Poliüretan hidrojellerin plazmayla yüzey modifikasyonu ve protein adsorpsiyonu
Plasma surface modification and protein adsorption of polyurethane hydrogels
Yazar: CANSU ÇITAK
Danışman: PROF. DR. F.SENİHA GÜNER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Uygun mekanik özellikleri, ayarlanabilir fiziksel özellikleri ve mükemmel kan ve doku uyumluluğu poliüretanların biyomedikal uygulamalarda sıklıkla kullanılmasını sağlamıştır. Ancak, poliüretan yüzeyler hücre yapışması/tutunması, hücre çoğalması ve protein adsorpsiyonu konularında geliştirilmeye ihtiyaç duymaktadır. Poliüretan malzemelerin kütle özelliklerini değiştirmeden yüzey özelliklerini iyileştirmek amacıyla çok sayıda çalışma yapılmıştır. Plazmayla yüzey modifikasyonu pahalı olmasına rağmen son zamanlarda ilgi çekici bir yüzey modifikasyonu yöntemidir.Bu çalışmada, polietilen glikol (PEG), hint yağı (HY), hegzametilen diizosiyanat (HDI) ve 1,4-bütandiol (BDO) kullanılarak katalizör ve çözücü kullanılmadan farklı HY/PEG oranlarında biyomedikal saflıkta poliüretan filmler hazırlanmıştır. Hazırlanan poliüretan (PU) filmlere yüzey aktifleştirme ve plazma polimerizasyonu olmak üzere iki aşamalı plazma yüzey modifikasyon (PSM) işlemi uygulanmıştır. Birinci aşamada, PU filmlere belirli güç ve sürede (50W, 2 dakika) argon (Ar) plazma uygulanarak temiz aktif yüzeyler elde edilmiştir. İkinci aşamada ise aktifleştirilen PU filmlere akrilik asit (AA) monomeri kullanılarak belirli güç ve sürede (50W, 5 dakika) plazma polimerizasyonu gerçekleştirilmiştir. Biyouyumluluk çalışmaları kapsamında protein adsorpsiyonu ve hücre yapışması/tutunması ve üremesi deneyleri yürütülmüştür. Protein adsorpsiyonu deneylerinde, kan plazmasında önemli ve hayati görevleri bulunan hayvan serum albümin (BSA) ve hayvan serum fibrinojen (BSF) proteinleri kullanılmıştır. Poliüretan sentezinde kullanılan HY ve PEG oranının ve yüzey modifikasyonunun protein adsorpsiyonuna etkisi incelenmiştir. Hücre yapışması/tutunması ve üremesi çalışmalarında da bu etkiler incelenmiş, ayrıca yüzeye adsorplanan proteinin hücre yapışması/tutunması ve üremesi üzerindeki etkileri de incelenmiştir.Sentezlenen PU filmlerin Soxhlet ekstraktörü ile jel içerikleri belirlenmiştir. Şişme değerleri hem su hem de fosfat tampon çözeltisi (PBS) için belirlenmiş olup arada göz önüne alınabilecek belirgin bir fark bulunmadığı için suda şişme değerleri polimerlerin şişme davranışlarının incelenmesinde kullanılmıştır. Seçilen belirli PU filmlerin boşluk hacimleri hesaplanarak değişen HY/PEG içeriğiyle yapıda oluşan pürüzlülük hakkında bilgi edinilmiştir. İkişer hafta aralıklarla 8 hafta boyunca belirli PU filmlerin ağırlık tartımı ve FT-IR analizi ile PBS ortamında hidrolizleri incelenmiştir.Sentezlenen poliüretan filmlerin yapısal karakterizasyonu için fourier transform infrared (FT-IR) spektroskopisi, termal ve mekanik karakterizasyonu için ısılgravimetrik analiz (TGA), diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve dinamik mekanik analiz (DMA) kullanılmıştır. Sentezlenen bazı PU filmlerin kristalografik yapısını aydınlatmak amacıyla X-ışını kırınımı (XRD) kullanılmıştır. Hint yağı temelli PU filminin yüzeyine yapılan nanometrik boyutdaki AA kaplaması ve protein adsorpsiyonu X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile belirlenmiştir. Poliüretan filmlerin hidrofilik/hidrofobik özelliklerini belirlemek için temas açısı ölçümleri yapılmış ve yüzey serbest enerjileri hesaplanmıştır. PSM öncesi ve sonrasında ve protein adsorpsiyonu sonrasında PU filmlerin yüzey ıslanabilirliği ve topoğrafyası incelenmiştir. Yüzey topoğrafyasının incelenmesinde atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanılmıştır.PSM öncesinde, sentezlenen PU filmlerin temas açıları, kullanılan monomer oranına bağlı olarak 61o ile 91o arasında değişmektedir. Yürütülen çalışmalarda, literatürdeki veriler ve laboratuvarlarımızda yapılan diğer deneysel çalışmalar göz önünde bulundurularak 50 W, 2 dakika Ar plazma uygulaması ile polimer filmin yüzey aktivasyonu yapılmış, sonrasında 50 W, 5 dakika AA plazma polimerizasyonu gerçekleştirilmiştir.SEM ile PU yüzeylerin topoğrafyası protein adsorpsiyonu sonrası incelendiğinde elde edilen görüntülerde, yüzeye adsorbe olan proteinler ve aynı zamanda PSM ile AA kaplamasından sonra azalan protein adsorpsiyonu gözlemlenmektedir. AFM sonuçları plazma yüzey modifikasyonunun yüzey pürüzlülüğününün artmasına sebep olduğunu göstermiştir. Farklı HY/PEG oranlarında sentezlenen poliüretan filmlerin PSM ile yüzeylerinde oluşturulan serbest radikal merkezlerin konsantrasyonuna bağlı olarak farklı topoğrafik yapıda poliakrilik asit film oluşumu belirlenmiştir. Ayrıca BSA ve BSF protein adsorpsiyonlarından sonrada incelenen tapografik sonuçlara göre yüzeydeki protein adsorpsiyonu hakkında bilgi sahibi olunmuştur.Biyouyumluğun belirlenmesinde bir ön çalışma olarak yürütülen protein adsorpsiyonu sonuçlarına göre PEG içeriğinin artması protein adsorpsiyonun artmasına neden olmuştur. BSA için 9.8-15 mg/cm2 arasında olan protein adsorpsiyonu değerleri AA kaplamasından sonra 8-13.5 mg/cm2 değerlerine düşmüştür. BSF için 2-4 mg/cm2 arasında olan protein adsorpsiyonu değerleri AA kaplamasından sonra 1.3-3 mg/cm2 değerlerine düşmüştür. Literatürdeki verilerle de paralel olarak adsorplanan BSA, adsorplanan BSF miktarının yaklaşık 4 katı kadardır. PU filmler plazmayla yüzey modifikasyonu sonrasında daha hidrofilik karakter göstermiş dolayısıyla protein adsorpsiyonları düşmüştür. Plazma uygulaması yüzey pürüzlülüğünü arttırmış, protein adsorpsiyonunu olumsuz yönde etkilemiştir.Sitotoksisite ve hücre yapışması deneylerinde NIH-3T3 fare fibroblast hücreleri ve ?Vybrant? sitotoksisite hücre proliferasyon kiti kullanılmış ve HY/PEG oranı 100/0 ve 50/50 kodlu numuler için bu testler yapılmıştır. Ayrıca AA ile kaplanmış ve AA kapalama sonrası BSA ve BSF proteinleri adsorbe edilmiş halleri için bir seri deney gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Polyurethanes obtain to be use in biomedical application for suitable mechanical properties, controllable physical properties and excellent blood and tissue compatibility. However polyurethane surfaces need to be developed at cell adhesion/attachment, cell proliferation and protein adsorption. Numerously study concluded to enhance surface properties of polyurethane materials witout changing bulk properties. Plasma surface modification is an attractive surface modification method in spite of its expenciveness.In this study, polyethylene glycol (PEG), castor oil (CO), hegzamethylene diizosiyanat (HDI) and 1,4-buthanediol (BDO) are used to obtain polyurethane in biomedical purity in different HY/PEG ratio without using any catalyst and solvent. It is applied to the prepared polyurethane (PU) films plasma surface modification (PSM) method in a two different way that is surface activation and plasma polymerization. In the first step, to obtain clean surfaces PU films are imposed argon (Ar) plasma in specific power and time (50W, 2 minute). In the secont step, activated PU surfaces is exposed acrylic acid monomer in specific power and time (50W, 5 minute) to occur plasma polymerization. Protein adsorption and cell adhesion/attachment and cell proliferation experiment are carried out for biocompatibility studies. Bovine serum albumin (BSA) and bovine serum fibrinogen (BSF) are used for protein adsorption experiment because of their vital role in the blood plasma. It is investigated in protein adsorption that changing HY and PEG ratio in polyurethane synthesis and surface modification. It is investigated in cell adhesion/attachment ve cell proliferation adsorption that changing HY and PEG ratio in polyurethane synthesis and surface modification. İt is examined how is the protein adsorption affect to the cell adhesion/attachment ve cell proliferation.Synthesed polyurethane films are examined with Soxhlet extraction to determine gel content. Sweeling ratios are determined in both pure water and phosphate buffer saline (PBS). But there is no differences between these results so swelling ratios in pure water result are regarded. Hydrolis experiment are carried out in PBS medium weeks at 36 oC. Every 2 weeks, the films are dried, weighed and have FT-IR analysis for specific PU films.The method is used determining of PU film for structural characterization fourier transform infrared (FT-IR) spectroscope, for thermal and mechanical characterization thermalgravimetric analiysis (TGA), differential scaning calorimeter (DSC) and dynamic mechanical analiysis (DMA). X-ray diffraction is used to determine crystalografic structure for synthesis PU films. X-ray photoelectron spectroscope is used to determine AA coating in nanometric dimension and BSF adsorption around the PU films. Contact angle and surface free energy measurements are made for determining the hydrophilic/hydrophobic character on the PU films. Topography and the wettability of the PU films are determined after and before PSM and protein adsorption. Atomic force microscope (AFM) is used to determine surface topography of PU films. Scaning electron microscope is used to determine AA coating and protein adsorption to the PU surfaces which has HY/PEG ratio is 100/0 and 50/50.Before PSM, contact angle of the synthesed PU films are changing 61o to 91o depend on the ratio of the used monomer.In this study, to take into consideration of the litterateural datas and studies done before in the laboratories; activation of the films are made with applying 50 W, 2 minutes Ar plasma and after that plasma polimerization of the active PU films are made with 50 W, 5 minutes AA plasma polimerization.As a result of the SEM analysis of the PU films, protein adsorpiton and the AA coating and the reduction of the protein adsorption of the surface after AA coating are proved. As a result of the AFM analysis, surface roughness of the PU films is increased after the plasma polimerization. Different concantration of AA coating of the different HY/PEG ratio of the PU surfaces are determined with AFM analysis. Also BSA and BSF adsorption of the PU films are observed form AFM images.With increasing the PEG ratio in the PU films, protein adsorptions are increased exacly. For BSA adsorption, protein adsorption datas are changed between 9.8-15 mg/cm2, after AA coating this data degreased between 8-13.5 mg/cm2. For BSF adsorption, protein adsorption datas are changed between 2-4 mg/cm2, after AA coating this datas degreased between 1.3-3 mg/cm2. Adsorbed BSA/BSF ratio is about four correspondingly litterateur. After PSM, PU films became more hydrophilic so adsorbed protein amount to the PU films i degreased. PSM is increased to the surface roughness, and this accured negatively to the protein adsorption.Cytotoxicity and cell attachment experiments are carried out with rat NIH-3T3 fibroblast cell and ?Vybrant? cell prolification kit. This experiment are carried out for HY/PEG ratio is 100/0 and 50/50 samples. Also these experiments are carried out after AA coating and AA coating after the BSA and BSF adsorption of the film.