Antibakteriyel nefes alabilen membranların tasarımı ve üretimi
Design and production of antibacterial breathable membranes
Yazar: AHMET AYDIN
Danışman: DOÇ. DR. HASAN BASRİ KOÇER
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Lif ve Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Bu çalışmanın amacı, antibakteriyel özellik gösteren ve nefes-alabilen hidrofilik membranların tasarlanarak üretilmesidir. Son yıllarda korunma amaçlı tekstiller ve medikal ürünlerde, mikroorganizma içeren sıvıların geçişini engelleyip kullanım konforu açısından su buharı geçişine izin veren membranların kullanımı oldukça artmıştır. Aynı zamanda bu membranların, yüzeylerinde tutacakları mikroorganizma içeren sıvılardan, ortama hava veya temas yoluyla patojenlerin geçişini önlemek için, antibakteriyel özellik göstermeleri de son derece önemlidir. Bu özellik antibakteriyel ajan olarak kullanılan Kuaterner Amonyum Tuzu (KAT) diolünün polimer ana zincirlerine bağlanması ile kalıcı olarak sağlanabilir. Nefes-alabilen membranlar genel olarak mikroporlu yapıda ya da mikroporsuz hidrofilik yapıda üretilmektedir. Mikroporlu membranlarda, sadece su buharı moleküllerinin geçebileceği büyüklükte gözenekler bulunurken, hidrofilik membranlarda ise su buharı molekülleri polimer zincirleri arasından, özellikle amorf bölgeler üzerinden, solüsyon difüzyonu yoluyla ilerlemektedir. Hidrofilik membranların en önemli özelliği su buharı molekülleri ile hidrojen köprüleri yapabilecek hidroksil, eter, amid, veya üretan grupları ihtiva eden polimer omurgalarına sahip olmalarıdır. Kullanılacak antibakteriyel ajanların, katıldıkları sistemin hidrojen köprüsü yapabilme kabiliyetini azaltmaması ve yapıdan sıvıların etkisi ile kolayca uzaklaşmaması gerekmektedir. Bu özelliklerin eldesi için polimer olarak poliüretanların, antibakteriyel ajan olarak ise KAT kullanımı uygun olmaktadır. Bu çalışmada farklı oranlarda KAT diolü ve izosiyanat içeren dokuz farklı poliüretan, çözelti polimerizasyonu yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Sentezlenen poliüretanlardan ~32 µm kalınlığında amorf membranlar üretilmiş, termal, mekanik, morfolojik özellikleri ile antibakteriyel etkinlikleri tespit edilmiştir. Termal ve morfolojik özelliklerde meydana gelen  değişimlerin buhar geçirgenliğine etkisi belirlenmiştir. DSC ve DMA termogramlarından KAT miktarının artmasının camsı geçiş sıcaklığında kayda değer değişiklik yaratmadığı ancak, izosiyanat miktarının artmasının camsı geçiş sıcaklığında yaklaşık 5 oC'lik artışa neden olduğu tespit edilmiştir. Mekanik özellikler üzerine KAT'ın belirgin bir etkisi olmaz iken izosiyanat miktarının artması moleküler esnekliği azaltmış, dolayısı ile sertliği arttırmıştır. Buhar geçirgenliği yapıya ilave edilen katyonik KAT miktarının artmasıyla genel olarak artmış, izosiyanat miktarının artması ile azalmıştır. Son olarak membranların antibakteriyel etkinliği belirlenmiş, katkısız membranlar; Staphylococcus aureus ve Escherica coli bakteri türlerine karşı antibakteriyel etkinlik göstermezken, membran yapısında KAT miktarı arttıkça antibakteriyel etkinliğin arttığı tespit edilmiştir. Ayrıca KAT eklenmiş membranların S. aureus'a karşı antibakteriyel etkinliğinin E. coli'ye oranla daha fazla olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
The aim of this study is to design and produce of breathable membranes providing antibacterial property. Recently, the use of membranes which prevent the passage of liquids containing microorganisms and allow passage of water vapor, has been greatly increased in protective textiles and medical products. Antibacterial properties are also of great importance to prevent migration of pathogens by air or contact from fluids containing microorganisms that they will keep on the surface of these membranes. This property can be achieved permanently by attaching the Quaternary Ammonium Salt (QAS) diol, which is used as an antibacterial agent, to the polymer main chains. Breathable membranes are generally produced in microporous or nonmicroporous hydrophilic form. In microporous membranes, there are large pores that only water vapor molecules can pass through, whereas in hydrophilic membranes, water vapor molecules diffuse through the polymer chains especially through amorphous regions. The most important property of hydrophilic membranes is that they have polymeric backbones containing hydroxyl, ether, amide, or urethane groups which can make hydrogen bridges with water vapor molecules. The antibacterial agents should not reduce the ability of the system to make a hydrogen bridge, and should not easily leach out with the effect of liquids from the structure. To provide these properties polyurethane as a polymer and QAS as an antibacterial agent are suitable. In this study, nine different polyurethane containing QAS diol and isocyanate with different ratios were synthesized successfully by using solution polymerization method. Amorphous membranes with ~32 μm thickness were produced from synthesized polyurethanes and their thermal, mechanical, morphological properties and antibacterial activities were determined. The effect of changes in thermal and morphological properties on vapor permeability has been investigated. It has been determined from the DSC and DMA thermographs that an increase in the amount of QAS does not cause any significant alteration in the glass transition temperature, but an increase in the amount of isocyanate causes an increment in glass transition temperature approximately 5 °C. While there was no significant effect of QAS on mechanical properties, increment of isocyanate amount was reduced the molecular flexibility and so increased hardness. Water permeability was increased with increasing cationic QAS adding to the structure, reduced with the increment isocyanate amount. Finally, antibacterial activity of membranes were determined, unmodified membranes were not show antibacterial activity against Staphylococcus aureus and Escherichia coli, it was determined that as the amount of QAS increases in the membrane structure the antibacterial activity increases. It has also been found that the modified membranes can inactivate S. aureus bacteria at a higher rate than E. coli bacteria.