Biyomedikal uygulamalara yönelik bazı killerin yüzey modifikasyonu ve yüzeylerine polimer aşıanması
Surface modification of some clays for biomedical applications and polymer grafting on their surfaces
Yazar: KADER DEREN
Danışman: PROF. DR. SEVİL YÜCEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Killer, binlerce yıldır sağlıktan kozmetiğe, yapıdan seramiğe kullanılmış ve günümüzde de her türlü endüstriyel ve biyomalzeme alanında kullanılan çok fonksiyonlu malzemelerdir. Bu malzemelerin her türlü alanda kullanımı için günden güne daha farklı yöntemler geliştirilmektedir. Yüzey ve katman modifikasyon işlemi ve diğer polimerler ile aşılamaları sıklıkla yapılan uygulamalar arasındadır. Bu sayede farklı alanlarda kullanılmak üzere çeşitli moleküller ile birleştirilebilir veya kusurlar iyileştirilerek geliştirilebilmektedir. 
Önerilen projede, kil yüzeylerinin farklı moleküller ile modifiye edilmesi sağlanmış, organik bir polimer ile foto-polimerizasyon yöntemine tabii tutulup biyomedikal alanında kullanılmak üzere kil yüzeyinde polimerik fırçalar oluşturulmuştur. Bu amaçla, kil yüzeyinde sırasıyla interkalasyon ve silanlama modifikasyonu gerçekleştirilmiştir. Silanlama öncesi kaolinin kilinin katmanlar arası bazal aralığı genişletilerek silanlama modifikasyonunun verimliliğini arttırmak amacıyla dimetil sülfoksit ve üre ile muamele edilmiştir. İnterkale edilmiş kaolin ve halosit nano tüp silanlama modifikasyonu ile yüzeylerine 3-metakriloksipropil trimetoksi silan ajanı aşılanmıştır. Silanlama hidro-termal reaktör, ultrasonik su banyosu, ultrosonik homojenizatör ve geri soğutmalı sistem ile farklı ortam koşulları altında ve farklı kil:silan ajanı oranları (ağ./hacim) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Modifiye edilmiş killerin yüzeyine akrilik asidin farklı sürelerde foto-başlatıcı varlığında foto-polimerizasyon reaksiyonu ile aşılanması sonucunda kil yüzeyinde farklı uzunluklarda poliakrilik asit polimerik fırça oluşturulmuştur. Son olarak kompozitlerin FT-IR, TGA ve XRD analizleri ile enstrümental karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. 
XRD analizi ile özellikle interkalasyon sonucunda bazal aralıklarının arttığı ve foto-polimerizasyon yöntemiyle poliakrilik asit fırçalarının killerin kristalinetisinde herhangi bir değişim yaratmayarak yüzeyde aşılandığı sonucuna varılmıştır. Ayrıca, 3-metakriloksipropil trimetoksi silan oranı arttıkça kil yüzeyindeki silan ajanlarının artış gösterdiği ve buna bağlı olarak devamındaki foto-polimerizasyonlarda da daha fazla fırça oluştuğu görülmüştür. FT-IR analizi ile kompozitte interkalasyon, silanlama ve polimerizasyon ürünlerinin çeşitli fonksiyonel gruplarının varlığı ve parametrelerdeki artışa bağlı olarak modifikasyon ve polimerizasyonların verimliliğinin de arttığı doğrulanmıştır. TGA analizi ile modifikasyon ve polimerizasyon sonrası kütle kayıpları incelenmiş FT-IR analizinde olduğu gibi farklı silan ajanı oranına (1:5 ve 1:10 3-metakriloksipropil trimetoksi silan ajanı oranı) ve 1-2 saatlik foto-polimerizasyonu gerçekleştirilmiş polimerik fırçaların kütle kaybında benzerlikler gözlemlenmiştir. 1:20 orana ve 24 saatlik foto-polimerizasyona sahip polimerik fırçaların en iyi sonucu verdiği ve killer arasında da kaolinin iyi sonucu verdiği görülmüştür.

Abstract:
Clays are multifunctional materials that have been used for thousands of years from health to cosmetics, from construction to ceramics and are still used in all kinds of industrial and biomaterial fields today. Different methods are being developed day by day for the use of these materials in all kinds of fields. Surface and layer modification process and grafting with other polymers are among the most common applications. In this way, it can be combined with various molecules to be used in different areas or it can be developed by improving the defects.
In the proposed project, the clay surfaces were modified with different molecules, and polymeric brushes were formed on the clay surface to be used in the biomedical field after photo-polymerization with an organic polymer. For this purpose, intercalation and silanation modification were performed on the clay surface, respectively. Before silanation, the interlayer basal spacing of kaolin clay was expanded and treated with dimethyl sulfoxide and urea in order to increase the efficiency of silanation modification. Intercalated kaolin and halosite nanotubes were grafted onto their surfaces with 3-methacryloxypropyl trimethoxy silane agent by silanation modification. Silanation was carried out using a hydro-thermal reactor, ultrasonic water bath, ultrasonic homogenizer and back-cooling system under different environmental conditions and using different clay:silane agent ratios (wt/volume). As a result of grafting acrylic acid onto the surface of the modified clays by photo-polymerization reaction in the presence of photo-initiator for different periods of time, polyacrylic acid polymeric brushes of different lengths were formed on the clay surface. Finally, instrumental characterizations of the composites were carried out by FT-IR, TGA and XRD analyses.
With XRD analysis, it was concluded that basal spacings increased especially as a result of intercalation, and polyacrylic acid brushes were grafted on the surface by photo-polymerization method, without creating any change in the crystallinity of the clays. In addition, it was observed that as the 3-methacryloxypropyl trimethoxy silane agent ratio increased, the silane agents on the clay surface increased and accordingly, more brushes were formed in the subsequent photo-polymerizations. With FT-IR analysis, it was confirmed that the efficiency of modifications and polymerizations increased due to the presence of various functional groups of intercalation, silanation and polymerization products in the composite and the increase in parameters. Mass losses after modification and polymerization were examined by TGA analysis, as in FT-IR analysis, there were similarities in different silane agent ratio (1:5 and 1:10 3-methacryloxypropyl trimethoxy silane agent ratio) and mass loss of polymeric brushes that were photopolymerized for 1-2 hours. has observed. It has been observed that polymeric brushes with a 1:20 ratio and 24-hour photo-polymerization give the best results, and among clays, kaolin also gives good results.