bacterial inhibiton ofTiO2 thin films varies between % 52.38-100 after 30 min. UVAillumination depending on the composition and characteristics of the filmsThe efficiency was remarkably higher than that without a TiO2 film inwhich light caused bacterial inhibition between % 31.25-65.50. It wasfound that SiO2 film precoating is very effective to prevent Na iondiffusion into TiO2 layer. TiO2 thin films coated on soda-lime glasssubstrates exhibited lower photocatalytic activity due to the thermaldiffusion of Na ion. The photocatalytic activity of the TiO2 thin filmsincreased with Cu and PEG (600) doping and decreased with Fe doping. Fedoped coatings exhibited the lowest antibacterial activity whereas Cudoped coatings exhibited the highest. The survival ratio for S. aureusATCC 6538P in the liquid film on the Cu/TiO2 film under black lightillumination decreased to a neglible level within 30 min. The bactericidalability of Cu/TiO2 coatings was even found in the dark. This indicated thatCu poses bactericidal activity.The results indicated that the photoinduced bactericidal efficiencyof TiO2 thin film probably depended on the characteristics of the films.