Kendini Onarma, Şekil Hafıza, Sualtı Yapışkanlık ve Ortam Sıcaklığına Bağlı Ayarlanabilir Mekanik Özelliklere Sahip Organohidrojellerin Sentezi


Su E., Okay O.(Executive)

TUBITAK Project, 2021 - 2024

  • Project Type: TUBITAK Project
  • Begin Date: September 2021
  • End Date: September 2024

Project Abstract

2000li yılların başlarında geliştirilen ikinci nesil sentetik hidrojeller, biyolojik sistemlere mekanik özellikleri bakımından büyük bir benzerlik göstermektedir. Ancak halen mevcut en büyük farklılık, sentetik hidrojellerin amorf ve tekdüze yapılarına karşın hücre ve dokuların hidrofilik ve hidrofobik fazlardan oluşan ve birbirleri ile etkileşen iki fazlı bileşenler içermeleridir. Vücutta böyle zıt özelliklerin bir arada bulunması, ortama uyum sağlayabilen biyomekanik ve donmaya dayanım gibi yeteneklerin ortaya çıkmasını sağlamaktadır. Biyolojik sistemlere benzer şekilde hidrofilik ve hidrofobik bölgeler içeren sentetik hidrojeller organohidrojel (OHG) olarak adlandırılmakta olup gelecek yıllarda dikkat çekecek yeni bir malzeme grubu olmaya adaydır. Mekanik ve viskoelastik özelliği ortam sıcaklığına bağlı olarak ayarlanabilen, aynı zamanda kendini-onarma, şekil-hafızası ve sualtı yapışkanlık gibi fonksiyonlara sahip OHG’lerin karmaşık olmayan yöntemlerle eldesi ilgi çekici ve aynı zamanda iddialı (challenging) bir konudur. Önerilen proje basit sentez stratejileri yardımıyla bu tip çok-fonksiyonlu OHG’lerin sentezini hedeflemektedir. OHG sentezleri ile ilgili az sayıda çalışma yapılmış olup bunlar genel bir sentez yöntemi oluşturmamakta ve malzemeye mekanik özellikleri ayarlayabilme yeteneği yerine sadece donmaya dayanıklılık özelliği katmaktadır. Diğer yandan bu çalışmalarda OHG’nin ağyapısını oluşturan hidrojelde bir enerji dağılım mekanizması olmadığından mekanik olarak dayanıksızdır. Proje bu problemin çözümüne yönelik olarak hazırlanmıştır. Proje kapsamında programlanabilir mekanik ve viskoelastik özelliklere sahip, kendini-onarma ve/veya şekil-hafızası ve/veya sualtı yapışkanlık özelliklerine sahip ve içinde tekdüze dağılmış organik faz içeren OHG’lerin eldesi amaçlanmaktadır. Hidrofobik asosiyasyonlar ve kristalin bölgeler yardımıyla fiziksel hidrojellerin eldesi konusunda araştırma grubumuzda geçen 10 sene boyunca yoğun çalışmalar yapılmıştır. Bu bilgi birikimi çok-fonksiyonlu OHG’lerin sentezine uygulanacaktır. Proje kapsamında lliteratürde ilk kez olarak ipek fibroin OHG sentezinde kullanılacak olup fibroin’in emülgatör özelliğinin yanı sıra dış etkenlere bağlı rastgele yumak – -tabaka arası konformasyon geçişinden istifade edilecektir. Diğer yandan makrogözenekli, süper-hızlı şişme ve sıkıştırılabilirlik gibi üstün özelliklere sahip makrogözenekli polimerlerin eldesine yarayan kriyojelleşme tekniği de ilk kez olarak OHG eldesinde kullanılacaktır.

Proje çalışmaları kapsamında mekanik ve viskoelastik özellikleri ortam sıcaklığına göre ayarlanabilen, kendinionarabilen, şekil-hafızalı, sualtı yapışma özelliklerine sahip OHG’lerin sentezinde tek- ve iki-basamaklı stratejiler uygulanacak olup literatürde daha önce yayınlanmamıştır. Proje kapsamında tek-basamaklı yöntemle sentezlenecek OHG malzemeler, sürekli bir hidrojel fazı içerisinde dağılmış ve kristalin bölgeler içeren hidrofobik mikrobölgelerden oluşacaktır. Bu hedefe yönelik olarak Bombyx mori cinsi ipek böceği kozalarından izole edilecek olan ipek fibroin (SF) ve hidrofobik modifiye hidrofilik polimerler OHG’nin sürekli hidrojel fazlarını oluşturacaktır. Sürekli hidrojel fazı içindeki kristalin mikrobölgeler ise başlıca yarı-kristalin poli(noktadesilakrilat) (poli(C18A)) olmak üzere erime sıcaklıkları farklı yarı-kristalin polimerlerden ve n-alkanlardan oluşacaktır. OHG’in mikrobölgelerinde mevcut yarı-kristalin polimerlerin faz geçiş sıcaklığına bağlı olarak ortam sıcaklığına bağlı değişen mekanik ve viskoelastik özellikler yaratılacaktır. Diğer yandan sadece fiziksel çapraz bağlardan yani hidrofobik asosiyasyonlar ve kristalin bölgelerden oluşması nedeniyle organik mikrobölgeler OHG ürünlere kendini-onarma ve şekil hafıza özellikleri katacaktır. Miseller polimerizasyonu ile elde edilen hidrofobik modifiye hidrofilik polimerler ise OHG’ye sualtı yapışkanlık sağlayacaktır. İki-basamaklı sentez yönteminde ise SF ve metakrile SF esaslı kriyojel gözenekleri, OHG’nin kristalin mikrobölgelerini oluşturacak olan organik faz ile doldurulacak ve bu fazın gözenekler içinde polimerleşmesiyle OHG’ler sentezlenecektir. Proje çalışmaları sonucu elde edilecek ortam sıcaklığına bağlı olarak mekanik ve viskoelastik özellikleri ayarlanabilen, kendini-onarma, şekil-hafızası ve sualtı yapışkanlık fonksiyonlarına sahip OHG malzemeler yeni nesil akıllı organohidrojel ürünler olarak ortaya çıkacaktır.