ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK …acikarsiv.ankara.edu.tr/browse/23952/Mehmet YILMAZ tez.pdf · ankara Ünİversİtesİ fen bİlİmlerİ enstİtÜsÜ
Post on 05-Sep-2019
11 Views
Preview:
Transcript
ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
SÜPERKRİTİK AKIŞKAN ORTAMINDA KOPOLİMERİZASYON
Mehmet YILMAZ
KİMYA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
ANKARA 2009
Her hakkı saklıdır
i
ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
SÜPERKRİTİK AKIŞKAN ORTAMINDA KOPOLİMERİZASYON
Mehmet YILMAZ
Ankara Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı
Danışman: Prof.Dr. Ayla ÇALIMLI Eş Danışman: Prof.Dr. Erhan BİŞKİN
Son on yılda süperkritik karbondioksitin (skCO2) sıradışı özelikleriyle ilgili olarak yoğun çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Zehirli çözücü kalıntısı bırakmaması, ürünün kolay birşekilde kazanılabilmesi, zehirli ve yanıcı olmaması, inert ve ucuz olması skCO2’nin kloroform, toluen gibi geleneksel çözücülere göre avantajlarıdır. Karbondioksit kolaylıkla ulaşılabilen kritik sıcaklık (Tc = 31.1
oC) ve kritik basınç (Pc = 73.8 bar) değerlerine sahiptir. skCO2’nin bu sıradışı özelikleri doğal ve sentetik polimerlerin sentez, işleme, modifiye ve saflaştırma işlemlerinde çözücü ve antiçözücü olarak kullanımını sağlamaktadır. Poli(L-laktat) (PLLA), poli(kaprolakton) (PCL) ve poliglikolid gibi alifatik polyesterlerin halka açılması polimerizasyonu ile skCO2’de sentezlenmesi son yıllarda çok ilgi çekmiştir. Tüm bu polimerler biyobozunur yapıda olup, ilaç salınımı, biyobozunur ameliyat ipliği ve yapı iskeleleri gibi medikal endüstrilerde uygulamaları bulunmaktadır. Birçok monomer skCO2’de çözünürken bunlardan elde edilen polimerlerin çözünürlükleri düşüktür. Bu durum çöktürme, emülsiyon, süspansiyon ve dispersiyon polimerizasyon gibi heterojen polimerizasyon süreçlerinin gelişmesini sağlamıştır. Yeni yapıda yüzey aktif maddelerin (YAM) sentezi, polyesterlerin skCO2’de polimerizasyonunda karşılaşılan temel zorluktur. YAM büyüyen polimerin agregasyonunu engelleyerek polimerin verim ve görüntüsünde iyileşmeler sağlar. YAM iki kısımdan oluşur. İlk kısım polimerin büyümesini sağlayan polimer-filik bölgedir. İkinci kısım büyüyen polimer taneciklerinin agregasyonunu engelleyen çözücü-filik (CO2-filik) bölgedir. Süreli yayınlarda şu ana kadar kullanılan YAM’lar flor ve siloksan temellidir. Bunlar çok pahalı olup, insan ve hayvanda zehirli biyobirikim yaparlar. Bu çalışmada biyouyumluluğu sağlamak ve yüksek fiyatlı ürünlere alternatif olarak triblok (A-B-A) PCL-PEG (polietilenglikol)-PCL kopolimeri YAM olarak skCO2’de PLLA ve P(LLA/CL) sentezinde kullanılmıştır. Hidrofilik ve hidrofobik bölgelerin polimerizasyona olan etkisini belirlemek amacıyla farklı molce oranlarda (1-10, 1-25,1-50) YAM sentezlenmiştir. Tüm polimerizasyon işlemleri aynı koşullarda (T=80 oC, P=100 bar, t=48 h, katalizör: kalay oktaat (1/100 g/g monomer), 1/20 g YAM/g monomer, 1/100 g trifenilfosfin / monomer, 5/1000 g bütanol / g monomer) 100 mL’lik skCO2 tepkime sisteminde (Thar R100) yapılmıştır. Polimerizasyon işlemlerinde yüzey aktif maddenin türü ve miktarının etkisi araştırılmıştır. Elde edilen YAM, PLLA ve P(LLA/CL) homo ve kopol,merleri GPC, 1H-NMR, 13C-NMR, DSC ve gravimetrik yöntemlerle karakterize edilmiştir. PLLA ve P(LLA/CL) için % 80.3 ve % 86.5 dönüşüm, 32600 ve 28100 sayıca ortalama molekül ağırlığı değerleri sırasıyla elde edilmiştir. Şubat 2009, 65 sayfa Anahtar Kelimeler: Poli(L-laktat), halka açılma polimerizasyonu, süperkritik karbondioksit, triblok yüzey aktif madde
ii
ABSTRACT
Master Thesis
COPOLYMERIZATION IN SUPERCRITICAL FLUID
Mehmet YILMAZ
Ankara University
Graduate School of Natural and applied Sciences Departmant of Chemical Engineering
Supervisor: Prof.Dr. Ayla ÇALIMLI
Co-Supervisor: Prof. Dr. Erhan BİŞKİN There has been an intense research activity that is related to unique properties of supercritical carbon dioxide (scCO2) in the last decade. Lack of toxic solvent residues, ease of product recovery, being non-toxic, non-flammable, inert and inexpensive are basic advantages of scCO2 over traditional solvents such as chloroform, toluen etc. Carbon dioxide has easily attainable critical temperature (Tc = 31.1
oC) and pressure (Pc = 73.8 bar) values. Nowadays these unique properties of scCO2 have been used as a solvent or an antisolvent for synthesis, processing, modification and purification of synthetic and natural polymers. The ring opening polymerization of linear aliphatic polyesters, such as poly(L-lactide) (PLLA), poly(caprolactone) (PCL) and polyglycolide (PGA) in scCO2 has attracted much attention in recent years. All of these polymers are biodegradable and have applications such as release of drugs , absorbable sutures and scaffolds in the medical industry. Although most of the monomers are soluble in scCO2 , polymers from these monomers have poor solubilities. This issue has led to the development of a number of heterogenous polymerization processes as precipitation, emulsion, suspension and dispersion polymerization. The design of new stabilizers in a new arthitecture is a major challenge in polymerization of polyesters in scCO2. Stabilizers are used in scCO2 to improve yield and morphology by preventing aggregation of the growing polymer. Stabilizers contain two major segments. The first segment has a polymer-philic portion which is responsible to grow the polymer. Second segment is solvent-philic (CO2-philic) portion and prevents the aggregation of growing polymer particles. The stabilizers used in literature so far contain fluorine and siloxane based compounds. They have high cost and toxic bioaccumulation in animals and human. In this study to improve the biocompatibility and overcome high cost triblok (A-B-A) PCL-PEG (polyetilenglycol)-PCL copolymer has been used as stabilizer in PLLA and P(LLA/CL) sythesis in scCO2. To obtain effect of hydrophilic and hydrophobic segments stabilizers were synthesized in different mole ratios (1-10, 1-25,1-50). All polymerization experiments were done at the same condition (T=80 oC, P=100 bar, t=48 h, catalyst: tinoctaate (1/100 g/g monomer), 1/20 g stabilizer/g monomer, 1/100 g triphenylphosphine / monomer, 5/1000 g butanol / g monomer) in a 100 mL scCO2 reactor system (Thar R100). The effect of type and amount of stabilizers have been investigated in polymerization procedure. The stabilizers and PLLA and P(LLA/CL) homo and copolymers were characterized by GPC, 1H-NMR, 13C-NMR, DSC and gravimetrical methods. For PLLA and P(LLA/CL) 80.3 % and 86.5 % yield values and 32600 and 28100 number average molecule weigths obtained respectively. February 2009, 65 pages Key Words: Poly(L-lactide), ring-opening polymerization, supercritical carbon dioxide, triblock stabilizer
iii
TEŞEKKÜR
Yüksek lisans çalışmam süresince çalışmalarımda bana yol gösteren ve yönlendiren
danışman hocam Sayın Prof. Dr. Ayla ÇALIMLI’ya (Ankara Üniversitesi Mühendislik
Fakültesi), eş danışman hocam Hacettepe Üniversitesi Kimya Mühendisliği
Bölümü’nden Prof. Dr. Erhan BİŞKİN’e, yürüttüğümüz projede her zaman fikir ve
önerilerini benimle paylaşan hocam Prof. Dr. Nuray YILDIZ’a (Ankara Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi), çalışmamın her aşamasında bilgilerini benimle paylaşan hiç bir
yardımını esirgemeyen sevgili çalışma arkadaşım Araş. Gör. Aylin GEÇER'e, yüzey
aktif madde sentezi ve GPC analizlerimde bana yardımcı olan Hacettepe Üniversitesi
Kimya Mühendisliği Bölümü’nden Sinan EĞRİ’ye, GPC, 1H-NMR ve 13C-NMR
analizlerimi yapan, başta Seyit SAMUR olmak üzere, tüm TÜBİTAK-ATAL
personeline, DSC analizlerimi yapan Ankara Üniversitesi BİTAUM çalışanlarına,
araştırma grubu arkadaşlarımdan Ceren ATİLA ve Erdem YALÇINKAYA’ya , tüm
hayatım boyunca bana karşı anlayışlı, sabırlı ve hiçbir fedakarlıktan kaçınmayan sevgili
aileme tüm içtenliğimle teşekkür ederim.
Bu çalışma TÜBİTAK tarafından 108M155 numaralı, “Süperkritik Karbondioksit
Ortamında L-Laktat/ε-Kaprolakton Kopolimerinin Sentezi” konulu proje ile
desteklenmiştir.
Mehmet YILMAZ
Ankara, Ocak 2009
iv
İÇİNDEKİLER
ÖZET ................................................................................................................................ i
ABSTRACT .................................................................................................................... ii
TEŞEKKÜR .................................................................................................................. iii
SİMGELER DİZİNİ ..................................................................................................... vi
ŞEKİLLER DİZİNİ ..................................................................................................... vii
ÇİZELGELER DİZİNİ .............................. …………………………………………..ix
1. GİRİŞ .............................................................................................................. ……..1
2. GENEL BİLGİLER ....................................................................................... ……..3
2.1 Biyomalzemeler ........................................................................................................ 3
2.2 Tarihsel Süreç………………………………………………………………………7
2.3 Metalik Biyomalzemeler…………………………………………………………...9
2.4 Seramik Biyomalzemeler…………………………………………………………11
2.5 Kompozit Biyomalzemeler………………………………………………………..13
2.6 Polimerik Biyomalzemeler……………………………………………………….15
2.7 Süperkritik Akışkan (SKA)Teknolojisi…………………………………………17
2.7.1 SKA tarihçesi…………………………………………………………………....17
2.7.2 SKA genel bilgi…………………………………………………………………..18
2.8 SKA Teknolojisi ve Polimerizasyon……………………………………………...21
3. KAYNAK ARAŞTIRMASI………………………………………………………..26
4. MATERYAL ve YÖNTEM………………………………………………………..34
4.1 Materyal…………………………………………………………………………...34
4.2 Yöntem…………………………………………………………………………….34
4.2.1 Yüzey aktif madde (YAM) sentezi……………………………………..............34
4.2.2 Süperkritik karbondioksit ortamında poli(L-laktat) sentezi………...............36
4.2.3 Süperkritik karbondioksit ortamında poli(L-laktat/ε-CL)
kopolimer sentezi………...………………………………………….………….39
4.3 Analizler……………………………………………………………………...........39
5. DENEYSEL BULGULAR ve TARTIŞMA…………………………………..…...40
5.1 Yüzey Aktif Madde (YAM) Karakterizasyonu………………………………….40
5.2 Süperkritik Karbondioksit Ortamında Poli(L-laktat) Sentezi………………....44
v
5.2.1 YAM türünün poli(L-laktat) sentezine etkisi……………………………….....44
5.2.2 YAM miktarının poli(L-laktat) sentezine etkisi……………………………....48
5.3 Süperkritik Karbondioksit Ortamında Poli(L-laktat/ε-kaprolakton) Sentezi..49
5.3.1 YAM türünün poli(L-laktat/ε-kaprolakton) sentezine etkisi………………...49
5.3.2 YAM miktarının poli(L-laktat/ε-kaprolakton) sentezine etkisi……………...51
6. DEĞERLENDİRME……………………………………………………………….58
7. ÖNERİLER…………………………………………………………………………60
KAYNAKLAR...………………………………………………………………………61
EK 1 GPC Kromotogramları……………………..…………………………………64
ÖZGEÇMİŞ...…………………………………………………………………………65
vi
SİMGELER DİZİNİ
CFC-113 Triklorotrifloroetan 13C-NMR Karbon Nükleer Manyetik Rezonans
CO2 Karbondioksit
DSC Diferansiyel Taramalı Kalorimetre
ε-CL Epsilon-kaprolakton
GPC Jel Geçirgenlik Kromatografisi
HI Heterojenlik İndeksi 1H-NMR Hidrojen Nükleer Manyetik Rezonans
Mn Sayıca Ortalama Molekül Ağırlığı
Mw Kütlece Ortalama Molekül Ağırlığı
Pc Kritik Basınç
PCL Poli(kaprolakton)
PCL-D-PCL Polikaprolakton-florolink D-polikaprolakton
PCL-PFPE-PCL Polikaprolakton-perfloroeter-polikaprolakton
PDMS Polidimetilsiloksan
PDMS-b-PAA Poli(dimetilsloksan)-b-poli(akrilik asit)
PDMS-b-PMA Poli(dimetilsloksan)-b-poli(metakrilik asit)
PEG Polietilen Glikol
PLLA Poli(L-laktat)
PLLA-D-PLLA Poli(L-laktat)-florolink D- poli(L-laktat)
poli(L-LA) Poli(L-laktat)
SEM Taramalı Elektron Mikroskobu
SKA Süperkritik Akışkan
skCO2 Süperkritik Karbondioksit
Sn(Oct)2 Kalay Oktaat
Tc Kritik Sıcaklık
Tg Camsı Geçiş Sıcaklığı
Tm Erime Sıcaklığı
YAM Yüzey Aktif Madde
w Kütle oranı
vii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 2.1 Kobalt-krom alaşımı kalça protezi...................................................................11
Şekil 2.2 Biyomalzeme olarak kullanılan seramik implantlar.........................................13
Şekil 2.3 Karbon fiberlerle güçlendirilmiş termoset plastik kompozit malzeme............14
Şekil 2.4 İlaçla kaplamış biyobozunur polimer...............................................................16
Şekil 2.5 CO2 için basınç-sıcaklık faz diyagramı............................................................20
Şekil 2.6 CO2 faz geğişimi..............................................................................................21
Şekil 2.7 PDMS yapıda polimerik yüzey aktifleri kimyasal yapıları..............................23
Şekil 2.8 Florlu polimerik yüzey aktif madde kimyasal yapıları....................................24
Şekil 3.1 Krytox-PCL esterinin halka açılma ve asit-katalizli esterifikasyonuyla
sentezi...............................................................................................................27
Şekil 3.2 Triblok yüzey aktif madde PCL-PFPE-PCL sentezi........................................29
Şekil 3.3 Süperkritik karbondioksitte sentezlenen PLLA’nın SEM görüntüsü %10
yüzey aktif madde a.300 rpm, b.50 rpm..........................................................29
Şekil 3.4 Süperkritik karbondioksit ortamında PLLA sentezinde kullanılan
PDMS temelli yüzey aktif madde sentezi.........................................................31
Şekil 3.5 PDMS kullanılarak elde edilen PLLA’nın SEM görüntüleri ……..................32
Şekil 3.6 Florlu akrilat temelli diblok kopolimer sentezi................................................33
Şekil 3.7.a.Dispersiyon polimerizasyon tekniğiyle elde edilen PCL
kürelerinin % 1 PCL-b-PAC8 diblok kopolimer varlığındaki SEM
fotoğrafları, b. Dispersiyon polimerizasyon tekniğiyle elde edilen
PCL kürelerinin diblok kopolimer varlığındaki SEM fotoğrafları .……..…...33
Şekil 4.1 A-B-A yapıda (A: ε-CL, B:PEG400) triblok yüzey aktif madde sentezi…….35
Şekil 4.2 A-B-A yapıda (A: ε-CL, B:PEG400) triblok yüzey aktif madde
sentez mekanizması………………………………………………………….36
Şekil 4.3 Süperkritik akışkan sistemi a. akış şeması b. fotoğraf (genel görüntü)
c. reaktör……………………………………………………………………...38
Şekil 5.1.a. YAM 1-10 1H-NMR spektrumu, b.YAM 1-25 1H-NMR spektrumu,
c.YAM 1-501H-NMR spektrumu, d.YAM kimyasal yapı…………….……..41
Şekil 5.2 YAM 1-10 için GPC kromotogramı………………………………………….42
Şekil 5.3 YAM 1-25 ve YAM 1-50 için DSC termogramı…………….………………43
viii
Şekil 5.4.a. YAM 1-50 için elde edilen polimerin (direkt tepkime kabı) GPC
kromotogramı, b. YAM 1-50 için elde edilen polimerin
(direkt tepkime kabı) GPC kromotogramı…....................................................45
Şekil 5.5.a. YAM 1-50 yüzey aktifiyle sentezlenen ürünün (direkt tepkime kabı)
1H-NMR spektrumu, b. YAM 1-50 yüzey aktifiyle sentezlenen ürünün
(çöz-çöktür) 1H-NMR spektrum, c. Poli(L-laktat) homopolimerinin
yapısı………………………………………………………………………..47
Şekil 5.6 (-)YAM 1-50, (….)YAM 1-25, (- - -) YAM 1-10 yüzey aktifiyle
sentezlenen ürünün DSC termogramları……………………………………...48
Şekil 5.7.a.YAM 1-50, b. YAM 1-25, c. YAM 1-50 kullanılarak elde edilen
ürünün 1H- NMR spekrumu, d. poli(L-laktat/ε-kaprolakton)
kopolimerinin kimyasal yapısı………………………………………………..50
Şekil 5.8 YAM kullanılmadığında elde edilen ürünün 1H-NMR spektrumu…………..51
Şekil 5.9.a. % 0, b. % 5, c. % 10, d. %20 YAM kullanılarak elde edilen
ürünlerin GPC kromatogramları……………………………………………...52
Şekil 5.10 YAM kullanılmadağında elde edilen ürününün 13C-NMR spektrumu…..…53
Şekil 5.11 % 5 YAM kullanıldığında elde edilen ürününün 13C-NMR spektrumu…….53
Şekil 5.12 YAM kullanılmadığında elde edilen P(LLA/CL)
kopolimerinin termogramı…………………………………………………..56
Şekil 5.13 %5 YAM 1-10 kullanıldığında elde edilen P(LLA/CL)
kopolimerinin termogramı…………………………………………………..56
Şekil 5.14 % 5 YAM 1-25 kullanıldığında elde edilen P(LLA/CL)
kopolimerinin termogramı…………………………………………………..57
Şekil 5.15 % 5 YAM 1-50 kullanıldığında elde edilen P(LLA/CL)
kopolimerinin termogramı…………………………………………………..57
ix
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 2.1 Biyomalzeme geliştirmek için disiplinler.......................................................4
Çizelge 2.2 Biyomalzemelerin kullanım alanları…..........................................................5
Çizelge 2.3 Organlarda biyomalzemeler...........................................................................5
Çizelge 2.4 Vücut sistemlerinde biyomalzemeler.............................................................6
Çizelge 2.5 Vücutta kullanılan malzemeler.......................................................................6
Çizelge 2.6 İmplantlarla ilgili önemli gelişmeler..............................................................8
Çizelge 2.7 Metalik biyomalzemelerde istenilen özelikler..............................................10
Çizelge 2.8 Farklı yüklere göre biyomalzeme uygulamaları...........................................10
Çizelge 2.9 Metalik biyomalzemelerin mekanik özelikleri.............................................11
Çizelge 2.10 Biyoseramikler ve kullanım alanları..........................................................12
Çizelge 2.11 bazı kompozit malzemelerin biyomedikal uygulamaları...........................14
Çizelge 2.12 Biyomalzeme olarak kullanılan bazı temel plastikler................................16
Çizelge 2.13 Gaz, sıvı ve SKA özeliklerinin karşılaştırılması........................................19
Çizelge 2.14 Bazı akışkanların kritik değerleri...............................................................19
Çizelge 5.1 Yüzey aktif maddelerin farklı yollarla elde edilmiş molekül ağırlıkları......42
Çizelge 5.2 İki ayrı fraksiyonun GPC ile bulunan poli(L-laktat) molekül ağırlıkları....44
Çizelge 5.3 YAM türünün polimerizasyona etkisi..........................................................45
Çizelge 5.4 YAM miktarının poli(L-laktat) sentezine etkisi...........................................49
Çizelge 5.5 YAM türünün poli(L-laktat/ε-kaprolakton) sentezine etkisi........................49
Çizelge 5.6 YAM miktarının poli(L-laktat/ε-kaprolakton) sentezine etkisi....................51
Çizelge 5.7 % 5 YAM kullanılarak elde edilen kopolimerin yapısındaki kimyasal
kaymaların 13C-NMR spektrumundaki yerleri ve ilgili dizilimleri............54
1
1. GİRİŞ
Polimerik biyomalzemelerin kullanım yerlerine göre yapısal ve fonksiyonel özeliklerini
uzun süre korumaları ya da sadece belli bir süre fonksiyonlarını yerine getirmeleri
istenebilir. İkinci durumda malzeme fonksiyonunu yerine getirdikten sonra vücuttan
uzaklaştırılmalıdır. Bu da yeni bir cerrahi operasyon gerektirdiğinden avantajlı değildir.
Bu tip durumlarda biyobozunur polimerlerin kullanımı söz konusudur. İyileşme
sürecinde polimer bozunur ve vücuttan kolaylıkla uzaklaştırılabilen zararsız bileşenlere
parçalanır (Lin and Chao 1996).
Günümüzde çok sayıda biyobozunur polimer biyomalzeme olarak kullanılmaktadır.
Bunlar arasında en yaygın olarak kullanılanı poli(α-hidroksi) asitlerden poli(L-laktat)
(PLLA), poli(glikolat) ve bunların polikaprolakton (PCL) ile hazırlanan
kopolimerlerdir. Poli(α-hidroksi) asitler istenilen biyobozunma hızında
sentezlenebilmeleri, vücut ile mükemmel uyum göstermeleri, bozunma sonucu oluşan
ürünlerin toksik olmaması ve istenilen mekanik özeliklerde ürün hazırlayabilme
olanaklarından dolayı, yara örtü malzemeleri, ilaç salım sistemleri, implantlar ve
ameliyat iplikleri gibi pek çok alanda yaygın olarak kullanılırlar (Langer and Chasin
1990, Bronzino 1990). Düşük camsı geçiş sıcaklığı ve elastomerik özelikleri nedeniyle
ε-kaprolakton birçok uygulamada materyal formülasyonuna ilave edilmektedir.
Süperkritik karbondioksit (skCO2) polimer sentezinde geleneksel yöntemlere (yığın,
çözücü içerisinde vb.) alternatif olarak 1950’li yıllardan sonra kullanılmaya
başlanmıştır. Ancak 1980’li yıllara kadar bu alanda çok az ve tek tip polimerizasyonu
içeren (serbest radikal polimerizasyonu) çalışmalar yapılmıştır. Süperkritik
karbondioksitin en belirgin yararı klasik polimerizasyon proseslerinde kalan monomer,
katalizör vb. bileşenlerin üründen tepkime sonunda uzaklaştırılabilmesidir. Süperkritik
karbondioksit ortamında polimer sentezlenmesinde en büyük sorun monomerlerin
çözünmesinde yaşanmaktadır. Bu sorunun giderilmesi için yüzey aktif madde tasarımı
üzerine araştırmalar yoğunlaşmıştır. En fazla kullanılan yüzey aktif maddeler florlu ve
silikonlu bölgeler içeren yapılardır. Bu malzemeler süperkritik karbondioksitte yüksek
çözünürlüğe sahiptir. Yüzey aktif maddenin florlu ya da silikonlu bölgesi
2
karbondioksitte çözünmeyi sağlarken, diğer bölgeleri (alkil yapı) polimerle etkileşir
(Namuslu 2005). Ancak, süperkritik karbondioksitte polimerizasyon sırasında kullanılan
yüzey aktif maddeler ile sentezlenen polimerlerin medikal amaçlı kullanımları,
içerdikleri toksik, kanserojenik, alerjik, vb. çok olumsuz durumlara yol açabilecekleri
için uygun değildir. Ayrıca ticari yüzey aktif maddeler çok yüksek fiyatlara
satılmaktadır. Bu amaç doğrultusunda sentezlenen yüzey aktif maddelerin de
biyobozunur / biyouyumlu yapıda ve ucuz olması gerekmektedir. Polietilenglikolün
(PEG) yüksek biyouyumluluğu ve medikal uygulamalarda oldukça yaygın olarak
kullanılması, yüzey aktif madde tasarımında PEG’i ön plana çıkarmaktadır.
Bu çalışmada biyouyumluluğu sağlamak ve yüksek fiyatlı yüzey aktif maddelere
alternatif olarak triblok yapıda (A-B-A) PCL-PEG-PCL kopolimeri yüzey aktif madde
olarak sentezlenmiş ve bu malzemeler skCO2’de PLLA ve P(LLA/CL) kopolimer
sentezinde kullanılmıştır. Polimerizasyon işlemlerinde yüzey aktif maddenin türü ve
miktarının etkisi araştırılmıştır. Elde edilen bulgular süreli yayınlarla karşılaştırılmıştır.
3
2. GENEL BİLGİLER
2.1 Biyomalzemeler
Biyomalzeme vücudun bir bölgesi ya da bir işlevinin yerini güvenilir, ekonomik ve
fizyolojik olarak kabul edilebilir yolla alabilen malzemelerdir (Hench and Ethridge
1982). Birçok farklı cihaz ve malzeme hastalıkların ya da yaraların tedavisinde ameliyat
ipliği, iğne, kateter, levha ve diş dolgu malzemesi vb. olarak kullanımı mevcuttur. Yıllar
içinde biyomalzemenin çok farklı tanımları yapılmıştır. Örnek olarak biyomalzeme
basitçe canlı sistemin bir parçası ya da bir işlevinin yerini canlı dokuyla temasta
bulunarak alabilen sentetik malzeme olarak tanımlanabilir. Clemson Üniversitesi
Biyomalzeme Danışma Kurulu biyomalzemeyi “implantasyon amacıyla canlı sistem
içinde ya da canlı sisteme eşlik etmek amacıyla tasarlanmış sistemik ve farmakolojik
olarak inert madde“ olarak ifade etmiştir. Araştırmacı Black ise biyomalzemeyi
“medikal cihazlarda kullanılan, biyolojik sistemle etkileşmesi amaçlanan yaşamaz
malzeme“ şeklinde tanımlamıştır (Black 1992). Araştırmacı Bruck ise “canlı
organizmayı ve onun bileşenlerine ters etkilerde bulunmadan doku, kan, ve biyolojik
akışkanlarla temas halinde olan ve prostetik, tanı, tedavi ve depolama uygulamaları
amacıyla kullanılan sentetik malzeme“ olarak biyomalzemeyi ifade etmiştir (Bruck
1980). Burada dikkat edilmesi gereken husus biyolojik sistem tarafından üretilen deri,
damar gibi biyolojik malzemelerle biyomalzemeyi karıştırmamaktır. Deri, dış dünya ile
malzemeyi ayıran bir engel durumunda olduğu için işitme cihazı, giyilebilir yapay kol
ve bacaklar biyomalzeme tanımına uymaz (Park and Bronzino 2003).
Yukarıda verilen tanımlara göre biyomalzemenin uygun bir şekilde geliştirilip tıpta ve
dişçilikte kullanılabilmesi için ya bir kişinin tüm bu farklı dallarda bilgiye sahip olması
ya da çok özel alanlarda uzmanlaşmış kişilerin bir araya gelerek ortak çalışmaları
gerekir. Çizelge 2.1’de biyomalzeme alanında çalışanlar disiplinler ve bunların
yaptıkları işlere örnekler verilmiştir. Çizelge 2.2’de bir hastalık ya da travma sonucu
vücudun bir parçasının yerini alan, iyileşmede yardımcı, performans arttırıcı ve
anormallikleri düzeltici gibi amaçlarda kullanılan bazı biyomalzemeler verilmiştir.
4
Biyoteknoloji ve bilimdeki ilerlemeler biyomalzemelerin rolünü oldukça etkilemiştir.
Örnek olarak; antibiyotiklerin ortaya çıkmasıyla enfeksiyon hastalıkları önceki
zamanlara göre oldukça azalmış ve böylelikle dejeneratif hastalıklar daha çok önem
kazanmıştır. Ayrıca cerrahi teknik ve aletlerdeki ilerlemeler malzemelerin daha önceden
kullanılma olanağı olmayan alanlarda kullanımını sağlamıştır.
Malzemenin vücut içindeki performansı değişik şekillerde sınıflandırılabilir. İlk olarak
biyomalzemeler Çizelge 2.2’deki gibi çözülecek sorunun kaynağı esas alınarak
sınıflandırılabilir. İkinci olarak vücudu doku ya da organ düzeyinde (Çizelge 2.3 ve
Çizelge 2.4) ya da sistem düzeyinde ele alabiliriz. Üçüncü olarak Çizelge 2.5’te
yapıldığı gibi materyalleri polimer, seramik, metal ve kompozit olarak sınıflandırıp bir
inceleme yapabiliriz. Bu şekilde biyomalzemenin rolü, vücut ve malzemenin
etkileşmesi, özelde malzeme kullanıldığı vücut bölgesinin malzemeye olan etkisi ve
malzemenin vücuda olan etkisi tarafından yönetilir.
Tüm yukarıda anlatılanlar göz önüne alınırsa şu an uygulanan biyomalzemelerin çoğu
doğada bulunan organ ve sistemlerin kimyasal ya da elektriksel gibi yapısal
fonksiyonlarında değildir. Şu anda karaciğerin karmaşık kimyasal fonksiyonları ve
beynin ve duyu organlarının karmaşık elektriksel ve elektrokimyasal fonksiyonları
biyomalzemeler tarafından gerçekleştirilememektedir.
Çizelge 2.1 Biyomalzeme geliştirmek için disiplinler (Park and Bronzino 2003)
Disiplin Örnekler
Fen ve mühendislik Malzeme bilimleri: sentetik ve biyolojik metal, seramik, polimer, kompozit ve dokuların yapı-özelik ilişkileri.
Biyoloji ve fizyoloji Hücre ve moleküler biyoloji, anatomi, hayvan ve insan fizyolojisi, cerrahi, immunoloji vs.
Klinik bilimler Tüm klinik uzmanlıkları: dişçilik, nörocerrahi, ortopedi, plastik cerrahi vs.
5
Çizelge 2.2 Biyomalzemelerin kullanım alanları (Park and Bronzino 2003)
Problem Bölgesi Örnekler
Hasta ya da tahrip olmuş bölgenin yerine Yapay kalça elemanları, böbrek diyaliz cihazı
İyileşmeye yardımcı Ameliyat iplikleri, kemik plakaları ve vidalar
Fonksiyon geliştirici Göz lensleri
Fonksiyonel anormallik düzeltici Kalp atış hızı düzenleyicileri
Tanıya yardımcı Kateterler ve sonda
Tedaviye yardımcı Kateterler
Çizelge 2.3 Organlarda biyomalzemeler (Park and Bronzino 2003)
Organ Örnekler
Kalp Kalp atış hızı düzenleyicileri, yapay kalp kapakçığı, yapay kalp
Akciğer Oksijenatör
Göz Lensler
Kulak İmplantlar
Kemik Kemik tabakalar
Böbrek Diyaliz cihazı
Mesane Kateter ve stent
6
Çizelge 2.4 Vücut sistemlerinde biyomalzemeler (Park and Bronzino 2003)
Sistem Örnekler
İskelet Kemik plaklar, bağlantı elemanları
Kas Ameliyat iplikleri, kas uyarıcıları
Dolaşım Yapay kalp kapakçıkları, kan damarları
Solunum Oksijenatör
Deri Ameliyat iplikleri, yanık örtüleri, yapay deri
Ürinel Kateterler, stentler, diyaliz cihazı
Sinir Sinir uyarıcılar
Endokrin Mikrokapsüllenmiş pankreatik hücreler
Reproduktif Kozmetik yedekler
Çizelge 2.5 Vücutta kullanılan malzemeler (Bhat 2005)
Malzemeler Avantajlar Dezavantajlar Örnekler
Polimerler (naylon, silikon kauçuk, polyester vs.)
Yapımı kolay Esneklik
Güçlü değil, zamanla deforme olur, bozunabilir
Ameliyat ipliği, kan damarları, yumuşak dokular
Metaller (Ti ve alaşımları, Co-Cr alaşımları, paslanmaz çelik, Au, Ag vs.)
Güçlü, sağlam, tel ve levha haline getirilebilir
Korozyona uğrayabilir, yoğun, yapımı zor
Eklem bağlantıları, kemik tabakalar ve vidalar, dentai implantlar, iplikler
Seramikler(aluminyum oksit, carbon)
Biyouyumlu, sıkışmaya karşı güçlü, inert
Kırılgan, yapımı zor, esnek değil
Dental kaplamalar ve implantlar
Kompozitler (karbon-karbon, fiberle güçlendirilmiş kemik çimento)
Güçlü, ısmarlama Yapımı zor Bağlantı implantları, kalp kapakçıkları
7
2.2 Tarihsel Süreç Biyomalzemelerin kullanımı 1860’larda Dr. J. Lister tarafından aseptik ameliyatların
yapılışına kadar çok yaygın ve verimli değildi. Daha önceki cerrahi müdahaleler
biyamalzeme kullanılsın ya da kullanılmasın enfeksiyondan dolayı genellikle
başarısızlıkla sonuçlanırdı. Biyomalzeme olarak kullanılan implantlar bağışıklık sistemi
hücrelerinin hasarlı bölgeye ulaşımına engel oldukları için enfeksiyonun çok daha kötü
seviyelere ulaşmasına neden olurdu. İlk başarılı modern implantların çoğu iskelet
sistemi için tasarlanmıştır. Kemik levhaları 1900’lü yılların başında uzun kemiklerdeki
kırıkları iyileştirmek amacıyla kullanılmıştır. Bu ilk implantların çoğu mekanik
tasarımlarındaki eksikliklerinden dolayı kırılmıştır. Çok ince ve gerilimi tek bir noktada
toplayan bir yapıya sahiptiler. Ayrıca güçlü mekanik özeliklerinden dolayı seçilen
vanadyum çeliği gibi malzemeler vücutta hızla korozyona uğramakta ve iyileşme
sürecine ters etkide bulunmaktaydı. Daha sonraki dönemlerde daha iyi tasarımlar ve
malzemeler ortaya çıkmıştır. 1930’larda paslanmaz çelik ve kobalt-krom alaşımlarının
kullanılmasıyla kırık tedavisinde çok büyük başarılar elde edilmiş ve ilk eklem
ameliyatları yapılmıştır. Polimerlerin biyomalzeme olarak ortaya çıkışı ise, II. Dünya
Savaşında vücuduna uçağın tentesinde bulunan plastik (polimetilmetakrilat) saplanan
bir pilotun bu parçalardan dolayı herhangi bir kronik reaksiyon yaşamamasıyla
olmuştur. Bu olaydan sonra polimetilmetakirilat kornea tedavilerinde ve kafatası
kemikleri hasarlarında yaygınca kullanılmaya başlanmıştır. Malzemeler ve cerrahi
tekniklerde yaşanan ilerlemelerle 1950’lerde kan damarları değişimi ve 1960’larda kalp
kapakçığı değişimi ve eklem dolguları yapılmıştır. Çizelge 2.6’da implantlarda dikkat
çeken gelişmeler verilmiştir. Son yıllarda çok daha büyük ilerlemeler sağlanmıştır (Bhat
2005).
8
Çizelge 2.6 İmplantlarla ilgili önemli gelişmeler (Bhat 2005)
Yıl Araştırmacı Gelişme
18-19. yüzyıl Değişik metal cihazlar:
Fe,Au, Pt den
vidalar,iğneler
1860-1870 J. Lister Aseptik cerrahi tekenikler
1886 H. Hansmann Ni-çelik kırık levhaları
1893-1912 W.A. Lane Çelik vida ve levhalar
1912 W.D. Sherman Vanadyum çelik levhalar:
korozyona dayanıklı
1924 A.A. Zierold CoCrMo alaşımı
1926 M.Z. Lange 18-8s Mo çeliği
1926 E.W. Hey-Groves Boyun kırıkları için vidalar
1931 M.N. Smith-Petersen Çelikten ilk uyluk-boyun
aleti
1936 C.S. Venable,W.G. Stuck CoCr alaşımı
1938 P. Wiles İlk tam kalça protezi
1939 J.C. Burch, H.M. Carney Tantalum (Ta)
1946 J. ve R. Judet Plastikten (PMMA) İlk baş
protezi
1940’lar M.J. Dorzee, A.Franceshetti PMMA dan kornea protezi
1947 J. Cotton Ti ve alaşımları
1952 A.B. Voorhees, A. Jaretzta İlk kan damarı protezi
1958 S. Furman, G. Robinson İlk direkt kalp uyarıcılar
1958 J. Charnley İlk akrilik kalça dolgusu
1960 A. Starr, M.L. Edwards İlk ticari kalp kapakçıkları
1970’ler W.J. Koff Tam kalp protezi
9
2.3 Metalik Biyomalzemeler İmplantın ya da medikal cihazların özelikleri işlenebilirlik, uygulanabilirlik ya da
görünüm gibi ürünün özelikleri yanında malzemenin mekanik, fiziksel, kimyasal ya da
biyolojik özelikleri tarafından belirlenir. Metaller biyomalzeme uygulamalarında
malzemeye birtakım ek özelikler katmak amacıyla kullanılmıştır. İlk olarak,
malzemenin biyolojik ortamda bozunmasını engellemek amacıyla metal ya da alaşımları
korozyona karşı güçlü bir dirence sahip olmalıdır. Malzemenin biyouyumlu olması
toksik ve alerjik tepkimelerin oluşmaması demektir. Vücut içinde kemik gibi yerlerde
kullanılan implantların kemik hücrelerine büyük bir biyoadhezyon kuvvetiyle
bağlanması gerekir. Mekanik özelik olarak yüksek metalik yorgunluk kuvvet ya da
Young Modülü bir diğer gerekli koşuldur. Fiyatları daha düşük seviyede tutabilmek için
işleme, parlatma gibi birtakım işlemler kolayca yapılabilmelidir. Son olarak
uygulanabilirlik medikal cihazların ve implantların üretimi ve kabul edilmesi
aşamalarında önemli bir özeliktir. Çizelge 2.7’de bazı malzemelerin özelikleri ve
biyomalzeme olarak kullanılması verilmiştir. Genel olarak, malzemenin fiziksel
özelikleri kalp pili elektrotları gibi işlevsel bir uygulaması olan ürünlerde önemli bir rol
oynar. Yukarıda daha önceden belirtildiği gibi iyi kimyasal ve biyolojik özelikler
biyomalzeme uygulamalarında önkoşuldur.
Birçok farklı malzeme grubunun uygulamaları ile biyomalzeme olarak kullanımlarında
gerekli olan mekanik özelikler metalik biyomalzemelerde etkin bir rol gösterir (Çizelge
2.8).
Korozyon direnci ve biyouyum metal ve metal alaşımlarını biyomalzeme olarak
kullanımını sınırlandırmaktadır. Metalik biyomalzemeler kullanılan malzemenin türüne
göre temelde dört ana grupta toplanabilir.
• Paslanmaz çelik (DIN/ISO5832-1 ya da AISI 316 L)
• CoCr alaşımları (DIN/ISO 5832-4 ya da DIN/ISO 5832-6)
• cp-titanyum (DIN/ISO 5832-2) ya da titanyum alaşımları (DIN/ISO 5832-3)
• cp-niobyum ya da cp-tantalyum
10
Yukarıda verilen malzemelerin bazı mekanik özelikleri Çizelge 2.9 ve kobalt krom
alaşımlarından oluşan ticari bir ürün Şekil 2.1’de verilmiştir (Park and Bronzino 2003).
Çizelge 2.7 Metalik biyomalzemelerde istenilen özelikler (Park and Bronzino 2003) Malzeme özelikleri Uygulamada önemli noktalar
Mekanik Özelikler
Young modülü, aşınma direnci, kopma
dayanımı, darbe dayanımı vs.
Dental ve ortopedik implantlar, vidalar
Fiziksel özelikler
yoğunluk, elektrik iletkenliği, manyetizma,
termal genişleme vs.
Kalp elektrotları, NMR cihazları,
kompozit malzemeler
Kimyasal özelikler
oksidasyon, korozyon, bozunma vs.
Tüm biyomalzemeler için önkoşul
Biyolojik özelikler
biyoadhezyon, savunma sistemi tepkisi
Tüm biyomalzemeler için önkoşul
Çizelge 2.8 Farklı yüklere göre biyomalzeme uygulamaları (Park and Bronzino 2003) Yükün türü Metal Seramik Polimer
Statik dayanım, sıkıştırma, bükme
Dinamik dayanım, bükme sıkıştırma
Çarpma dayanım
Uygun uygun değil düşük gerilimler altında uygun
11
Şekil 2.1 Kobalt-krom alaşımı kalça protezi (http://www.materials.qmul.ac.uk/casestud/implants/) Çizelge 2.9 Metalik biyomalzemelerin mekanik özelikleri (Bhat 2005) Malzeme Gerilme
kuvveti (MPa) Yorgunluk kuvveti (MPa)
Uzama ile Kopma (%)
BF (*10-3)
CrNi çeliği 490-690 200-250 >40 1-1,2 CoCr alaşımları
800-1200 550-650 8-40 1,5-2,3
cp-Ti 390-540 150-200 22-30 1,4-1,9 Ti6Al4V 930-1140 350-650 8-15 3,0-5,6 *dönerek bükme yorgunluğu
2.4 Seramik Biyomalzemeler Seramikler, inorganik, metalik olmayan bileşenleri kullanarak faydalı ürünler yapma
sanatı ve bilimi olarak tanımlanabilir. Seramikler yüksek sıcaklığa dayanıklı,
polikristalin yapıda, genellikle inorganik ve silikat, metalik oksit ve daha değişik
türlerde olabilirler.
Seramikler çanak çömlek şeklinde kullanımıyla insanlar tarafından binlerce yıldır
bilinmektedir; fakat son zamanlara kadar, kırılgan yapısı, düşük gerilim ve çarpma
direnci ve mikroçatlaklardan kullanımı son derece sınırlıydı. Son yüzyıl içerisinde
geliştirilen yeni yöntemlerle ‘yüksek teknoloji’ malzemeleri haline gelmiştir. İnsanlar
seramikleri ve seramik kompozitleri vücudun bir bölgesi yerine ya da o bölgedeki
direnci arttırmak amacıyla kullanmışlardır. Bu amaçla kullanılan seramikler
biyoseramikler olarak adlandırılmıştır. Vücut sıvısına karşı inert olması, yüksek sıkışma
kuvveti ve estetik olarak güzel görünüme sahip olmaları özelikle dişçilikte kullanım
12
alanlarını arttırmıştır. Sahip oldukları mekanik dayanım özelikleri ve biyouyumlulukları
seramiklerin implant kompozitlerde kullanımını sağlamıştır. Şekil 2.2’de ticari olarak
kullanılan seramik malzemelere örnekler verilmiştir. Seramik malzemelerin
biyoseramik olarak kullanılacağı göz önüne alındığında aşağıdaki özeliklere sahip
olmalıdır.
• Toksik olmamalı
• Kanserojen olmamalı
• Alerjik olmamalı
• İltihap yapıcı olmamalı
• Biyouyumlu olmalı
• Vücutta kaldığı dönemde biyofonksiyonel olmalı
Biyomalzeme olarak kullanılan seramikleri absorbe olmayan (inert), biyoaktif ya da
yüzey reaktif (yarı inert) ve biyobozunur/aşınır (inert olmayan) olarak sınıflandırabilir.
Çizelge 2.10’da bu seramik türleri ve kullanım alanları verilmiştir (Park and Branzino
2003).
Çizelge 2.10 Biyoseramikler ve kullanım alanları (Park and Branzino 2003)
Biyoseramik Türü Örnekler Kullanım alanları Inert Alumina, Zirkonya Vidalar, destek
malzemeleri, sterilizasyon cihazları
Biyoaktif Cam seramikleri, Ceravital Protez kaplamaları, vida, dolgu malzemesi
Biyobozunur Kalsiyum fosfat, Çinko kalsiyum fosfor oksit
Kemik hastalığı ve travmalarında, dolgu malzemesi, ilaç salınım sisteminde
13
Şekil. 2.2 Biyomalzeme olarak kullanılan seramik implantlar (www.devicelink.com/mddi/archive/05/05/024.html) 2.5 Kompozit Biyomalzemeler
Kompozit malzemeler iki ya da daha fazla malzeme ya da fazdan oluşan atomik
ölçekten daha büyük ölçekte olan katı malzemelerdir. ‘Kompozit’ terimi genel olarak
farklı fazların atomikten daha büyük ölçüde birbirinden ayrıldığı buna bağlı olarak
elastik modül gibi birtakım özeliklerin homojen malzemeye göre değişmesine karşılık
olarak kullanılır. Bu tanıma bağlı olarak plastikle güçlendirilmiş fiberglas ve doğal bir
malzeme olan kemik kompozit iken bir alaşım olan pirinç kompozit malzeme sayılmaz.
Köpük, bir fazı boşluk olan bir kompozittir. Doğal biyolojik malzemeler kompozit olma
eğilimindedir. Kemik, diş dokusu, bağ dokusu ve deri doğal kompozitler sınıfına
dahildir. Mikro ölçekte bakıldığında doğal kompozitler hiyerarşik yapı içerisinde
partikül, gözenekli ve fiber yapıda özelik gösterebilirler. Kompozit malzemeler
homojen malzemelere göre çok çeşitli avatajlar sunarlar. Bu avantajlar malzemeyi
yapan bilim insanı ya da mühendise malzemenin özeliklerini kontrol etme noktasında
büyük yetkinlik kazandırır. Bu şekilde daha hafif, güçlü ve uyumlu malzeme eldesinde
büyük bir potansiyel oluşturulur. Şekil 2.3’te kompozit bir biyomalzemeye örnek
verilmiştir. Biyomalzemelerde, kompoziti oluşturan tüm elemanların biyouyumlu
olması gerekir. Ayrıca elemanlar arasındaki ara yüzeyin vücut ortamında bozunmaması
gerekir. Kompozitlerin biyomalzeme olarak kullanım alanları şöyle sıralanabilir;
• dental dolgu kompozitleri
• metil metakirilatla güçlendirilmiş kemik çimentosu
• gözenek yüzeyli ortopedik implantlar (Park and Branzino 2003)
14
Çizelge 2.11’de bazı kompozit malzemelerin biyomedikal uygulamaları verilmiştir. Çizelge 2.11 Bazı kompozit malzemelerin biyomedikal uygulamaları (Ratner et al. 2004)
Uygulama Matriks/destek
Dış sabitleştirici Epoksi reçine/CF
Kemik kırıklarında sabitleyici tabaka ve
vidalar
Epoksi reçine/CF, PMMA/CF, PLLA/HA,
PEEK/GF, PSU/CF, PEEK/GF, PBT/CF
Omurga cerrahisi PU/biyocam, PSU/biyocam, PEEK/CF
Kemik çimentosu PMMA/HA, kalsiyum fosfat/aramit
fiberleri, PMMA/UHMWPE
Dental çimento ve diğer dental uygulamalar
Bis-GMA/inorganik partiküller, PMMA/KF
Asetebulum kaplar PEEK/CF
Kalça protez sapları PEI/CF-GF, PEEK/CF
Kemik yedekleri PE/HA
Kemik dolgular PEG-PBT/HA, PLGA/HA, nişasta/HA
Tendon ve lifler Hidrojel/PET, Poliolefin/UHMWPE
Damar parçaları PELA/poliüretan
Prostetik kol ve bacaklar Epoksi reçine/CF,GF,KF
PMMA,polimetil metakrilat; PSU, polisülfon; PP, polipropilen; PE, polietilen; PBT, polibütilentereftalat; PEEK, poli(eter eter keton); PLLA, poli(L-laktik asit); PGA, poli(glikolik asit); PU, poliüretan; PET, poli(etilen tereftalat); Bis-GMA, bis-glisidil dimetakirilat; PEI, poli(eter imid); PEG, poli(etilen glikol); PLGA, laktik asit-glikolik asit kopolimer; PDLLA, poli(D,L-Laktik asit); CL, poli(ε-kaprolakton); PELA, etilen oksit/laktik asit kopolimer; CF, karbon fiber; GF, cam fiber; HA, hidroksiapatit; UHMWPE ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen; TCP, trikalsiyum fosfat; KF, Kevlar fiberi (Ratner et al. 2004).
Şekil 2.3 Karbon fiberlerle güçlendirilmiş termoset plastik kompozit malzeme (www.electronmedical.com-URUNresimleri-INION-biodegradble-polymers)
15
2.6 Polimerik Biyomalzemeler Polimerler (Yunanca’da poli:çok, fazla mer : parça, birim) monomer olarak adlandırılan
basit kimyasal yapıda bileşiklerin bir araya gelmesiyle oluşturdukları büyük
moleküllerdir. Bazı durumlarda moleküller birleşerek tek bir zincir oluşturabildikleri
gibi birbirlerine bağlanarak (dallanma) üç boyutlu ağlar oluşturabilmektedir.
Polimerler sağlık alanında çok özel kullanım alanlarına sahip olup zamanla daha çok
önem kazanmaktadır. Polimerler yapılarına, üretildikleri tepkime türüne, fiziksel
özeliklerine ya da teknolojik kullanımlarına gibi birçok farklı şekilde sınıflandırılabilir.
İlk ve en sıklıkla kullanılan polimerik biyomalzeme yaraları kapatmakta kullanılan
ameliyat iplikleridir. Yaklaşık 4000 sene önce keten ameliyat ipliği olarak
kullanılmaktaydı. Daha sonraları ağaç kabukları, at kuyruk kılı, pamuk ve ipek
kullanılmıştır. Naylon, polyester ve poliolefinler gibi sentetik fiberlerin 1950’lerde
geliştirilmesiyle sentetik fiberler doğal fiberlerin yerini almaya başlamıştır.
Yukarıda belirtildiği gibi polimerler birçok farklı şekilde sınıflandırılabilir. Elde
edildikleri kaynağa göre biyopolimerler sentetik ve doğal polimerler olarak iki kısımda
incelenebilir. Sentetik biyopolimerler ise elastomer ve plastikler olarak
sınıflandırılabilir. Elastomerlerler yüksek bozunumlara dayanıklı, üzerlerindeki baskı
kaldırıldığı zaman ilk hallerine dönebilen malzemelerdir. Stiren-bütadien kauçuğu
yaygın olarak kullanılan bir elastomerdir. Plastikler ise termoplastikler ve termosetler
olarak iki kısımda incelenebilir. Termoplastikler eritilip tekrar şekil verilebilen
plastiklerdir. Termosetler ise eritildiklerinde tersinmez bozunuma uğradıkları için
tekrardan kullanılamazlar. Epoksi reçineler en çok bilinen termoset plastiktir.
Biyomateryal olarak kullanılan termoplastikler ise şunlardır; poliolefinler, TeflonR
(florlanmış hidrokarbonlar), poli(metil metakrilat), polivinil klorür ve polikarbonat.
Çizelge 2.12’de biyomalzeme olarak kullanılan bazı plastiklerin kullanım alanları
verilmiştir. Şekil 2.4’te ise ilaç salınım sistemlerinde kullanılan bir polimerik
biyomalzeme gösterilmiştir.
16
Çizelge 2.12 Biyomalzeme olarak kullanılan bazı temel plastikler (Bhat 2005)
Polimer Özeliği Kullanımı Polietielen Düşük fiyat, kolay işleme,
iyi elektrik yalıtkanlığı, iyi kimyasal direnç ve dayanım
Sonda, Kalça ve bilek protezleri
Polipropilen İyi kimyasal direnç, zayıf su geçirgenliği, iyi şeffaflık
Ameliyat ipi
Tetrafloroetilen Kimyasal inert, iyi aşınmave ısı direnci, düşük sürtünme katsayısı
Damar ve işitme protezleri,sondalar
Polivinilklorür İyi aşınma direnci, iyi kararlılık, iyi kimyasal direnç
Sondalar, diyaliz cihazı parçaları, kan torbaları
Poliasetaller İyi sertlik, sünme direnci, neme ve gazlara iyi direnç
Sert doku protezleri
Polimetilmetakrilat Optik özelikler, ısıyla kolay şekilleme.
Göz lensleri, protezler
Polikarbonat Yüksek sertlik, saydamlık, iyi elektrik yalıtkanlığı, inert
Şırıngalar, sert doku protezleri
Polietielentereftalat Saydamlık, iyi çekme ve aşınma direnci
Damar protezleri, ameliyat ipliği, protezler
Poliamit İyi mekanik ve kimyasal özelikler
Paketleme filmleri, diyaliz cihazları, ameliyat ipliği
Poliüretan İyi aşınma, sıkışma ve kırılma direnci
Kan pompaları, yapay kalp ve deri diş malzemeleri
Silikon kauçuk İyi termal kararlılık, iyi kimyasal direnç
Yanık tedavisi köpükler, lens ve membranlar
Şekil 2.4 İlaçla kaplamış biyobozunur polimer (www.uweb.engr.washington.edu/research/tutorials/drugdelivery)
17
Doğal biyopolimerler ise canlı organizmanın yaşam süresi boyunca oluşturduğu
malzemelerdir. Doğal biyopolimerlerin sentezi, enzimlerin katalizlediği hücre içerisinde
gerçekleşen bir dizi karmaşık işlem sonucu aktif monomerlerin zincir büyüme tepkimesi
sonucu bir araya gelmesiyle gerçekleşir. En yaygın doğal polimerler yüksek yapılı
bitkilerde bulunan selüloz ve hayvanlarda ise protein yapıda kollajendir.
Biyopolimerlerin yapısı ve özelikleri bileşenlerinin kimyasal ve fiziksel yapısı ile
miktarlarına bağlıdır. Biyomalzemeler etkin bir şekilde canlı sistemde kullanılacaksa
biyomalzemenin doku ile dokunun da tüm canlı sistem ile olan etkileşiminin iyi
anlaşılması gerekir (Bhat 2005).
2.7 Süperkritik Akışkan (SKA)Teknolojisi 2.7.1 SKA tarihçesi Maddelerin kritik noktası 1822 yılında Charles Cagniard de la Tour tarafından
gerçekleştirilen top namlusu deneyinde keşfedilmiştir. Bu denemelerde kritik sıcaklık
gözlemlenmiştir. Bu sıcaklığın üzerinde sıvı ve gaz fazların yoğunlukları eşitlenmekte
ve iki faz arasındaki fark ortadan kalkmaktadır. Böylelikle yeni bir faz olan süperkritik
akışkan faz oluşmaktadır. 1869 yılında Thomas Andrews ilk kez kritik noktayı
tanımlamış ve süperkritik akışkan biliminin doğmasına öncülük etmiştir. Daha sonraları
1879’da Hannay ve Hogarth katıların SKA daki çözünürlüklerini incelemişler ve
çözünürlüğün basınçla orantılı olduğunu saptamışlardır. 1895 yılında Villard ise CO2
ortamında krtik noktanın üzerinde I2 çözünürlüğünü gözlemiştir (Kajimoto 1999). Bu
bilim dalının gelişmesiyle zamanla ticari uygulama alanları ortaya çıkmıştır. İlk ticari
uygulamalar SKA’nın ekstraksiyon ve kromotografi gibi ayırma yöntemlerinde
kullanılmasıdır.
SKA’nın ticari uygulamaları şu şekilde verilebilir (Perrut 1999):
1-Ekstraksiyon (özelikle gıda sektöründe renk verici maddeler, vitaminler ve lipitlerin
ekstraksiyonu, ilaç ve polimer içindeki safsızlıkların giderilmesi)
2-Ayırma (polimer, farmasotikler ve gıda sektöründeki bileşenlerin ayrımı)
18
3- Kromotografi (doymamış yağ asitleri ve enantiyomerlerim ayrımı)
4-Sudaki atıkların giderimi
5-Tablet kaplama ve mikrokapsülleme
6-Tekstil malzemelerinin boyanması
SKA doğaya zararsız yönünden dolayı yeşil kimya (green chemistry) olarak
adlandırılmaktadır. Yukarıda belirtilen uygulama alanlarına ek olarak SKA’nın tepkime
ortamı olarak kullanılmasına yönelik çalışmalar gerçekleştirilmektedir. SKA ortamında
gerçekleştirilen tepkimeler şöyle özetlenebilir (Bertucco 1999):
1-Homojen ve katalitik tepkimeler
2-Sıvı ve gaz yakıt üretimi
3-Biyokimyasal ve enzimatik tepkimeler
4-Polimerizasyon
2.7.2 SKA genel bilgi Kimya gaz, sıvı ve katı fazdaki moleküllerin yapıları ve davranışları ile ilgilenen bir
bilim dalıdır. SKA bize bu bilinen fazlarda görülmeyen bir takım sıra dışı özeliklerin
keşfedilme imkanını sunar. SKA son yüzyılı aşkın bir süredir çalışılan bir bilim dalı
olmasına karşın, modern bilime olabilecek katkısı henüz tam olarak anlaşılmamıştır.
Tüm kararlı maddelerin bir kritik noktası vardır. Tüm gazlar kritik sıcaklık değerinin
(Tc) üzerinde kritik basınca (Pc) sıkıştırıldıklarında süperkritik özeliğe ulaşırlar. SKA
bilinen gaz ve sıvı fazdan çok farklı özelikte olup, özelikleri sıcaklık ve basınç ile çok
kolay bir şekilde değiştirilebilir. Ayrıca yoğunluk ve vizkozite kritik noktaya yakın
bölgede çok ciddi değişimler gösterir. SKA sıvılarla gazların sahip oldukları işletme
avantajlarını aynı anda taşır. Çizelge 2.13’te SKA’nın bazı özelikleri sıvı ve gazlarla
karşılaştırılmıştır. SKA yoğunluğu sıvılara yakınken, vizkozite değerlerinin gazlara
daha yakın olduğu görülür (Noyori 1999).
19
Çizelge 2.13 Gaz, sıvı ve SKA özeliklerinin karşılaştırılması (Noyori 1999)
Yoğunluk(kg/m3) Vizkozite(cP) Yayınırlık(mm2/s)
Gazlar 1 0,01 1-10
SKA 100-1000 0,05-0,1 0.01-0,1
Sıvılar 1000 0,5-1 0,001
Bunun yanında SKA birçok teknik avantaj da sunmaktadır. SKA ekstraksiyon,
kromotografi gibi ayırma işlemleri ve tepkime ortamı olarak kullanımı daha önceki
bölümlerde verilmişti. SKA gaz fazındaki reaktiflerle tek-fazlı karışım oluşturarak hız
sınırlayıcı kütle transfer basamağını ortadan kaldırarak çok daha yüksek tepkime
hızlarının elde edilmesini sağlar. Günümüzde, büyük ölçekli kimyasal üreticilerinin
yaşadıkları en büyük sorun çözücü kaynaklı çevre sorunlarıdır. Klor içeren
hidrokarbonların kullanımına yapılan düzenlemelerle sınırlandırmalar getirilmiştir. Bu
da alternatif çözücülere olan ihtiyacı arttırmıştır. Çizelge 2.14’te SKA olarak kullanılan
önemli çözücüler ve bu çözücülere ait kritik sıcaklık, basınç ve yoğunluk değerleri
sunulmuştur (http://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid).
Çizelge 2.14 Bazı akışkanların kritik değerleri (http://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid)
Akışkan Kritik Sıcaklık
(K)
Kritik Basınç
(atm)
Kritik Yoğunluk
(g/cm3)
Karbondioksit 304,1 72,8 0,469
Su 647,3 218,3 0,348
Metan 190,4 45,4 0,162
Etan 305,3 48,1 0,203
Propan 369,8 41,9 0,217
Etilen 282,4 49,7 0,215
Propilen 364,9 45,4 0,232
Metanol 512,6 79,8 0,272
Etanol 513,9 60,6 0,276
Aseton 508,1 46,4 0,278
20
Süreli yayınlardaki çalışmalar ve sanayideki uygulamalara bakıldığında karbondioksitin
(CO2) diğer akışkanlara göre çok daha fazla alanda kullanım olanağı bulduğunu
söylenebilir. Süperkritik karbondioksit (skCO2) sahip olduğu avantajlardan dolayı
yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Sağlık açısından toksik ve kanserojen olmaması,
işletim açısından ucuz, düşük vizkozitede olması ve üründen kolayca ayrılması,
kimyasal açıdan inert ve gazlarla iyi karışması ve çevresel açıdan ozon tabakasına
zararının olmaması ve atık oluşturmaması skCO2’in belli başlı avantajlarındandır. Şekil
2.5’te CO2 için basınç-sıcaklık faz diyagramı verilmiştir. Buradan kritik basınç ve
sıcaklık değerinin üstündeki bölge için süperkritik fazın oluştuğu bölge tespit edilebilir.
Şekil 2.5 CO2 için basınç-sıcaklık faz diyagramı (http://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid)
Şekil 2.6’da ise CO2 için faz değişimini gösteren fotoğraflar verilmiştir. İlk aşamada
sıvı fazdaki CO2 hücreye beslenmektedir (a). Zamanla ortamda CO2 miktarının
artmasıyla geçiş fazı (b,c) oluşmakta ve kritik basınca ulaşıldığı anda SKA fazı elde
edilmektedir (d).
Sıcaklık (K)
Basınç (bar)
gaz
sıvı
SKA
21
Şekil 2.6 CO2 faz değişimi (http://atom.uni-mb.si/labs/Lab_sep/HP_ViewCells.htm) 2.8 SKA Teknolojisi ve Polimerizasyon Polimerizasyon işleminde kullanılacak yeni çözücüler konusundaki çalışmalar bilim
insanlarını süperkritik akışkanlara yöneltmiştir. skCO2 sahip olduğu iyi özelikler
sayesinde polimerizasyon tepkimelerinde en çok kullanılan akışkan olmuştur. Yapılan
çalışmaların tümü skCO2’nin geleneksel çözücülerin yerine polimerizasyon için uygun
ve güvenilir bir çözücü olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Elde edilen sonuçlar
skCO2’nin iyi özeliklere sahip olması, polimere olan olumlu katkısı ve çevresel
avantajlarından kaynaklanmaktadır.
SKA iki temel iyi özeliği aynı anda üzerinde barındırır: sıvalarınkine benzer birçok
maddeyi çözmesini sağlayan bir yoğunluk ve gazlar gibi yayınırlık değerine (tepkime
kinetiğinde önemli etkilere sahip) sahip olmasıdır. Çözücü içeriğini değiştirmeden,
sıcaklık ve basınçta yapılacak küçük değişikliklerle istenilen yoğunluk değerinde
çalışılabilir. Bilinen bu avantajlarından dolayı SKA ortamında tepkime mekanizması ve
çözücü etkisi ile ilgili yoğun çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Çözücünün değiştirilmesi
a b c
d
22
tepkime üzerinde önemli etkilere sebep olur. Bu etkiler: monomer ve katalizör gibi
başlangıç malzemelerinin üründen ayrışması ve polimerin molekül ağırlıklarına bağlı
olarak ayrışmasıdır. Ayrıca SKA’nın düşük vizkoziteye sahip olması ve polimeri
plastikleştirici etkiye sahip olması polimerin kinetiği ve işlenmesini büyük ölçüde
etkilemektedir.
CO2’nin SKA olarak kullanılması yeni avantajlar sağlamaktadır. Kimyasal endüstride
çevreye zararı bulunan uçucu organik çözücüler ve kloroflorokarbonların polimer
üretimi ve işlenmesi süreçlerinde kullanılması ile ilgili olarak önemli bir farkındalık ve
hassasiyet oluşmuştur. Süperkrirtik akışkan olarak suyun bu işlemlerde kullanılması bu
sorunu kısmen çözse de büyük ölçeklerde elde edilen zararlı, atık suyun arıtımı bir
başka sorunu doğurmaktadır. Bu çevresel endişeden dolayı skCO2 geleneksel
çözücülerin yerine önemli bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır. CO2 doğal çevrede
bol miktarda bulunabilen bir gazdır. Doğal depolarında, dünyanın her tarafında
bulunabilmektedir. Ayrıca amonyak, hidrojen ve etanol üretiminde yan ürün olarak bol
miktarda ve fosil yakıtların kullanıldığı elektrik santrallerinde üretilmektedir. CO2
kolayca ulaşılabilen kritik basınç (Pc = 73.8 bar) ve kritik sıcaklık (Tc = 31,1 oC)
değerine sahiptir. CO2 bir ortam gazı olduğundan çözücü olarak kullanıldıktan sonra
sisteme geri döngü yapılarak tekrar kullanılabilinmektedir. Böylelikle atmosfere
salınmadığı için sera etkisine bir katkıda bulunmamaktadır. Ayrıca ucuz, alevlenmemesi
ve toksik olmaması büyük ölçekli kullanımını sağlamaktadır.
SkCO2 ortamında gerçekleştirilen polimerizasyon işlemlerinde kurutma, çözünürlük ve
polimerin plastikleşmesi gibi birçok kavramın göz önünde bulundurulması gerekir. CO2
bir ortam gazı olduğundan, sistemin vanası açılarak basınç düşürüldüğünde polimer
çözücüden kolaylıkla ayrılır. Sonuçta polimer kuru bir şekilde elde edilir. Bu özelik
enerjiye çok büyük miktarda bağımlı polimer kurutma işlemini ortadan kalkmasını
sağlar ve büyük ölçüde giderlerde bir azalma meydana gelir.
Çözünürlük skCO2 ortamında polimer sentezinde önemli bir rol oynar. skCO2 çoğu
polar olmayan madde ile düşük molekül ağırlığına sahip polar maddeler için iyi bir
çözücü iken, yüksek molekül ağırlığına sahip polimerler için ılıman koşullarda (<100
23
oC, <350 bar) zayıf bir çözücüdür. Örneğin 105 g / mol molekül ağırlığına sahip
poli(metilakrilat) CO2’de çözünebilmesi için 2000 bar ve 100 oC’ye kadar çıkılması
gerekir. Polimer üretiminde bu yüksek basınca çıkmak pratik olmadığı kadar yüksek
maliyet getirir. CO2 ortamında ılıman koşullarda iyi çözünürlüğe sahip polimerler amorf
yapıda floropolimerler ile silikonlardır.
Polimerin SKA içindeki çözünürlüğü polimer sentezinde kullanılan polimerizasyon
tekniğini belirler. Örneğin amorf floropolimerler skCO2’de homojen olarak
sentezlenirler; ancak birçok polimerin skCO2’deki çözünürlüğü çok düşük olduğundan
bu polimerizasyon işlemleri çöktürme, dispersiyon ya da emulsiyon polimerizasyon gibi
heterojen tekniklerle yapılmaktadır. Böylelikle bu amaca yönelik olarak dispersiyon ve
emulsiyon polimerizasyonda yüzey aktif maddelerin sentez yoluna gidilmiştir. Yüzey
aktif maddeler CO2 içerisinde çözünmeyen polimerlerin heterojen polimerizasyonunda
önemli katkılar sağlamışlardır. Yüzey aktif madde genel anlamda CO2’yi seven CO2-
filik bir bölge ile polimeri seven polimer-filik bir bölgeden oluşur. Yüzey aktif
maddenin doğası polimerin özeliğini ve morfolojisini belirler. Yüzey aktif madde
sentezi yapılırken tüm bu unsurlar göz önünde bulundurulmalıdır. Şekil 2.7 ve Şekil
2.8’de florlu ve polidimetilsiloksan (PDMS) yapıda yüzey aktif maddelerin kimyasal
yapıları verilmiştir (Kendall et al. 1999).
Şekil 2.7 PDMS yapıda polimerik yüzey aktifleri kimyasal yapıları (Kendall et al. 1999)
24
Şekil 2.8 Florlu polimerik yüzey aktif madde kimyasal yapıları (Kendall et al. 1999) Florlu ve silikonlu bölgeler içeren yüzey aktif maddeler canlı sisteme verdikleri
zararlardan dolayı polimerik biyomalzemelerin skCO2’deki sentezinde sıkıntılar
oluşturmaktadır. Bu nedenle kullanılacak olan yüzey aktif maddenin biyouyumlu /
biyobozunur yapıda olması istenir. Bu tez çalışması kapsamında ilk kez biyouyumlu /
biyobozunur yapıda bir malzeme skCO2 ortamında yüzey aktif madde olarak
polimerizasyonda kullanılmıştır.
25
Polimerlerin ayrışması ise skCO2’de polimer çözünürlüğü etkisinde kalan bir diğer
önemli kavramdır. Dikkatli ve kontrollü bir şekilde polimer çözeltisinin yoğunluğu
düşürüldüğünde polimer içerisindeki en yüksek molekül ağırlığına sahip kısım
çöktürülür. Böylelikle çözünmüş olan kısımdan ayrılmış olur. Örneğin CO2 içerisinde
çözünebilen PDMS skCO2 içinde ayrıştırılmıştır. Bu yöntemle PDMS sayıca ortalama
molekül ağırlığı 4 x 105 ile 4 x 102 olan altı adet fraksiyona ayrıştırılmıştır.
skCO2’nin polimerlere olan bir başka etkisi ise polimeri plastikleştirmesidir.
Plastikleşme camsı geçiş sıcaklığında (Tg) düşme sonucu gerçekleşir. Birçok polimerin
CO2 ile yüksek oranda plastikleştiği gösterilmiştir. Plastikleşme atık monomerlerin
polimerden uzaklaştırılması, köpük oluşumu gibi etkilerin ortaya çıkmasına neden olur.
skCO2 ortamında plastikleşen polimer yüksek yayınırlık değeri ile daha düşük vizkozite
değerlerine ulaşır. Bu durum ise polimer içerisinde tepkimeye girmemiş monomerin
polimerden daha kolay ayrılmasını sağlar.
skCO2 polimerizasyon işlemlerinde güvenle kullanılabilecek bir çözücü haline
gelmiştir. Stiren, akrilat ve metakrilatların serbest radikal polimerizasyonu, isobütilen,
vinil eter ve stirenin katyonik polimerizasyonu ve epoksitlerin metal katalizli
polimerizasyonları zincir büyüme tipinde skCO2’de gerçekleştirilenlerdir.
Polikarbonatlar, poliamitler, polyesterler, silika jeller basamak büyüme tepkimesiyle
sentezlenmişlerdir. Tüm bu örnekler skCO2’nin polimerizasyon işlemlerinde ne kadar
önemli bir çözücü olduğunu göstermektedir (Kendall et al. 1999).
26
3. KAYNAK ARAŞTIRMASI Bu tez kapsamında skCO2 ortamında poli(L-laktat/ε-kaprolakton) kopolimereinin
biyobozunur / biyouyumlu yüzey aktif maddeler kullanılarak sentezi amaçlanmaktadır.
Yapılan süreli yayın taraması sonucu bu konudaki çalışmaların 2000’li yıllardan sonra
yoğunlaştığı görülmüştür. Özelde yüksek lisans tezi kapsamında kullanılacak
monomerler L-laktat ve ε-kaprolakton homo ve kopolilemerleri ile ilgili çalışmalara
burada yer verilmiştir.
Namuslu (2005), süperkritik karbondioksit ortamında L-laktat ve ε-kaprolakton
monomerleri için kopolimerizasyonu incelemiştir. Bu çalışmada katalizör olarak kalay
oktaat kullanılmıştır. Sıcaklık, basınç, monomer / monomer oranı sabit tutulmuştur
(T=80 C, P=250 bar, L-laktat/kaprolakton=85/15(kütlece)). Bu çalışma kapsamında
monomer / katalizör, tepkime süresi, yüzey aktif madde türü ve karıştırma hızının verim
ve polimerleşme oranına olan etkisini incelemiştir. Süperkritik akışkan ortamında
monomerlerden ε-kaprolakton iyi çözünürken, L-laktat çözünmemektedir. Bu tür
malzemelerin çözünürlüğünü arttırmak amacıyla yüzey aktif madde sentezi yoluna
gidilmiştir. Bu amaç doğrultusunda ortada florlu yapı içeren bir alkol olan florolink D,
uç grupları kaprolaktondan oluşan A-B-A triblok yapıda oligomerler sentezlenmiştir
(PCL-D-PCL). Aynı işlemler L-laktat monomeri için yapılmış ve yeni bir yüzey aktif
daha oluşturulmuştur (PLLA-D-PLLA). Bunlara ek olarak birinci yüzey aktif maddenin
uç grupları değiştirilerek uç grupları esterli yapıda üçüncü yüzey aktif sentezlenmiştir.
Yapılan deneyler sonucu birinci yüzey aktifin en iyi sonucu verdiği belirlenmiştir.
Tepkime süresi olarak 48 saatte en iyi sonuçlar bulunmuştur. Düşük sürelerde
polimerleşme yeterince olmamakta, yüksek sürelerde ise transesterleşme yan
tepkimeleri söz konusu olmuştur. Monomer / katalizör incelemesinde optimum sonuçlar
100 değeri için bulunmuştur. Düşük değerlerde yan tepkimeler oluşurken, daha yüksek
değerler için katalizör miktarı yetersiz kalmaktadır. Karıştırma hızında ise en iyi sonuç
10 rpm için elde edilmiştir. Sayıca molekül ağırlığı 24400, dönüşüm % 88 olarak
bulunmuştur. Sonuç olarak en verimli koşullar L-LA/CL=80/20 T=80 oC, P=250 bar,
t=48 saat, 30 rpm, PCL-D-PCL monomer / katalizör=100 olarak belirlenmiştir.
27
Bratton et al. (2005) süperkritik karbondioksit ortamında L-laktat için
homopolimerizasyonu incelemişlerdir. Bu çalışmada bir ucu florlu diğer ucu
kaprolakton içeren A-B diblok yapıda yüzey aktif maddeler sentezlenmiştir. Florlu
malzeme olarak karboksilik asit ile termine edilmiş bir perfloroeter olan Krytox 157FSL
kullanılmıştır. Yüzey aktif madde sentezi Şekil 3.1’de verilmiştir. Yüzey aktif madde
miktarı ve karıştırma hızının etkisi araştırılmıştır. Denemeler 3500 psi ve 80 oC’de
gerçekleştirilmiştir. Yüzey aktif madde kullanılmadığında agregesyonun gerçekleştiği
belirlenmiştir. Polimerfilik kaprolakton uzunluğunun artmasıyla yüzey aktif maddenin
etkinliğinin arttığı gözlenmiştir. Yüzey aktif madde miktarı arttırıldıkça dönüşüm ve
molekül ağırlığının az da olsa arttığı saptanmıştır. Kütlece % 3 yüzey aktif maddenin
mikroküresel yapıda polimer sentezi için yeterli bir miktar olduğu belirlenmiştir.
Karıştırma hızının çok az oranda iyileştirme sağladığı görülmüştür. Sayıca molekül
ağırlığı 13.000 civarında iken dönüşüm %90 civarında bulunmuştur.
Şekil 3.1 Krytox-PCL esterinin halka açılma ve asit-katalizli esterifikasyonuyla sentezi
(Bratton et al. 2005) Stassin and Jerome (2005) süperkritik karbondioksit ortamında L-laktat ve ε-
kaprolakton monomerleri için dibutiltin dimetoksit başlatıcısı varlığında laktat
homopolimerizasyonu ve ε-kaprolakton ile kopolimerizasyonu incelemişlerdir. Bu
polimerizasyon tekniği emülsiyon polimerizasyona benzer bir şekilde
gerçekleştirilmiştir. İncelenen parametreler monomer reaktiflikleri, süre ve monomer /
monomer oranıdır. Tüm denemeler 343 K ve 300 barda gerçekleştirilmiştir. L-laktat
Toluen
Toluen 170 oC
28
homopolimerizasyonu için sürenin arttırılmasıyla dönüşüm ve molekül ağırlığı
değerlerinde artış görülmüştür. % 80 dolayında dönüşüm ve 8000 sayıca molekül
ağırlığı değerlerine ulaşılmıştır. Elde edilen polimer çok dar bir molekül ağırlığı
dağılımı (1,1-1,5) göstermiştir. Kopolimerizasyon kısmında ise yine dibutiltin
dimetoksit başlatıcısı varlığında L-laktat ve ε-kaprolaktonun süperkritik karbondioksit
ortamındaki reaktiflikleri karşılaştırılmıştır. Elde edilen bu sonuçlar iki monomerin
toluen içerisinde gerçekleştirilen çözelti polimerizasyonu yöntemindeki reaktiflik
değerleri ile kıyas edilmiştir. Sonuçta L-laktatın toluende daha reaktif olduğu ve
süperkritik karbondioksit içindeki reaktifliğinin ε-kaprolaktonun hem toluendeki hem de
süperkritikteki değerinden daha yüksek olduğu belirlenmiştir.
Stassin et al. (2001) ε-kaprolaktonun dibutiltin dimetoksit varlığında polimerleşmesini
süperkritik karbondioksit ortamında 40 oC ve 210-215 barda incelemişlerdir. Kontrollü
bir şekilde polimerleşme gerçekleştirilmiştir. Gözlemlenen hız katsayıları süperkritik
karbondioksit, CFC-113, toluen ve yığında belirlenmiştir. Bulunan değerlere göre hız
katsayıları artacak şekilde şöyle sıralanmıştır; süperkritik karbondioksit, CFC-113,
toluen, yığın. Elde edilen sayıca ortalama molekül ağırlığının monomerin zamanla
değişimine doğrusal ve birinci dereceden bağlı olduğunu göstermişlerdir. % 90
civarında dönüşüm değerlerine karşılık 20000 g / mol sayıca molekul ağırlıklarına
ulaşılmıştır.
Bratton et al. (2003) L-laktat monomerinin polimerleşmesini triblok yapıda yüzey aktif
madde olarak PCL-PFPE-PCL’yi kullanarak (PCL:polikaprolakton, PFPE:
perfloropolieter) denemişlerdir. Triblok yüzey aktifin sentezi Şekil 3.2’de verilmiştir.
Bu çalışmada polimerizasyon süresi, karıştırma hızı ve yüzey aktif maddenin etkisini
incelemişlerdir. Yüzey aktif kullanılmadığı durumda agregasyon gözlenirken, yüzey
aktif madde kullanıldığına toz şeklinde ürünün elde edildiği gözlenmiştir. Sonuçta
12000 civarında sayıca molekül ağırlığı ve % 90 civarında dönüşüm değerleri elde
etmişlerdir. Karıştırma hızının polimerin morfolojisine olan etkisi Şekil 3.3’te
verilmiştir.
29
Şekil 3.2 Triblok yüzey aktif madde PCL-PFPE-PCL sentezi (Bratton 2003)
Şekil 3.3 Süperkritik karbondioksitte sentezlenen PLLA’nın SEM görüntüsü %10 yüzey
aktif madde a.300 rpm b.50 rpm (Bratton 2003) Loeker et al. (2004) ε-kaprolakton monomerinin candida antarctica’dan elde edilen bir
lipaz B enzimi olan Novazym 435 katalizörlüğünde polimerleşmesini süperkritik
karbondioksit ortamında incelemişlerdir. İncelenen parametreler sıcaklık, basınç ve
tepkime süresidir. En iyi sonuçlar molekül ağırlığı sayıca 12000-37.000 ve maksimum
dönüşüm değeri %98 olarak bulunmuştur. Elde edilen tüm polimerler dar bir molekül
ağırlığı dağılımı göstermiştir. Bu çalışmanın sonucunda enzim aktivitesini kaybetmeden
12 saat
4 saat
a b
30
üründen geri alınabilmiş ve böylelikle tekrar kullanılabilme şansını kazanmıştır. Bu
çalışma asit katalizli polimerizasyon süreçlerine alternatif olduğundan önem arz
etmektedir.
Bergeot et al. (2004) ε-kaprolakton monomerinin değişik metal alkoksitlerin başlatıcı
olarak kullanılmasıyla polimerleşmesini incelemişlerdir. Bu amaçla lantanyum, itriyum
ve alimunyum izopropoksitleri kullanılmıştır. Polimerizasyon süreçlerinde metal
reaktifliklerinin ve sıcaklığın etkisini incelemişlerdir. Polimerizasyon hızlarının
geleneksel çözücülerle karşılaştırıldığında çok daha düşük olduğu belirlenmiştir. Bu
sonucun anlaşılması amacıyla başlatıcı ile süperkritik karbondioksit arasındaki etkileşim
ele alınmıştır. Daha düşük iyonik bileşenler karbondioksite az reaktiflik gösterirken,
iyonik alkoksitlerin karbondioksitle etkileşerek alkoksitleri oluşturdukları
gözlemlenmiştir. En iyi dönüşüm ve sayıca molekül ağırlığı değerlerini (%97, 8300 g /
mol) alimunyum için belirlemişlerdir.
Stassin and Jerome (2003) ε-kaprolakton monomerinin dibutiltin dimetoksit
katalizörlüğünde süperkritik karbondioksit ortamında polimerleşmesine sıcaklık ve
basıncın etkisini incelemişlerdir. Basınçta yapılan artış polimerleşmeyi düşürürken,
sıcaklıkta yapılan artış polimerleşmeye olumlu katkıda bulunmuştur.1 saat
polimerizasyon süresi, 60 oC ve 200 barda % 95 dönüşüm ve 14300 sayıca molekül
ağırlığı değerlerine ulaşılmıştır. Ayrıca bu çalışmada ε-kaprolakton monomerinin
süperkritik karbondioksitte polimerleşmesinin karbonlaşma reaksiyonlarından dolayı
geleneksel çözücülere göre daha yavaş olduğunu saptamışlardır.
Ganapathy et al. (2007) poli(dimetil siloksan) (PDMS) içeren amfifilik diblok
kopolimerlerini yüzey aktif madde olarak skCO2 ortamında L-laktatın
polimerleşmesinde kullanmışlardır. Yüzey aktif maddenin sentez mekanizması Şekil
3.4’te verilmiştir. Yüzey aktif madde kullanımının polimerin molekül ağırlığı,
dönüşümü ve morfolojisine olan etkisi araştırılmıştır. Poli(dimetilsloksan)-b-poli(akrilik
asit) (PDMS-b-PAA) ve poli(dimetilsloksan)-b-poli(metakrilik asit) (PDMS-b-PMA)
yüzey aktif maddelerinin etkili olduğu belirlenmiştir. Bu polimerizasyon süreçleri
sonucunda PLLA mikropartikülleri toz şeklinde elde edilmiştir. Yüzey aktif madde
31
kullanılmadığı ve diğer yüzey aktifler varlığında aglomere olmuş ürün oluşumu
gözlenmiştir. Şekil 3.5’te bu polimerizasyon süreçlerinde oluşan PLLA’nın SEM
görüntüleri verilmiştir.
Şekil 3.4 Süperkritik karbondioksit ortamında PLLA sentezinde kullanılan PDMS
temelli yüzey aktif madde sentezi (Ganapathy et al. 2007)
32
Şekil 3.5 PDMS kullanılarak elde edilen PLLA’nın SEM görüntüleri (Ganapathy et al. 2007)
a. %10 PDMS-b-PAA, 47 saat, b. % 10 PDMS-b-PMA, 47 saat c. % 20 PDMS-g-PCA, 24 saat d. % 10 PDMS-b-OAc, 24 saat
Grignard et al. (2008) poli(ε-kaprolakton) ve poli(heptadekaflorodesilakrilat)
kullanılarak diblok ve triblok kopolimerlerler sentezlemişlerdir. Bu işlemi
gerçekleştirirken ε-CL’nin halka açılması ve akrilatların radikal transfer
polimerizasyonunu bir araya getirmişlerdir. Şekil 3.6’da yüzey aktif madde sentezinde
izlenen yol verilmiştir. Bu diblok ve triblok kopolimerler kontrollü bir şekilde çok dar
bir molekül ağırlığı dağılımında elde edilmiş ve ε-CL’nin süperkritik karbondioksit
ortamında polimerizasyonunda yüzey aktif madde olarak kullanılmıştır. Bu çalışmada
temel amaç yüzey aktif madde kullanılarak dispersiyon polimerizasyon yöntemiyle
aglomere olmayan yapıda PCL mikrokürelerini sentezlemektir. Tüm polimerizasyon
işlemleri 210-215 bar, 40 oC ve dibutiltindimetoksit varlığında 15-17 saat aralığında
sabit bir karıştırma hızında gerçekleştirilmiştir. Yüzey aktif maddenin bileşiminin ve
yapısının PCL mikrokürelerine olan etkisi incelenmiştir. En son aşamada ise elde edilen
PCL kürelerine süperkritik ekstraksiyon uygulanarak elde edilen ürün saflaştırılmaya
çalışılmıştır. Yapılan denemeler sonucunda çok dar molekül dağılımına sahip (1.34-
1.56) PCL küreleri elde edilmiştir. Tüm kullanılan yüzey aktif maddeler için yüksek
dönüşüm ve molekül ağırlığı değerlerine ulaşılmıştır. Şekil 3.7’de bu polimerizasyon
süreçlerinde elde edilen polimerlerin SEM fotoğrafları verilmiştir. Fotoğraflardan 100-
200 µm aralığında homojen bir yapıya sahip mikrokürelerin oluştuğu açıkça
görülmektedir.
a b
c d
33
Şekil 3.6 Florlu akrilat temelli diblok kopolimer sentezi (Grignard et al. 2008)
Şekil 3.7 a. Dispersiyon polimerizasyon tekniğiyle elde edilen PCL kürelerinin % 1
PCL-b-PAC8 diblok kopolimer varlığındaki SEM fotoğrafları b. Dispersiyon polimerizasyon tekniğiyle elde edilen PCL kürelerinin diblok
kopolimer varlığındaki SEM fotoğraflar solda % 1, sağda % 5 PCL-b-PAC8 diblok kopolimer (Mn,PCL : 5000 g/mol ve Mn,PAC8: 24 000 g/mol P :300 bar) (Grignard et al. 2008)
a
b
34
4. MATERYAL ve YÖNTEM 4.1 Materyal Monomerler: L-laktat (Sigma) toluende çözülüp yeniden kristallendirilmiş ve vakum
etüvünde sabit tartıma gelinceye kadar tutulmuştur. Daha sonra soğutucuda 4 oC’de
saklanmıştır. ε-kaprolakton (Fluka, saflık>%99) hiçbir ön işleme tutulmadan
kullanılmıştır.
Katalizör: Kalay oktaat (Sigma, saflık: %95) bir ön işleme alınmadan, satın alındığı
gibi kullanılmıştır.
Çözücü ve Diğer Malzemeler: Karbondioksit (OKSAN, saflık>99.5), bütanol
(Aldrich), metanol (Merck), toluen (Merck), trifenilfosfin (Sigma-Aldrich),
tetrahidrofuran (Merck) hiçbir işleme tutulmadan doğrudan kullanılmıştır. Kloroform
(Fluka, HPLC ayarında) filtreden geçirilmiş, 15 dakika sonik banyoda tutulduktan
sonra kullanılmıştır.
4.2 Yöntem 4.2.1 Yüzey aktif madde (YAM) sentezi Bu aşamada süperkritik karbondioksit ortamında polimerizasyon sürecinde kullanılmak
üzere hidrofobik (ε-CL, A) ve hidrofilik (polietilen glikol, PEG400, B) bölgelere
sahip triblok A-B-A yapıda oligomerler yüzey aktif madde olarak belirlenmiştir.
Hidrofobik ve hidrofilik bölgelerin polimerizasyona olan etkisini belirleyebilmek için
3 farklı mol oranında (PEG400/ε-CL=1/10, 1/25, 1/50 mol/mol) yüzey aktif madde
yığın polimerizasyon yöntemiyle sentezlenmiştir. Belirlenen miktarda malzeme
yukarıda belirtilen oranlarda bir cam tüpün içerisine konulmuş ve 120 oC’deki yağ
banyosuna daldırılmıştır. Polimerizasyonu başlatmak amacıyla tüpe (1/100 g katalizör/g
monomer oranında) kalay oktaat katalizör olarak eklenmiştir. Bu aşamada
malzemelerin hava ile etkileşimini engellemek (inert ortam sağlamak) ve tüpte
35
karıştırmayı gerçekleştirmek amacıyla azot tüpünün ucuna takılan cam pastör pipeti ile
sürekli olarak azot geçirilmiştir. 15 dakika boyunca azot geçirildikten ve malzemeler
iyice karıştırıldıktan sonra tüpün ağzı kapatılmış ve 120 oC’deki etüve alınmıştır. 24
saat sonra etüvden alınan yüzey aktif maddeler soğutulmaya bırakılmıştır. Yüzey aktif
maddeler soğuduktan sonra içerisindeki monomer gibi safsızlıkların giderilmesi
amacıyla saflaştırma işlemi yapılmıştır. Bu amaçla ilk önce diklorometanda çözünmüş
daha sonra etanolde çöktürülmüştür. Çöken yüzey aktif maddeler santrifüjle
çözücülerden ayrılarak, vakum etüvünde sabit tartıma gelinceye kadar kurutulmuştur.
Ağzı kapalı bir örnek kabında saklanmıştır. Yüzey aktif madde sentezinde izlenen akım
şeması ve mekanizması aşağıda Şekil 4.1 ve 4.2’de verilmiştir.
Şekil 4.1 A-B-A yapıda (A: ε-CL, B:PEG400) triblok yüzey aktif madde sentezi
36
Şekil 4.2 A-B-A yapıda (A: ε-CL, B:PEG400) triblok yüzey aktif madde sentez
mekanizması (Zhu et al. 1997)
4.2.2 Süperkritik karbondioksit ortamında poli(L-laktat) sentezi L-laktatın süperkritik karbondioksit ortamandaki çözünürlüğü düşük olduğundan
polimerizasyon verimi de düşüktür ve çok yüksek molekül ağırlıklarına
çıkılamamaktadır. Bu nedenle daha sonraki kopolimerizasyon sürecine ışık tutacağı
düşünüldüğünden poli(L-laktat) homopolimerinin sentezlenmesi amaçlanmıştır. Her bir
polimerizasyon işleminde reaktöre 3.75 g L-laktat monomeri konulmuştur.
Polimerizasyon sürecinde meydana gelen transesterleşme yan tepkimelerini önlemek
amacıyla süreli yayınlardaki benzer çalışmalar (Degee et al. 2000) dikkate alınarak
trifenilfosfin ve çözünmeye yardımcı olarak bütanol (Bratton et al. 2003) kullanılmıştır.
4.2.1’de sentezlenen yüzey aktif maddeler süperkritik karbondioksit (skCO2) ortamında
polimerizasyon aşamasında denenmiştir. Polimer sentezinde daha önceki çalışmalarda
(Bratton et al. 2003, Namuslu 2005) optimize edilmiş koşullarda (T=80 oC, P=100 bar,
t=48 h, katalizör: kalay oktaat (1/100 g/g monomer), 1/20 g yüzey aktif madde/g
monomer, 1/100 g trifenilfosfin / monomer, 5/1000 g bütanol / g monomer) denemeler
100 mL’lik skCO2 tepkime sisteminde (Thar R100 Şekil 4.3.a.b) yapılmıştır.
37
Polimerizasyon işleminde ilk aşamada gerekli malzemeler reaktöre doldurulup, kapağı
kapatılmıştır. Daha sonra reaktör içinde kalan havayı sistemden uzaklaştırmak amacıyla
sistemden 15 dakika karbondioksit (65 bar, 40 oC ve 10 g / dak) geçirilmiştir. Bu
işlemden sonra ısıtıcılar devreye alınarak reaktör istenilen sıcaklığa getirilmiş ve pompa
yardımıyla sistem polimerizasyon basıncına çıkartılmıştır. Sistem üzerindeki mekanik
bir karıştırıcı ile sabit bir hızda karıştırılmıştır. Tepkime süresi sonunda ısıtıcılar
devreden çıkartılıp reaktör oda sıcaklığına soğutulmuş, karıştırma durdurulmuş ve
sistemdeki basınç vana açılarak boşaltılmıştır. Basınç düşürülürken sürüklenme sonucu
kaybolacak malzeme kaybını önlemek için metanol dolu bir cam balon içerisine
boşaltım yapılmıştır. Reaktör açılmış, içinden ürün alınmış ve hiçbir ek işlem
yapılmadan saklanmıştır. Reaktör duvarlarına ve boru hattına yapışmış olan tepkime
ürününün alınması için tetrahidrofuran (THF) çözücü olarak kullanılmıştır. Sistem THF
ile yıkanmış daha sonra reaktör kapağı kapatılarak 100 bar, 40 oC ve 30 g / dak akış
hızında sistemden 10 dakika boyunca karbondioksit geçirilmiştir. Sürüklenen
malzemenin çökmesi için yukarıda belirtildiği gibi karbondioksit metanol ile
doldurulmuş cam balon içerisine boşaltılmıştır. Bu işlem 3 kez tekrarlanmıştır. Bu
şekilde elde edilen ürün içindeki monomer ve katalizör metanolde çözünmüş ve polimer
ile yüzey aktif madde çözünmediği için karışım olarak cam balonun altında
toplanmıştır. Bu karışım buzdolabında soğutulmuş, üstte kalan çözelti atılmış geride
kalan çöken malzeme sabit tartıma gelinceye kadar vakum etüve konmuştur. Böylelikle
direkt reaktörden alınan ve daha sonra metanolde çöktürülüp geri kazanılan, iki ayrı
fraksiyonda ürün (direkt reaktör ve çöz-çöktür sonucu elde edilen) elde edilmiştir. Aynı
denemede elde edilen bu iki fraksiyon daha sonraki aşamalarda GPC ve 1H-NMR
analizleri yapılarak karşılaştırılmıştır. Örneklerin molekül ağırlığı GPC, kimyasal yapısı 1H-NMR ve 13C-NMR, ısıl özelikleri DSC ve verim değeri gravimetrik yöntemlerle
belirlenmiştir. Poli(L-laktat) sentezinde YAM türü ve miktarının verim ve elde edilen
polimerin molekül ağırlığına olan etkisi incelenmiştir.
38
Şekil 4.3 Süperkritik akışkan sistemi a. akış şeması, b. fotoğraf (genel görüntü), c. reaktör
Soğutucu
Pompa Ön ısıtıcı
Reaktör
Vana
CO2
Tüpü
Veri İşleyici
Toplama Tankı
Basınç Regulatörü
a
b
c
39
4.2.3 Süperkritik karbondioksit ortamında poli(L-laktat/ε-CL) kopolimer
sentezi Bu bölümde, 4.2.2’de belirtilen yönteme benzer bir şekilde poli(L-laktat/ε-CL)
kopolimer sentezi süperkritik karbondioksit ortamında gerçekleştirilmiştir. Tüm
denemeler kütlece sabit bir L-laktat / ε-CL oranı (80/20) için yapılmıştır.
Gerçekleştirilen denemelerde YAM türü ve miktarının süperkritik karbondioksit
ortamında poli(L-laktat/ε-CL) kopolimer sentezine olan etkisi incelenmiştir.
4.3 Analizler Sentezlenen yüzey aktif madde ve süperkritik tepkime ortamında elde edilen
polimerizasyon ürünlerinin molekül ağırlığı ve heterojenlik indeksi (HI) değerleri jel
geçirgenlik kromotografisi (GPC), kimyasal yapısı hidrojen ve karbon nükleer
manyetik rezonans (1H-NMR, 13C-NMR), ısıl özelikleri diferansiyel taramalı
kalorimetre (DSC) ile belirlenmiştir. Poli(L-laktat) homopolimeri ve poli(L-laktat/ε-
CL) kopolimerinin verim değeri gravimetrik yöntemlerle saptanmıştır.
Yüzey aktif maddelerin GPC analizleri Hacettepe Üniversitesi Kimya Mühendisliği
Bülümü’nde yapılmıştır. (Shimadzu RID dedektör, çözücü:kloroform, 1 ml / dak).
Bunun dışındaki tüm GPC analizleri TÜBİTAK ATAL’da (AGILENT 1100, RID
dedektör) tetrahidrofuran çözücüsü eşliğinde 1 ml / dak akış hızında
gerçekleştirilmiştir.
1H-NMR ve 13C-NMR analizleri TÜBİTAK ATAL’da (BRUKER DPX-400, 400 MHz
High Performance Digital FT-NMR) yapılmıştır.
DSC analizleri ise Ankara Üniversitesi BİTAUM’da (Shimadzu DSC 60) yapılmıştır.
Örnekler azot ortamında ilk önce -80 oC’ye soğutulmuş sonra 10 oC / dak hızla 200 oC’ye ısıtılmıştır.
40
5. DENEYSEL BULGULAR ve TARTIŞMA
Bu bölümde 4.2.1’de sentezlenen yüzey aktif maddelerin, 4.2.2 ve 4.2.3’te elde edilen
poli(L-laktat) ve poli(L-laktat/ε-kaprolakton) polimerizasyon ürünlerinin
karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir.
5.1 Yüzey Aktif Madde (YAM) Karakterizasyonu Sentezlenen üç farklı yüzey aktif maddenin (YAM) karakterizasyonu 1H-NMR, GPC
ve DSC ile gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar değerlendirilmiş ve süreli yayınlardaki
benzer çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Şekil 5.1.a. b. c. d.’de YAM 1-10, 1-25, 1-50
için elde edilen 1H-NMR spektrumları verilmiş ve bu spektrumdaki piklerin hangi
bölgelere karşılık geldiği gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlar süreli yayınlardaki benzer
çalışmalarla (Zhu et al. 2007, Zhang et al. 2007) karşılaştırılmıştır. Zhang et al. (2007)
yaptıkları çalışmada A-B-A yapıda triblok ε-CL-PEG6000- ε-Cl polimerini farklı ε-CL
oranları için sentezlemişler ve elde ettikleri bu polimerlerin sulu çözeltilerdeki
miselleşme ve sol-jel geçiş davranışlarını araştırmışlardır. Zhu et al. (2007) ise
çalışmalarında itrium tris(2,6-di-tert-butyl-4-methylphenolate) [Y(DBMP)3]
katalizörünün A-B-A yapıda triblok ε-CL-PEG6000-ε-CL polimerizasyonuna olan
etkisini incelemişlerdir. Bölüm 4.2.1’de verilen yöntemle sentezlenen ε-CL-PEG400-
ε-Cl yüzey aktif maddelerinin süreli yayınlardaki sonuçlarla uyumlu olduğu
belirlenmiştir.
41
Şekil 5.1.a. YAM 1-10 1H-NMR spektrumu, b.YAM 1-25 1H-NMR spektrumu, c.YAM 1-50 1H-NMR spektrumu, d. YAM kimyasal yapı
a
b
c
d
42
Şekil 5.2’de YAM 1-10 örnekleri için elde edilen GPC kromotogramı gösterilmiştir
(YAM 1-25 ve YAM 1-50 için GPC kromotogramları ekte verilmiştir). Kromotogram
incelendiğinde elde edilen oligomerlerin dar bölgede molekül ağırlığına sahip olduğu
sonucuna varılır. Benzer sonuçlar diğer YAM’lar için de elde edilmiştir. GPC, 1H-
NMR ve teorik hesaplama sonucu bulunan molekül ağırlıkları Çizelge 5.1’de
verilmiştir. Çizelge incelenecek olursa hem GPC hem de 1H-NMR sonucu belirlenen
değerlerin teorik değerlerle uyum içerisinde olduğu saptanmıştır. Heterojenlik indeksleri
(HI = Mw / Mn) incelendiğinde oligomerlerin çok dar molekül ağırlığında olduğu
söylenebilir. YAM karakterizasyonu ile ilgili tüm analizler bir arada düşünülürse
istenen yapıda ve özelikte sentezin gerçekleştirildiği sonucuna varılabilir.
Şekil 5.2 YAM 1-10 için GPC kromotogramı Çizelge 5.1 Yüzey aktif maddelerin farklı yollarla elde edilmiş molekül ağırlıkları
Yüzey Aktif Türü ve Teorik molekül Ağırlığı
Mwb Mn
b HIb Mna NMR
1-10 (1540)
2240 1380 1.62 2830
1-25 (3250)
3850 2140 1.79 3810
1-50 (6100)
6030 2670 2.25 6310
a. Aşağıdaki formüle göre hesaplanmıştır.
b. GPC sonucu elde edilmiştir.
43
Şekil 5.3 YAM 1-25 ve YAM 1-50 için DSC termogramı
YAM 1-25 ve YAM 1-50 için yapılan DSC analizi sonucu elde edilen termogram
Şekil 5.3’te verilmiştir. YAM 1-25 için elde edilen eğride YAM’ın yapısındaki ε-
CL birimleri için 61.6 oC’de erime sıcaklığı (Tm) ve 29.6 oC’de ise PEG birimleri
için bir erime noktası belirlenmiştir. Bu sonuçların Zhu et al. (2007) sonuçlarıyla
karşılaştırılmış ve uyumlu olduğu belirlenmiştir. Zhu et al. (2007) yapmış olduğu
çalışmada kütlece aynı oranda PEG içeren ε-CL-PEG-ε-CL kopolimerlerini
sentezlemişlerdir. Elde ettikleri DSC sonuçlarında PEG için 24.5-31.7 ºC ve ε-CL
için 55.6-63.0 ºC aralığında erime sıcaklığı bulmuşlardır. Bir diğer önemli nokta
ise yapıda bulunan ε-CL birimlerinden dolayı -60.0 ºC civarında bir camsı geçiş
sıcaklığı (Tg) beklenirken böyle bir geçiş sıcaklığı görülmemiştir. Lemmouchi et
al. (2007)’ın çalışmasında da bu duruma benzer sonuçlar bulunmuştur. Tg
değerinin görünmemesi ε-CL birimlerinin kısa oluşu, PEG ile etkileşimi ve analiz
yöntemindeki uygun olmayan sıcaklık programından kaynaklanmaktadır. YAM
1-50 için ise 64.5 ºC ε-CL birimi için erime noktası belirlenmiştir. PEG için
herhangi bir erime sıcaklığı belirlenememiştir. Bu da ε-CL miktarının PEG
miktarından fazla olmasından kaynaklanmaktadır.
Sıcaklık (oC)
44
5.2 Süperkritik Karbondioksit Ortamında Poli(L-laktat) Sentezi YAM türü ve miktarının poli(L-laktat) sentezine olan etkisi incelenmeden önce 4.2.2’de
iki ayrı fraksiyonda elde edilen ürünlerin içerikleri karşılaştırılmıştır. Bu amaçla aynı
deneme için direkt tepkime kabından alınan ve çöz-çöktür yöntemiyle elde edilen iki
ayrı fraksiyon 1H-NMR ve GPC analizleri ile karşılaştırılmıştır. Çizelge 5.2’de YAM 1-
50 kullanılarak yapılan denemede iki yolla elde edilen fraksiyonların GPC sonucu
bulunan molekül ağırlığı değerleri verilmiştir. Her iki örnekte birbirine yakın molekül
ağırlıkları elde edilmiştir. Şekil 5.4.a.b.’de ise bu iki örneğin GPC kromotogromları
karşılaştırılmıştır. Aynı bölgede ve yapıda pikler elde edilmiştir. 1H-NMR analizinde ise
Şekil 5.5.a.b.’deki spektrumlar karşılaştırılmış aynı denemede elde edilmiş iki polimer
fraksiyonunun içeriğinin aynı olduğu belirlenmiştir. Buna göre polimer karışımının
yapısında monomer, katalizör gibi safsızlıkların bulunmadığı sadece poli(L-laktat)
homopolimeri ile YAM’ın karışım halinde olduğu ve aynı deneme sonunda iki farklı
şekilde elde edilen fraksiyonların aynı içerikte olduğu saptanmıştır. Benzer durum
poli(L-laktat/ε-kaprolakton) kopolimer sentezinde de elde edilmiştir.
Çizelge 5.2 İki ayrı fraksiyonun GPC ile bulunan poli(L-laktat) molekül ağırlıkları Örneğin alındığı yer Mw Mn HI Direkt tepkime kabı 58000 27000 2,15
Çöz-çöktür 59000 28100 2,10
5.2.1 YAM türünün poli(L-laktat) sentezine etkisi Bu aşamada 4.2.1 bölümünde sentezlenen üç yüzey aktif maddenin süperkritik
karbondioksit ortamında polimerizasyon verimi ve molekül ağırlıklarına olan etkisi
incelenmiştir. Tüm polimerizasyon işlemleri 4.2.2’de belirtilen koşullarda yapılmıştır.
YAM türünün polimerizasyona etkisi Çizelge 5.3’te verilmiştir. Buna göre tüm
YAM’lar için birbirlerine yakın verim ve molekül ağırlık değerleri elde edilmiştir.
Ayrıca tüm polimerizasyon ürünleri toz şeklinde olup, polimerizasyon süresince
agregasyon gerçekleşmemektedir.
45
Çizelge 5.3 YAM türünün polimerizasyona etkisi YAM Türü % Verim Mn HI Görüntü
YAM 1-10 80.3 32600 1,90 Beyaz toz
YAM 1-25 79.8 28880 2,10 Beyaz toz
YAM 1-50 78.7 27000 2,15 Beyaz toz
% Verim=[(elde edilen ürün-yüzey aktif miktarı)/monomer miktarı)] * 100
Şekil 5.4.a.b’de YAM 1-50 kullanılarak elde edilen polimerin GPC kromotogramı
verilmiştir. Kromotogramlar incelenecek olursa elde edilen polimer karışımının geniş
bir molekül ağırlığı dağılımına ve buna bağlı olarak yüksek bir heterojenlik indeksi
değerine sahip olduğu belirlenmiştir. Elde edilen bulgular YAM’ın üründe kaldığını ve
homopolimerle karışım halinde olduğunu göstermektedir. Benzer sonuçlar YAM
kullanılan tüm polimer örnekleri için elde edilmiştir.
Şekil 5.4.a. YAM 1-50 için elde edilen polimerin (direkt tepkime kabı) GPC
kromotogramı, b. YAM 1-50 için elde edilen polimerin (çöz-çöktür) GPC kromotogramı
a
b
46
Sentezlenen polimerin kimyasal yapısını araştırmak amacıyla 1H-NMR analizi
yapılmıştır. Spektrumdaki pikler Namuslu’nun (2005) çalışması ile karşılaştırılmıştır.
Namuslu (2005) çalışmasında süperkritik karbondioksit ortamında L-laktatın
polimerleşmesini incelemiştir. Polimerleşme oranını arttırmak amacıyla florlu bölgeler
içeren YAM’lar kullanmış ve %90 civarında dönüşüm değerlerine ulaşmayı başarmıştır.
Analizlenen örneklerde yüzey aktif maddenin ve poli(L-laktat) homopolimerinin
karışım şeklinde bulunduğu saptanmıştır. Şekil 5.5.a.b’de 5-5.1 ppm aralığında yer alan
pikler (b) metilen grubuna bağlı hidrojene ait olup, tipik poli(L-laktat) varlığını gösterir.
3.5-4.5 ppm arasında yer alan pikler ise üründe poli(L-laktat) yanında YAM’ın da
bulunduğunu göstermektedir. Bu nedenle verim değerleri hesaplanırken
polimerizasyonun başında kullanılan YAM miktarları polimerizasyon sonucu elde
edilen karışımın kütlesinden çıkartılmıştır. Polimer içerisinde kalan YAM biyouyumlu /
biyobozunur (Zhang et al, 2007) yapıda bir malzeme olduğu için polimerin kullanımını
kısıtlayacak bir durum oluşturmamaktadır.
47
Şekil 5.5.a YAM 1-50 yüzey aktifiyle sentezlenen ürünün (direkt tepkime kabı) 1H-NMR spektrumu, b. YAM 1-50 yüzey aktifiyle sentezlenen ürünün (çöz-çöktür) 1H-NMR spektrumu, c. Poli(L-laktat) homopolimerinin yapısı
a
b
c
48
Şekil 5.6’da verilen DSC analizlerinde 3 farklı pik ön plana çıkmaktadır. T=50-60 oC’de
arasında görülen geniş pik poli(L-laktat) için olan camsı geçiş noktasını (Tg), 100 oC
civarındaki pik soğuk kristalizasyon (Tc) değerini, 140 oC’deki pik ise erime noktasını
(Tm) göstermektedir. YAM polimerin yapısında çok az miktarda (% 5) bulunduğu için
YAM’ın ısıl karakteriyle ilgili piklere burada rastlanılmamıştır. Elde edilen bu veriler
Pluta et al. (2008) sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Pluta et al. (2008) poli(L-laktat) ile
kalsiyum fosfat karışımlarından oluşan malzemelerin fiziksel ve mekanik özeliklerini
incelemişlerdir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar Pluta et al. (2008) sonuçları
(Tg=57.8 oC, Tc=127
oC, Tm=150 oC) ile benzer olduğu saptanmıştır.
Şekil 5.6 (-)YAM 1-50, (….)YAM 1-25, (- - -) YAM 1-10 yüzey aktifiyle
sentezlenen ürünün DSC termogramları 5.2.2 YAM miktarının poli(L-laktat) sentezine etkisi Bu aşamada yapılan denemeler daha önceki bölümde en iyi verim değerini veren, YAM
1-10 kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Farklı yüzey aktif miktarları için elde edilen
sonuçlar Çizelge 5.4’te verilmiştir. Çizelgeden YAM kullanıldığı durumda
kullanılmadığı duruma göre molekül ağırlığı ve verim değerlerinde önemli iyileşmeler
sağlandığı ve morfolojinin değiştiği görülmektedir. % 20 oranında YAM
kullanıldığında yapıda çok büyük oranda YAM kaldığından dolayı molekül ağırlığı
değerini düşürmüş ve HI değerinde ise yükselmelere neden olmuştur. % 20’den daha
Sıcaklık o
49
fazla oranda YAM kullanmanın polimerizasyona iyileşmeler sağlamadığı açıkça
görülmektedir.
Çizelge 5.4 YAM miktarının poli(L-laktat) sentezine etkisi YAM Miktarı % Verim Mn HI Görüntü
% 0 69,6 19100 2,46 Agrege katı
% 5 80,3 32600 1,90 Beyaz toz
% 20 77,1 17200 3,2 Beyaz toz
5.3 Süperkritik Karbondioksit Ortamında Poli(L-laktat/ε-kaprolakton) Sentezi Bu kısımda gerçekleştirilen tüm kopolimer sentezleri Bölüm 4.2.3’te belirtilen
koşullarda gerçekleştirilmiştir. YAM türü ve miktarının polimerizasyona olan etkisi
incelenmiştir.
5.3.1 YAM türünün poli(L-laktat/ε-kaprolakton) sentezine etkisi Bu kısımda sentezlenen 3 farklı yüzey aktif maddenin poli(L-laktat/ε-kaprolakton)
kopolimer sentezine olan etkisi araştırılmıştır. Çizelge 5.5’te YAM türünün
polimerizasyona olan etkisi verilmiştir. Tüm polimerizasyonlarda % 5 oranında YAM
kullanılmıştır. YAM 1-10 ve YAM 1-25 için birbirine yakın sonuçlar bulunurken YAM
1-50 için çok daha iyi verim ve molekül ağırlığı değerlerine ulaşılmıştır.
Çizelge 5.5 YAM türünün poli(L-laktat/ε-kaprolakton) sentezine etkisi YAM Türü % Verim Mn HI Görüntü
YAM 1-10 77,1 5300 2,10 Beyaz jel
YAM 1-25 77,7 7920 2,42 Beyaz toz
YAM 1-50 82,6 16700 2,12 Beyaz toz
Şekil 5.7’de, Çizelge 5.5’te verilen polimerizasyon işlemleri sonucu elde edilen
ürünlerin 1H-NMR spektrumları ve elde edilen piklerin kopolimer ve yüzey aktif madde
50
için hangi bölgelere karşılık geldiği gösterilmiştir. 1-2 ppm aralığındaki pikler üst üste
bindiğinden bu bölgedeki pikler tam olarak tanımlanamamıştır. 5.1-5.2 ppm
aralığındaki pik (b) kopolimer yapısındaki L-laktattaki metilen grubuna bağlı protonu
göstermektedir. 4.2-4.3 ppm (c) ve 3.7-3.8 (a+b+i) ppm arasındaki piklerden yapıda
YAM’ın kaldığını rahatlıkla söyleyebiliriz. Bundan dolayı polimerizasyon sonucu verim
hesabı yapılırken başlangıçta reaktöre konulan YAM miktarı elde edilen üründen
çıkartılmıştır.
Şekil 5.7.a.YAM 1-10, b. YAM 1-25, c. YAM 1-50 kullanılarak elde edilen ürünün
1H-NMR spekrumu, d. poli(L-laktat/ε-kaprolakton) kopolimerinin kimyasal yapısı
a
b
c
d
51
5.3.2 YAM miktarının poli(L-laktat/ε-kaprolakton) sentezine etkisi Bu aşamada yapılan tüm denemeler Bölüm 5.3.1’de yapılan denemelerde yakın sonuçlar
elde edildiğinden bu bölümde yapılan denemeler YAM 1-25 kullanılarak
gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar Çizelge 5.6’da verilmiştir. YAM miktarının %
10 mertebesine çıkarılması polimerizasyon verimi, molekül ağırlığı ve polimerin
görüntüsünde önemli iyileşmeler sağlamıştır. Daha fazla YAM’ın polimerizasyona katkı
sağlayamayacağı % 20 YAM için denemeye bakılarak söylenebilir.
Çizelge 5.6 YAM miktarının poli(L-laktat/ε-kaprolakton) sentezine etkisi YAM Miktarı % Verim Mn HI Görüntü
% 0 74,9 19900 1,82 Agrege katı
% 5 77,7 7920 2,42 Beyaz toz
% 10 86,5 28100 1,97 Beyaz toz
% 20 82,7 21400 2,39 Beyaz toz
Şekil 5.8’de YAM kullanılmadığında elde edilen ürünün 1H-NMR spektrumu ve
piklerin hangi bölgelere karşılık geldiği üzerinde gösterilmiştir. Süreli yayındakiler
(Namuslu 2005) ile uyumlu olduğu belirlenmiştir.
Şekil 5.8 YAM kullanılmadığında elde edilen ürünün 1H-NMR spektrumu
52
Şekil 5.9.a.b.c.d’de, Çizelge 5.6’da verilmiş polimerizasyon süreçlerinde elde edilmiş
olan ürünlerin GPC kromotogramları verilmiştir. Bu dört kromotogram incelendiğinde
YAM kullanılmayan örnek çok dar bir molekül ağırlığı dağılımı gösterirken, YAM
kullanılan denemelerde YAM’ın yapıda kalmasına bağlı olarak çok daha geniş molekül
ağırlığı dağılımları elde edilmiştir. Yapıda kalan YAM’ın varlığı kromotogramlarda
belirlenen ikinci küçük pik ile desteklenmiştir.
Şekil 5.9.a. % 0, b. % 5, c. % 10, d. %20 YAM kullanılarak elde edilen ürünlerin GPC
kromotogramları
a
b
c
d
53
1H-NMR ile elde edilen sonuçlarda YAM’ın yapıda kalması ve YAM’ın yapısının
kopolimere çok benzemesinden dolayı spektrumdaki piklerde çakışmalar olmuştur. Bu
sorunun önüne geçmek ve kopolimerin yapısı hakkında daha fazla bilgi edinmek
amacıyla % 0 ve % 5 YAM 1-25 ile elde edilen kopolimerlerin 13C-NMR analizleri
gerçekleştirilmiştir. Bu amaç doğrultusunda L-laktat ve ε-kaprolakton gruplarının
karbonil (-C=O) bölgelerindeki pikler (168-175 ppm) ele alınmıştır. % 0 ve % 5 YAM
için elde edilen spektrumlar Şekil 5.10 ve 5.11’de verilmiştir. % 5 YAM kullanıldığında
elde edilen piklerin kopolimer yapısındaki hangi gruplara karşılık geldiği üzerinde
gösterilmiş, ayrıntılı bilgisi Çizelge 5.7’de verilmiştir. Temel alınan karbonil grubunun
hangi birime ait olduğu altı çizilerek gösterilmiştir. Elde edilen veriler süreli yayınlar
(Velt et al. 1997, Contreras and Davila 2006) ile karşılaştırılmıştır.
Şekil 5.10 YAM kullanılmadığında elde edilen ürününün 13C-NMR spektrumu
Şekil 5.11 % 5 YAM kullanıldığında elde edilen ürününün 13C-NMR spektrumu
54
Çizelge 5.7 % 5 YAM kullanılarak elde edilen kopolimerin yapısındaki kimyasal kaymaların 13C-NMR spektrumundaki yerleri ve ilgili dizilimleri
Numara Dizilim ppm
1 CCC 173,7 2 CLCC 173,6 3 LLCC 173,5 4 CCLL 173 5 LLCLL 172,9 6 CLCLC + LLCLC 172,8 7 LLLLC + CLLLC 171 8 CLLC 170,5 9 CLLC 170,4 10 CLLLC 170,3 11 CLLLL 170,2 12 LLLLC 170,1 13 CLLLC 169,9 14 LLLLLL 169,4
C : ε-kaprolakton, L : L-laktat
Çizelge 5.7’de verilen bilgiler ışığında istenilen yapıda kopolimerin polimerizasyon
sonucunda elde edildiği söylenebilir. Çizelgeden elde edilen kopolimer rasgele bir
yapıda olduğu açıkça görülmektedir.
Kopolimer sentezinde bir başka önemli durum monomerlerin kopolimer yapısına hangi
oranlarda katıldığıdır. Bu oranı belirlemek amacıyla süreli yayınlardaki benzer
çalışmalar (Shen et al. 1996) esas alınarak 13C-NMR spektrumundaki bazı temel
piklerin şiddetlerinden faydalanılarak kopolimer yapısındaki L-laktat (LLA) ve ε-
kaprolakton (LCL) ortalama uzunlukları ve bu değerden yola çıkılarak kopolimer
yapısındaki her bir monomerin kütle oranlarına geçilebilir. Bu değerler hesaplanırken
Çizelge 5.7’de numaralandırılmış pikler alt indis olarak kullanılmıştır. Hesaplamada
kullanılan denklemler 5.1 ve 5.2’de verilmiştir.
LCL = [ I1 + I2 ] / [ I4 + I5 ] + 1 (5.1)
LLA = [( I14 + ( I12 + I13) / 2) / ((I12 + I13) / 2) + I7 + 1)] / 2 (5.2)
% 5 YAM 1-25 ile yapılan deneme için gerekli hesaplamalar yapılırsa LCL / LLA oranı
5,11 / 8,12 olarak belirlenir. Bu miktarlar monomerlerin molekül ağırlıkları ile çarpılıp
55
oranlandığında kütlece CL / LA ın kopolimer yapısında 33 / 67 oranında bulunduğu
saptanmıştır. Kopolimerizasyon başlangıcında 20 / 80 oranında CL ve LA reaktöre
beslenmişti. Süperkritik akışkan ortamında kopolimerizasyon sonucunda elde edilen
sonuç geleneksel yöntemlerden (yığın, emulsiyon polimerizasyonu vs.) farklı çıkmıştır.
Geleneksel yöntemlerde L-LA, ε-CL’den daha reaktif bir monomer olduğu için
kopolimerin yapısına daha çok katılmaktaydı. Burada ise tam tersi bir sonuçla
karşılaşılmıştır. Bunun nedeni L-laktatın süperkritik karbondioksit ortamında
çözünürlüğünün düşük olması ve bu nedenle kopolimerin yapısına girememesidir.
Şekil 5.12’de % 0 YAM, Şekil 5.13, 5.14 ve 5.15 de sırasıyla % 5 YAM 1-10, YAM 1-
25 ve YAM 1-50 kullanılarak elde edilen kopolimerizasyon ürünlerinin DSC
termogramları görülmektedir. Tüm termogramlarda birer adet Tg ve Tm noktası
görülmektedir. 30 oC civarındaki geçiş camsı geçişi, 120-130 oC arasındaki pikler ise
kopolimer için erime noktasını göstermektedir. Erime noktasının çok geniş bir dağılım
göstermesi elde edilen ürünün yüksek bir molekül ağırlığı dağılımına sahip olması ile
açıklanabilir.
Süreli yayınlara (Namuslu 2005) bakıldığı zaman PLLA, PCL ve PLLA/CL 80/20 için
Tg sıcaklıkları sırasıyla 54 oC, -62 oC ve 25 oC ve Tm sıcaklıkları 147
oC, 56 oC ve 144 oC olarak verilmiştir. Buradan bakılacak olursa elde edilen kopolimerin beklenen
değerden daha düşük bir camsı geçiş sıcaklığında olduğu açıktır. Süperkritik
akışkanların polimerlerin camsı geçiş sıcaklığını düşürdüğü daha önceki çalışmalarda da
karşılaşılan bir durumdur. Bir diğer önemli sebep ise daha önceden belirtildiği gibi
kopolimerin yapısına ε-CL’nin kopolimerin yapısına daha çok girmesidir.
Rasgele yapıdaki kopolimerlerin camsı geçiş sıcaklıkları ile bilinen Fox denklemi (5.3)
(Baimark and Molloy 2004) % 5 YAM 1-25 ile kopolimere uygulandığında şu şekilde
bir sonuç elde edilir.
1CL LLA
CL LLA CL LLA
w w
Tg Tg Tg−
+ = (5.3)
56
Bu denklemde wCL ve WLLA sırasıyla ε-CL ve L-laktatın kopolimer içindeki kütle
oranıdır. Bu denklem sonucunda 10 oC civarında bir camsı geçiş sıcaklığı değeri elde
edilir.
Şekil 5.12 YAM kullanılmadığında elde edilen P(LLA/CL) kopolimerinin termogramı
Şekil 5.13 %5 YAM 1-10 kullanıldığında elde edilen P(LLA/CL) kopolimerinin
termogramı
57
Şekil 5.14 % 5 YAM 1-25 kullanıldığında elde edilen P(LLA/CL) kopolimerinin
termogramı
Şekil 5.15 % 5 YAM 1-50 kullanıldığında elde edilen P(LLA/CL) kopolimerinin
termogramı
58
6. DEĞERLENDİRME Bu yüksek lisans çalışmasında yapılan deneyler sonucunda elde edilen bulgular aşağıda
özetlenmiştir.
• Triblok yapıda PCL-PEG-PCL kopolimeri YAM olarak sentezlenmiş ve 1H-
NMR, GPC ve DSC analizleri ile karakterize edilmiştir.
• YAM’ların 1H-NMR analizleri ile istenilen kimyasal yapıda polimerin
sentezlendiği, GPC analizleri ile elde edilen molekül ağırlığı değerlerin teorik
hesaplanan değerlerle uyumlu olduğu, DSC analizi ile ε-CL birimleri için 61.6 oC de erime sıcaklığı ve 29.6 oC’de ise PEG birimleri için bir erime noktası
belirlenmiştir. Bu sonuçların süreli yayınlardaki benzer çalışmalarla uyumlu
olduğu saptanmıştır.
• skCO2 ortamında PLLA sentezinde YAM’ın polimer yapısında kaldığı 1H-NMR
ile belirlenmiştir. Polimerizasyon işlemi sonucunda iki ayrı yolla elde edilen
ürün fraksiyonlarının aynı yapıda olduğu görülmüştür.
• PLLA sentezinde en iyi verim (%80.3) ve sayıca molekül ağırlığı değerlerine
(32600 g/mol) YAM 1-10 için yapılan koşullarda ulaşılmıştır.
• DSC analizlerinde 3 farklı pik ön plana çıkmaktadır. T=50-60 oC’de arasında
görülen geniş pik PLLA için olan camsı geçiş noktasını (Tg), 100 oC civarındaki
pik soğuk kristalizasyon (Tc) değerini, 140 oC’deki pik ise erime noktasını (Tm)
göstermektedir.
• PLLA sentezinde YAM miktarının çok arttırılmasının polimerizasyon verimini
arttırmadığı ve % 5 YAM’ın uygun bir oran olduğu belirlenmiştir.
• P(LLA/CL) sentezinde en iyi verim (% 82.6) ve sayıca molekül ağırlığı
değerlerine (17600) YAM 1-50 için yapılan koşullarda ulaşılmıştır.
• YAM miktarının arttırılmasının P(LLA/CL) polimerizasyonuna bir değere kadar
(% 10) olumlu katkısı olurken, belirli bir eşik değerinden sonra polimerizasyonu
düşürmüştür.
• Kopolimerizasyon ürünlerinin 13C-NMR ile yapılan analizlerinde kopolimerin
rasgele bir yapıda olduğu gösterilmiştir.
59
• Kopolimerizasyon ürünlerinin 13C-NMR ile yapılan analizlerinde ε-CL / LLA
oranının 33 / 67 olduğu ve L-laktatın skCO2 içerisindeki çözünürlüğünün düşük
olmasından dolayı kopolimerin yapısına giremediği saptanmıştır.
• P(LLA/CL)’nin DSC analizinde 30 oC civarındaki geçiş camsı geçişi, 120-130 oC arasındaki pikler ise kopolimer için erime noktasını göstermektedir. Erime
noktasının çok geniş bir dağılım göstermesi elde edilen ürünün yüksek bir
molekül ağırlığı dağılımına sahip olması ile açıklanabilir.
60
7. ÖNERİLER skCO2 ortamında biyobozunur / biyouyumlu polimerlerin sentezi önümüzdeki yıllarda
üzerinde çok daha yoğun çalışmaların gerçekleşeceği bir dal haline gelecektir.
Polimerizasyon işlemlerinde kullanılan malzemelerin çoğu havadaki oksijen ve neme
karşı oldukça hassastır. Bundan dolayı deneyi yapacak araştırmacının bu konuda
dikkatli olması ve deney yapılacak sistemin çalışılacak konuya özel tasarlanması
gerekmektedir. Deney sonucunda reaktörün yıkanması aşamasında araştırmacının
sağlığı açısından da deney yapılan sistemin tasarımı önemlidir.
61
KAYNAKLAR Anonymous. 2008. Web Sitesi: http://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid, Erişim
Tarihi: Aralık 2008 Anonymous. 2008. Web Sitesi: http://atom.uni-mb.si/labs/Lab_sep/HP_ViewCells.htm,
Erişim Tarihi: Aralık 2008 Anonymous. 2008. Web Sitesi: www.electronmedical.com-URUNresimleri-INION-
biodegradble-polymers, Erişim Tarihi: Aralık 2008 Anonymous.2008.WebSitesi: www.uweb.engr.washington.edu/research/tutorials/
drugdeliveryhtml, Erişim Tarihi: Aralık 2008 Anonymous. 2008. WebSitesi: http://www.materials.qmul.ac.uk/casestud/implants/,
Erişim Tarihi: Aralık 2008 Anonymous. 2008. WebSitesi: www.devicelink.com/mddi/archive/05/05/024.html, Erişim Tarihi: Aralık 2008
Baimark, Y. and Molloy, R. 2004. Synthesis and characterization of poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) copolymers: effects of stannous octoate initiator and diethylene glycol coinitiator concentrations, Science Asia, 30, 327-334
Bergeot, V., Tassain, T., Besnard, M., Cansel, F. and Mingotaud, A.F. 2004. Anionic
ring-opening polymerization of ε-caprolactone in supercritical carbon dioxide: parameters influencing the reactivity, Journal of Supercritical Fluids, 28, 244-261
Bertucco, A. 1999. CISF 99, Fifth Conference on Supercritical Fluids and their Applications, Garda (Verona), Italy
Bhat, V.S. 2005. Biomaterials, Alpha Science International Ltd., Harrow, U.K Black, J. 1992. Biological Performance of Materials , 2nd ed., Marcel Dekker, New
York Bratton, D., Brown, M. and Howdle, S.M. 2003. Suspension polymerization of L-
lactide in supercrirical carbon dioxide in the presence of a triblock copolymer stabilizer, Macromolecules, 36, 5908-5911
Bratton, D., Brown, M. and Howdle, S.M. 2005. Novel Fluorinated Stabiliziers for
Ring-Opening Polymerization in Supercritical Carbon Dioxide, Journal of Polymer Science: Part: A: Polymer Chemistry, 43, 6573-6585
Bronzino, J.D., Biomedical Engineering Handbook, CRC Pres, 1990
62
Bruck, S.D. 1980. Properties of Biomaterials in the Physiological Environment, CRC Press, Boca Raton, FL
Contreras, J. and Davila, D. 2006. Ring-opening copolymerization of L-lactide with ε-
caprolactone initiated by diphenylzinc, Polymer International, 55, 1049-1056 Degee, Ph., Jacobsen, S., Fritz, H.G., Dubois, Ph. and Je´rome, R. 2000. Single-step
reactive extrusion of PLLA in a corotating twin-screwextruder promoted by 2-ethylhexanoic acid tin(II) salt andtriphenylphosphine, Polymer, 41, 3395–3403
Ganapathy, H.S., Hwang, H.S., Jeong, Y.T., Lee, W.K. and Lim, K.T. 2007. Ring-
opening polymerization of L-lactide in supercritical carbon dioxide using PDMS based stabilizers, European Polymer Journal, 43, 119-126
Grignard, B., Stassin, F., Calberg, C., Jerome, R. and Jerome, C. 2008. Synthesis of
biodegradable poly-ε-caprolactone microspheres by dispersion ring-opening polymerization in supercritical carbon dioxide, Biomacromolecules , 9, 3141–3149
Hench, L.L. and Ethridge, E.C. 1982. Biomaterials: An Interfacial Approach,
Academic Press, New York Kajimoto, O. 1999. Solvation in Supercritical Fluids: Its Effects on Energy Transfer and
Chemical Reactions, Chemical Reviews, 99, 355-389 Kendall, L.J., Canelas, A.D., Young, L.J. and DeSimeone, J.M. 1999. Polymerization in
Supercritical Carbon Dioxide, Chemical Reviews, 99, 543-563 Langer, R. and Chasin, M. 1990. Biodegradable Polymers as Drug Delivery Systems,
Marcel Dekker, New York Lemmouchi, Y., Perry, M., Amass, A., Chakrabotory, K. and Schacht, E. 2007. Novel
synthesis of biodegradable amphiphilic linear and star block copolymers based on poly(ε-caprolactone) and poly(ethylene glycol), Journal of Polymer Science:Polymer Chemistry, 45, 3975-3985
Lin, O.C.C. and Chao, E.Y.S. 1996. Perspectives on Biomaterials, Elsevier, Amsterdam Loeker, F.C., Duxbury, C.J., Kumar, R., Gao, W., Gross, R.A. and Howdle, S.M. 2004.
Enzyme-catalyzed ring-opening polymerization of epsilon-caprolactone in supercritical carbon dioxide, 37, 2450-2453
Namuslu, A. 2005. L-laktat ve ε-kaprolakton homo ve kopolimerlerinin anyonik halka
açılması polimerizasyonu ile süperkritik karbondioksitte sentezlenmesi, Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Noyori, R. 1999. Supercritical Fluids: Introduction, CISF 99, Fifth Conference on
Supercritical Fluids and their Applications, Garda (Verona), Italy
63
Park, J.B. and Bronzino, J.D. 2003. Biomaterials: Principles and Applications, CRC
Press, Boca Raton, FL Perrut, M. 1999. Supercritical Fluid Applications: Industrial Developments and
Economic Issues, CISF 99, Fifth Conference on Supercritical Fluids and their Applications, Garda (Verona), Italy
Pluta, M., Murariu, M., Alexandre, M., Galeski, A. and Dubois, P. 2008. Polylactide
compositions. The influence of ageing on the structure, thermal and viscoelastic properties of PLA/calcium sulfate composites, Polymer Degradation and Stability, 93, 925-931
Ratner, B.D., Hoffman, A.S., Schoen, F.J. and Lemons, J.E. 2004. Biomaterials
Science: An Introduction to Materials in Medicine, Elsevier Academic Press, USA Shen, Y., Zhu, K.J., Shen, Z. and Yao, K. 1996. Synthesis and characterization of
highly random copolymer of ε-caprolactone and D,L-lactide using rare earth catalyst, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 34, 1799–1805
Stassin, F., Halleux, O. and Jerome, R. 2001. Ring-Opening Polymerization of ε-
Caprolactone in Supercritical Carbon Dioxide, Macromolecules, 34, 775-781 Stassin, F. and Jerome, R. 2003. Effect of pressure and temperature upon tin alkoxide-
promoted ring-opening polymerization of ε-caprolactone in supercritical carbon dioxide, Chemical Communications, 232-233
Stassin, F. and Jerome, R. 2005. Polymerization of (L,L)-Lactide and Copolymerization
with ε-Caprolactone Initiated by Dibutyltin Dimethoxide in Supercritical Carbon Dioxide Journal of Polymer Science: Part:A:Polymer Chemistry, 43, 2777-2789
Velt, J.A.P., Velner, E.M., Witte, P.V., Hamhuis, J., Dijsktra, P.J. and Feijen, J. 1997.
Melt block copolymerization of ε-caprolactone and L-lactide, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 35, 219–226
Zhang, Y., Guo, S., Lu, C., Liu, L., Li, Z. and Gu, J. 2007. Poly(ε-caprolactone)-b-
Poly(ethylene glycol)-b-Poly(ε-caprolactone) Triblock Copolymers: Synthesis and Self-Assembly in Aqueous Solutions, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 45, 605–613
Zhu, W., Xie, W., Tong, X. and Shen, Z. 2007. Amphiphilic biodegradable poly(CL-b-
PEG-b-CL) triblock copolymers prepared by novel rare earth complex: Synthesis and crystallization properties, European Polymer Journal, 43, 3522–3530
Zhu, Z., Xiong, C., Zhang, L. and Deng, X. 1997. Synthesis and Characterization of
Poly (1-caprolactone) – Poly (ethylene glycol ) Block Copolymer, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 35, 709-714
64
EK 1 GPC Kromotogramları
Şekil 1. YAM 1-25 için elde edilen GPC kromotogramı (Mn = 2140 g/mol, HI = 1.79)
Şekil 2. YAM 1-50 için elde edilen GPC kromotogramı (Mn = 2670 g/mol, HI = 2.25)
65
ÖZGEÇMİŞ
Ad Soyad : Mehmet YILMAZ
Doğum Yeri : Şanlıurfa
Doğum Tarihi : 01.01.1980
Medeni Hali : Bekar
Yabancı Dil : İngilizce
Eğitim Durumu
Lise : Şanlıurfa Lisesi (1996 – 1999)
Lisans : Hacettepe Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği
Bölümü (2000 – 2005)
Yüksek Lisans : Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği
Anabilim Dalı (Şubat 2006 – Mart 2009)
Çalıştığı Kurum/Kurumlar
1. Tepe Knauf Alçı Fabrikası Bilkent / ANKARA (Staj; Temmuz 2004 – Ağustos
2004)
2. Yüzüncü Yıl Üniversitesi VAN (Araştırma Görevlisi; Aralık 2005-Haziran 2006)
3. Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü (35.
Madde Araştırma Görevlisi; Haziran 2006 – …..)
Bildiri, Sunum ve Yayınlar
1. Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, UKMK-8, İnönü Üniversitesi, 26-30
Ağustos 2008, Poster Sunum
top related