Carbon Nanotubes: Synthesis, Functionalization

International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018

294 | P a g e www.iiste.org

Carbon Nanotubes: Synthesis, Functionalization,

Characterization, Toxicity Researches

Bircan Dinc (Corresponding author)

Istanbul University, Istanbul Faculty of Medicine, Department of Biophysics

34093, Istanbul, Turkey

E-mail: [email protected]

Ayhan Unlu

Trakya University, Faculty of Medicine, Department of Biophysics

22020, Edirne, Turkey


Muhammet Bektas

Istanbul University, Istanbul Faculty of Medicine, Department of Biophysics

34093, Istanbul, Turkey


Abstract Carbon nanotubes (CNTs), with their superior physical and chemical properties, high durability and low weight,

have become the focus of industry and medical applications in recent years. With the functionalization of CNTs, the

biocompatibility can be increased, and different types of molecules can be attached to their large surface areas. The

needle-like structure of CNTs makes it easy to enter the cell by crossing biological barriers, to transport drugs and

molecules. Arc discharge, laser ablation and chemical vapor deposition are the synthesis methods of CNTs.

According to the number of wrapped graphene sheets, there are two different CNTs: single wall and multi wall

carbon nanotubes. Chemical and physical structure of pristine and functionalized CNTs are evaluated through many

techniques but mostly by using Raman Spectroscopy, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and by taking

TEM and SEM images. Before treatment investigations of tumors and drug transportation in mice, toxicity

researches have been carried out. Results of toxicity experiments vary according to the case studies, length, synthesis

method; hazardous and harmless samples have been reported. Studies have been carried out on the adsorbing of

proteins or molecules onto CNTs or wrapping them around, internalization mechanism of pristine or molecule

bounded CNTs to the cell. Determination CNTs exceptional physical, chemical, optical and electrical properties;

toxicity studies, loading and carrying biomolecules at their surface have been provided necessary knowledge to make

them an ideal material for particular intracellular biosensing applications and development of biosensors. This review

focuses on the properties, production and the most used characterization methods and toxicity studies of CNTs.

Key Words: Carbon Nanotubes, Synthesis, Functionalization, Characterization, Toxicity

Karbon Nanotüpler: Sentezlenmesi, İşlevselleştirilmesi,

Karakterize Edilmesi ve Toksisite Araştırmaları

Özet

Üstün fiziksel ve kimyasal özellikleri, yüksek dayanıklılığı ve düşük ağırlığı ile karbon nanotüpler

(KNT), son yıllarda endüstriyel ve tıbbi uygulamaların odak noktası haline gelmişlerdir. KNT'lerin

işlevselleştirilmesiyle, biyouyumlulukları arttırılabilir ve geniş yüzey alanlarına farklı moleküller

bağlanabilir. İğne benzeri yapıları biyolojik bariyerleri aşarak hücreye girmelerini, ilaç ve molekül

salımlarını kolaylaştırır. Yay boşalma, lazer ablasyonu ve kimyasal buhar biriktirme yöntemleri,

KNT'lerin sentez yöntemleridir. Sarılı grafen tabakaların sayısına göre, tek duvarlı ve çok duvarlı

KNT’ler olarak sınıflandırılırlar. Saf ve işlevselleştirilmiş KNT'lerin kimyasal ve fiziksel yapıları pek

http://www.iiste.org/



çok teknikle değerlendirilmekle birlikte, çoğunlukla Raman Spektroskopisi, Fourier Dönüşümü

Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ve TEM, SEM görüntüleri alınarak değerlendirilmektedir. Farelerde

ilaç salımı ve tümörlerin tedavisine yönelik araştırmalar yapılmadan önce KNT’lerin toksisiteleri

araştırılmıştır. Toksisite deneylerinin sonuçları, araştırılan vakaya, uzunluğa, sentez yöntemine göre

değişmektedir. Üretilen KNT’ler arasında toksisitesi yüksek ve oldukça düşük numunelere ait sonuçlar

yer almaktadır. Protein ve moleküllerin KNT’lere adsorbe olması ya da etrafına sarılması sağlanmış, saf

ya da molekül bağlanmış KNT’lerin hücreye girmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır. KNT’lerin sıradışı

fiziksel, kimyasal, optik ve elektriksel özelliklerinin belirlenmesi; toksisite çalışmaları, yüzeylerine

biyomoleküllerin yüklenmesi ve taşınması; hücre içi biyo algılama uygulamalarında ve biyosensörlerin

geliştirilmesinde KNT’lerin ideal malzemeler haline gelmesi için gerekli bilgi birikimini sağlamıştır. Bu

derlemede, KNT’lerin özelliklerinden, üretiminden; en çok kullanılan karakterizasyon yöntemlerinden

ve toksisite çalışmalarından bahsedilecektir.

Anahtar Kelimeler: Karbon Nanotüp, İşlevselleştirme, Karakterizasyon, Toksisite

1. Giriş

Yüzyıllardır enerji kaynağı olarak kullanılan karbon, ilerleyen teknoloji ile birlikte nanotüpler olarak

karşımıza çıkmış ve son 20 yılda bilimsel uygulamalarda daha baskın rol almaya başlamıştır. Karbon

atomlarının birleşmesiyle oluşan özel grafen yapının çelikten daha güçlü olduğu düşünülmektedir (1).

Karbon nanotüpler, florin molekülünün tüp yapısına bürünmesi ile oluşturulur. Florin, durağan bir

atmosferde, grafenin dirençli bir ısıtma işlemine tabii tutulması ile elde edilir. Florin ailesinden karbon

nanotüpler (KNT'ler) de, bir atom kalınlığında grafen düzlemin silindirik yapıya bürünmesi ile elde edilir

(2).

Son yirmi yılda, endüstriyel ve tıbbi uygulamalarda KNT'lerin kullanımı ve KNT üretimi hızla artmıştır.

CNT'lerin 2014 yılında dünya pazarındaki payı 158,6 milyon dolar iken, 2016 yılında 167,9 milyon

dolara yükselmiştir. Bu payın 2019'da 670,6 milyon dolara ulaşacağı tahmin edilmektedir (3).

KNT’ler tıbbi uygulamalarda, yeni görüntüleme yöntemlerinde, biyosensörlerde ve ilaç taşıma

araştırmalarında kendisine geniş bir yer edinmiştir. Çözünürlüğü ve biyouyumluluğu kovalent ve

kovalent olmayan işlevselliştirme yöntemleri ile değiştirilebilmektedir. Kanser tedavisine yönelik

araştırmalarda, KNT’ler işlevselleştirildikten sonra, hücreyi apoptoza götürecek ilaç ya da moleküller

bağlanarak biyolojik ortamda denenmişlerdir. 80 nm'lik yarıçapa sahip CNT'lere 5 milyon farklı ilaç

molekülü yüklenebilmektedir. Hedef bölgeye ulaştırılmak istenen ilaçlar, çevre dokulara minimum hasar

vererek, iğne benzeri yapıları ile reseptör engeline takılmadan hücreye aktarılabilmektedirler (4).

KNT’ler balpeteği benzeri yapının köşelerine konumlanmış karbon atomlarının silindirik bir yapıya

bürünmesi ile oluşurlar ve yapısal olarak tek duvarlı (TDNT) ve çok duvarlı (ÇDNT) olmak üzere ikiye

ayrılırlar (Şekil 1). TDNT’lerin çapları 0.4-2 nm arasında değişirken, ÇDNT’ler 2-100 nm aralığında

çaplara sahiptir (5).

Şekil 1: Tek Duvarlı (Sol) ve Çok Duvarlı (Sağ) KNT’ler




Şekil 2: (A) Kiral vektörün açı ve birim vektörlerine göre KNT’lerin yapısı (B) Koltuk, C) Zikzak D)

Kiral KNT’ler

Dönme açısındaki ve yarıçapındaki farklılıklara göre, KNT’ler kiral, koltuk ve zikzak olarak üretilebilir.

(Şekil 2). Dönme açılarındaki değişiklikler kiral vektör , 𝐶, ile ifade edilir ve latis örgünün sarmal şeklini

ifade eder. T latis vektörü, a1 ve a2 kiral vektörün birim vektörleri, α dönme açısı ve kiral vektör 𝐶= na1

+ ma2 olmak üzere; m ve α sıfır ise koltuk yapıda, n ve m birbirine eşit ve =300 ise koltuk ve 0 < |α| <

300 ise kiral yapıdadır. “n ve m” tamsayıları KNT’lerin yapısal özelliklerini belirler. Bu tam sayılar,

aşağıdaki denkleme yerleştirildiğinde [1], TDNT’lerin yarıçapı hesaplanabilir.

𝑑𝑡 = 𝑎𝑐𝑐 √3√𝑚2+𝑚𝑛+𝑛2

𝜋 [1]

“acc” karbon-karbon bağının uzunluğudur ve 0,142 nm olarak bilinir. Ayrıca n-m farkının 3’e tam

bölünüp bölünmemesi, KNT’lerin iletken ve yarı iletken olma durumunu da belirtir (6).

1.1. KNT’lerin Sentezlenmesi

KNT’lerin sentezlenmesi için yay boşalma, laser ablasyon ve kimyasal sentez yöntemleri olmak üzere,

3 temel yöntem vardır. Bunlardan ilki yay-boşalma yöntemidir ve KNT’lerin yay boşalma yöntemi ile

üretimi ilk kez Japon bilim insanı Iijima tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemde yay boşalma

denilen durum, ortamdaki gazın, plazma oluşturmak için kullanılan elektrik akımı kullanılarak elektriksel

olarak boşalmasıdır (7).




Şekil 3: Yay boşalma yöntemi sistemi

Şekil 3’de yay boşalma sisteminde, çelik bir gövde içine yerleştirilmiş, anot, katot ve dönme ünitesi

şematik olarak görülmektedir. Sistemde, elektrotlar yatay veya dikey olarak yerleştirilebilir. Anottaki

grafit elektrot, hareketli, dönen bir geçiş birimine bağlanır. Anot ucunda, genellikle bir katalizör ile bir

öncü olarak karbon toz vardır. Sistemde katot genellikle saf bir grafit bara sahiptir ve içinde belirli bir

basınçta gaz bulunur. AC veya DC akımı uygulandıktan sonra, elektrotlar temas ettirilir ve elektrotlar

arasında 1-2 mm'lik bir boşluk bırakılarak elektrik yayı şeklinde bir boşalma sağlanır. Bu boşaltma

işleminden elde edilen yay akımı, plazmanın öncü karbonu süblimleme etmesine izin veren yaklaşık

4000-6000 Kelvin arasında değişen sıcaklıklarda dengesiz bir plazma üretir. Süblimleşen karbon, buhar

fazında birikir ve soğutma sistemine sahip olan katoda doğru sürüklenir. Birkaç dakika süren bu bahar

boşalma yönteminden sonra, yay bölgesinden üretilen KNT'ler siyah duman benzeri yapıda toplanır (8-

9).

Şekil 4: Laser ablasyon sistemi

Laser ablasyon yönteminde, grafit ve metallerden oluşan hedefe laser uygulanarak buharlaşma sağlanır.

Yay boşalma yönteminden farklı olarak, üretim koşullarının daha iyi kontrol edilmesini; daha verimli ve

iyi kalitede üretim yapılmasını sağlar. Temelde oluşum mekanizması ise yay boşalma yöntemine

benzerdir. Grafit hedefte %1 gibi küçük oranlarda Ni ve Co gibi metal parçacıkları bulunur. Hedefin

çevresinde 500 Torr gibi belirli bir basıçta Argon akışı sağlayan kuvars tüpler vardır ve bu akış tüpü

yüksek sıcaklıktaki fırına sabitlenmiştir. Fırın sıcaklığı 1000-1200 0C arası yüksek sıcaklıklara çıkar.

Hedefi vuran laser demetleri KNT’leri oluşturur ve malzeme Ar gazı ile ile bölgeden uzaklaştırılır. Su

ile soğutulan, pirinç ve basınç kontrollü kısma ulaştırılan malzemeler sentezlenmiş KNT’lerdir (Şekil 4)

(10-11).




Şekil 5: Kimyasal buhar biriktirme yöntemi çemberi

Kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemi kimyasal sentez yöntemlerinden biridir ve diğer yöntemlerde

olduğu gibi, katalizör, tutucu tabaka ya da hedef, karbon kaynağı ve sentez süresi CNT'lerin morfolojisini

ve sentezlenmiş CNT'lerin miktarını etkiler (Şekil 5). Bu işlemde, KNT'ler, küçük yüzdelerde Fe, Co ve

Ni gibi metal katalizörler üzerinde 500 ile 1200 °C arasında değişen sıcaklıklarda ve aset ilen ve metan

gibi taşıyıcı hidrokarbon gazı kaynakları kullanılarak atmosferik basınçta depolanır. Katalizörler tutucu

alt tabakayı oluşturur. ÇDNT'ler, 900-1200 °C sıcaklıklarda 600-900 ve TDNT °C sıcaklıklarında elde

edilir. Katalizörün parçacık boyutu ile CNT'lerin yarıçapı arasında uyum söz konusudur. Böylece,

CNT'lerin türü, boyutu ve yarıçapı kontrol edilebilir. Kimyasal reaksiyonlar için çemberin içinde öncü

gazlar ve ısıtılan tutucu alt tabaka yer alır. Sıcak yüzeyde gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar, kullanılan

karbon kaynağı, katalizör, atmosferinde kullanılan gaz ve sıcaklığa bağlı olarak yüzeyde ince bir film

tabaka veya toz formda KNT’ler oluşturur (9,12).

1.2. Karbon Nanotüplerin İşlevselleştirilmesi

Saf KNT'ler metalik yapı sergilerler ve oldukça hidrofobiktirler. Hücre ve hayvan deneylerinde

kullanılabilmesi ve sıvıda çözünmesinin kolaylaşması ve biyouyumluluğun arttırılması için

işlevselleştirme işlemlerinin yapılması gereklidir. Bunu kovalent ve kovalent olmayan işlevselleştirme

yöntemleri ile gerçekleştirmek mümkündür (13-14).

Şekil 6: Saf KNT’ler (A). İşlevselleştirilmemiş KNT’lerin hücre mediumunda görünümü (B).

İşlevselleştirilmiş KNT’lerin hücre medyumunda görünümü (medyum protein içerdiğinden sonikasyon

sonrası köpürme gerçekleşmiştir) (C).

Kovalent işlevselleştirme işlemlerinde, en yaygın kullanılan yöntem, KNT’leri güçlü asit karışımları ile

belirli sıcaklık ve sürelerde muamele etmektir. Bu işlem sonrasında, uçları kapalı olan KNT’lerin uçları

açılır, bu uçlarda karboksil grupları oluşur. Ayrıca yüzeylerde de hasarlar ve karboksil grupları oluşur




(Şekil 7). Hidrofilik polimerlerin, peptitlerin, nükleik asitlerin bağlanabileceği -COOH gruplarının

oluşumu ile, KNT’lerin sulu ortamda çözünürlüğü ve biyouyumluluğu artar. Bu işlem sonrası KNT’lerin

boylarında da kısalmalar olur.

Şekil 7: Kovalent işlevselleştirme öncesi (sol) ve sonrası (sağ) KNT’lerin yüzeylerindeki değişimler

Şekil 8: Kovalent olmayan işlevselleştirme işlemi sonrası KNT’lerin yüzeyine amfifilik moleküllerin

adsorbe olması

Kovalent olmayan işlevselleştirme işleminde KNT’lerin atomic yapısı bozulmadan, küçük

moleküllerden polimerlere kadar farklı türde amfifilik moleküller yüzeylere tutunur (Şekil 8). Bu işlem

de KNT’lerin yapısı değişmeden, yüzeye absorbe olan moleküller, çözünürlüğünün ve

biyouyumluluğunun artmasını sağlar. Bu tür işlevselleştirme işleminin gerçekleştirilmesi için, oda

sıcaklığında yahut daha düşük sıcaklıklarda, farklı pH değerlerinde ve farklı sürelerde, KNT’ler ve

bağlanmak istenen moleküller sonikatörde ya da çalkalayıcıda birlikte tutulur (15).

1.3. Karbon Nanotüplerin Karakterize Edilmesi

KNT’lerin tüp yapısını, yarıçapını, varsa yüzeyindeki değişimleri ve kimyasal özelliklerini araştırmak

için kullanılan çok sayıda yöntem vardır. Bunlardan en sık kullanılanlar geçirimli electron mikroskobu

(TEM) ile görüntülerinin alınması; Raman Spektroskopisi, Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR)

spektroskopisidir.

TEM görüntüleri, KNT’lerin tüp yapısının kanıtlanmasını sağlar, yarıçapları ve saflık derecesi hakkında

bilgi verir. Yarıçap bilgisi, koyu çizgiler arasındaki mesafe ölçülerek elde edilir. Tüp yapısı ve yapının

benzerlik göstermesi ya da görüntüsü alınan her bölgede farklı ya da benzer yapıların gözlenmesi ise

saflık dereceleri hakkında bilgi edinilmesini sağlar (16). Şekil 8’deki TEM görüntülerinden KNT’lerin

çok duvarlı ya da tek duvarlı olduğu bilgisi ve yarıçap bilgisi elde edilebilmektedir.

KNT’lerin yapısal karakterizasyonunu yapmak için yaygın olarak kullanılan diğer bir yöntem, simetrik

kovalent bağlara duyarlı olan ve C-C atomları arasındaki bağların kesin analizini sağlayan; ayrıca

yapıdaki küçük değişiklikler hakkında dahi bilgi verebilen Raman spektroskopisidir. TDNT'ler grafen

düzlemin silindirik yapıya bürünmesi ile oluştuğundan, yoğunluk değerleri, grafendekine benzer olarak




1332, 1582 cm-1 bantlarında gözlemlenir. 1582 cm-1 bandı G bandı olarak bilinirken, 1332 cm-1 bandı D

bandı olarak bilinir. G bandı genişliği ayrıca KNT'lerin metalik veya yarı iletken olduğu bilgisini verir.

KNT'ler fonksiyonel hale getirildiğinde, saf olanlardan daha zayıf bir D bandı gözlemlenir. G ve D

bantlarının şiddet oranlarının karşılaştırılması, karakterizasyonda yaygın olarak kullanılan yöntemlerden

biridir ve düzensizlik modu (DM) olarak adlandırılır. DM oranı [2], yapısal bozukluğun bir ölçüsüdür.

G band yoğunluğu, ÇDNT'lerde daha küçüktür (6,17).

𝐷𝑀 = 𝐼𝐷

𝐼𝐺 [2]

Şekil 8: ÇDNT (sol) ve TDNT (sağ) TEM görüntüleri

Şekil 9: Çok duvarlı saf ve işlevselleştirilmiş KNT’lerin Raman spektrumu

TDNT ve ÇDNT’lerin Raman spektrumu oldukça benzerdir. Çok sayıda numune ile yapılan

çalışmalarda, TDNT’lerin D ve G’ bantlarının, G bandına göre oldukça düşük şiddette olduğu

gözlemlenmiştir. ÇDNT’lerde ise D ve G bantları birbirine yakın şiddet değerleri göstermektedir. Şekil

9’da saf ve kuvvetli asitlerle muamele edildikten sonra işlevsel hale getirilmiş KNT’lerin Raman

spektrumu görülmektedir. D bandı ve G bandı karşılaştırıldığında, şiddetlerinde büyük farklar yoktur.

Buradan numunenin ÇDNT olduğu bilgisine ulaşılabilir. Ancak ÇDNT’lerde yarıçap bilgisi için Raman

spektroskopisi yerine, TEM görüntüleri elde etmek daha uygun olacaktır (18). 1353 cm-1 ‘deki D bandı,

sp3 bağlarını ifade eder; 1589 cm-1’daki G bandı ise C-C germe durumunda, sp2 bağlarını ifade eder. D

bandının şiddeti, yapıdaki düzensizlikler ve simetri bozuklukları hakkında da bilgi verir. Bu durumda, D




ve G bandı arasındaki oran, KNT duvarlarındaki işlevselleşme hakkında da bilgi verir; değerdeki artış,

işlevselleştirmenin de iyi bir düzeyde olduğunu ifade eder. Şekil 9’da işlevselleştirilmiş ÇDNT’lerin D

bandının daha zayıf olduğu görülmektedir.KNT'lerin iletkenlik veya yarı iletkenlik özelliklerine göre, G

bandında farklı eğrisel şekiller gözlemlenir. G bandı metalik KNT'lerde daha geniştir. Şekil 9’da metalik

bir ÇDNT’ün G bandı gözlemlenmektedir (18-22).

Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), kızılötesi ışığın moleküller tarafından emilmesiyle

elde edilir. Az miktarda numune ile, KNT’ler ve KNT’lere bağlanmış olan atomların sayısı, sırası,

büyüklüğü ve şekli hakkında hızlı sonuçlar elde etmek mümkündür. İşlevselleştirilmiş ve saf KNT’lerin

FTIR spektroskopisinde değerlendirmesini yapmak mümkündür. Kovalent işlevselleştirme sonrasında

KNT'lere adsorbe olan moleküllerin belirlenmesini de sağlar.

Figure 10: Saf ve İşlevselleştirilmiş KNT’lerin FTIR Spektrumu

Şekil 10’da saf ve işlevselleştirilmiş KNT’lere ait FTIR spektrumu değerleri görülmektedir. ÇDNT’lerin

yapısına göre, birkaç kızılötesi tipik değer vardır. ÇDNT’ler, iç içe çok sayıda tüp içerdiğinden FTIR

spektrumunda TDNT’lerden daha geniş bantlar ve daha fazla tepe verir. Saf KNT’ler için 1150 cm-1’ de

görülen ve C-O bağlarını ifade eden ilk tepe değerinin, işlevselleştirilmiş olanda daha fazla olduğu

görülmektedir. Yine işlevselleştirmenin bir sonucu olan 3500 cm-1’de görülen geniş bant, O-H bağlarını

ifade eder ve saf KNT’lerden daha yüksek değerdedir. Ayrıca KNT'lerin altıgen yapısı, her iki KNT için

1580 cm-1’deki tepeler ile doğrulanmıştır. (Bu tepeleri şekil 9'da görüyoruz). 3500 cm-1 sonrasındaki

tepeler asit muamelesinden sonra O-H germe tipik değerini temsil eder ve bu değerde şiddetin

işlevselleştirilmiş KNT’ler için daha yüksek olduğu görülmektedir. 2000-2500 cm-1 arasındaki tepeler

tetrahedron yapıda C-C bağları için karakteristik titreşim tepeleridir. Ayrıca şekil 10’da verilen saf

KNT’lere ait FTIR spektrumunun aslında, saflık derecesi düşük bir KNT’yi temsil ettiği görülmektedir.

Düşük şiddette C-O, O-H bağlarına ait tepeler saf KNT yapısında da bulunmaktadır. Bu da KNT’lerin

saflık derecesi hakkında da bilgi almamızı sağlamaktadır (12,23-24).

KNT’lerin literatürde en çok karşımıza çıkan karakterizasyon yöntemleri TEM, Raman ve FTIR

spektroskopisidir. Bu yöntemlerle yapılan analizlerle, yapısal ve kimyasal değerlendirmeler yapmak

mümkündür.

2. Toksisite Deneyleri

KNT'lerin sıvı ortamda çözünürlüğü düşüktür ve bu halleriyle tıbbi araştırmalar için uygun değildirler.

Hidroklorik asit ve sülfürik asit gibi güçlü asit karışımları ile muamele edilerek yüzeylerinde karboksil

grupları, bozukluklar oluşturularak veya yüzeylerine bağlanan moleküller ile işlevsel hale getirilerek;

biyouyumluluğu ve çözünürlüğü arttırılır. Yapılan çok sayıda çalışma ile, işlevselleştirme işleminin,

toksik etkileri belirgin biçimde azalttığı, hatta çoğu KNT türünde toksik etki gözlemlenmediği

belirtilmiştir. TDNT'lerin işlevselleştirme işlemleri öncesi ve sonrasında ÇDNT'lerden daha toksik

olduğu bilinmektedir (14). Uzun CNT'ler kısa olanlardan daha toksiktir (25-26). Sentez yöntemi, yapısı,

çapı, saflığı, şekli, yüzey alanı, yüzey kimyası ve uzunluğu KNT'lerin biyouyumluluğunu değiştirir. Bu

nedenle, KNT’lerle yapılan toksisite deneyleri, özelliklerine göre tasarlanmalı ve genel kimyasal

bileşiklerin geleneksel toksikoloji çalışmalarından farklı olmalıdır (27).

-0,001

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Ab

sorb

ans

Dalga Sayısı (cm-1)

Saf ÇDNT İşlevselleştirilmiş ÇDNT




Toksisite çalışmalarının büyük çoğunluğunu hücre canlılığı deneyleri oluşturmaktadır. Hücre canlılığı

deneyleri, farklı hücre hatlarına PBS (fosfat tamponu), hücre ortamı veya distile suda çözülmüş farklı

KNT konsantrasyonları uygulanarak gerçekleştirilir. Belirli sürelerde inkübasyondan sonra, metabolik

aktiviteyi gösteren boyalar hücre kültürü ortamına eklenir. Otofloresan veya absorbans değerleri

ölçülerek; kontrol grupları ile karşılaştırılır (28-29).

Reaktif oksijen türlerini belirlemek için, floresan yoğunluğunun saptanması, diğer bir yöntemdir.

Floresan işaretleyiciler kullanılarak, hücre kültürü ortamındaki nitrit konsantrasyonu belirlenir. Çoğalma

ve apoptoz deneylerinin yanı sıra, hücrelerden RNA izolasyonu yapılması ve mRNA ekspresyonunun

göreli ölçümü de KNT toksisitesinin araştırılmasında kullanılabilir. Ayrıca konfokal mikroskop veya

floresan mikroskop kullanarak, hücre yapısındaki etkileri ve hücresel alımını gözlemlemek mümkündür.

Şekil 11: KNT’lerin meme kanseri hücrelerine girişi

Şekil 11 ‘de hücre iskeleti ve çekirdeği boyandıktan sonra, floresan mikroskobu görüntülenmiş meme

kanseri (MDA-MB-231) hücreleri ve KNT’lerin çekirdek ve hücre iskeletindeki konumlanması

görülmektedir. Belirli zaman aralıklarında damar içi KNT uygulanarak, organlardaki birikiminin ve

vücuttan boşaltım mekanizmasının dışkı yoluyla yapılıp yapılmadığının belirlenmesi ise toksisite

araştırmalarında kullanılan diğer yöntemlerdendir (14,30). Toksisite araştırmaları, KNT’lerin ilaç

taşımadan, doku yenilenmesine, dış enerji kaynağı uygulanarak kanser tedavisinde kullanılmasına kadar,

çok sayıda tıbbi uygulamanın geliştirilme aşamasında, ön çalışmalar olarak karşımıza çıkmaktadır (31).

3. Sonuç

Keşiflerinden bu yana KNT’ler tıbbi uygulamalarda artan hız ve çeşitlilikte gelişmeler göstermişlerdir.

İletkenlik özellikleri ile biyosensör araştırmalarının, toksik özellikleri azaltılarak hücreye girebilmeleri

ile ilaç taşıma araştırmalarının gözdesi haline gelmişlerdir. Kimyasal ve fiziksel özelliklerinin TEM,

Raman ve FTIR gibi karakterizasyon yöntemleri ile belirlenmesinin ardından, toksik araştırmalarından

başlanarak, doku yenilenmesi ve yeni tıbbi görüntüleme yöntemlerinin geliştirilmesi mümkün olmuştur.

Ülkemizde de üniversitelerde CVD yöntemi ile üretilen KNT’lerin karakterizasyonuna ve tıbbi

uygulamalarına yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Tüm Dünyada oldukça büyük bütçeler ayrılan bu

araştırmalar, yeni tanı ve tedavi yöntemlerinin geliştirilmesine ışık tutacaktır. KNT’lerin biyogüvenliğine

yönelik çok sayıda çalışma olmasına rağmen, solunduğunda ne gibi bir etki yaratacağı, uzun vadede

insanlar üzerinde kansorojen etkiye sahip olup olmayacağına yönelik, literatürde net sonuçlar yoktur.

Bununla birlikte bu çalışmalar, gelecek vaad eden çalışmalardır.




Kaynaklar

1. C Lee, X Wei, JW Kysar, J. Hone. (2008). Measurement of the elastic properties and intrinsic

strength of monolayer graphene. Science, 321:385.

2. P Selvam, KL Himaja, AS Surya. (2014). Carbon-allotropes: Synthesis methods, applications and

future perspectives. Carbon letters,15, 219-237,

3. A. Jacoby. (2015). Global Markets and Technologies for Carbon Nanotubes. A BCC Research

Nanotechnology Report, Report Code: NAN024F.

4. M Pinillos, J G Cecilia. (2015). Carbon Nanotubes: a viable drug delivery platform for the

treatment of cancer. Journal of Applied Pharmaceutical Science, 5, 143-152.

5. Z L Wang, C Hui.(2003). Electron microscopy of nanotubes. Kluwer Academic Publishers,

112.

6. I Y Jeon, D W Chang, A K Nanjundan, J B Baek (2011). Functionalization of Carbon Nanotubes.

Carbon Nanotubes - Polymer Nanocomposites, 4-5.

7. S. Iijima. (1991). Nature 354, 56.

8. Y Ando, X Zhao. (2016). Synthesis of Carbon Nanotubes by Arc-Dischage Method. New

Diamond and Frontier Carbon Technology, 16:3.

9. R Sharma, A K Sharma, V Sharma, E H Jones. (2015). Synthesis of carbon nanotubes by arc-

discharge and chemical vapor deposition method with analysis of its morphology, dispersion and

functionalization characteristics. Cogent Engineering, 2:1.

10. C Justyna, J Hoffman, A Mololepszy, M Mazurkiewicz, T-A Kowalewski, Z Szymanski, L

Stobinski,( 2015). Synthesis of carbon nanotubes by the laser ablation method: Effect of laser

wavelength. Physica status solidi, 8: 1860–1867.

11. T Guo, P Nikolaev, A Thess, D Colbert, R.E Smalley. (1995). Catalytic Growth of Single-Walled

Nanotubes by Laser Vaporization. Chemical Physics Letters, 243, 49-54.

12. N Kouklin, M Tzolov, D Straus, A Yin, J M Xu.(2004). Infrared Absorption Properties of Carbon

Nanotubes Synthesized by Chemical Vapor Deposition. Applied Physics Letters, 85: 4463-4465.

13. A A Aziz, N I N Ismail, S M S Che, M Rusop. (2012). Characterization of functionalized multi-

walled carbon nanotubes in pre-vulcanized natural rubber latex. In AIP Conference Proceedings,

1455:124-130.

14. M Allegri, D K Perivoliotis, M G Bianchi, M Chiu, A Pagliaro, M A Koklioti, A Aikaterini-

Flora; E Bergamaschi, O Bussolati, C A Charitidis (2016). Toxicity determinants of multi-walled

carbon nanotubes: the relationship between functionalization and agglomeration. Toxicology

reports, 3: 230-243.

15. W Shao, P Arghya, M Yiyong, L Rodes, S Prakash. (2013). Carbon Nanotubes for Use in

medicine: Potentials and Limitations , Intech Open.

16. K Safarova, A Dvorak, R Kubinek, M Vujtek, A Rek. (2007). Usage of AFM, SEM and TEM for

the research of carbon nanotubes. Modern Research and Educational Topics in Microscopy, 1.

17. J Lehman, M Terrones, E Mansfield , K Hurst, V Meunier. (2011). Evaluating the characteristics

of multiwall carbon nanotubes. Carbon, 49.




18. M Zdrojek, W Gebicki, C Jastrzębski, T Mélin, A Huczko. (2005). Studies of multiwall carbon

nanotubes using Raman spectroscopy and atomic force microscopy.

19. S Costa, E Borowiak-Palen, M Kruszynska, A Bachmatiuk, R Kalenczuk. (2008).

Characterization of carbon nanotubes by Raman spectroscopy. Materials Science,26.

20. S S Islam, K A Shah, H S Mavi et al. (2007) Raman study on single-walled carbon nanotubes

with different laser excitation energies. Bull Mater Sci, 30: 295.

21. M S, Dresselhaus G, Saito R, Jorio A. (2005.). Raman spectroscopy of carbon nanotubes. Phys

Rep-Rev Sect Phys Lett, 409, 47-99.

22. I Mutlay, F Soysal, B Çiçek. (2008). Modification of a low cost Raman Spectrometer for carbon

nanotube analysis. Eng&Arch.Fac. Eskisehir Osmangazi University, 21: 2.

23. A Misra, P Tyagi, P Rai, D Misra. (2007). FTIR Spectroscopy of Multiwalled Carbon Nanotubes:

A Simple Approachto Study the Nitrogen Doping. Journal of nanoscience and nanotechnology,

7: 1820-3.

24. V Schiopu-Tucureanu, M Alina, A Avram. (2016). FTIR Spectroscopy for Carbon Family Study

, Critical reviews in analytical chemistry, 46:6.

25. A Ünlü, M Meran, B Dinc, et al. (2018). Cytotoxicity of doxrubicin loaded single-walled carbon

nanotubes. Mol Biol Rep, 45 (4):523-531.

26. K Kostarelos. (2008). The long and short of nanotube toxicity. Nat Biotechnol, 28:7,774–776.

27. H Meng,T Xia, S George , A E Nel. (2009). A predictive toxicological paradigm for thesafety

assessment of nanomaterials ACS Nano, 3:1620–1627.

28. J O’Brien, I Wilson, T Orton, F Pognan. (2000). Investigation of the alamar blue(resazurin)

fluorescent dye for the assessment of mammalian cell cytotoxicity. Eur. J. Biochem, 267: 5421–

5426.

29. L Belyanskaya, P Manser, P Spohn, A Bruinink, P Wick. (2007). The reliability and limits of the

MTT reduction assay for carbon nanotubes–cell interaction. Carbon, 45. 2643-2648.

30. S Lee, D Khang, S Kim. (2015). High dispersity of carbon nanotubes diminishes immunotoxicity

in spleen. International journal of nanomedicine, 10:2697-710.

31. N Saito, H Haniu, Y Usui, et al. (2014). Safe Clinical Use of Carbon Nanotubes as Innovative

Biomaterials. Chemical Reviews, 114(11):6040-6079.


Documents

Carbon Nanotubes: Synthesis, Functionalization