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