Antibakteriyel polimerik nanokaplamaların kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile sentezi ve bu kaplamaların antibakteriyel ve sitotoksik özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of antibacterial polymeric nanocoatings by chemical vapor deposition method and investigation of antibacterial and cytotoxic properties of these coatings
Yazar: EMRE ÇITAK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KARAMAN
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında antibakteriyel özelliğe sahip polimerler başlatıcılı kimyasal buhar biriktirme (iCVD) ve plazma destekli kimyasal buhar biriktirme yöntemi (PECVD) ile farklı alttaşlar üzerinde sentezlenmiştir. 
Bir çalışmada, Dietilaminoetil metakrilat (DEAEMA) ve Vinilbenzil klorür (VBC) monomerleri kullanılarak iCVD yöntemi ile antibakteriyel özelliğe, biyouyumluluğa, kimyasal ve mekaniksel dayanıma, yüksek adezyona sahip polimerik ince filmler cam, kumaş ve polietilen tereftalat (PET) alttaş yüzeylerine kaplanmıştır. iCVD sisteminde farklı DEAEMA ve VBC monomer besleme oranlarında kaplamalar gerçekleştirilmiştir. Polimerik ince filmlerin kimyasal yapısı XPS ve FT-IR ile, yüzeyin hidrofobikliği temas açısı analizi ile, yüzey morfolojisi ve ortalama yüzey pürüzlülüğü AFM analizi ile, yüzeyin ve polimerin mekanik özellikleri ise bant yapışma testi ve optik mikroskop ile, gram negatif E.Coli ve gram pozitif S.Aureus bakterilerine karşı bakteri öldürme performansı antibakteriyel etkinlik testi ile, sitotoksik özellikleri hücre canlılık testi ile analiz edilmiştir. Silanlama işlemleri ile yüzeyin adezyon kuvvetinin arttığı, DEAEMA ve VBC monomerlerinin iCVD yöntemiyle kopolimerizasyonu ile mekanik dayanıklılığının arttığı gözlemlenmiştir. Oksijen gazı ile yapılan plazma işlemi sonucunda yüzeylerin protonlandığı, XPS analizi ile ispat edilmiştir. DEAEMA:VBC/1:0,5 monomer besleme oranında cam, kumaş ve PET alttaşlar üzerinde elde edilen antibakteriyel polimerlerin, ortalama 5-6 log redüksiyonu gibi yüksek antibakteriyel etkinliğe sahip olduğu tespit edilmiştir. Kaplamaların sitotoksisite çalışmaları XTT prosedürü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuca göre elde edilen kopolimer film yüzeylerinin NIH/3T3 memeli hücrelerine karşı sitotoksik etkisinin olmadığı ve yüksek antibakteriyel özelliğe sahip olduğu gözlemlenmiştir.
Bir diğer çalışmada, yüksek yüzey pürüzlülüğüne ve antibakteriyel özelliklere sahip doğal yüzeyler taklit edilerek, yüksek antibakteriyel özelliklere sahip polimerler elde edilmiştir. Pürüzlülüğün antibakteriyel etkiye katkısını incelemek için, 36 μm ve 8 μm olmak üzere iki farklı ortalama partikül çapına sahip zımpara yüzeyin pürüzlü yapısı polidimetilsiloksan (PDMS) polimerine yumuşak litografi yöntemi ile aktarılmıştır. Bu pürüzlendirilmiş yüzeyler üzerine, iCVD yöntemi ile DEAEMA ve VBC monomerleri kullanılarak çapraz bağlı antibakteriyel polimer kaplanmıştır. Yüzeyin hidrofobikliği temas açısı analizi ile, kimyasal yapısı FT-IR spektroskopisi ile, yüzey morfolojisi ve ortalama yüzey pürüzlülüğü AFM ile, bakteriyel öldürme performansı antibakteriyel etkinlik testi ile analiz edilmiştir. Düz kopya yüzeyleri üzerine kaplanmış polimerik ince filmlerde, S.Aureus bakterisine karşı antibakteriyel etkinliğinin, E.Coli bakterisine göre daha yüksek olduğu, pürüzlendirilmiş kopya yüzeyleri üzerine kaplanmış polimerik filmlerde, E.Coli bakterisine karşı antibakteriyel etkinliğinin S.Aureus'a göre daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Düz yüzey, pürüzlendirilmiş kopya yüzeyleri üzerine kaplanmış polimerik filmlerin antibakteriyel etkinlikleri incelendiğinde, S.Aureus ve E.Coli bakterilerine karşı en yüksek antibakteriyel etkinlik, 36 μm ortalama partikül çapına sahip yüzeylerde olduğu (S.Aureus bakterisine karşı logaritmik redüksiyonun yaklaşık 4,5 olduğu, E.Coli bakterisine karşı yaklaşık 7 olduğu) gözlemlenmiştir. 
Bir diğer çalışmada, defne, portakal ve biberiye gibi esansiyel yağlar kullanılarak PECVD yöntemi ile antibakteriyel özelliğe sahip polimerik ince filmler elde edilmiştir. 15 W, 30, 45 W ve 60 W plazma güçlerinde yapılan polimerik ince filmlerin kimyasal yapısı FT-IR ile, yüzeyin hidrofobikliği temas açısı analizi ile, yüzey morfolojisi ve ortalama yüzey pürüzlülüğü AFM analizi ile, bakteri öldürme performansı ise antibakteriyel etkinlik testi ile ölçülmüştür. Defne yağı, portakal yağı ve biberiye yağı ile elde edilen polimerik ince filmlerin ortalama pürüzlülüğünün artışı ile temas açısı değerlerinde farklı değişimler gösterdiği gözlemlenmiştir. Defne yağı ve biberiye yağı ile elde edilen polimerik ince filmlerde, ortalama pürüzlülüğün artışı ile temas açısı değeri doğrusal artış gösterirken, portakal yağında ters etki gösterdiği gözlemlenmiştir.  
Defne yağı, portakal yağı ve biberiye yağı ile elde edilen polimerik ince filmlerin antibakteriyel etkinlik testlerinde, S.Aureus ve E.Coli bakterilerine karşı antibakteriyel etki mekanizmalarının farklı olduğu gözlemlenmiştir. Defne yağı ile elde edilen polimerik ince filmlerde en yüksek (60 W plazma gücünde 0,77 logaritmik redüksiyon) E.Coli bakterisine karşı antibakteriyel etkinliğin elde edildiği gözlemlenmiştir. Portakal yağı ile elde edilen polimerik ince filmlerde en yüksek E.Coli bakterisine karşı (60 W plazma gücünde 4,18 logaritmik redüksiyon) antibakteriyel etkinliğin elde edildiği gözlemlenmiştir. Biberiye yağı ile elde edilen polimerik ince filmlerde ise en yüksek E.Coli bakterisine karşı (30 W plazma gücünde 4,54 logaritmik redüksiyon) antibakteriyel etkinliğin elde edildiği gözlemlenmiştir. 
Bu tez çalışması kapsamında, doğadan ilham alınarak tasarlanmış yüzeyler, yüksek kaplama adezyonu, aşınma direnci, sertlik ve yüksek antibakteriyel özellikler ile iCVD ve PECVD yöntemleri kullanılarak farklı yüzeylerde başarılı bir şekilde oluşturulmuştur. Elde edilen yüzeylerin endüstriyel üretime kolaylıkla adapte edilebileceği, hastane kaynaklı enfeksiyonlar, biyomedikal uygulamalar ve tıbbi cihazlar gibi insan sağlığını tehdit eden ortamlarda etkili bir şekilde kullanılabileceği gözlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, polymers with antibacterial properties were synthesised on different substrates by initiated chemical vapour deposition (iCVD) and plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) techniques. 
In the first part polymeric thin films with antibacterial properties, biocompatibility, chemical and mechanical strength, high adhesion and high biocompatibility were coated on glass, fabric and polyethylene terephthalate (PET) substrate surfaces by iCVD method using diethylaminoethyl methacrylate (DEAEMA) and vinylbenzyl chloride (VBC) monomers. Coatings were carried out at different DEAEMA and VBC monomer feed rates to the iCVD system. The chemical structure of the polymeric thin films were analysed by XPS and FT-IR, surface hydrophobicity by contact angle analysis, surface morphology and average surface roughness by AFM analysis, surface and polymeric mechanical properties by Tape Adhesion Test and optical microscope, bactericidal performance against gram negative E.Coli and gram positive S.Aureus bacteria by antibacterial activity test, and finally cytotoxic properties by cell viability test. It was observed that the adhesion strength of the surface increased with silanation processes and the polymeric mechanical strength increased with copolymerisation of DEAEMA and VBC monomers by iCVD method. The protonation of the surfaces as a result of plasma treatment with oxygen gas was proved by XPS analysis. Antibacterial polymers deposited on glass, fabric and PET substrates at a monomer feed ratio of DEAEMA:VBC/1:0.5 were found to have high antibacterial activity with an average log reduction of 5-6. Cytotoxicity studies of the coatings were carried out using the XTT procedure. According to the results obtained, it was observed that the copolymer film surfaces obtained have no cytotoxic effect against NIH/3T3 mammalian cells and have high antibacterial properties.
In another study, polymers with high antibacterial properties were obtained by mimicking natural surfaces having high surface roughness and antibacterial properties. In order to examine the contribution of roughness to the antibacterial effect, the rough structure of the abrasive surface with two different average particle diameters, 36 μm and 8 μm, was transferred to polydimethylsiloxane (PDMS) polymer by soft lithography method. On these roughened surfaces, cross-linked antibacterial polymer was coated using DEAEMA and VBC monomers by iCVD method. The hydrophobicity of the surface was analysed by contact angle analysis, chemical structure by FT-IR spectroscopy, surface morphology and average surface roughness by AFM, and finally bacterial killing performance by antibacterial activity test. It was observed that the antibacterial activity against S.Aureus bacteria was higher than that against E.Coli bacteria in polymeric thin films coated on flat copy surfaces, while the antibacterial activity against E.Coli bacteria was higher than that against S.Aureus in polymeric films coated on roughened copy surfaces. When the antibacterial activity of the polymeric films coated on the flat surface, roughened copy surfaces were examined, it was observed that the highest antibacterial activity against S.Aureus and E.Coli bacteria was observed on surfaces with an average particle diameter of 36 μm (log reduction against S.Aureus bacteria was approximately 4.5, while it was approximately 7 against E.Coli bacteria).
In another study, polymeric thin films with antibacterial properties were obtained by PECVD method using essential oils such as laurel, orange and rosemary. The chemical structure of the polymeric thin films deposited at 15 W, 30, 45 W and 60 W plasma powers were analysed by FT-IR, hydrophobicity of the surface was measured by contact angle analysis, surface morphology and average surface roughness were measured by AFM analysis, and bactericidal performance was measured by antibacterial activity test. It was observed that the polymeric thin films obtained with laurel oil, orange oil and rosemary oil showed different changes in contact angle values with increasing average roughness. In polymeric thin films obtained with laurel oil and rosemary oil, the contact angle value increased linearly with the increase in average roughness, while the opposite effect was observed in orange oil.  In the antibacterial activity tests of polymeric thin films obtained with laurel oil, orange oil and rosemary oil, it was observed that the antibacterial mechanisms of action against S.Aureus and E.Coli bacteria were different. It was observed that 0.77 log reduction was obtained at 60 W plasma power against E.Coli bacteria in polymeric thin films obtained with laurel oil, 4.18 log reduction against E.Coli bacteria at 60 W plasma power in polymeric thin films obtained with orange oil, and 4.54 log reduction against E.Coli bacteria at 30 W plasma power in polymeric thin films obtained with rosemary oil. 
Within the scope of this thesis study, nature-inspired surfaces with high coating adhesion, abrasion resistance, hardness and high antibacterial properties were successfully formed on different surfaces using iCVD and PECVD methods. The obtained surfaces can be easily adapted to industrial production and can be used effectively in environments that threaten human health such as hospital-acquired infections, biomedical applications and medical devices can be used.