Hidrojellerde şişme işleminin floresans spektrometre ile incelenmesi ve bilgisayar modellemesi
A study of swelling process of hydrogels with fluorescence spectrometer and computer modelling
Yazar: FİLİZ ÖZTEKİN
Danışman: DOÇ. DR. DEMET AKTAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Difüzyon = Diffusion ; Difüzyon katsayısı = Diffusion coefficient ; Hidrojeller = Hydrogels ; Şişme = Swelling

Özet:
İlk olarak amacımız, hidrojellerdeki şişme işlemi ilk kez Zaman Ayrımlı Floresans Teknik (FTRF) kullanarak incelemektir. Bir diğer hedefimiz, pireni hidrofobik yapısından çıkarıp hidrofilik forma döndürerek, saf suda hidrojel şişme sürecini FTRF ile gözlemlemektir. Bu teknikte piren ajan molekül (aromatik molekül) olarak kullanıldı. Bir diğer amaç, kolektif difüzyon sabiti Dc'nin, hem gravimetrik hem de floresans deneylerle elde edilmesidir. Son olarak bu verilere dayanarak, Dc 'nin hesabını, sadece kullandığımız 5 farklı değer için değil, aralığındaki tüm değerler için hesaplayacak bir program geliştirmektir. Ayrıca bu programın içeriğinde, hazırladığımız jelin konsantrasyonları baz alınacak şekilde çalışan bir malzeme miktarı hesaplayıcı olmasıydı.
Floresans ölçümlerimizde Photon Technology International marka TM-2000 model cihazı kullandık. Şişme deneylerinde, piren molekülleri 345nm'de uyarıldı ve 395nm'de bozunum eğrileri elde edildi. 
Sentezlemiş olduğumuz hidrojellerde beş farklı çapraz bağlayıcı (BIS) miktarı kullanarak, şişmenin farklı BIS değerlerde nasıl gerçekleştiğini izledik ve beklentimizin olduğu yönde gerçekleşerek, BIS miktarının artmasıyla kolektif difüzyon katsayısının Dc 'nin azaldığı sonucuna ulaştık. Çapraz bağlayıcı miktarının artması ortamda oluşan çapraz bağlanmaların daha sıkı ve sık olmasına yol açtığından, çözücünün bu bağlar ortamına nüfuz edişini zorlaştırmaktadır. Ayrıca gravimetrik olarak da şişmeyi incelediğimizde gördük ki aynı şekilde artan BIS miktarlarda  Dc değerleri azalma gösteriyor. Son olarak da bu incelemenin yanı sıra deneyler sonunda elde ettiğimiz sayısal bulgular ışığında, kullanıcıdan alınan BIS ve çözücü miktarını (PBS) kullanarak Dc 'yi hesaplayan bir program geliştirdik. Dc hesabına ek olarak kendi hazırlamış olduğumuz jel için kullandığımız kimyasal malzeme konstrasyonlarını baz alarak, yine kullanıcı tarafından girilen BIS ve  PBS değerleri ışığında, hidrojeli sentezlemek için gerekli olan diğer üç malzeme olan başlatıcı (APS), hızlandırıcı (TEMED) ve aromatik molekül olan piren (Pyr) 'in gerekli olan miktarları program tarafından hesaplanmaktadır.

Abstract:
In this thesis study, we studied hdyrogels which were astonishing because of the absorbing huge amount of water or biological liquids. They have become a research topic in various fields. We can see numerable studies about hydrogels in the corresponding literature. Especially they are being used to develop contact lenses, disposable diapers, artificial bone substitutes... etc. Another remarkable research area is the pharmaceutical industry. Hydrogels are being widely used as drug delivery systems in this field as well.
First of all, the study of the swelling of hydrogels with fast transient fluorescence technique (FTRF) is aimed to be conducted for the first time. Other one is the transformation of pyrene from hydrophobicity to hydrophilicity. Pyrene is used as an agent molecule for this technique. Another purpose is the calculation of cooperative diffusion coefficient (Dc) from the flurorescence and gravimetric experiments. Lastly, we wanted to develop a computer programme for the calculation of cooperative diffusion coefficient Dc automatically, based on the experimental outcomes.Also this programme will have include a small part for the calculation of gel contents automatically.
We examined the hydrogel's swelling process by using fast transient fluorescence technique (FTRF). This study is done for the first time for hydrogels. It is not possible for pyrene as shown in the previous studies because of its hydrophobic  feature. However, we found a way that make pyrene hydrophilic and use it as our aromatic molecule.
Fast transient fluorescence measurements were performed with a Photon Technology International (PTI). This technique uses a strobe master system (SMS) to measure lifetimes. As aromatic molecule, Pyrene molecules were excited to fluorescence at 345nm and fluorescence decay profiles were obtain at 395nm in swelling experiments. In order to find the lifetime of Pyrene molecules during the network formation, the fluorescence decays were fit to double exponentials.
Hydrogel samples were obtained from acrylamide (AAm) with various N,N'-methylenebisacrylamide (BIS) contents as cross-linker. In addition, amonium persulfate (APS) was used as an initiator by free-radical cross-linking copolymerization in water. All the Polyacrylamide (PAAm) gels were dried before using for swelling experiments.
We believe that we succeed to transformation of pyrene from hydrophobicity to hydrophilicity. Thereupon we could use it as aromatic molecule. For FTRF technique, this is the first. As we expected, when BIS values increase, Dc values dicrease. These results were obtained from both fluorescence and gravimetric experiments. As a result, it was observed cage effect of Pyrene molecules. When the cross-linker quantity is raise, the network of inter-molecules is get close up. In consequence of this, solvent uptake is get hard. Based on the outcomes of fluorescence measurements, it was developed a programme which was tested and is convinced to work properly. For the future, we intend to extend this programme for a wide usage and redo this work for different ph values.