2 MAYIS 2011

MAYIS

2011

n@nobülten 13

YayınlarArş. Gör. Gülsu Şener72

EditördenProf. Dr. Emir Baki Denkbaş4Röportaj: Prof. Dr. Emir Baki DenkbaşArş. Gör Ilgım Göktürk5İmplant Teknolojisinde NanoyaklaşımlarArş. Gör. Cem Bayram8NanopartiküllerArş. Gör. Doğa Kavaz12Peptit Protein NanoyapılarArş. Gör. Betül Bozdoğan Pala20NanofiberlerArş. Gör. Soner Çakmak22ElektroeğirmeArş. Gör. Soner Çakmak33Doku Mühendisliğinde NanoteknolojiArş. Gör. Zeynep Karahaliloğlu46EtkinliklerYrd. Doç. Dr. Mesut Şam52SAXSIlghar Orucali Poor56Gıdada NanoteknolojiMazyar Topal64Nanofiltrasyon MembranlarıArş. Gör. Gülsu Şener69

3N@nobülten 13

HAKKIMIZDA

N@nobülten elektronik dergisinin tüm hakları Hacettepe Üniversitesi Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı’na aittir.

2007 yılının Kasım ayında yayın hayatına başlayan dergide temel olarak nanobilim, nanoteknoloji ve nanotıp alanları ile ilgili akademik, sosyal ve endüstriyel alanlarında yaşanan gelişmeler siz değerli okurlarımız ile paylaşılmaya çalışılmaktadır.

n@nobülten ile ilgili öneri ve şikayetlerinizi denkbas@hacettepe.edu.tr adresine mail ile iletebilirsiniz.

Bu e-dergi Hacettepe Üniversitesi Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı tarafından süresiz olarak yayımlanmaktadır. Ücretsizdir.

n@nobülten

EditörProf. Dr. Emir Baki Denkbaş

Yayın ve Tasarım SorumlusuArş. Gör. Tamer Çırak

YazarlarDr. Eylem Öztürk Güven Dr. Mesut Şam Tamer ÇırakCem Bayram

Ebru ErdalZeynep KarahaliloğluBetül Bozdoğan PalaSoner Çakmak

Ilgım GöktürkGülsu ŞenerTayfun VuralFerhat Kadir Pala

İletişimHacettepe Üniversitesi - Fen Bilimleri EnstitüsüNanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim DalıBeytepe - 06800 - Ankara

297 NANO

4

EDİTÖ

RDEN Değerli Hacettepeliler ve Tüm Bilimseverler,

Mayıs ayına girdiğimiz şu günlerde Anabilim Dalımızın elektronik dergisi N@nobülten’in 12. sayısıyla sizlerle birlikte olmaktan büyük mutluluk duymaktayız. Bu vesileyle her zaman olduğu gibi nanoteknoloji ve nanotıp alanlarında birçok haber, gelişme ve bilgiyi de sizlerle paylaşmaktan gurur duyuyoruz.

Bültenimizin bu sayısında da her zaman oloduğu gibi gerek Anabilim Dalımız ve gerekse ulusal-uluslararası boyutta nanoteknoloji ve nanotıp alanlarındaki gelişmeler, bilimsel toplantı duyuruları, ve Üniversitemiz kaynaklı nanoteknoloji ve nanotıp alanlarındaki güncel yayınlar ile ilgili bilgiler yer almaktadır.

Bu sayımızda ayrıca farklı başlıklar altında derlemeye çalıştığımız nanoteknolojinin çalışma alanlarından bir kaçı ile başladığımız bir yazı dizisini de dergimizde bulabilirsiniz. Bu yazı dizisi altında temelden gelişmiş düzeye kadar farklılıklar gösteren bilgilendirme amaçlı yazıları bulacaksınız.

Ve yine her zaman olduğu gibi bültenimizin sizlerin değerli katkı ve destekleriyle gelişerek daha ileriye, en iyiye doğru ilerlemesini umut ve temenni ediyoruz . . .

SaygılarımızlaProf. Dr. Emir Baki DenkbaşHacettepe Üniversitesi

Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Başkanı

MAYIS 2011

5

RÖPORTAJ

N@nobülten 13

Arş. Gör. Ilgım GöktürkNanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Doktora

Nanoteknoloji hepimizin bildiği gibi bir ölçek teknolojisidir ve burada ölçek olarak da metrenin milyarda birine karşılık gelen bir büyüklük söz konusudur. Dolayısıyla bu ölçekte gerçekleştirilen tüm faaliyetleri nanoteknoloji kapsamında değerlendirmekteyiz. Nanoölçek teknolojileri olarak adlandırılan teknolojiler hayatımızın her anına ve her alanına girmeye başlayan ve hızla yaygınlaşan uygulamaları içermektedir. Örnek olarak enerji sektörü, otomotiv sektörü, yapı sektörü, iletişim, tekstil, gıda, ambalaj, elektronik, spor malzemeleri ve biyomedikal uygulamalar nanoteknolojinin yer aldığı sektör ve uygulamalardır. Bu uygulamalar arasında biyomedikal alan uygulamaları hiç şüphesiz en hayati ve kritik uygulamalardır. Tüm bu uygulamalar daha hafif, daha dayanıklı, daha ekonomik yatırımlı, daha kolay üretilebilen malzeme ve sistemlerin hedeflendiği uygulamalardır. Bu nedenle hiç şüphesiz ki tıp ve sağlık bilimlerinde bir başka deyimle biyomedikal uygulamalarda nanoteknolojik yaklaşımlar günümüze kadar çözüm bulunamamış pek çok hastalığın teşhis ve tedavisine önemli katkılar sağlamakta ve sağlamaya devam edecektir. Nanoyaklaşımların en önemli ortak özelliği yine teknolojik olarak sahip oldukları nanoölçektir. Bu özellik ile çok daha derinlere inilebilecek ve detaylar ortaya çıkarılabilecektir. Böylece de her türlü hastalığın erken teşhis ve tedavisinde önemli üstünlükler ve avantajlar sağlanabilecektir.

Nanoteknoloji ve Nanotıp’ın, bugün gelmiş olduğu noktada insanlığa sağladığı yararlar hakkında neler söylerdiniz ?

Prof. Dr. Emir Baki DenkbaşNanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Başkanı

RÖPO

RTAJ

6 MAYIS 2011

Biyomedikal nanoteknoloji alanında en çok beklentisi içerisinde olduğumuz gelişmeler nanorobotik sistemler olarak adlandırdığımız ve olabildiğince noninvazif ya da bir başka deyimle vücut dışından (herhangi bir şekilde vücudun içerisine girişim yapmayı gerektirmeyen) müdahalelerden oluşan teşhis-tanı ve tedavi stratejileri olacaktır. Böylece söz konusu sistemler sayesinde son derece hızlı teşhis-tanı sistemleri ve hastalığın teşhis-tanısından sonra garantili olarak hızla tedavisi mümkün olabilecektir.

Gelecekte biyomedikal nanoteknoloji alanında bizleri neler bekliyor olacak ?

Olası etik problemler; oldukça yeni sayılabilecek bir disiplinler arası teknolojik altyapı söz konusu olduğundan konunun tam anlaşılamamış olması ile ilgili yapılabilecek etik ihlaller ve hatalar şeklinde olabilir. Konuyla ilgili en basit örnek nanoteknolojik yaklaşımlar ile ilgili olarak yapılan çalışmalarda araştırmacıların ve/veya çalışanların özellikle sağlıkla ilgili olası risklere karşı bilinçli olarak ve/veya bilinçsiz olarak koruma altına alınmamış olmaları gibi önemli etik ihlaller önlem alınmasını ve gerekli regülasyonların oluşturulmasını kaçınılmaz kılmaktadır.

Karşılaşılabilecek etik problemlerden bahseder misiniz ?

Konu ile ilgili olarak yapılan çalışmalar kapsamında dünyanın hemen hemen her yerinde ve ülkesinde hem nanoteknoloji hem de özellikle biyomedikal nanoteknolojiler ile ilgili oldukça önemli sayılabilecek oranlarda yatırımlar yapılmakta ve araştırma grupları (altyapıları) oluşturulmaktadır. Bu konuda Amerika Birleşik Devletleri (ABD) başta kanser ile ilgili teşhis-tanı ve tedavilerde nanoteknolojik yaklaşımlar olmak üzere diğer tüm branşlarda (özellikle yeni nesil görüntüleme sistemlerinde) yatırım yapmaya devam etmektedir. Avrupa Birliği bünyesinde başta İngiltere, Fransa, Almanya olmak üzere tüm birlik üye ve aday üye ülkelerinde küçüklü büyüklü bir takım yatırımlar yapılmaktadır. Avrupa Birliği ülkelerinde temel strateji özellikle kısa dönemde etki yaratabilecek uygulamalar belirlenerek bu konular üzerine odaklanmalar şeklinde olmuştur. Bu odak alanların başında ABD’de olduğu gibi genel olarak hastalıkların teşhis-tanısında ve tedavilerinde kullanılacak nanositemlerin geliştirilmesi gelmektedir.

Biyomedikal nanoteknoloji alanındaki öncü ülkelerin stratejileri nelerdir, bilgi verebilir misiniz?

Tanı ve tedavisinde büyük ilerleme kaydedilen hastalıklar var mı ?

Konu ile ilgili olarak en önemli gelişmeler genel anlamda hastalıkların teşhis ve tanısı olarak değerlendirebileceğimiz diyagnostik sistemlerde gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda üzerinde en çok yoğunlaşılan ve nanoteknolojinin biyomedikal uygulamaları olarak adlandırılabilecek uygulamalar yeni nesil görüntüleme sistemleri, kanser hastalıkları, kardiyolojik, ortopedik ve enfeksiyon rahatsızlıklarının teşhis ve tedavileridir. Bunların yanı sıra hemen hemen diğer tüm biyomedikal uygulamalarda da nanoteknolojik uygulamalara veya yaklaşımlara rastlamak mümkündür.

7N@nobülten 13

RÖPORTAJ

Hacettepe Ünivesitesi, Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı 11 Temmuz 2007 tarihli Yüksek Öğretim Kurulu (YÖK) genel kurul kararı ile eğitim-öğretim ve AR-GE faaliyetlerine başlamış olan bir programdır. Kurulumundan bu yana 15 dolayında yüksek lisans tezi başarıyla tamamlanmış ve 10 dolayında doktora tezi son aşamalarına gelmiş durumdadır. Halihazırda anabilim dalı mevcut öğrenci profili 66 yüksek lisans, 40 doktora ve 8 tümleşik doktora programı öğrencisi programda eğitim-öğretim ve AR-GE faaliyetlerine devam etmektedir. Programa dahil olan öğrencilerin bir bölümü alanlarında değişik üniversitelerde araştırma görevlisi olarak, bir kısmı devlet kurumlarında değişik görevlerde personel olarak ve bir kısmı da değişik üniversitelerin teknokentlerinde araştırmacı olarak görev yapmaktadır. Öte yandan Anabilim Dalı’ndaki öğrenciler gerek yaptıkları tez çalışmalarıyla ve gerekse gerçekleştirdikleri proje çalışmalarıyla değişik platformlarda başarılar göstererek ve ödüller alarak Anabilim Dalı’nın prestijini arttırmakta ve Anabilim Dalı’nın bir cazibe merkezi haline gelmesini sağlamaktadır.

Kuruluşundan bu yana, Hacettepe Üniversitesi Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı hakkında bize bilgi verebilir misiniz?

Son beş yıl içerisinde gerek dünyada ve gerekse ülkemizde özellikle nanoteknoloji ve/veya nanotıp alanlarında önemli gelişmeler yaşanmış ve yaşanmaya devam etmektedir. Ülkemizde özellikle AR-GE altyapsı olarak Devlet Planlama Teşkilatı tarafından desteklenen nanoteknoloji alanında faaliyet göstermek üzere birçok üniversitede projeler desteklenmiş ve desteklenmeye devam etmektedir. Bunların yanı sıra eğitim-öğretim faaliyetleri olarak da yine bir çok üniversitede özellikle yüksek lisans ve/veya doktora programları açılmış ve nitelikli insan gücü yetiştirilmek üzere harekete geçilmiştir. Ancak gerek AR-GE ve gerekse eğitim-öğretim faaliyetleri ne yazık ki yeterli düzey ve hızda gerçekleşememiştir.

Türkiye’de nanoteknoloji alanında yapılan araştırma ve geliştirme faaliyetlerinin durumu nedir?

Değerli hocamıza verdiği bilgiler için çok teşekkür ediyoruz.

İMPL

ANT T

EKNO

LOJİSİ

Arş. Gör. Cem Bayram

Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Doktora

İmplant Teknolojisine NanoyaklaşımlarVücuda entegre halde kullanılan medikal implantlar sadece Birleşik Devletler pazarında yıllık 30 milyon dolar değerinde pazara sahiptir. Her geçen sene de bu pazar yaklaşık %10 oranında büyümektedir. İmplant edilebilir kardiyak düzenleyiciler, kalp pilleri, doku ve spinal implantlar, ortopedi ve dental tedavide kullanılan cihazlar, kalça protezleri ile intraokuler lensler bu pazarda en hareketli ürünler olarak göze çarpmaktadır.

Yukarıda sayılan ürünlerin başlıcaları olan dental ve ortopedik protezlerde biyouyumluluklarından ötürü titanyum ve paslanmaz çelik metalleri sıklıkla kullanılmaktadır. Kullanılan metal alaşımlarının vücut içindeki ömürleri ise genellikle 10-15 sene sürmektedir. Bu süre zarfında da kullanılan materyalin; yerine geçtiği organ-doku sisteminin tüm özelliklerini gösterememe, dayanıklı olamama ya da en kötüsü bütün olarak vücut tarafından reddedilmesi gibi yaşanan sorunları da ortaya çıkabilir. İmplantasyon sonrasında hasta çözülen sorunlarıyla beraber yaşam kalitesinde iyileşmeler yaşasa da kemik ve implant arası entegrasyonda problemler sıklıkla oluşabilir. Yavaş ya da yetersiz osseointegrasyon yani kemik ile bütünleşmenin istenilen seviyede olmaması sonucu hasta ek bazı cerrahi müdahelelere maruz kalabilir.

İmplant materyali yüzeyinde kontrol edilebilir boyutlarda mikro desenler oluşturulmasının osteoblast yapışması ve çoğalmasında etkili olduğu bilinmekteydi. Araştırma geliştirme çalışmaları sonucunda artan pürüzlülük ve hücre iskelet yapısının daha rahat tutunabileceği yüzeyler ortaya çıktı ve bu koşullara sahip ürünler geçmişteki implantlara göre üstün kemikleşme özelliklerine sahip oldu. Biyolojik dokuların ise hücre ve protein seviyesinde nano boyutta bir yapılanmaya sahip olduğu yıllardır bilinmektedir.

8 MAYIS 2011

9N@nobülten 13

Araştırmacıların özellikle son 10 yılda keşfettikleri şey ise, vücudun kendisi gibi nano boyutta bir yapılanmaya sahip olan yüzeylere verdiği cevabın konvansiyonel malzemelere göre çok daha farklı olmasıdır. İmplantın doğal dokuyla bütünleşmesi -teknik olarak osseoentegrasyonu- sahip olduğu nanoboyutta modifikasyonlar ile artmaktadır.

Araştırmalar sonucu metalik implant yüzeylerinde kimyasal herhangi bir değişim yapmadan elde edilen nanoboyuttaki modifikasyonların başında basit bir elektrokimyasal yöntem olan “anodizasyon” uygulamasıdır. Biyoentegrasyonu sağlamak ve zaten mekanik özellikleri açısından tatmin edici bir çizgisi olan titanyum ve alaşımlarının biyouyumluluklarını arttrımak amacıyla yapılacak çalışmalara olasılık sağlaması için anodizasyon yöntemi ile yüzeyde oldukça kararlı bir oksit tabaksı elde edilmiştir. Bu işlemde katot olarak kullanılan genelde bir platin plaka, anot olarak kullanılan titanyum metali ve elektrolit çözeltisi olarak da genelde HF/HNO3-H2SO4 asitlerinin sulu çözeltileri kullanılmaktadır. Anotlama sisteminde metalin yüzeyinde bir oksit tabakası oluşurken morfoloji metal implantın iç kısımlarına doğru tübüler boşluklar oluşturarak değişmektedir. Titanyum dioksit tabakasının bu morfolojik değişimindeki yeni şekle titanyum nanotüp adı verilir. Biyouyumlulukları nedeniyle metal oksitlerin ortopedik ve dental alanlarda uygulanabilirlikleri ispatlanmıştır. Titanyum dioksit nanotüpler ile yüzey modifikasyonuna uğratılmış bir metal implantta, mekanik özellikler olduğu gibi korunmakla beraber yüzeyde iyileştirici sonuçlar da elde edilebilir.

Boyut konusuda literatürde uygulanan anotlama çözeltisi türü ve süresine göre boyları 200 – 2500 nm; iç çapları 12 – 180 nm ve çeper kalınlığı da 5 – 34 nm arasında değişen örnekler bulunmaktadır.

İMPLANT TEKNOLOJİSİ

Kontrol edilebilir nanotübüler desenlerin ileri modifikasyonları da yine daha iyi ortopedik ve dental implantların geliştirilmesinde önemli rol oynamaktadır. Kemik implantasyonlarında ve sonrasında yaşanan sorunlara bakıldığı zaman meydana gelebilecek sorunların başında bakteriyel enfeksiyonlar gelmektedir. Bu soruna karşı yüzeye aktif bir rol kazandırmak adına çalışmalar gerçekleşmiştir. Enfeksiyon oluşumu bakterinin yüzeye tutunması ile başladığı için bakterinin aktivite göstermeden inhibisyonu tedavide en sağlıklı çözümdür. Bilindiği üzere gümüş iyonlarının yüksek antibakteriyel etkisi bulunmaktadır. Anodizasyon sonrası oluşan nanotübüler boşluklara ikinci bir elektrokimyasal tepkime ile gümüş biriktirilmesi antibakteriyel implant geliştirilmesinde sıklıkla denenmiş bir yaklaşımdır.

Nanotüp desen içinde biriktirilen nano gümüşlerin yüzeyde biriktirilen gümüş iyonlarına göre enfeksiyon yaratan bakterilere karşı daha uzun süre koruma sağladığı görülmüştür. Uygulama esnasında nanotüp yüzey tabakası yine kendi sahip olduğu biyoentegrasyon özelliklerine sahiptir. Söz konusu nanotüp tabakasının osseointegrasyona katkıda bulunmasının yanında başta bakterilere karşı etken madde olmak üzere çeşitli biyomoleküller için taşıyıcı olarak kullanılması da özellikle son birkaç yıldır araştırmacıların üzerinde çalıştığı ayrı bir konudur. Uygulanan anodizasyon prosedüründe değiştirilen parametreler sayesinde çapı ve boyu kontrol edilerek hazırlanan yüzeydeki nanotübüler titanyum dioksit tabakası istenilen biyomolekülün geciktirilmiş salımı için dizayn edilebilmektedir.

Plazma polimerizasyonu malzemenin yapısında tahrip edici etkisinin olmaması özelliğiyle biyomalzemelerin istenilen yüzey özelliklerine sahip olmaları için uzun zamandır uygulanan bir yöntemdir. Gerek ortopedik gerek kardiyovasküler sistem rahatsızlıklarında kullanılan metalik implantların yüzey modifikasyonlarında da literatürde sayısız örnek vardır. Kullanılan teknik ile yüzeylerinde nano bir desen olan ya da olmayan implant malzemelerinde birkaç nanometre kalınlığında ultra ince film tabakaları elde etmek mümkündür. Elde edilen film tabakası implant malzemesinin kullanım amacına göre; hifrofilik-hidrofobik özellikte ya da spesifik kimyasal gruplar içerebilir. Atomik skalada olan bu yüzey yukarıda sözü edilen nanotübüler titanyum dioksit yapılarının morfolojilerine zarar vermeden tüp ağzı ve yüzeye yakın iç duvarların modifikasyonunu sağlayabilmektedir. Plazma işlemi sonrası yeni fonksiyonel gruplar ihtiva eden yüzeye direk olarak kovalent ya da elektrostatik etkileşimler ile polimerik zincirler, biyolojik maddeler bağlanabilir.

10 MAYIS 2011

İMPL

ANT T

EKNO

LOJİSİ

11

İMPLANT TEKNOLOJİSİ

Başta kardiyovasküler sistem rahatsızlıklarında kullanılan metalik stentler olmak üzere implant malzemeleri hasta vücudunda sıklıkla enflamasyon cevabına uğrarlar. Bu noktada titanyum dioksit nanotüp tabakaların enflamasyon riskini büyük ölçüde ortadan kaldırdığı görülmüştür.

Vücut içinde restenoz, tromboz gibi enflamatuar reaksiyonlara yol açan. İmplantasyon sonrasında ortaya çıkan host cevabında damar içi hücreler olan endoteller çoğalarak implant edilen materyalin yüzeyine tutunurlar. Bu cevaba ek olarak endotellere göre bir iç tabakada yer alan vasküler düz kas hücreleri de çoğalıp stent yüzeyini kaplarsa restenoz gerçekleşmiş olur. Lokal bölgede gerçekleşen bu konrolsüz hücre proliferasyonu sonucunda tromboz meydana gelebilir. Tromboz sonucunda damar yolu ani olarak tıkanabilir. Bu problemin üstesinden gelmek için öngörülen yaklaşımların en yaygını kontrolsüz vasküler düz kas hücrelerinin çoğalmasını engellemek için kullanılan ilaçların lokal olarak stent tarafından ortama salınmasıdır. Ancak bu tür stentlerin de geç dönemde tromboz oluşturma riski taşıdığı bilinmektedir.

İdeal bir vasküler implantın endotel oluşumuna izin veren ancak bununla beraber vasküler düz kas hücrelerinin gelişimini durduran özelliklere sahip olmalıdır. Titanyum metalinin üstünde anodizasyon işlemi sonrasında elde edilen titanyum dioksit nanotübüler tabakalar, araştırmacılar tarafından enflamasyon cevabı uyandırmayan stent dizaynı için denenmiştir.

Sonuç olarak TiO2 nanotüplerin endotel tabakasının stent üzerinde yayılmasını arttırıcı, vasküler düz kas hücrelerinin çoğalmasını da inhibe edici özellikte olduğu görülmüştür. Araştırmacılar in vitro koşullarda aldıkları bu sonucun beklenen ideal host cevabı olduğunu belirtmektedirler. İmplant yüzey teknolojisinde gelinen bu noktanın değişik hücre tiplerinin nano boyutta koşullandırılmış yüzeylere vereceği cevaplar ile birlikte implant dizaynında da yeni araştırma konuları açacağı düşünülmektedir.

N@nobülten 13

Nanoteknoloji çok hızlı bir şekilde gelişmekte olan araştırma alanlarının başında gelmektedir. Nanoteknoloji, mevcut teknolojilerin küçültülerek daha ileri düzeyde duyarlı sistemlerin oluşmasına imkan vermektedir. Bu yolla, daha iyi yapılmış, daha uzun süre dayanan, daha temiz, güvenli ve akıllı ürünleri evde, iletişimde, ulaşımda, tarım, tıp, kimya, fizik, biyoteknoloji ve endüstrinin her alanında kullanmak mümkün... Nanomalzemelerin yükselişi disiplinler arası çalışmaların sonucudur. Özellikle tıp ve biyoteknolojik alanlarda kullanılmak üzere çeşitli özelliklerde nanoboyutlarda nanomalzemeler sentezlenmeye başlanmıştır. Nanoboyutlu malzeme olarak tanımlanan yapılar, nanokristaller, nanopartiküller, nanotüpler, nanoteller, nanoçubuklar gibi farklı sınıflara ayrılmaktadır.

Temel olarak tümüne nanopartiküller sistemler denilmektedir. Nanopartiküller 1-100 nm boyutlarında olan kolloidal yapılardır. Sentetik veya doğal kaynaklı bir makromolekülden meydana gelirler. Nanopartikül ve nanokristal malzemelerin sahip oldukları değişik özelliklerden dolayı yaygın kullanım alanına sahiptir ve çeşitli fonksiyonlar kazandırabilmeleri de bir başka özelliği olarak kabul edilmektedir. Üretimlerinde genellikle polimerik yapılar kullanılmaktadır. Esas istenilen çok hafif, akıllı, ucuz ve temiz malzemeler elde etmektir. Her polimerin kendine has özelliği ile nanopartiküller çeşitli özellikler kazanmaktadırlar. Örneğin biyobozunur, biyouyulu, termal vs.

Polimer bazlı nanopartiküllerin düşük sistemik toksisite ve düşük sitotoksisiteye sahip olmaları, organik çözücü kalıntısı içermemeleri, büyük ölçekte üretimlerinin mümkün olması ve dokulara etkin madde hedeflenebilmesi, kontrollü etkin madde salımı ve

NANO

PARTİKÜ

LLER

Arş. Gör. Doğa Kavaz

Biyokimya Anabilim Dalı - Doktora

12 MAYIS 2011

Nanopartiküller

13N@nobülten 13

Nanopartikülleri bu kadar eşsiz özelliklerde kılan en çarpıcı özelliği maddelerin belli boyut aralığında hacimsel yapılarından farklı olarak olağandışı özellikler ve farklı görevler üstlenmektedirler.

İkinci özellikleri ise yüzey alanı/ hacim oranının mikropartiküllere göre çok yüksek olması hem in vitro hem de in vivo çalışmalarda daha çok tercih edilmesini sağlamıştır. Nanopartiküller kanser teşhiş ve tedavisinde, hedefli ilaç salımında, biyosensörler gibi tıp ve biyoteknoloji alanlarında kullanılmaktadırlar.

Nanopartiküllerin fiziksel olarak stabil olduklarını anlayabilmek için Partikül boyutu ve partiküllerin dağilimina bakılır. Dinamik ışık saçılması, lazer kırınımı, poton korrelasyon spektroskopisi gibi yöntemlerle partikül boyutu ve patikül dağılımları elde edilebilir. Bu üç yöntemdede en önemli parametre PDI (Poly dispersity index) değeridir. PDI değeri 0.1- 0.25 arasında olursa istenilen dar dağılım elde edilebilir. Eğer elde edilen PDI değeri 0.5’in üzerinde olursa geniş dağılım elde edersiniz.

Nanopartiküllerin en çok karşılaşılan sıkıntıları kararlılıklarıdır. Zeta potansiyelinin ölçülmesi, kolloidal dispersiyonun saklama stabilitesi hakkında tahminde bulunmaya olanak vermektedir. Genel olarak, yüklü partiküllerde (yüksek zeta potansiyeli), elektriksel itme nedeniyle, partikül agregasyonunun meydana gelme ihtimali daha azdır. Nanopartiküllerin zeta potansiyellerine bakılarak kararlılıkları ve topaklaşma eğilimleri elde edilebilir. Zeta potansiyeli ± 60mV üzerinde ise partiküllerinin çok iyi seviyede kararlıdır, ± 20-30 mV arasında ise kararlıdır. Sentezlenen nanopartiküller bu değerler aralığında değilse kararsızdır ve topaklaşarak çökelme eğilimindedirler.

NANOPARTİKÜLLER

1. Nanopartiküllerin Analiz Yöntemleri

Partikül büyüklüğü ve dağılımı, nanopartiküllerin en önemli fizikokimyasal özelliğidir. Hazırlama yönteminin parametreleri, partikül büyüklüğünü ve dağılımını etkileyen önemli faktörlerdendir. Üretimde kullanılan emülsifiyerin tipi ve miktarı da, partikül büyüklüğünü etkilemektedir. Genellikle, emülgatör miktarını belirli bir orana kadar artırmak, ortalama partikül büyüklüğünü azaltmaktadır. Üretimde kullanılan çözücülerde partikül boyutunu değiştirmektedir.

Partikül büyüklüğünün rutin ölçümleri için en güçlü yöntemler; foton korelasyon spektroskopisi (PCS) ve lazer kırınımı yöntemi (LD)’dir. Coulter Counter yöntemi ise, koloidal dispersiyonları destabilize edebilecek elektrolitlere ihtiyaç göstermesi ve küçük nanopartiküllerin değerlendirilmesindeki zorluklar nedeniyle, partikül büyüklüğü ölçümünde nadiren kullanılmaktadır.

Nanopartiküllerin şekillerinin belirlenmesinde atomik kuvvet mikroskobisi (AFM) ve elektron mikroskobu kullanılabilir. Düz bir silikon yüzeye sabitlenen nanopartiküllerin şekilleri, AFM ile vakuma ihtiyaç duyulmadan kolaylıkla belirlenebilmektedir.

14 MAYIS 2011

DSC ve X ışını kırınımı yöntemleri, nanopartiküllerin yüzey özellikleri ile ilgili bilgi vermektedir. Nanopartiküllerin yapısal özelliklerini araştırmak için IR ve Raman spektroskopisi yöntemleri de kullanılmaktadır. Etkin maddenin nanopartikül içerisinde fiziksel durumu ve yerleşimi de, DSC ve X ışını kırınımı cihazı ile analiz edilebilmektedir. Etkin madde içeriğinin nanopartikülün kristal özelliklerine etkisi, özellikle X ışını kırınımı cihazı ile incelenebilmektedir

Nanopartiküllerin üretiminde kullanılan yöntemler; asağıdan yukarı Bottom Up” ve yukarıdan aş ağı “Top Down” olarak adlandırılmaktadır. Yukarından aşağıya yaklaşımına dahil olan yöntemlerde hacimsel malzemeye dışarıdan mekaniksel ve/veya kimyasal işlemler ile enerji verilmesi sonucunda malzemenin nano boyuta kadar inebilecek küçük parçalara ayrılması esas alınmaktadır. Yukarıdan aşağıya yaklaşımı ile çalışan yöntemlere verilebilecek en genel örnekler; mekanik öğütme ve aşındırma olabilir. Bu tekniklerde klasik öğütme işlemlerinden çok daha fazla enerji tüketimi gerçekleştiğinden yüksek enerjili öğütme veya yüksek hız değirmenleri olarak da adlandırılmaktadırlar. Aşağıdan yukarıya yaklaşımına dahil yöntemler ise; atomik veya moleküler boyuttaki yapıları kimyasal reaksiyonlar ile büyüterek partikül oluşumunun gerçekleştirilmesi olarak tanımlanmaktadır.

Kullanılan polimer baz alındığında, biyouyumluluk, parçalanma davranışı, uygulama yolu, ilacın istenilen salım profili, biyomedikal uygulama tipi polimer seçimini bakıldığında, ilk y ı l l a r d a m o n o m e r l e r i n ç eşi t l i o r t a m l a r d a i n s i t u p o l i m e r i z a s y o n u n a dayanmaktadır.İlerleyen yıllarda, tam olarak karakterize edilmiş önceden sentezlenmiş polimer veya doğal makromoleküllerin dispersiyonlarına dayalı yöntemler geliştirilmiştir.

Aşağıda en önemli tekniklerden kısaca bahsedilecektir.

2. Nanopartiküllerin Sentezleme yöntemleri

Sol-jel teknolojisi, çözelti formundan yola çıkılarak farklıuygulama alanlarına yönelik olarak seramik, cam ve kompozitmalzemeler üretim tekniğine verilen genel isimdir.Metal alkoksitçözeltileri veya metal tozları, nitratlar, hidroksitler ve oksitler gibi inorganik bileşiklerin belirli oranlarda su ve asitle birleştirilerek bir solüsyon meydana getirilmesi ve bu solüsyonun belirli sıcaklıklarda karıştırılmasıneticesinde solüsyon içerisinde birbirini izleyen bir dizi kimyasal reaksiyon ve taneciklerin sahip olduğu yüzey yüklerinin elektro kimyasal etkileşimleri ile bir ağmeydana gelmesi ( jelleşme ) ve bu ağın gitgide büyüyüp sistem içerisindeki bütün noktalar ulaşarak komple bir yapı( jel ) meydana getirmesidir.

Sol; sıvı içerisinde koloidal katı taneciklerinin kararlıbir süspansiyonudur. Bu katıtanecikleri, yerçekiminden daha büyük dispersiyon kuvvetlerinden sorumlu olduğundan yeterince küçük olmalıdır. Gerçekte bu tanecikler ne kadar küçük ise, çözeltideki molekülleri konuşmak daha doğru olacaktır.

Sol Jel Yöntemi:

NANO

PARTİKÜ

LLER

15N@nobülten 13

İn Situ Polimerizasyon Yöntemi

Kolloid olarak tanımlanan tanecikler gözle görülemeyecek kadar küçük 500 nm ve daha altındaki boyutlara sahip taneciklerdir. Bu tanecikler normal optik mikroskopla görülemezler. Çünkü maksimum boyutları ışığın dalga boyuna eşittir.

Jel; Kolloidal parçacıkların çöktürülmesiyle elde edilen ve bol miktarda su içeren çökeleklere denir. Jel, katı ve sıvı faz arasında bir ara fazdır.

Sol-jel Yönteminin Basamakları1. Alkoksit Hidrolizi2. Peptidleşme veya polimerizasyon 3. Jel eldesi 4. Kalsinasyon/ Sinterleme

Sol-Jel Yönteminin başlıca kullanım alanları ise şunlardır: Aşınmaya dayanıklı kaplamaların yapılması, Optik amaçlı kaplamalar ( örneğin; yansıtma özelliği olmayan TiO2-SiO2 kaplaması, lenslerde ve benzeri uygulamalarda ), Fiber optiklerde, Yüksek mukavemetli fiber üretimi (Na2O-ZrO2-SiO2fiberleri gibi ), Elektronik ve manyetik malzemelerin üretimi (V2O5, WO3, Fe2O3gibi ).

İn situ polimerizasyon ile nanopartikül hazırlamak için iki yaklaşım mevcuttur. İlk yaklaşımda çözücü olmayan fazda polimerize olacak monomer emülsifiye edilmektedir (emülsifikasyon polimerizasyonu), ikinci yaklaşımda ise monomer, elde edilecek polimerin çözünmediği çözücüde çözündürülmektedir. Emülsiyondaki devamlı fazın yapısına bağlı olarak konvansiyonel emülsifikasyon polimerizasyonu ile ters emülsifikasyon polimerizasyonları farklıdır. İlkinde, devamlı faz sulu (yağ/su emülsiyonu) iken, ters emülsifikasyon polimerizasyonunda devamlı faz organiktir (su/yağ emülsiyonu). Her iki durumda da monomer yüzey etken madde molekülleriyle çözünmediği fazda emülsifiye olmakta ve monomerlerin şişmesiyle misel yapılar oluşmaktadır. Polimerizasyon reaksiyonu bir fiziksel ya da kimyasal tetikleyici bir başlangıç maddesi varlığında gerçekleşir. Bu maddenin yarattığı enerji devamlı fazdaki serbest reaktif monomerlerin oluşmasını ve daha sonra bu monomerlerin reaktif olmamış çevredeki monomerlerle birleşmesini ve polimerizasyon zincir reaksiyonunu başlatmasını sağlar. Reaksiyon genellikle monomerin tam olarak tüketilmesiyle son bulur.

Mikroemülsiyon Yöntemi:

Bu yöntemde önce, lipid (yağ asitleri veya gliseridler) eritilir. Su ve emülsifiyer karışımı, lipidle aynı sıcaklıkta olacak şekilde ısıtılır ve erimiş lipide eklenerek karıştırılır. Bu maddeler, mikroemülsiyon oluşumu için gerekli oranlarda karıştırıldığında, transparan ve termodinamik olarak stabil bir sistem elde edilir. Oluşan sıcak veya ılık mikroemülsiyon, özel olarak geliştirilen termostatlı bir şırınga kullanılarak, aşırı miktardaki soğuk su (2–3 C) içinde mekanik bir karıştırma ile disperse edilir. Fazla su, ultrafiltrasyon veya liyofilizasyon ile uzaklaştırılır.

NANOPARTİKÜLLER

16 MAYIS 2011

Peptit, protein ve diğer makromoleküllerin hapsedilmesine olanak sağlayan çift emülsiyon oluşturma yönteminde etkin maddenin sulu çözeltisi polimer çözeltisindedağıtılır ve bu karışıma yağ/su emülgatörünün sulu çözeltisi eklenir; takiben su/yağ/suemülsiyonu ilaç çözeltisini içeren polimer çözeltisi damlacıkları oluşur ve çözücünün buharlaşmasından sonra etkin maddenin sulu çözeltisini içeren nanopartikül süspansiyonu elde edilir. Organik çözücü olarak metilen klorür ve yüzey etken madde olarak polivinilalkol kullanılarak çift emülsiyon metoduyla (su/yağ/su) hazırlanan ortalama 200 nm büyüklüğündeki nanopartiküllerin dış sulu fazdaki yüzey etken madde konsantrasyonu arttırıldıkça partikül büyüklüğünün ve polidispersitenin azaldığı bulunmuştur .

Emülsiyon oluşturma / Çözücü Buharlaştırma Yöntemi

Partiküler sistem hazırlama şekillerinden biri olan emülsiyon-çözücü difüzyon yönteminin esası suda çözünmeyen etken madde ile polimerin ortak çözündükleri bir organik çözücüde sıcakta çözündürülmesi ve yüzey etken madde içeren ortama karıştırılarak ilave edilmesidir. Bu yöntemde iç faz olarak bilinen etkin madde ve polimeri içeren organik çözücü, sabit karıştırma ile su ve emülgatör maddeden meydana gelen dış faza disperse edilerek su içinde yağ (Y/S) emülsiyonu oluşturulur. İç fazın ilk damlatıldığı dakikalarda sistemin emülsiyon benzeri opak bir görünümü olduğu içinyöntem emülsiyona benzer çözücü difüzyon olarak da isimlendirilmektedir. İç fazıoluşturan emülsiyon damlacıklarından çözücünün dış faza difüze olması ile ilk anda saydam görünümde olan damlacıklar sertleşerek etkin maddeyi taşıyan nanopartiküllere dönüşmektedir.

Emülsiyon oluşturma / Çözücü Difüzyon Yöntemi

Emülsifikasyon temelli yöntemlerin en büyük dezavantajı büyük miktarlarda organik çözücü kullanımıdır. Diğer bir dezavantaj da ısı veya çapraz bağlama ile sertleştirme işleminden önce emülsiyonun intrinsik stabilite problemlerine bağlı olarak küçük (< 500 nm) ve dar partikül büyüklüğü dağılımı gösteren nanopartikül hazırlamanın güç oluşudur. Koaservasyon metodu bu dezavantajları ortadan kaldırmak üzere geliştirilmiştir. Bu durumda, partiküller faz ayrımı işlemiyle sulu fazda oluşmakta ve akabinde glutaraldehit gibi bir çapraz bağlama ajanıyla stabilize edilmektedir.

Koaservasyon Yöntemi

Genellikle bu yöntemler bir arada kullanılmakta ve belli bir süre boyunca yüksek sıcaklıklarda uygulanmaktadır. Yüksek hızda karıştırma yönteminin dezavantajı, mikrometre boyutuna varabilen geniş partikül büyüklüğü dağılımına sahip ürün vermesidir. Bu da, saklama sırasında partikül büyümesi gibi fiziksel stabilite problemlerine sebep olmaktadır. Bunlara ek olarak, ultrasonikasyon yöntemi kullanılıyorsa, metal kontaminasyonunun dikkate alınması gerektiği bildirilmiştir.

Yüksek Hızda Karıştırma ve / veya Ultrasonikasyon Yöntemi:

NANO

PARTİKÜ

LLER

17N@nobülten 13

3. Nanopartiküllerin Uygulama Alanları

Nanopartiküllerin gen tedavisinde kullanılması ile ilgili son yıllarda yapılan çalışmalar uzun ekspresyon süreleri ve yüksek transfeksiyon etkinliği sağlandığına ilişkindir. Oküler tedavi için gen taşıyan nanopartikül sistemleri özellikle kanserli hücrelere hedeflenmektedir. Özellikle poli (D,L laktik ko-glikolik asit) (PLGA) nanopartiküllerinin, plazmid DNA nın uzatılmış salımı için kullanımıyla ilgili araştırmalar bildirilmiştir. Gen terapisi için kullanılan PLGA nanoküreleri çıplak plazmid DNA ya nazaran iskemik bölgelerde daha geniş bir yeniden damarlanma sağladığı tespit edilmiştir.

Nanopartiküllerin Tedavide Kullanımı

Gen Tedavisi

Kanser Tedavisi

NANOPARTİKÜLLER

Nanoteknolojinin kanserde kullanımı, moleküler görüntüleme, moleküler tanı ve hedeflendirilmiş ilaç tedavisi için bilim, mühendislik ve tıptaki incelemelerin interdisipliner birleşimini kapsamaktadır. Yarı iletken quantum dotlar, altın nanopartikülleri ve demir oksit nanopartikülleri gibi partiküller, diğer moleküllerde mevcut olmayan optik, manyetik ve yapısal özelliklere sahiptir. Monoklonal antikorlar, peptidler ve küçük moleküller gibi tümöre hedeflendirilmiş ligandlarla bağlandığında, nanopartiküller tümör antijenlerine veya tümör damarlarına yüksek afinite ve spesifiklikle hedeflendirilmede kullanılabilmektedir. Nanopartiküller, multiple teşhis (optik, radyoizotopik veya manyetik) ve terapötik (antikanser) maddelerin bağlanması için geniş yüzey alanına ve fonksiyonel gruplara sahiptirler.

18 MAYIS 2011

Nanopartiküllerin teşhisin hassasiyetini ve spesifikliğini arttırma potansiyeli sayesinde tanı için kullanılan biyopsi, cerrahi müdahale ve diğer zor tanı tekniklerinin daha kolay hale getirilmesi sağlanmaktadır. Erken teşhisi hızlandıran ve teşhisi yönteminin hasta için güç bir tablo oluşturan yan etkilerini ortadan kaldırması itibariyle nanopartiküllerin görüntüleme ajanı olarak kullanımları umut vaat edicidir.

Nanopartiküller aşağıda belirtilen bir çok alanda da uygulama şansı bulmuştur:

Tanı İçin Görüntüleme

Nanoteknolojik gelişmeler sayesinde mikro/nano düzeydeki akışkan özelliklerine göre yararlanabilme yolunda çalışmalar da nanoteknoloji kapsamında değerlendirilmektedir. Gelecekte, akışkanların nano düzeydeki özelliklerine bağlı olarak hastalıkların teşhisi, ilaç etkileşimlerinin belirlenmesi, DNA manipülasyonu ve islenmesi, vücuda alınan gıda maddeleri ve sıvıların izlenmesi, bitki ve hayvanlarda sağlık takibi, çevresel izleme ve denetleme vb. uygulamalar mümkün olabilecektir.

Mikro-Akıskan Bilimi:

Son yıllarda mikroelektromekanik (MEM) sistemlerde oldukça önemli aşamalar kaydedilmiştir. Halihazırda, mikro düzeyde tam-fonksiyonel pompalar, motorlar, duyargalar, vb. elektro mekanik sistemler kullanılabilmekte, posta pulundan daha küçük boyuttaki biyoçiplerin üretimi mümkün olabilmektedir. Günümüzde bu sistemlerin mikro düzeyden (MEM) nano düzeye n(NEM) geçişinde ve bunların biyolojik sistemlerlekaynaştırılmasında devrim niteliğinde bilimsel aşamalar beklenmektedir.

Biyomikroelektromekanik– Biyonanoelektromekanik ve Biyoçipler:

NANO

PARTİKÜ

LLER

Peptid ve Proteinlerin Oral Yolla Vücuda Verilişi İçin Nanopartikül Kullanımı

Nanopartiküllerin peptid ve proteinlerin vücuda verilişi ile ilgili avantajlar parçalanmadan koruması, absorpsiyonu arttırması, hedefleme ve ilaçların kontrollü salımını sağlamasıdır.

Son yıllarda, moleküler ve hücresel görüntüleme için biyoafinite gösteren nanopartiküller, kanser tedavisi için ilaç taşıyan hedeflendirilmiş nanopartiküller ve erken kanser tanısı/görüntülenmesi için nanocihazlar ile ilgili çalışmalar yapılmaktadır. Nanopartiküller, her bir hastanın moleküler profiline bağlı olarak kanserin teşhis ve tedavisinde kullanılan genetik ve protein biyoişaretliyecileri kapsayan kişisel onkolojiyi imkan sağlamaktadır.

19N@nobülten 13

Nanomalzeme

Nano ölçekte duyargalar yardımıyla, tarım ve gıda sistemlerindeki çok düşük miktarlarda olsa dahi kimyasal kontaminasyonun, patojenlerin veya virüs partiküllerinin tespit edilmesi mümkün olacaktır. Gıda maddelerinin ambalajlanmasında kullanılacak bu sistemler sayesinde gıda ürünlerinin mikrobiyal kontaminasyonunun önceden tespiti ve kendi kendini koruma mekanizmaları yardımıyla önlenmesi ve böylece gerek depolama gerekse dağıtımda oldukça önemli kolaylıklar ve tasarruflar sağlanabilecektir.

Gerek nanoteknoloji sayesinde yeni bir malzeme buluşuyla doğada var olan bazı malzemelerin (örnegin topraktaki nanopartiküller, kil, zeolit, imogolit) kullanılması suretiyle nano ölçekte farklı özellikler gösteren kompozit malzemelerin kullanımı mümkün olabilecektir. Bunlar arasında saydamlık, azalan agırlık, artan dayanım özelliklerini gösteren malzemeler, giyenin sağlık ve fiziki durumu hakkında uyarılar veren akıllı kumaşlar örnek olarak verilebilir. Tarımsal materyalin faydalı ürünlere dönüştürülmesi ve bu sayede çevrenin korunumu nanoteknolojinin gelişiminde önemli ve heyecan verici bir potansiyel alan olarak görülmektedir. Günümüzde özellikle bitkisel yağların biyoyakıtlara ve endüstriyel çözeltilere dönüştürülebilmesinde ihtiyaç duyulacak nano-katalizörlerin geliştirilmesi ve tasarımı konusunda ciddi çalımsalar yapılmaktadır.

Biyoselektif Yüzeyler

Çeşitli kimyasal ve biyolojik etkileşimlerin meydana geldiği yüzeyler üzerinde çeşitli organizmaların veya moleküllerin tutunabilmesi veya bağlanabilmesini sağlayan seçici yüzeyler olarak tanımlanan biyoselektif yüzeylerdeki gelişmeler, biyosensörlerin, detektörlerin, katalizörlerin gelişimi ve biyomoleküllerin ayrıştırılması veya pürifikasyonuna yönelik gelişmelere bağlıdır.

Biyoanalitik Nanosensörler:

NANOPARTİKÜLLER

Moleküler ölçekte kodlanmıs paketlerin kendilerine tanımlanan adres uyarınca vücudun ilgili bölgesine ulastırılmasına imkan verecektir. Moleküler probların kullanımı, biyolojik malzemedeki mikropların çok daha hızlı bir şekilde tanımlanabilmesini sağlayacak olan kitler örnek olarak verilebilir.

Akıllı Barkodlar

PEPT

IT NA

NOYA

PILAR

Arş. Gör. Betül Pala

Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Doktora

Peptit - Protein NanoyapılarProteinler hücrede en fazla bulunan organik makromoleküllerdir. Canlı sistemlerde katalizör, transport, yapısal, savunma ve düzenleme gibi birçok görevi yerine getirmektedirler. Moleküler tanıma işlevine sahip oldukları için “akıllı işlevsel maddeler” olarak adlandırılırlar. Reseptör-ligand, antijen-antikor ve enzim-substrat eşleşmesi gibi birçok seçici bağlanmanın gerçekleştiği olayda moleküler tanıma görülmektedir. Bu özellikleri onlara kendiliğinden düzenlenme yapabilme yeteneğini vermektedir. Kendiliğinden düzenlenme, moleküler birimlerin kovalent olmayan etkileşimlerle (hidrojen bağları, elektrostatik etkileşimler, π-π etkileşimleri, Van der Waals ve dipol-dipol etkileşimleri gibi) kendiliğinden ve tersinir bir şekilde düzenli yapılara organize olmasıdır. Birçok biyolojik yapının oluşumunda örneğin DNA’nın çift sarmal oluşumunda, proteinlerin ikincil, üçüncül ve dördüncül yapılarının oluşumunda kendiliğinden düzenlenme görülmektedir. Son yıllarda nanoteknoloji bilminin hızla gelişen alanlarından biri olan nanofabrikasyon uygulamalarında sıkça kullanılan bir fabrikasyon metodu olarak literatüre geçmiştir.

Proteinlerin yapıtaşı olan aminoasitler taşıdıkları radikal yan zincir vasıtasıyla birbirlerinden tamamen farklı özellikler gösterirler. Bu yan zincirler sayesinde farklı etkileşimlere girerek kendiliğinden düzenlenme sürecini yönlendirebilirler. Bu özelliklerinden yola çıkılarak peptit ve proteinlerden çok geniş bir nanomalzeme yelpazesi elde edilebilmektedir. Nanotüpler, nanoteller, nanofibriller, nanoveziküller ve nanoküreler bu malzemelere örnek olarak verilebilir. Üretilen nanomalzemelerin canlı vücudunda doğal olarak varolan protein yapıda olması malzemeye eşsiz özellikler katmaktadır. Bunlardan en önemlisi biyouyumlu olmasıdır. Yüzeyinde taşıdığı gruplar sayesinde kolaylıkla kimyasal olarak modifiye edilebilmektedir. Kolay bir sentez prosedürü olan kendiliğinden düzenlenme ile sentezlenmektedirler. Ucuzdur. Suda kolaylıkla çözünebildikleri için canlı sistemlerde kullanılabilmektedirler. Sıcaklık ve pH gibi dış etkenlere karşı çok hassas olduğu bilinen protein yapılardan beklenemeyecek kadar olağanüstü dayanıklılık, termal ve kimyasal stabilite göstermektedirler.

20 MAYIS 2011

21N@nobülten 13

Sahip oldukları bu cazip özellikleriyle inorganik ve organik yapıdaki diğer nanomalzemelere çok güçlü bir alternatif oluşturan peptit ve protein nanoyapılar tıp, sanayi, teknoloji ve endüstri alanlarında kendine birçok uygulama bulabilmektedir. Uygulama alanlarına örnek verecek olursak;

• Çevresel ve tıbbi biyosensörler, • Dayanıklı ve biyouyumlu malzemeler, • Metalik veya inorganik malzemelerin nanofabrikasyonu için kalıp malzeme, • Doku mühendisliği için iskele, • Taşıyıcı sistemler, • Fonksiyonel kompozit materyaller, • Enerji ve madde depolama, • Süper hidrofobik yüzeyler, • Fotolüminesans Malzemeler, • Enzim immobilizasyonu için destek matriks olarak kullanımı ve daha birçoğu

sayılabilir.

Son birkaç yıldır adından söz edilen peptit ve protein nanoyapılar yukarıda bahsedilen özellikleri ve uygulama alanlarının çeşitliliği bakımından her geçen gün daha da çok araştırmacının ilgisini çekmekte ve literatüre peptit nanoyapılarla ilgili eklenen yeni çalışmaların sayısı günden güne artmaktadır.

PEPTIT NANOYAPILAR

Şekil 1. Peptit nanoküreler ve Peptit nanoveziküller

Şekil 2. Peptit nanotüpler ve Peptit nanoteller

NANO

FİBER

LER

Arş. Gör. Soner ÇakmakNanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Doktora

Polimerik Nanofiber Üretim Yöntemleri

Nanofiberler sitrat molekülleri kullanılarak çekme yöntemiyle üretilebilmektedirler. Birkaç mikrometre çapında bir mikropipet, düz bir yüzey üzerinde bulunan sıvı damlacığa daldırılır ve bir mikromanipülatör yardımıyla belirli bir hızla damlacıktan uzaklaştırılır (Şekil 1.1).

22 MAYIS 2011

1. Çekme (Drawing) Yöntemi

Şekil 1.1. Çekme yöntemiyle nanofiber üretimi.

Mikropipet sıvıdan yaklaşık olarak 1 x 10-4 m/s hızla çekilir ve neticede elde edilmek istenen nanofiberler üretilir. Çekilen bu nanofiberler uzayan fiberlerin bitiş noktasına dokunularak sıvıdan ayrılır ve bir yüzeyde biriktirilir. Bu işlem her bir damlacık ile defalarca tekrar edilerek belirli miktarlarda nanofiber üretimi sağlanır.

23N@nobülten 13

NANOFİBERLER

Damlacığın mikropipetle temas ettiği bölgedeki sıvının viskozitesi buharlaşma ile artar. X’e karşılık gelen buharlaşmanının başlangıcındaki bölgede fiberler Rayleigh kararsızlığı nedeniyle kopar. Y’ye karşılık gelen buharlaşmanın ikinci evresinde nanofiberler başarılı bir şekilde üretilirler. Buharlaşmanın son evresi olan Z’de ise çözelti damlacığın köşesinde yoğunlaşır ve koheziv kuvvetler nedeniyle kopar (Şekil 1.2). Neticede, nanofiber çekme işlemi için yapısı bozulmadan kuvvetli biçim değiştirebilen ve aynı zamanda çekme işlemi sırasındaki strese dayanacak kadar koheziv olan viskoelastik bir malzeme gereklidir. Çekme işlemi moleküler düzeyde kuru eğirme işlemi olarak düşünülebilir.

Şekil 1.2. Çekilen nanofiberlerin uzunluğunun, çekme hızı ve çözeltinin viskozitesine bağlı olarak değişiminin şematik gösterimi.

Çekme işleminde klasik mikropipet kullanımının yanı sıra son yıllarda nanofiber üretimi için atomik kuvvet mikroskobu (AFM) veya taramalı elektron mikroskobu (STM) uçları kullanılarak nanorobotik sistemler de geliştirilmiştir. Bu sistemlerin kullanımıyla güvenilir, tekrarlanabilir ve çok daha uzun nanofiberlerin elde edilmesi sağlanmıştır. AFM temelli nanorobotik üretim stratejisi Şekil 1.3’te ve bu yöntemle üretilen çeşitli mikro/nanofiberlerin elektron mikroskobu görüntüleri Şekil 1.4’te gösterilmektedir.

!

NANO

FİBER

LER

Şekil 1.3. (a) AFM/STM temelli fiber çekme yöntemi, (i) uç polimer çözeltisinden oluşturulan damlacığın üzerine yaklaşır, (ii) sıvı polimer köprüsü oluşur, (iii) uç çekilir ve bu arada çözelti

buharlaşarak fiber oluşur, (iv) uç çekilerek fiberden ayrılır; (b) Dikey olarak çekilen fiberin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü.

24 MAYIS 2011

!

Şekil 1.4. Nanorobotik sistemler kullanılarak çekme yöntemiyle çeşitli formlarda üretilen mikro/nanofiberlerin SEM görüntüleri.

!

25N@nobülten 13

NANOFİBERLER

Kalıp sentezi, bir kalıp yardımıyla istenilen malzemeden nanofiber eldesini mümkün kılmaktadır (Şekil 2.1).

2. Kalıp Sentezi (Template Synthesis)

Şekil 2.1. Kalıp sentezi yöntemiyle nanofiber üretimi.

Bu yöntemle nanofiber üretimi için nano ölçekli gözeneklere sahip bir metal oksit membran kalıp görevini görmektedir. Şekilde de görüldüğü gibi polimer çözeltisi bir kalıp içerisine yerleştirilir ve üzerinde bulunan suya basınç uygulanarak bu çözeltinin kalıbın içerisindeki nano-gözeneklerden akması sağlanır. Nanofiberler aşağıda bulunan özel bir çözelti içerisinde katılaşır ve kararlı bir yapıya sahip nanofiberler elde edilir. Nanofiberlerin çapını kalıp içerisinde bulunan nano-gözeneklerin çapı belirlemektedir.

NANO

FİBER

LER

Şekil 2.2. Kalıp sentezi yöntemiyle üretilen nanofiberlerin SEM görüntüleri. (a) kalıp olarak kullanılan ve nanogözeneklere sahip alüminyum oksit membran, (b) poliakrilonitril (PAN)

nanofiberlerin yüzey görüntüsü, (c) PAN nanofiberlerin kesi görüntüsü, (d) poli(3-oktiltiyofen) nanofiberler, (e) poli(fenilen oksit) mikrotüpler.

26 MAYIS 2011

Faz ayrımında temel mekanizma, fiziksel olarak birbirlerinden farklı iki fazın aralarındaki uyumsuzluğa bağlı olarak ayrılması esasına dayanır. Bu işlemde öncelikle polimer uygun bir çözücüde çözülür. Daha sonra çözücü yapıdan uzaklaştırılarak nanofiberlerden oluşan 3 boyutlu yapı elde edilir.

! !"#$!%#$

!&#$

!'#$

!(#$

!"#$

3. Faz Ayrımı (Phase Separation)

27N@nobülten 13

NANOFİBERLER

Şekil 3.1. Nanofibröz yapı elde etmek için kullanılan faz ayrımı yönteminin şemasal gösterimi.

İlk defa Ma ve ark. tarafından detaylandırılan bu yöntem 5 ana basamaktan oluşur (Şekil 3.1): (i) polimerin uygun çözücüde çözülmesi, (ii) jelleşme, (iii) çözücünün uzaklaştırılması, (iv) dondurma ve (v) dondurarak kurutma (freze-drying).

(i) Poli-L-laktik asit (PLLA) %1 ile %15 ağırlık/hacim değişen oranlarda tetrahidrofuran içerisine eklenir. Çözelti 60ºC’de 2 saat boyunca karıştırılarak homojen bir çözelti elde edilir. Gözenekli nanofibröz yapı

(ii) 2 mL çözelti 50 ºC’de teflon bir şişe içerisine aktarılır ve daha sonra çözeltinin derişimine bağlı olarak -18ºC ile 45ºC arasında değişen bir buzdolabına konarak jelleşme sağlanır ve jelleşme sıcaklığında 2 saat bekletilir.

(iii) Jel içeren şişe distile suya batırılarak çözücü ile suyun yer değiştirmesi sağlanır.

(iv) Jel daha sonra sudan alınır, filtre kağıdı üzerinde bir süre bekletilir ve -18ºC’deki bir buzdolabında 2 saat bekletilir.

(v) Son olarak donmuş jel bir dondurarak kurutma cihazına konur ve 0.5 mmHg vakum ortamında -55ºC’de bir hafta boyunca kurutulur.

!

NANO

FİBER

LER

Şekil 3.2. P.X. Ma ve ark. tarafından faz ayrımı yöntemiyle hazırlanan PLLA nanofiberlerin SEM görüntüleri.

28 MAYIS 2011

Peptidler az sayıda (en fazla 20 civarında) amino asitin kovalent bağlarla (ki bu bağlar peptid bağları olarak adlandırılır) bağlanması sonucu oluşan kısa zincirli yapılardır. Doğada bulunan 20 amino asitin birkaçı bir araya gelerek farklı özelliklerdeki peptid zincirlerini oluştururlar. Peptidler, çeşitli biyolojik moleküllerle etkileşebilecek işlevselliğe sahip yapıları oluşturabilmek amacıyla kendiliğinden düzenlenebilmekteler (self-assembly). Lipid moleküllerinin su içinde yağ damlacıklarını oluşturması, dört adet hemoglobin polipeptidinin işlevsel hemoglobin proteinini oluşturması, ribozomal proteinlerin ve RNA’nın işlevsel ribozomları oluşturması, doğada sıkca rastlanan “kendiliğinden-düzenlenme” örneklerindendir. Ayrıca, hücre zarının temel bileşeni olan fosfolipidler sulu çözeltilerde kendiliğinden-düzenlenerek miseller, kesecikler (vezikuller) ve tübüller gibi farklı yapılar oluşturmaktalar.

Kendiliğinden düzenlenme ile nanofiber üretiminde çeşitli zayıf, özellikle hidrojen bağları, iyonik bağlar (elektrostatik etkileşimler ya da tuz köprüleri), hidrofobik etkileşimler, van der Waals etkileşimleri gibi kovalent olmayan bağlar etkindir. Bu zayıf bağlar tek başlarına bir anlam ifade etmeseler de, birçoğu bir araya geldiklerinde sadece proteinlerin, nükleik asitlerin ve diğer moleküllerin 3-boyutlu yapısal konformasyonlarını belirlemekle kalmaz bunların ayrıca diğer moleküllerle etkileşimlerini de sağlar.

4. Kendiliğinden-düzenlenme (Self-Assembly)

!

29N@nobülten 13

NANOFİBERLER

Şekil 4.1. Kendiliğinden düzenlenen fiber yapılı biyomalzeme çeşitleri. (a) Amiloid-benzeri yapılar, (b) α-helikal yapılar ve (c) peptid amfifiller.

Nano ve rejeneratif tıpta kullanılan 3 tip peptid ve protein fibröz malzeme bulunmaktadır. Bunlar; doğal proteinlerden elde edilen amiloid benzeri peptid yapılar, α-helikal düzenli peptidler ve sentetik peptide amfifilerdir (Şekil 4.1). Son yıllarda büyük ölçekli üretime olanak sağlaması, istenilen aminoasit dizilimine sahip olması ve nanotıp uygulamaları için biyoaktif grupların yapılarına kolayca eklenebilmesi nedeniyle peptid amfifiller ön plana çıkmıştır. Peptid amfifiller sulu ortamlarla karşılaştığında, yapılarındaki hidrofobik gruplar sudan kaçmakta; hidrofilik kısımlar ise su ile yakın temasta bulunacak şekilde yerleşmektedir. Böylece moleküler bir kendiliğinden düzenlenme gerçekleşmektedir. Aminoasitlerin uç uca dizebilmesiyle kimyasal yapısının çok iyi kontrol edilmesi sayesinde çok farklı uygulamalar için istenilen form ve dizilimde peptid amfifiller üretmek mümkündür. Peptid amfifiller genellikle üç kısımdan oluşurlar; N-terminal bir alkil uç, ß-tabaka oluşturabilen bir merkez kısım ve farklı moleküler özellikler eklenebilen C-terminal uç (Şekil 4.2).

NANO

FİBER

LER

Şekil 4.2. Dört farklı kimyasal kısımdan oluşan peptid amfifilin moleküler gösterimi; (a-1) Lipid zincirinin analoğu olan ve alkil zincirden oluşan hidrofobik kısım, bu bölüm farklı zincir uzunluklarına sahip veya farklı hidrofobik segmentlerle ayarlanabilir, (a-2) ß-tabaka oluşumunu sağlayan ve moleküller arası hidrojen bağları oluşumunu destekleyen kısa bir peptid sekansı, (a-3) sudaki çözünürlüğü artıran yüklü aminoasitler ve (a-4) hücre, protein veya biyomoleküllerle etkileşimi sağlamak için tasarlanan biyoaktif oligopeptid sekansı; (b) Lamininden türetilen ve nöral rejenerasyonu sağlayan IKVAV peptid sekansına içeren peptid amfifilin ve kendiliğinden düzenlenme sonrası oluşan nanofiberlerin moleküler gösterimi; (c) IKVAV nanofiberlerin Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM) görüntüsü; (d) IKVAV nanofiber jel yapını SEM görüntüsü.

30 MAYIS 2011

Kendiliğinden-düzenlenen bir peptid amfifil, tuz çözeltisi ya da fizyolojik ortamla etkileştirildiğinde 3-boyutlu peptid doku iskelelerinin oluşması son yılların en gözde calışma konularından birisidir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) görüntüleri, bu şekilde hazırlanan iskelelerin 10 nm çapında liflerden oluştuğunu ve lifler arasında da 5-200 nm boyutunda gözeneklere sahip olduğunu göstermiştir. Kendiliğinden-düzenlenen peptidlerden oluşan doku iskeleleri %99’dan fazla su içeriğine sahiptir, yani jel özelliği (jöle benzeri yapı) göstermektedir.

31N@nobülten 13

NANOFİBERLERTüm peptid amfifiller asitleşme mekanizması sonucu jel oluşturabilmekteler. Ancak, jel içerisindeki nanofiberlerin uzunluğu ya da jel sertliği, peptid kimyasıyla değişir. Asitleşmenin vücut içerisinde jel oluşturmak için uygun bir yöntem olmaması nedeniyle bilim insanları farklı jelleşme mekanizmaları arayışına girmişler. Bu arayışın bir sonucu olarak çift değerlikli katyonların (Ca+2 gibi) ortama eklenmesiyle jelleşmenin gerçekleşebileceği gösterilmiştir. Özellikle hücre kültür ortamındaki katyonlar, peptid amfifiller arasındaki itici güçlerin maskelenmesinde önemli rol oynamakta ve böylelikle kendiliğinden-düzenlenmeyi teşvik etmekteler.

Şekil 4.3. (A) Fosforillenmiş ve biyoaktif RGDS sekansına sahip peptid amfifilin moleküler gösterimi, (B) RGDS-PA+S(P)-PA’nın SEM görüntüsü, (C) peptid amfifil nanofiberlerin CaCl2 içerisinde jelleştikten sonraki görüntüsü.

Şekil 4.4. C16H31OVEVE peptid amfifile ait AFM görüntüleri.

NANO

FİBER

LER

Şekil 4.5. Farklı üretim yöntemleriyle elde edilen peptid amfifil nanofiberler

32 MAYIS 2011

33N@nobülten 13

ELEKTROEĞİRME

Nanofiberler, çekme, kalıp sentezi, faz ayrımı, kendiliğinden moleküler düzenlenme ve elektro-eğirme gibi çok farklı fabrikasyon yöntemleriyle üretilebilirler. Diğer yöntemlerin yanında, elektro-eğirme yöntemi çok farklı polimer çözeltileri ve eriyiklerinden nanofiber üretilmesinde basit ve çok yönlü bir teknik olduğu için son yıllarda ön plana çıkmıştır. Bu yöntemde, polimer uygun bir çözücüde çözülür veya ısı ile eritilir ve bir şırınga içine nakledilir. Daha sonra ise polimer çözeltisine/eriyiğine ve şırınganın açık ucunun yakınındaki bir toplayıcı levhaya yüksek gerilim (50 kV’ya kadar) uygulanır. Sonuç olarak toplayıcı levhada oluşan ağımsı yüzeyde çapları 30 nm’den 1 mikronun üzerindeki değerlere kadar değişen fiberler üretilebilmektedir.

Elektroeğirme

1. Elektroeğirmenin Tarihçesi

Elektro üretim işlemi yeni bir teknoloji değildir. Bu işlem 1600’lü yıllarda, William Gilbert’in manyetizma üzerine çalışmalarını sürdürürken tesadüfi bir şekilde elektro-manyetizmanın sıvılar üzerine etkisini gözlemlemesiyle ortaya çıkmıştır. Çalışmasında bir su damlasının elektriksel olarak kuru bir yüzeyden belli bir mesafede, bir koni biçiminde çekildiğine işaret etmiştir. İşte bu, elektrosprey ve elektro üretim işlemi tarihinin başladığı noktadır.

1882’de Lord Rayleigh, elektrik yüküne sahip damlaların elektro-üretim sırasında gösterdiği düzensiz hareketler üzerinde çalışmıştır. Rayleigh yalıtılmış bir yüklü damlacığın kararlılığı üzerine teorik bir çalışma yapmış ve yükün kararlılığını sağlayan yüzey geriliminin üstünde bir değer aldığında damlacığın kararsız bir hale geldiğini ve parçalanmanın gerçekleştiğini gözlemlemiştir. Elde ettiği sonuçlara göre; damla üzerine etkiyen iki kuvvetten biri elektrik kuvveti, diğeri ise elektrik kuvvetine tam zıt yönde damlayı etkileyen yüzey gerilimi kuvvetidir. Elektrik kuvvetinin yüzey geriliminden kaynaklanan kuvveti yendiği anda ise damla ince jetlere ayrılarak akmaya başlamaktadır.

Elektro üretim yöntemiyle fiber üretimine dair ilk patent 1934 yılında Anton Formhals (US Patent, 1-975-504) tarafından alınmıştır. Formhals’ın icadı sıvılar üzerindeki elektriksel alan kullanımı ile suni ve sentetik filament üretiminin bir tasarımıydı. Formhals, polimer filamentlerinin üretimi için elektrostatik kuvvetin kullanıldığı bir sistem geliştirmiştir. Bu çalışmada selüloz asetatın polimer çözeltisi elektrik alana maruz bırakılmış ve çözelti, selüloz asetatın etilen glikolde çözünmesiyle hazırlanmıştır. Zıt kutuplara sahip elektrotlar arasında yol alan polimer çözeltisinden filamentler elde edilmiştir.

Arş. Gör. Soner ÇakmakNanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Doktora

ELEK

TROEĞİ

RME

34 MAYIS 2011

Çalışmada, elektrotlardan biri çözeltinin içerisine konurken diğeri de hareketli toplayıcıya monte edilmiş ve elektrik yüklü fiberler hareketli plaka üzerinde toplanmıştır. Bu işlem için gerekli gerilim, çözeltinin yapısına bağlıydı ve bu yapıyı ise esas olarak polimerin moleküler ağırlığı ve viskozitesi belirlemekteydi. Küçük deliklere sahip şırıngalar metal alaşımların delinmesiyle elde edildi. Şırınga uçlarının şekilleri düzensiz akış problemlerini engelleyecek şekilde tasarlandı ve bu uçlar eş, hafif eğimli ve yuvarlak çapraz kesitlere sahipti. Formhals’ın patentinde gereken potansiyel farkın çözeltinin özelliklerine bağlı olduğunu, bu özelliklerin ise polimerin moleküler ağırlığı ve viskozitesi gibi parametreler olduğunu ifade etmiştir.

Formhals, potansiyel fark olarak 5-10 kV uygulamıştır. 1939’da sistem, şırınga ile toplayıcı arasındaki mesafenin ayarlanabildiği bir şekilde tekrar tasarlandı. Çünkü mesafe kısa tutulduğu takdirde çözücünün tam olarak buharlaşmaması sebebiyle fiberler birbirlerine ve plakaya yapışma eğilimi göstermekteydi. Hareketli toplayıcı plaka sayesinde fiberlerin tamamen kurumasına imkân tanıyacak mesafe sağlanabiliyordu.

!Şekil 1.1. Taylor konisinde oluşan yarı konik açısı.

1960’lı yıllarda Taylor tarafından yapılan çeşitli çalışmalarda, elektriklenmiş sıvıların temel teorik prensipleri açıklanmıştır. Bu çalışmalardan bir tanesinde, iki sıvı arasındaki koni ara yüzün elektrik alan içerisinde dengede olduğu gösterilmiştir. Elektrik alan etkisi altında sıvı yüzeyi yüklenir ve karşılıklı yüklerin birbirlerini itmesi ile dış bir kuvvet oluşur. Eşik değerini geçtikten sonra elektrostatik kuvvetle, sıvı damlacığı bir koni şeklini alır ve fazla yükler koninin ucunda oluşan yüklenmiş jetten dışarı çıkar (Şekil 1.1). Taylor, elektriksel kuvvetin yüzey gerilimine eşit olduğu bu kritik noktada koni oluştuğunu ve bu koninin yarım açısını 49.3º olarak hesaplamıştır. Bu hesapları yaptığı deneylerle uygunluk göstermiştir.

35N@nobülten 13

Taylor tarafından geliştirilen teoride, bir elektrik alan içindeki viskoz damladan ince fiberlerin oluşması, elektriksel kuvvetler tarafından yüklenen sıvı yüzeyindeki maksimum karasızlıktan dolayı gerçekleştiği açıklanmıştır. Yüksek voltajlarda küresel bir damla oluşur ve kritik noktada viskoz damlanın yarıküresel sekli bozularak jet oluşumundan önce koni seklini alır. Koni ucundan taban çizgisi arasında ~50 derecede yarı dikey açı vardır. Elektriksel kuvvetlerin etkisi altında, viskoz akışkanın yüzey kıvrımlığı değişir. Bu sırada yüzey gerilimi elektriksel kuvvetlere karşı koyan tek kuvvettir.

1990’lı yılların ortalarına doğru Reneker ve grubunun elektro üretim işlemi üzerine çalışmaya başlamasıyla birçok araştırmacı da bu konu üzerine yoğunlaşmıştır.

ELEKTROEĞİRME

2. Elektroeğirme Teorisi

Polimer esaslı nanofiberlerin üretimi için en etkin yöntem electrospinning (elektroeğirme) yöntemidir. Elektroeğirme, akışkanlar dinamiği, polimer kimyası, temel fizik, elektrik fiziği, makine ve tekstil mühendisliği disiplinlerini barındıran multi disipliner bir yöntemdir. Elektro üretim yöntemi için gerekli deney düzeneği temel olarak önemli üç ana parçadan oluşmaktadır (Şekil 2.1); (i) yüksek voltaj güç kaynağı, (ii) besleme ünitesi (şırınga, metal iğne vb.) ve (iii) toplayıcı (iletken plaka, döner silindir vb.).

!

Şekil 2.1. Basit bir elektroeğirme düzeneği.

36 MAYIS 2011

Bu yöntemde, polimer uygun bir çözücüde çözülür veya ısı ile eritilir, ucunda küçük bir delik bulunan cam bir pipetin veya şırınganın içine yerleştirilir. Daha sonra polimer çözeltisi/eriyiği ile pipetin açık ucunun karşısındaki bir toplayıcı levha arasına 50 kV’a kadar gerilim uygulanır. Besleyici ünitedeki iğnenin ucunda asılı durumda duran polimer çözelti damlası kritik bir voltaj değerine kadar, yüzey geriliminin uyguladığı kuvvetlerden dolayı, küresel bir biçimde bulunur. Uygulanan potansiyel fark bir eşik değerine ulaştığı anda, elektrostatik kuvvetler yüzey gerilimi kuvvetlerine eşitlenir. Bu noktada polimer damlası şekil değiştirerek koni biçimini alır. Bu koniye Taylor konisi denir (Şekil 2.2)

!

Şekil 2.2. Şekilde polimer çözeltisi damlasının artan voltaj etkisiyle yarı küresel damladan (a), Taylor konisine geçişi (b,c), Taylor konisindeki şekli (d) ve Taylor konisinden bir jet halinde çıkısı verilmiştir.

Polimer damlası Taylor konisi halini aldıktan sonra voltajdaki çok küçük bir artışla birlikte koni ucundan bir jet fışkırır (e). Jet toplayıcı levha ile metal iğne ucu arasında ilerlerken farklı yollar izler. Yüklenen jet Taylor konisinden çıktıktan sonra belli bir mesafede kararlı bir şekilde hareket eder. Daha sonra jette kararsızlık hali belirir. Kullanılan polimerin çözeltisi veya eriyiğinin özelliğine ve sistem değişkenlerine bağlı olarak değişebilen üç kararsızlık hali mevcuttur. Jet bu kararsızlık hallerinden sadece birini gösterebileceği gibi üç kararsızlık halini de gösterebilir.

Bu kararsızlık halleri;i) Klasik Rayleigh kararsızlığı,ii) Eksenel simetrik elektrik alan akımlanması,iii) Whipping kararsızlığı

olarak açıklanmış ve matematiksel olarak modellenmiştir.

ELEK

TROEĞİ

RME

37N@nobülten 13

Şekil 2.3. Whipping kararsızlığı ve Taylor konisi.

Elektro üretim işleminde en çok görünen kararsızlık hali whipping’dir (Şekil 2.3). Whipping oluşumunun nedeni, jet yüzeyindeki yüklerin karşılıklı olarak birbirlerini itmesi ile meydana gelen ve yüklerin bir arada olamamalarından dolayı jette merkezden radyal bir şekilde tork oluşmasıdır. Jet toplayıcı plakaya yaklaştığında ise ana jetten ayrılan küçük jetler meydana gelir. Bu küçük jetlerin oluşmasının nedeni ise radyal yüklerin birbirini itmesi sonucu ana jetten ayrılması olarak izah edilmiştir. Jet yeterince inceldiğinde ve viskoelastik kuvvetler yeterince sönümlendiğinde yeni whipping karasızlıkları oluşur. Bu kararsızlık haline ikinci whipping kararsızlığı denir.

!

3. Elektroeğirmeyi Etkileyen Parametreler

Elektroeğirme ve fiberleri etkileyen parametreler; polimer çözeltisi parametreleri ve uygulanan voltaj, sıcaklık, toplayıcı ve dış etkenleri içeren işlem parametreleri olarak ikiye ayrılabilir. Bu parametrelerin anlaşılmasıyla, farklı şekiller ve düzenlerde fibröz yapıların eldesi için uygun tasarımlar yapılabilmektedir. Ayrıca bu parametreler değiştirilerek farklı morfolojilerde nanofiberler üretmek mümkündür.

ELEKTROEĞİRME

38 MAYIS 2011

Polimer çözeltisinin özellikleri, elektroeğirme işlemi ve elde edilen fiber morfolojisini en çok etkileyen parametrelerdir. Yüzey gerilimi, fiber uzunluğu boyunca boncuk oluşumunda önemli bir rol oynar. Çözeltinin viskozitesi ve elektriksel özellikleri, Taylor konisi ucundan çıkan polimer jetin uzamasını belirler ve bu özelliklerin elde edilen fiberlerin çapları üzerinde önemli bir etkisi vardır.

ELEK

TROEĞİ

RME 3.1. Polimer Çözeltisi Paramatreleri

Çözeltinin viskozitesini etkileyen faktörlerden biri de polimerin molekül ağırlığıdır. Genellikle, yüksek molekül ağırlığına sahip bir polimer bir çözücü içerisinde çözüldüğünde, bu çözeltinin viskozitesi daha düşük molekül ağırlıklı aynı polimerin aynı çözücü içerisinde oluşturulan çözeltisinden daha yüksektir. Fiberlerin elektroeğirme yöntemiyle oluşturulabilmesi için çözelti, yeterli molekül ağırlığına sahip bir polimerden oluşmalı ve aynı zamanda çözeltinin yeterli viskoziteye sahip olması gerekmektedir. Elektroeğirme işlemi sırasında polimer jeti şırınga ucunu terk ettikten sonra polimer çözeltisi toplayıcı tabakaya doğru ilerlerken gerilir ve uzar. Bu uzama sırasında polimer zincirlerinin birbirlerine dolanması ile bu jetin kopması engellenir ve böylece sürekli bir çözelti jeti muhafaza edilir. Dolayısıyla, monomerik çözeltilerden elektroeğirme yöntemiyle fiber eldesi mümkün değildir.

Polimerin molekül ağırlığı, polimer zincirlerinin uzunluğunun göstergesidir ve aynı zamanda molekül ağırlığı çözeltinin viskozitesini belirleyen önemli bir parametredir. Çözelti viskozitesini artırmanın bir diğer yolu polimer derişimini artırmaktır. Molekül ağırlığının artırılmasına benzer olarak, derişimin artırılmasıyla polimer zincirlerinin birbirlerine dolanması artırılmış olur ve neticede elektroeğirme sırasında oluşan polimer jetin sürekliliği de sağlanmış olur.

Polimer zincirlerinin birbirlerine dolanması, elektroeğirme jetinin ya küçük damlacıklara ayrılması ya da elde edilen fiberlerin boncuklar içermesi üzerinde çok önemli bir etkisi vardır. Dolayısıyla, elektroeğirme için minimum zincir dolanması (chain entanglement) ve viskozite gereklidir. Fakat viskozite çok yüksek olursa, bu sefer de çözeltiyi şırınga ucuna doğru pompalamak çok zorlaşacaktır. Aynı zamanda, çözelti bu yüksek viskozite nedeniyle elektroeğirme işlemi başlamadan önce şırınga ucunda kuruyabilir.

3.1.1. Molekül Ağırlığı, Çözelti Viskozitesi ve Derişimi

39N@nobülten 13

Birçok çalışma göstermiştir ki boncuk içermeyen fiberlerin eldesinde her polimer çözeltisi için minimum bir viskoziteye ihtiyaç vardır. Düşük bir viskozitede, toplayıcı üzerinde biriktirilmiş fiberler boyunca boncuklara rastlamak olasıdır. Viskozite artırıldığında, oluşan bu boncukların küresel formdan daha yassı bir forma geçtikleri gözlemlenmiştir. Düşük viskozitede, çözücü moleküllerinin fazlalığı ve daha az zincir dolanması, elektroeğirme sırasında fiberler boyunca boncuk oluşmasında yüzey geriliminin baskın bir etkisi olduğu anlamına gelir. Viskozite artırıldığında, ki bu daha fazla miktarda zincir dolanması demektir, elektroeğirme jeti üzerindeki yükler çözeltinin tamamıyla gerilmesi ve uzamasını sağlayabilecektir. Viskozitenin artırılması aynı zamanda elde edilen fiberlerin çapını da artırır.

Çözelti ile jet üzerindeki yüklerin etkileşimi elde edilen fiberlerin çap dağılımını belirler. Elektroeğirme işlemi sırasında, ana polimer jet üzerinden daha küçük çapta fiber elde edilen ikincil bir jet oluşabilir. Bu da bazı durumlardaki fiber çap dağılımında görülen farklılıkları açıklayabilir. Fakat, eğer çözeltinin viskozitesi yeterli yükseklikte ise, bu ana jet üzerinden ikinci bir jetin oluşumunu engelleyerek daha büyük çapta fiber eldesine neden olur.

Yüksek derişimin bir diğer etkisi ise fiberlerin daha düşük biriktirme alanında elde edilmesidir. Derişimin artırılması çözelti viskozitesinin yükseltildiği anlamına gelir ve bu da bükülme kararsızlığının (bending instability) şırınga ucunun çok daha uzaklarında gerçekleşmesine neden olur. Bu durumda, jetin izlediği dairesel yörüngenin çapı azalır ve neticede daha düşük bir alana yayılır.

Koski ve ark. yaptığı çalışmada, polivinil alkolün (PVA) molekül ağırlığının fiber yapısı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bu çalışmada PVA’nın molekül ağırlığı 9000 ile 186,000 g/mol arasında değiştirilmiş ve araştırmacılar molekül ağırlığının artırılmasıyla boncuk oluşumunun giderildiğini aynı zamanda fiberler çaplarında artış olduğunu gözlemlemişlerdir (Şekil 3.1).

ELEKTROEĞİRME

!

Şekil 3.1. Farklı molekül ağırlıklarında elde edilen elektroeğirilmiş fiberlerin SEM fotoğrafları. (a) 9000-10,000 g/mol; (b) 13,000-23,000 g/mol; (c) 31,000-50,000 g/mol (çözelti derişimi ağırlıkça % 25).

40 MAYIS 2011

Elektroeğirmenin başlaması için yüklü çözeltinin kendi yüzey gerilimini aşması gerekmektedir. Oluşan polimer jeti, toplayıcıya doğru hareket ederken yüzey gerilimi jet boyunca boncuk oluşumuna neden olabilir. Yüzey geriliminin akışkanın birim kütlesi başına yüzey alanını düşürücü bir etkisi vardır. Eğer çözelti içerisinde yüksek derişimde çözücü molekülleri bulunuyorsa, bu çözücü molekülleri kendi yüzey gerilimlerini azaltmak için bir araya gelerek küresel formda boncuklar oluştururlar. Yüksek viskozite, çözücü-polimer molekülleri arasında daha fazla etkileşimin olduğu anlamına gelir ve çözelti yüklerin etkisiyle gerilir ve uzarken çözücü molekülleri bir araya gelmiş polimer zincirleri arasında dağılma eğiliminde olur bu da çözücü moleküllerinin yüzey gerilimi etkisiyle bir araya gelme olasılığını düşürür (Şekil 3.2).

Etanol gibi çözücüler düşük yüzey gerilimine sahiptir ve düzgün fiberler eldesi için eğirme çözeltilerine eklenebilirler. Yüzey gerilimini düşürmenin bir diğer yolu ise çözeltilere yüzey aktif maddelerin eklenmesidir. Yüzey aktif maddelerin eklenmesiyle daha eş fiberlerin elde edildiği bulunmuştur.

Şekil 3.2. [A] Yüksek viskozitede, çözücü molekülleri bir araya gelmiş polimer zincirleri arasında dağılmıştır. [B] Düşük viskozitede, çözücü molekülleri yüzey geriliminin etkisiyle bir araya gelirler.

ELEK

TROEĞİ

RME 3.1.2. Yüzey Gerilimi

3.1.2. Yüzey Gerilimi

Elektroeğirme, çözelti üzerindeki yüklerin birbirlerini itmesiyle polimer jetin gerilmesi ve uzaması prensibine dayanır. Dolayısıyla eğer çözeltinin iletkenliği artarsa, elektroeğirme jeti tarafından daha fazla yük taşınır. Çözeltinin iletkenliği içerisine iyonların eklenmesiyle artırılabilir. Daha önce de bahsedildiği gibi çözelti tam olarak gerilemediğinde boncuk oluşumu gerçekleşecektir. Neticede, çözeltiye az bir miktar tuz ya da polielektrolit eklendiğinde artan yükler sayesinde polimer jetin uzaması artacaktır. Sonuçta da düzgün fiber eldesi sağlanır.

41N@nobülten 13

Ayrıca polimer jetin uzamasındaki artışla daha küçük çaplı fiberler elde edilir. Tuzların eklenmesi çözeltinin iletkenliğini artıracağı için, fiber eldesi için gerekli olan kritik voltaj değeri de düşecektir. Yük artışının bir diğer etkisi de, yüklerin birbirlerini itmesiyle meydana gelen bükülme kararsızlığının şırınga ucuna daha yakın bir yerde başlamasıdır. Bu nedenle fiberlerin toplayıcı üzerinde biriktirildiği alan artar.

Çoğu organik çözücü yalıtkan olarak bilinse de bunlar belirli bir oranda iletkendirler. Yüksek elektriksel iletkenliğe sahip çözücülerin kullanılmasıyla boncuk içermeyen düzgün fiberler elde edilirken sıfır elektriksel iletkenliğe sahip çözeltilerde fiber oluşumu gözlenmez. Elektroeğirmede sıklıkla kullanılan bazı çözücülerin elektriksel iletkenlikleri Çizelge 3.1’de gösterilmiştir.

Çizelge 3.1. Bazı çözücülerin elektriksel iletkenlikleri.

ELEKTROEĞİRMEÇözücü İletkenlik

(mS/m)

1,2-Dikloroetan 0.034

Aseton 0.0202

Diklorometan/

Dimetilformamid (40/60)

0.505

Diklorometan/

Dimetilformamid (75/25)

0.273

Dimetilformamid 1.090Distile Su 0.447

Etanol 0.0554

Etanol (% 95) 0.0624

Metanol 0.1207

Propanol 0.0385

Tetrahidrofuran/Etanol (50/50) 0.037

42 MAYIS 2011

Bir çözücünün dielektrik sabiti elektroeğirme işlemi üzerinde önemli bir parametredir. Genellikle, yüksek dielektrik sabitine sahip bir çözücünün kullanılması boncuk oluşumunu ve elde edilen fiberin çapını azaltır. Daha düzgün morfolojide fiber eldesi için polimer çözeltisine N,N-dimetilformamid gibi dielektrik sabiti yüksek çözücüler eklenebilir. Yüksek dielektrik sabitine sahip çözücüler kullanıldığında elektroeğirme jetinin bükülme kararsızlığı da artar. Bu aynı zamanda polimer jetin kat edeceği yolu da artırarak fiberlerin çaplarını da düşürür. Elektroeğirmede sıklıkla kullanılan bazı çözücülerin dielektrik sabitleri Çizelge 3.2’de gösterilmiştir.

Çizelge 3.2. Bazı çözücülerin dielektrik sabitleri.

ELEK

TROEĞİ

RME 3.1.4. Çözücü Dielektrik Sabiti

Çözücü Dielektrik sabiti2-Propanol 18.3

Asetik Asit 6.15

Aseton 20.7

Asetonitril 35.92-37.06

Kloroform 4.8

Diklorometan 8.93

Dimetilformamid 36.71

Etil asetat 6.0

Etanol 24.55

Metanol 32.6

Piridin 12.3

Tetrahidrofuran 7.47

Toluen 2.438

Trifloroetanol 27.0

Su 80.2

Çözücünün seçimi fiber oluşumu ve fiber gözenekliliği üzerinde etkili bir parametredir. Polimer jetin şırınga ucundan toplayıcıya doğru hareketi sırasında yeterli çözücü buharlaşmasının gerçekleşmesi için elektroeğirme işleminde uçucu çözücülerin kullanılması gerekmektedir. Bu sayede elde edilen fiberlerin kat ettikleri yol boyunca çözücü buharlaşır ve nihai ürün olan fiberler elde edilir. Ayrıca çözücünün tam olarak buharlaşmaması toplayıcı üzerindeki fiberlerin birbirlerine yapışmasına neden olur.

3.1.4. Çözücü Dielektrik Sabiti

43N@nobülten 13

ELEKTROEĞİRME

Şekil 3.3. Farklı THF/DMF oranlarında elde edilen PS fiberlerin FESEM görüntüleri. (a) % 100 THF; (b) % 75/25 THF/DMF; (c) % 50/50 THF/DMF; (d) % 100 DMF.

Megelski ve ark. farklı dimetilformamid (DMF) ve tetrahidrofuran (THF) oranları içeren çözeltilerden elektroeğirme yöntemiyle elde edilen polistiren (PS) fiberlerin yapısal özelliklerini araştırmışlardır. Bu araştırmacılar, % 100 THF içeren (DMF’ye göre daha uçucu) çözeltilerden eğirilen fiberlerin yüksek yoğunluklu gözenekler içerdiğini ve fiberlerin yüzey alanların fiber çaplarına bağlı olarak % 20-40 arttığını gözlemlemişlerdir. % 100 DMF içeren çözeltilerden eğirilen fiberlerde ise gözenekli yapının oluşmadığını belirlemişlerdir (Şekil 3.3).

Elektroeğirme işlemini etkileyen diğer parametreler ise elektroeğirme jetine uygulanan çeşitli dış faktörlerdir. Bunlar; uygulana voltaj, çözelti akış hızı, şırınga ucunun çapı ve şırınga ucu/toplayıcı arasındaki uzaklıktır. Bu parametrelerin elde edilen fiber morfolojisi üzerinde etkileri varsa da çözelti parametrelerine göre etkileri daha azdır.

3.2. İşlem Parametreleri

44 MAYIS 2011

ELEK

TROEĞİ

RME

Polimer çözeltisine uygulanan voltaj, elde edilen fiberlerin morfolojileri ve çapları üzerinde etkilidir. Polimer çözeltisinden elektroeğirme jetinin oluşabilmesi için minimum bir voltaja ihtiyaç vardır. Genellikle bu minimum voltajda elde edilen fiberlerin yapısında boncuklar bulunmaktadır. Dolayısıyla voltajı belirli bir seviyeye kadar artırarak hem bu boncuk oluşumu engellenebilir aynı zamanda belirli bir seviyeye kadar da fiberlerin çaplarında düşme gözlemlenir. Deitzel ve ark. PEO/su sistemi üzerinde çalışmışlar ve voltajı artırdıklarında şırınga ucunda oluşan Taylor konisinin ve fiber jetin şeklinin değiştiğini görmüşlerdir. Düşük voltajda, Taylor konisi pendant damlacığın ucunda oluşurken, voltaj artırıldığında bu damlacığın hacminin Taylor konisi kapiler uçta oluşuncaya azaldığı gözlemlenmiştir (Şekil 3.4).

3.2.1. Uygulanan Voltaj

Şekil 3.4. Uygulanan voltajın Taylor konisi üzerindeki etkisi.

!

Şekil 3.5. Uygulanan voltajın fiber çapı üzerine etkisi.

Katti ve ark. yaptığı çalışmada ise uygulanan voltajın elde edilen nanofiberlerin morfolojileri ve çapları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu çalışmada uygulanan elektriksel alan kuvveti 0.375 kV/cm ile 1.5 kV/cm arasında değiştirilmiş ve 0.375 kV/cm voltajın fiber jetin oluşması için gerekli minimum voltaj olduğu belirlenmiştir. Voltaj artışının belirli bir seviyeye kadar fiber çapında düşüşe neden olduğu fakat bir seviyeden sonra fiber çapında bir değişim olmadığı gözlemlenmiştir (Şekil 3.5).

45N@nobülten 13

ELEKTROEĞİRME

Polimer çözeltisi akış hızı fiber çapını ve şeklini etkilediği gibi fiber porozitesi üzerinde de etkilidir. Çalışmaları sonucunda Taylor, çözelti akışı şırıngayı terk eden fiber jetiyle yer değiştirecek bir hızda değilse şırınga ucundaki koninin şeklinin korunamadığını gözlemlemiştir. Megelski ve ark. akış hızının polistiren/tetrahidrofuran çözeltisinden elde edilen fiberlerin yapısı üzerine etkisini incelemişlerdir. Bu çalışmada, akış hızı artışıyla hem fiber çapının hem de fiber üzerindeki gözeneklerin çaplarında bir artış belirlemişlerdir. Aynı zamanda, yüksek akış hızlarında polimer jetin tam olarak kuruyamamasına bağlı olarak fiberlerin üzerinde boncukların varlığı ve fiber yapılarının küresel formdan yassı forma geçtiği tespit edilmiştir.

3.2.2. Çözelti Akış Hızı

Şırınga ucu/toplayıcı arasındaki uzaklık diğer parametrelere göre daha az etkili olsa da fiber çapının belirli oranlarda düşmesine neden olur. Doshi ve Reneker bu uzaklığın artmasıyla fiber çapının düştüğünü bulmuşlardır. Bir başka çalışmada, Jaeger ve ark. polietilen oksit/su çözeltisinden fiberler elde etmişler ve şırınga ucu/toplayıcı arasındaki uzaklığın 1 cm’den 3.5 cm’ye artırıldığında fiber çaplarının 19 μm’den 9 μm’ye düştüğünü bulmuşlardır. Ayrıca Megelski ve ark. bu uzaklığın kısa olduğu durumda fiberlerin tam olarak kuruyamamasından dolayı yapılarında boncuklar içerdiğini gözlemlemişlerdir.

3.2.3. Şırınga Ucu/Toplayıcı Arasındaki Uzaklık

Kullanılan pipet/iğne çapı da diğer işlem parametreleri gibi ikincil önemde olsa da çap değişimi, fiber morfolojisi ve çapı üzerinde etkilidir. Daha küçük çapta iğne kullanımıyla fiberler üzerindeki boncukların sayısında azalma gözlenir. Ayrıca iğnenin çapındaki düşüş nedeniyle daha küçük çapta fiberler elde edilir. İğne ucundaki damlacığın çapı düştüğünde, damlacığın yüzey gerilimi artar. Daha büyük çaptaki iğneye uygulanan voltaj, küçük çaplı iğne ucuna uygulandığında fiber jetin oluşması için daha yüksek kolombik kuvvet gereklidir. Neticede, jet hızı azalır ve fiberlerin toplayıcıya ulaşmadan önce daha uzun bir yol kat ederek gerilmesi ve uzaması devam eder. Bu da fiber çapında bir düşüşe neden olur. Fakat, çap çok küçük olursa iğne ucunda tıkanmalar meydana gelir ve elektroeğirme işlemi gerçekleştirilemez.

3.2.4. Kullanılan Pipet/İğne Çapı

KAYNAKLAR1. Nain, A. S., Amon, C., Sitti, M., Proximal Probes based Nanorobotic Drawing of Polymer Micro/Nanofibers.2.Feng, L., Li, S., Li H., Zhai, J., Song, Y., Jiang, L., Zhu, D., Super-hydrophobic Surface of Aligned

Polyacrylonitrile Nanofibers, Angew. Chem. Int. Ed., 41, s.1221, 2002.3.Cepak, V. M., Martin, C. R., Preparation of Polymeric Micro- and Nanostructures Using a Template-Based

Deposition Method, Chem. Matter., 11, s.1363, 1999. 4.Ma, P. X., Zhang, R., Synthetic Nano-Scale Fibrous Extracellular Matrix, J. Biomed. Mater. Res., 46, s.60, 1999.5.Gümüşderelioğlu, M., Maviş, B., Karakeçili, A., Kahraman, A. S., Çakmak, S., Tığlı, S., Demirtaş, T. T., Aday, S.,

Doku Mühendisliğinde Nanoteknoloji, TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi Yeni Ufuklara Eki, Ekim 2007.6.Cui, H., Webber, M. J., Stupp, S. I., Self-Assembly of Peptide Amphiphiles: From Molecules to Nanostructures

to Biomaterials, Peptide Science, 94, s.1, 2009.7.Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W-E., Lim, T-C., Ma, Z., An introduction to Electrospinning and Nanofibers,

World Scientific Publishing Co., 2005.

DOKU

MÜH

ENDİ

SLİĞİ

Arş. Gör. Zeynep Karahaliloğlu

Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Doktora

46 MAYIS 2011

Doku Mühendisliğinde Nanoteknolojik Yaklaşımlar

Doku mühendisliği ve rejeneratif tıp fonksiyonunu kaybetmiş ya da hasarlı dokuları iyileştirmek, korumak için biyolojik yapılar geliştirmeyi amaçlar. Doku mühendisliğinin bileşenleri hücreler, doku iskeleleri, biyosinyaller ve hücrelerin biyolojik çevrelerini taklit eden biyoreaktörlerdir. Bu bileşenler içerisinde hücreyi gerçek bir dokuya götürmek için taslak vazifesi görecek ‘’doku iskelesi’’ diğer adıyla scaffold en önemli bileşenlerdendir. Doku iskelesi ekstraselülar matriksi (ECM) taklit edecek biçimde tasarlanan yapay bir hücre dışı matriks olarak düşünülebilir. Doku iskeleleri, hücreler için uygun yapışma yüzeyi oluşturmalarının yanı sıra, mekanik dayanım sağlamakta, fizyolojik ve biyolojik değişikliklere cevap vermek için çevre doku ile etkileşimin kurulmasına yardımcı olmakta; ayrıca gerçek hücre dışı matriksin yeniden oluşumuna katkıda bulunmaktadır.

Doku mühendisliği ve rejenaratif tıbba olan ilgi her geçen gün artarken, önemli bir araştırma konusu geleneksel implantlarda oluşan birçok soruna çare olacak alternatif materyaller geliştirmektir. Nanoteknoloji ya da boyutları 100 nm’den daha küçük dediğimiz nanomalzemeler doğal dokunun özelliklerini (örneğin topografi, enerji) taklit edebilmektedirler. Bu sebepten dolayı geleneksel doku mühendisliği materyallerinin iyileştirilmesi açısından nanomalzemeler büyük umut vaat etmektedir. Nanomalzemeler konvansiyonel materyallere kıyasla (mikron boyutlu yapılar) mekanik, elektriksel, optik, manyetik, katalitik açıdan daha üstün özelliklere sahip o l m a k l a b i r l i k t e h ü c r e s e l biyouyumlulukları daha yüksektir.

Hücrelerimize baktığımızda genelde 10 mikrondan büyük boyuttadırlar ve doku iskeleleri de 100 µm üzerindeki boyutsal ayrıntılara sahiptir. Fakat dokunun işlevsel birimlerinin oluşturmak için hücresel boyutun altında yapılar (0.1-10 µm arası) ve nanoyapılar (1-100 nm) gereklidir. Böylelikle hücresel çevre, hücre-hücre ve hücre-molekül etkileşimleri kontrol edilebilir.

47N@nobülten 13

DOKU MÜHENDİSLİĞİ

Adsorblanan proteinlerin konformasyonu değişebilir ve böylece yeni bağlanma bölgeleri ortaya çıkabilir. Ayrıca 10-50 um’lik mikrolifler hazırlandığında 5-30µm çapındaki hücrelerle aynı boyutta olmaktadır. Lifler üzerine yapışan hücreler iki boyutlu çevrede yer alır. Gözenek boyutu da sinyal moleküllerinden yaklaşık 1000-10000 kat daha büyüktür. Biyomalzemelerden böylece kolayca difüze olup moleküler yoğunluk farkı engellenir. Gözenekler hücreden küçük olduğundan gerçek ekstraselülar matriks gibi hücreleri sarar. Nanomateryalin biyoaktif yüzeyi doğal kemiği taklit etmektedir. Örneğin kemik protein bazlı yumuşak hidrojel (kollajen, laminin, fibronectin gibi non-kollajen proteinler) ve sert inorganik komponentler içeren (hidroksiapatit-HA) içeren bir nanokompozittir. Kemik matriksinin yüzde 70’ini oluşturan hidroksiapatit 20-80 nm uzunluğunda ve 2-5 nm kalınlığındadır. Bu nedenlerden dolayı protein adsorbsiyonu ve yeni kemik oluşumunu simüle etmesi açısından nano yapıdaki malzemeler konvansiyonel materyale kıyasla daha yeteneklidirler.

1)Doku Mühendisliğinde Nanofibriler Yapılar

Nanofabrikasyon teknikleriyle ECM’yi en iyi biçimde taklit edebilecek doku iskeleleri geliştirilirken doğal ECM nin en temel yapı taşı olan kollajen iplikçikler temel alınarak nanofiberler üretilmektedir. Nanofabrikasyon işlemleriyle 1-1000 nm aralığında çapa ve çok yüksek yüzey alanına sahip lifler üretilebilmektedir. Örneğin 100 nm çapındaki 1 gram nanolifin yüzey alanı 1000 m2’dir. Bu nanoliflerden hazırlanan gözenekli doku iskeleleri, kusursuz yapısal ve mekanik özelliklere sahiptirler. Yüksek gözeneklilik (>%70), değişebilen gözenek boyutu, yüksek yüzey/hacim oranı nanofibriler doku iskelelerinin önemli avantajlarındandır. Nanofibriler yapıları hazırlamakta kullanılan yöntemler elektroeğirme, faz seperasyonu ve kendiliğinden düzenlenmedir. Bu yöntemler arasından elektroeğirme hızlı ve sürekli nanofiber eldesi, nanofiber üretimi için fazla ekipman gerektirmemesi, çeşitli morfolojilerde hazırlayabilme imkanı ile en yaygın olarak kullanılan yöntemdir.

!

Şekil 2. Elektrospinning Düzeneği

DOKU

MÜH

ENDİ

SLİĞİ

48 MAYIS 2011

Nanofibriler yapılardan hazırlanan doku iskelelerinin kıkırdak, kemik, ligament, deri, sinir ve damar onarımında kullanıldığı pek çok çalışma bulunmaktadır. Kemik doku mühendisliğinde bazı in-vitro çalışmalar göstermiştir ki nanofazdaki HA (tanecik boyutu 67 nm) osteoblast yapışması ve önemli ölçüde arttırırken 179 nm tanecik boyutuna sahip konvansiyel HA fibroblast adhezyonunu engellemektedir. Nanofaz seramikler üzerindeki yüksek vitronektin adsorpsiyonu nanomateryalin osteoblast yapışmasını arttırdığını açıklamaktadır.

Ramakrishna ve arkadaşlarının yaptığı bir çalışmada nörit oluşumunu hızlandıran bir ECM elemanı olan laminin elektroeğrilmiş PLLA nanofiberler ile birleştirilerek periferal sinir onarımı için biyomimetik bir scaffold yaratılmıştır. Ayrıca kendiliğinden düzenlenmiş peptit doku iskeleleri nöral hücre fonksiyonunu, nörit büyümesini ve sinirler arasındaki fonksiyonel sinaps formasyonunu desteklemektedir.

Nanofiberlerin vasküler doku mühendisliği uygulamalarına baktığımızda ise vasküler endotel hücreleri PLLA elektrospin mat üzerinde düz PLLA filme göre daha hızlı fonksiyon göstermektedir. Düz film ile kombine edilen elektrospin membranlar damar doku mühendisliği açısından tercih edilecek malzemelerdendir. Çalışmalarda kan damarını taklit etmek amacıyla elastin/polimer blendler kullanılmaktadır.

Polimerik nanofiberler terapatik uygulamalar için enkapsülasyon yetenekleri ve biyoaktif molekülleri salma yetenekleri nedeniyle araştırılmaktadır. Yüksek yüzey alanı ve kısa difüzyon yolu sebebiyle nanofiber ilaç taşıyıcı sistemler bulk materyalden daha yüksek bir salım hızı sağlar. Nanofiber içerisine ilacın enkapsülasyonu erken salımı önler. Örnek olarak 50:50 oranında PEVA/PLA’dan hazırlanan membrana bir antibiyotik olan tetrasiklin hidroklorid yüklenerek ilaç salımı incelenmiş. İlk 10-12 saatte bu membranda salımın yüksek olduğu, PEVA’dan hazırlanmış membranda sadece PLA’dan hazırlanan ve PEVA:PLA (50:50) blendinden hazırlanan membrana göre salımın yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Elektrospin PEVA membranda 120 saatte ilacın %65’inin salındığı görülmüştür.

Nanofiber elde etmede kullanılan diğer bir yöntem olan kendiliğinden düzenlenme tekniği (self assembly), herhangi bir insan müdahalesi olmaksızın komponentlerin istenen şekil ve yapılarda otonom olarak organize olmasıdır. Bu yöntemde önce küçük moleküller eşmerkezli olacak şekilde aralarında bağ oluşturarak dizilir, sonra bu moleküllerin büyük oranda birleşmesi ile nanofiberler oluşur. Yani bu tekniğin ana mekanizması, küçük birimlerin bir araya gelmesini sağlayan moleküller arası kuvvetler ve moleküllerin küçük birimlerinin şeklidir. Çünkü bu şekiller, makromoleküler nanoliflerin şeklini de belirler.

Çalışmalarda bu yöntemle hazırlanan peptit nanofibriler doku iskeleleri üzerinde sıçan hipocampal nöranları ve karaciğer projenitör hücrelerinin davranışları gözlemlenmiştir. Ayrıca RGD (arjinin-glisin-aspartik asit) hücre yapıştırıcı peptit sekanslarıyla modifiye edilerek doku iskeleleri daha işlevsel hale getirilmeye çalışılmıştır.

49N@nobülten 13

DOKU MÜHENDİSLİĞİ

Şekil 3. Kendiliğinden düzenlenme metodu ile oluşturulan nanofibriler yapılar

2) Doku Mühendisliğinde Karbon Nanotüpler

Karbon nanotüp, grafitin bal peteğini andıran atom düzleminin bir silindir üzerine hiçbir kusur oluşturmadan kesiksiz olarak sarılmış bir şekli olarak düşünülebilir.

Karbon nanotüpler 3 ayrı yöntemle sentezlenebilmektedirler: ark-buharlaşma tekniği, lazer yöntemi ve kimyasal buhar çöktürmesi. Kimyasal buhar çöktürme yöntemi içlerinde en yaygın olarak kullanılanıdır. Ancak işlem sırasında metal katalizörden kaynaklanan zehirlilik özelliğinden dolayı kullanılmadan önce saflaştırma yapılmalıdır.

Karbon nanotüplerin/nanofiberlerin üstün mekanik ve elektriksel özellikleri, onları kemik doku mühendisliği için ideal bir doku iskelesi haline getirmektedir. 60 nm çapındaki karbon nanofiberler önemli ölçüde osteoblast adhezyonunu arttırıp yarışmalı hücrelerin (fibroblast, düz kas hücresi) adhezyonu azaltırken osseointegrasyonu uyarmaktadır. CNT/CNF takviyeli polimer nanokompozitler doku rejenerasyonu için önemli bir elektriksel iletkenlik göstermektedir.

Karbon nanotüpler nöritlere benzer nanoboyutlarından hasarlı nöral doku bölgesinde nöral aktiviteyi iyileştirici ve akson rejenerasyonuna yardımcı olarak kullanılmaktadır. Örneğin yapılan bir çalışmada çok duvarlı karbon nanotüp üzerinde nöranların büyümesine bakılmış toplam nörit uzunluğunun %200, 4-hidroksinonenal kaplı MWCNT üzerinde kaplanmamışa kıyasla dal ve nörit sayısının%300 arttığı gözlemlenmiştir. Bu sonuç pozitif yüklü MWCNT üzerinde negatif yüklülere kıyasla nörit dallanmasının daha iyi olduğunu kanıtlamaktadır. Vertikal sıralanmış karbon nanofiberler ile hazırlanan nanoelektrot arrayler ince iletken polimer bir film (polypirol) ile kaplanarak elektriksel iletkenlik arttırılmaya çalışılmaktadır.

DOKU

MÜH

ENDİ

SLİĞİ

50 MAYIS 2011

Şekil 4. Karbon nanotüp/nanofiber yüzey üzerinde sinir hücresi yapışmasını gösteren SEM görüntüsü

Oluşturulan doku iskelelerinin yeterli mekanik dayanıma sahip olmaması ve farklılaşmayı uyaran büyüme faktörlerinin yeterli miktarlarda sentezlenememesi nanoparçacık teknolojisi ile doku mühendisliği tekniklerinin birleştirilmesini gündeme getirmektedir.

Boyutları 100 nm’den küçük olan bu yapılar kan dolaşımında çökelmeden hareket edebilmekte ve mikrovasküler yapılardan rahatlıkla geçebilmektedir. Bu özelliklerinden dolayı, doku mühendisliği çalışmalarında, büyüme faktörlerinin taşınması ve salımı da sıklıkla tercih edilmektedir. Yine boyutlarından dolayı hücre içine çok kolay alınabildiklerinden, hücrelerin işaretlenmesinde de nanoparçacıklar kullanılmaktadır.

Doku mühendisliğinde scaffold olarak kullanılacak düz yüzeylerde memeli hücrelerinin büyümesi ayrıcalıklı bir durum değildir (a). Litografik prosesler uygulanarak yüzeyde çukurlar, boşluklar yaratılabilir (b). Bunun dışında hücre büyümesi için yüzeyler uygun boyuta ve mekanik özelliklere sahip nanopartiküllerle donatılabilir (c). Her iki durumda da hücre yapışması, proliferasyonu ve farklılaşması düz yüzeylere kıyasla modifiye edilmiş nano yüzeylerde oldukça iyidir.

Manyetik partiküllerin doku mühendisliğinde diğer bir uygulama alanı ise manyetik partiküllerin memeli hücreleri içerisinde geliştirildikten sonra bir magnet sayesinde 3 boyutlu şeklin oluşturulmasıdır. Yani magnetin şeklinin silindir ya da tabaka şeklinde olması hücrelerin de bu şekli almasını sağlamaktadır.

3) Doku Mühendisliğinde Nanopartiküller

! !

51N@nobülten 13

DOKU MÜHENDİSLİĞİ4) Doku Mühendisliğinde Nanolitografi

Doku mühendisliğinde elektron demet litografisi, dip-pen litografi, plazma litografi ve foto litografi gibi litografik teknikler kullanılmaktadır. Yüzeyde nanoboyutta desenler oluşturularak in-vivo ortamın taklit edilmesine ve biyosinyal molekülerinin bu yüzey üzerine düzenli bir şekilde yerleştirilmesine çalışılmaktadır. Yüzeyde yaratılacak olan tüm bu değişiklikler hücre yapışması ve çoğalmasını iyileştirmeye dönük çalışmalardır.

Literatürde yapılan bir çalışmada titanyum üzerinde elektron demet evaporasyonu ile yapılan nanoboyutta patternlerin osteoblast hücreleri üzerinde etkisine bakılmış; nanoboyutta desenlerin mikron boyuta göre kontrollü bir osteoblast morfolojisi ve sıralanımı gösterdiği görülmüştür.

Litografik teknikler dışında karışımdaki polimerlerin oranı ve derişimleri değiştirilerek topografik şekiller ve boyutları kontrol edilebilmektedir. Örneğin polisitren ve poli(4-bromustiren) karışımının kullanıldığı bir çalışmada 13 nm yükseklikte adacıklara sahip yüzeylerdeki hücre yapışması ve üremesinin 95 nm yükseklikteki adacıklara sahip yüzeylere oranla daha fazla olduğu bulunmuş ve hücre iskeletinin şekillenmesinin, lamella oluşumunun ve üremeye ait genlerin ekspresyonunun nano boyuttaki topografiden etkilendiği ortaya konmuştur.

KAYNAKLAR

1. Wenjun Dong, Tierui Zhang, Joshua Epstein, Lisa Cooney, Hong Wang, Yanbin Li, Ying-Bing Jiang, Andrew Cogbill, Vijay Varadan, Z. Ryan Tian. 2007. Multifunctional Nanowire Bioscaffolds on Titanium, Chem. Mater., 19, 4454-4459

2.Fang Jian, Niu Haitao, Lin Tong, Wang Xungai ; Applications of electrospun nanofibers; 2008, Chinese Science Bulletin, 53 : 15 ,2265-2286

3.Yim Evelyn K.F., Reano Ron M., Pang Stella W., Yee Albert F., Chen Christopher S., Leonga Kam W., Nanopattern-induced changes in morphology and motility of smooth muscle cells, Biomaterials 26 (2005) 5405–5413

4.Zhang Lijie, Webster Thomas J.; Nanotechnology and nanomaterials: Promises for improved tissue regeneration; Nano Today (2009) 4, 66—80

5.Bilim ve Teknik 2007-Ekim, Doku Mühendisliğinde Nanoteknoloji 6.Smith L.A., Maa P.X. , Nano-fibrous scaffolds for tissue engineering, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 39

(2004) 125–1317.Barnes Catherine P., Sell Scott A., Boland E. D., Simpson David G., Bowlin Gary L., Nanofiber technology:

Designing the next generation of tissue engineering scaffolds, Adv Drug Deliv Rev., 2007 Dec 10;59(14):1413-33

8.Norman James J., Desai Tejal A., Methods for Fabrication of Nanoscale Topography for Tissue Engineering Scaffolds, Annals of Biomedical Engineering, Vol. 34, No. 1, January 2006 ( C _ 2006) pp. 89–101

9.Leea Chang Hun, Shina Ho Joon, Choa In Hee, Kanga Young-Mi, Kima In Ae, Park Ki-Dong, Shina Jung-Woog, Nanofiber alignment and direction of mechanical strain affect the ECM production of human ACL fibroblast, Biomaterials 26 (2005) 1261–1270

10.Vasita Rajesh, Katti Dhirendra S., Nanofibers and their applications in tissue engineering, Int J Nanomedicine. 2006 March; 1(1): 15–30.

11.Lee CH, Shin HJ, Cho IH, et al. 2005. Nanofiber alignment and direction of mechanical strain affect the ECM production of human ACL fibroblast. Biomaterials, 26:1261–70.

12.Riboldi SA, Sampaolesi M, Neuenschwander P, et al. 2005. Electrospun degradable polyesterurethane membranes: potential scaffolds for skeletal muscle tissue engineering. Biomaterials, 26:4606–15.

13.Shin M, Yoshimoto H, Vacanti JP. 2004. In vivo bone tissue engineering using meshenchymal stem cells on a novel electrospun nanofibrous scaffold. Tissue Eng, 10:33–41.

ETKİN

LİKLE

R

Etkinliğin İsmi:CANCER MODELS AND NOVELTHERAPIESTarih: 3-6 Temmuz 2011 Yer: Glaskov, İskoçyaWeb Sitesi: http://www.beatson.gla.ac.uk/Conference.html

Beatson kanser araştırmaları enstitüsü tarafından 3-6 temmuz 2011 tarihleri arasında İskoçya da yapılacak olan kongrede sinyal ve hedefleme terapileri; farmakoloji; kök hücre teknolojisi angiyogenesis ve invasyon; infamasyon vb. konu başlıkları bulunmaktadır.

Kayıtlar için son tarih 6 Mayıs olup konferans ücreti £380, konaklama ücreti £160 ‘ dur.

52 MAYIS 2011

Etkinliğin İsmi:EUROPEAN SOCIETHY OF GENE & CELL THERAPHYXIXTH ANNUAL CONGRESS Tarih: 27-31 Ekim 2011 Yer: Brighton, İngiltereWeb Sitesi:http://www.esgct.eu/congress/2011/default.aspx

Avrupa gen ve hücre terapisi derneği tarafından gerçekleştirilecek olan gen ve hücre terapisi kongresi 27- 31 Ekim 2011 tarihleri arasında İngiltere’ de gerçekleştirilecektir. Kongre konu başlıkları arasında kanser, kardiovasküler bilimler, genetik, immünoloji, viral-nonviral vektörler, kök hücre teknolojisi vb. konular bulunmaktadır. Kongre kayıt ücreti ve makale göndermek için gerekli tarihler daha sonra kongre web sitesi üzerinden yayınlanacaktır.

Yrd. Doç. Dr. Mesut ŞamAksaray Üniversitesi Biyoloji Bölümü

53N@nobülten 13

Etkinliğin İsmi:EURO NANOFORUM 2011Tarih: 30 Mayıs – 1 Haziran 2011 Yer: Budapeşte, MacaristanWeb sitesi: http://www.euronanoforum2011.eu/

Euro Nanoforum 30 Mayıs – 1 Hziran tarihleri arasında Budapeşte’ de gerçekleştirilecek. Enerji, çevre, sağlık, malzeme teknolojisi, endüstriyel güvenlik ve ticarileştirme gibi temel konu başlıklarını kapsayacak olan kongreye yaklaşık 1000 adet katılımcının gelmesi beklenmektedir. Kayıt ücreti öğrenciler için 100 Euro, diğer katılımcılar için 240 Euro olarak belirlenmiştir.

ETKİNLİKLER

Etkinliğin İsmi:NANOMATERIALS 2011Tarih: 7- 9 Haziran 2011 Yer: Londra Web sitesi: http://www.nanomaterials-conference.com/home.aspx

7- 9 Haziran 2011 tarihleri arasında Londra’da gerçekleştirilecek olan kongrede nanoteknolojinin gelecekte ekonomi ve iş çevrelerindeki önemi, market analizleri, ticari başarı hikayeleri, ar-ge sektörü, nanomateryallerin satış stratejileri, sektör ile ilgili yasal sorunlar ve nanomateryaller ile ilgili yeni proseslerin tartışılacağı konferansın katılım ücreti akademisyenler için £299, diğer katılımcılar için ise £599 olarak belirlenmiştir.

ETKİN

LİKLE

R

54 MAYIS 2011

Etkinliğin İsmi:HİBRİDOMA TEKNOLOJİSİ VE ANTİKORA DAYALI TANI SİSTEMLERİNİN GELİŞTİRİLMESİ KURSUTarih: 7- 11 Haziran 2011 Yer: Gebze Web sitesi: http://www.mam.gov.tr/urun-hizmet/gmbe-2010-egitim/hibridoma_teknolojisi.htm

Tübitak – MAM tarafından 7 -11 haziran 2011 tarihleri arasında gebze de gerçekleştirilecek olan kursta hibridoma teknolojisi ve monoklonal antikorların üretilmesi, monoklonal antikorların karakterizasyonu ve saflaştırılması, büyük ölçekte monoklonal antikor üretimi, rekombinant tekniklerle antikor üretimi ve tanı sistemleri gibi teorik derslerin yanı sıra deney hayvanları için immünizasyon yöntemleri, antiserum testleri, kanser hücre kültürü, besleyici hücrelerin kültürü, hücre füzyonu , antikorların saflaştırılması, monoklonal antikorların enzim vb. ile işaretlenmesi konularında uygulamalara’ da yer verilecektir.

Katılım ücretleri yüksek lisans ve doktora öğrencileri için 590 tl, araştırma görevlisi ve öğretim üyesi için 690 tl ve diğer katılımcılar için 800 tl olarak belirlenmiştir.

55N@nobülten 13

Etkinliğin İsmi:15. EUROPEANCONGRESS ON BIOTECHNOLOGYTarih: 23- 26 Eylül 2011 Yer: İstanbul Web sitesi: http://www.ecb15.org/

“European Federation of Biotechnology” ve “Biyoteknoloji Derneği” işbirliği ile 23 – 26 Eylül 2011 tarihleri arasında İstanbulda gerçekleştirilecek olan kongrede sağlık, tıp, endüstriyel biyoteknoloji, bitki biyoteknolojisi, çevre biyoteknolojisi, sistem biyolojisi ve teknoloji konuları işlenecek. 1000’in üzerinde katılımcının gelmesi beklenen kongrenin katılım ücreti öğrenciler için 290 diğer akademisyenler için 490 € olarak belirlenmiştir.

ETKİNLİKLER

Etkinliğin İsmi:11th International Conference on NanotechnologyTarih: 15- 18 Ağustos 2011 Yer: Oregon, ABD Web sitesi: http://ieeenano2011.org/

11.si Portland Oregon’da düzenlenecek olan Uluslararası Nanoteknoloji Konferansı elektronik malzemeler, fotonikler biyo ve medikal cihazlar, alternatif enerji, çevresel kirlilik ve elektrik elektronik gibi nanoteknolojinin birçok alt konu başlığı incelenecek.

Eğitim, Konferans ve ONAMI Sempozyumu gibi farklı oturumların düzenlendiği toplantıda katılmak istediğiniz sempozyum türüne göre detaylı katılım ücretleri ilgili web sitesinde verilmiştir.

SAXS

Nano-oluşumlar içeren malzemelerin incelenmesinde SAXS Yöntemi ve UygulamalarıSon yirmi yıldır, modern X-ışını kaynaklarının kullanılmaya başlanması ve detektör teknolojisindeki gelişmeler moleküler boyut ile mikro boyut arasında kalan yapısal farklılıkları ayrıntısı ile inceleme olanağı sağlamıştır. Bu bölgedeki yapısal incelemeler, nano-teknolojideki gelişmelere paralel olarak günümüzde büyük önem taşımaktadır.

Akısı yüksek x-ışını kaynakları ile verimi ve duyarlılığı yüksek detektörler sayesinde, incelenecek örnek içeriğinde bulunan nano boyutlu oluşumlardan saçılan yüksek şiddetli x-ışını verileri (küçük saçılma açısı bölgesinde) etkin bir biçimde, ölçülebilir hale gelmiştir. Böylece X-ışınları, katı (kristal, kristalin, film, toz, sıkıştırılmış toz v.b.) formlara sahip örnekleri incelemede kullanılırken, artık sıvı, jel, yoğun gaz gibi farklı formlara sahip örnekler ile biyolojik dokuları da incelemede kolayca kullanılabilir hale gelmiştir. Ayrıca sıcaklık ve basınca bağlı yapısal değişimler de çok kısa sürelerde zaman çözünürlü deneylerle incelenebilmektedir.

X-ışını saçılma deneylerinin en önemli üstünlüğü küçük ve geniş açı bölgelerine ait saçılma verilerinin aynı anda kaydedilebilmesi ile hem moleküler boyuta hem de nano boyuta ait yapısal bilgilere ulaşılabilmesidir. Böylece incelenecek örneğe ait faz diyagramları ve yapısal dinamikler de ayrıntısı ile araştırılabilmektedir.

X-ışını saçılma deneylerinde en zorlu evre, yapının tamamına ait elektron yoğunluğu değişiminin uygun modeller kurarak elde edilebilmesi aşamasıdır. Bu aşamada, örnekleri sentezleyen, elde eden ve farklı amaçlarla incelemek isteyen bilim insanlarının görüşlerinin/beklentilerinin bilinmesi ve güncel literatürün yakından takip edilmesi gerekir. İncelenecek her bir örnek özel bir örnektir ve her biri için özel modeller oluşturulması gerekir. Bunun için en önemli parametre zamandır. Bilinçli bir çalışma ve kaliteli veri ile ayrıntılı analizler örneğe bağlı olarak 1-6 ay içerisinde tamamlanabilir.

56 MAYIS 2011

Ilghar OrujalipoorNanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Yüksek Lisans

57N@nobülten 13

Bununla birlikte, incelenecek örneklerin üç boyutlu yapılarına ait ayrıntılı elektron yoğunluklarının elde edilmesi yerine, çok karmaşık yapıya sahip olmayan örneklerin yapılarında bulunan küresel, çubuk, plaka formundaki oluşumların sayısı, boyutları, dağılımları çok kısa sürede kolayca belirlenebilmektedir. Bunun için gereken en önemli koşul örnek içeriğinde en az iki farklı elektron yoğunluğuna sahip bölgelerin olması ve bu bölgelerin ∼1-500 nm boyutta geometrik şekillenimlerinin olması gerekir. Bu tür örneklere ait bazı yapısal içerikler Şekil 1. de görselleştirilmiştir.

Şekil 1. SAXS yöntemi ile incelenebilecek nano boyutlu oluşumlara ait bazı şekillenimler

Bu tür oluşumlar içeren malzemeler, polimerler, kompozitler, seramikler, zeolitler, jeller, katkılanmış malzemeler, sanki (kuazi) kristaller, ince filmler, biyolojik dokular, yüzey aktif bileşikler, kaplanmış manyetik nanoparcacıklar, ilaç taşıyıcı sistemler, biyolojik aktif bileşikler, v.b. olarak sıralanabilir.

Mikroskopik yöntemlerle yapılan analizlere göre, örneğin tamamına ait yapısal bilgiye ulaşma imkanı da bir diğer avantaj olarak görülmektedir.

Örneklerin miktarına, içeriğine ve formuna göre çok çeşitli örnek tutucular kullanılmakla birlikte, gerek duyulduğunda yeni örnek tutucular da tasarlanıp mekanik atölye desteği ile hazırlanabilmektedir.

SAXS

58 MAYIS 2011

Yöntem ana hatları ile X-ışını kaynağına, ışını yönlendirerek şekillendirebilecek optik elemanlara, sabit/hareketli örnek tutuculara, akış hücrelerine, vakum, sıcaklık ve basınç kontrol sistemlerine, çizgi/alan detektöre, veri kaydetme ve analiz ile ilgili yazılımlara ihtiyaç duyar. Deney sisteminin genel şeması Şekil 2. de görülmektedir.

SAXS-WAXS, SWAXS ( Küçük ve Geniş Açı Saçılma) Yöntemlerinin temelleri

Yöntemin algoritması (Şekil 3.), saçılma verisinin ters uzaya ait bilgi içermesi ve Fourier analizi ile gerçek uzaya geçişin yapılabilmesine dayanır. Böylece gerçek uzayda incelenen örneğin yapısına ait oluşum şekilleri, büyüklükleri, sayıları, uzaklık dağılımları, ara yüzey alanları ve kalınlıkları, elektron yoğunluk değerleri gibi önemli yapısal bilgilere ulaşılır.

Şekil 2. SAXS ve WAXS ölçümü ile ilgili genel şema

SAXS

59N@nobülten 13

Deney sisteminin örnek tutucu bölümüne eklenebilen akış hücresi yardımı ile bir çözelti içinde bulunan yüzey aktif bileşik sayısı artırılarak, yapıda oluşan değişiklikler, Şekil 4. de görülebildiği üzere saçılma profillerinden kolayca izlenebilmektedir.

Şekil 3. Veri analizinde kullanılan algoritma

Şekil 4. Çözeltide buluna yüzey aktif bileşiklerin (kırmızı renkli küreciklerin) sayısı artırıldıkça saçılma deseninde gözlenen değişim.

SAXS

60 MAYIS 2011

Saçılma verilerinin değerlendirilmesinde ve üç boyutlu yapının açıklanmasında Şekil 5. de ifade edilen aşamalardan geçilir.

SAXS veri analizinde izlenen yol

SAXS

61N@nobülten 13

Hacettepe Üniversitesi’nde yapılan SAXS analizleri

Hacettepe Üniversitesi, Fizik Mühendisliği Bölümü, X-ışını Laboratuvarı donanımları arasında bulunan SWAXS sistemi kullanılarak endüstriyel ve teknolojik kazanıma yol açacak pek çok önemli örneğin nano boyutta karakterizasyonları yapılabilmektedir. Ayrıca, dış etkilere bağlı olarak yapısal değişimler moleküler boyuttan nanoboyuta kadar eş zamanlı ölçümler ile incelenebilmektedir. Çalışmalar, sadece Hacettepe Üniversitesi bünyesinde sınırlı kalmayıp, Anadolu Üniversitesi, Gazi Üniversitesi, Yeditepe Üniversitesi, Yıldız Teknik Üniversitesi ve Gülhane Askeri Tıp Akademisi’nde Fizik, Kimya, Biyoloji, Diş Hekimliği, Eczacılık, Mühendislik v.b. bölümlerde görev yapan bilim insanları ile ortak bilimsel araştırmalar da yapılmaktadır.

Bu çalışmalardan bazıları aşağıda başlıklar halinde sunulmuştur.

1. Diş dolgu maddelerinin tedavi aşamasında dentin tabakasına nano boyutta tutunumunun incelenmesi.

2. Buğday ve mısır nişastalarında enzime dirençli kristalin oluşumların incelenmesi.

3. Farklı yüzey aktif bileşiklerin etkileşimi ile karmaşık şekillerde oluşturulan nano oluşumların karakterizasyonu.

4. Polimer kaplı manyetik nanoparçacıkların yapılarının ve çözelti ortamındaki davranışlarının incelenmesi.

5. Altın nanoparçacıklar üzerine DNA ve peptit tutunumu ile oluşturulan kübik nanoyapıların incelenmesi.

6. İlaç taşıyıcı sistemler için geliştirilen pH, sıcaklık ve konsantrasyona bağlı misel ve ters misel yapı oluşturabilen kopolimer yapıların analizleri.

7. Örümcek ağları, tendon yapılar, diş kesitleri v.b. biyolojik örnekler üzerine yapılan analizler.

8. Nano boyutta katkılamalarla mekanik özellikleri artırılmaya çalışılan polimer yapılar ile ilgili analizler.

9. Tek ve çok katmanlı ince filmler, sıvı kristaller ve sanki (kuazi) kristal yapılar üzerine araştırmalar.

Bu çalışmaların gerçekleştirildiği laboratuvar olanakları ile sistem kurulumu öncesinde ve sonrasında üç farklı çalıştay düzenlenerek, yöntem ve uygulamaları ile ilgili uluslararası katılımlı üç çalıştay gerçekleştirilmiştir.

Şu anda Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı bünyesinde Doktora ve Yüksek Lisans öğrencileri için SWAXS yöntemi ve uygulamaları konulu bir ders verilerek yöntemin disiplinler arası kullanımı sağlanmaktadır.

SAXS

62 MAYIS 2011

❶ SWAXS Sistemi ❹ SAXS dedektörü ❷ Örnek tutucunun Yerleştirdiğı yer. ❺ Çeşitli örnek tutucular.❸ WAXS dedektörü. ❻ x-ışını tüpü.

Kratky Geometrisine Sahip Laboratuvar Tipi SWAXS Sisteminin Genel GörüntüsüSA

XS

63N@nobülten 13

SAXS

1- Prof. Dr. Semra Ide (H.Ü. Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Öğr. Üyesi)2- Elif Şen (KATÜ, Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı,Doktora Öğrencisi)3- ilgar Orujalipoor (H.Ü. Nanoteknoloji Nanotıp Anabilim Dalı,Yük.Lis.Öğrencisi) 5- Caner Tükel (H.Ü Nanoteknoloji Nanotıp Anabilim Dalı,Yük.Lis. Öğrencisi) 6- Araş.Gör.Ural Kazan (H.Ü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı,Yük.Lis.Öğrencisi)

SAXS Çalışma Grubu

Program ara yüzü (ASA3)

X-Işını Saçılma Yöntemi ile İlgili Bilgi Alınabilecek Bazı Kaynak Kitaplar

GIDA

Yiyecek ve içecek sektöründe nanoteknoloji uygulamaları ve piyasa yaklaşımıNanoteknolojinin bitkilerin emme yeteneğinin geliştirilmesi ve bazi hastalıkların moleküler ve hızlı tedavisi açısından sağladığı yüksek potansiyelden yola çıkarak yiyecek ve içeceklerde bazi büyük değişiklikler yapılmaktadır.

64 MAYIS 2011

Mazyar Topal Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Yüksek Lisans

Gıda nanoteknolojisinin en önemli potansiyel uygulamalarından bazı örnekler

1- Müşteri gereksinimlerine göre sağlıklı koşullarda gıdanın renk, tat ve besin öğelerinin değiştirilebilmesi2- Toksinleri uzaklaştırmak için kullanılan bazı moleküler filtreler.3- Gıdaların tadını özel moleküllerin içinden geçirerek zenginleştirmek.4- Akıllı gıda ambalajları kullanarak gıda bozulmasını müşterilere renk değişimi ile bildirmek.

Şu anda gıda ve içecek sektöründe, nanoteknoloji araştırma alanları:

1- lezzet, İletim,doku, biyolojik ilaç ve aktif bileşikler geliştirmek.2- Çözünürlüğü arttırmak3- kontrollü salım ürünleri ve renk düzeltmek.4- Biyolojik erişilebilirliğini artırması.5- Dağıtım ve depolama sırasında, biyolojik aktif bileşiklerin kararlılığını korumak.

yiyecek ve içecek sektörunde, nanoteknolojinin en önemli ve temel yapıları olan nanopartiküller, nano-kaplamalar, nano-kompozitler ve Nano-sünger yapılardan söz etmek mümkündür.

65N@nobülten 13

2007 yılında Global nanoteknoloji pazarında gıda ve içecek sektöründe özellikle paketleme sürecinde 105 milyon doları aşkın bir pazar ortaya çıkmıştır. Üretim ve pazarlama sürecinde, değerlerinin 2015 yılında 135 / 2 milyar doların üzerine çıkması bekleniyor.

GIDAGıda ve içecek nanoteknolojisi piyasa yaklaşımı

Firma  AdıTarımsal  ürün Paketleme Işleme  ve  güvenlik Lezzet  ve  besin  öğeleri

AC Serendip Ltd. ×

Advanced Nanotechnologies ×

AgroMicron Ltd. ×

Ambri Pty Ltd ×

Aquamarijn ×

Aquanova ×

Bayer × ×

Biodelivery Sciences ×

Buhler AG ×

Chengdu Somo Nano-biology Co ×

China Beijing Petna Nanotech Co ×

Cornelius Group ×

Crown Bio Technology Ltd ×

DGTec ×

Heinz

Honeywell ×

InMat ×

Iota Nanosolutions Limited ×

Kodak ×

Kraft × ×

Landek Corporation ×

Leatherhead Food International ×

Nanocor ×

Nanomi ×

Nanosciences Inc ×

Nanova ×

NGimat ×

Nestle × ×

Nutralease ×

PChem Associates ×

Proctor & Gamble × ×

Protista International AB ×

Surface Innovations Ltd ×

Unilever × × ×

66 MAYIS 2011

2015 yılında nano-teknoloji çalışmalarının, gıda ve içecek sektöründe yürütülen faaliyetlerin %29'unu kapsaması beklenmektedir. Aslında bu etkinliğin  Nanoteknoloji uygulamalarına dayanarak üretilen akıllı ambalaj malzemelerinin 2012 yılında piyasaya surulmesiyle beraber ortaya çıkması beklenmektedır.

Yukarıdaki tabloda gıda ve içecek alanında nanoteknoloji ile ilgili çalişmakta olan şirketlerin, çalışmaları "tarım ürünleri", "işleme", "güvenlik", "lezzet" ve "besin öğeleri" şeklinde dört kategoriye ayrılarak sınıflandırılmıştır.

Bu bölümde Genel Olarak gelişen ürünler ve üç ana alanda gelişen teknolojiler yani; gıda ve meşrubat işleme, uygulamaları ve güvenliği; paketleme ve hedeflenen iletim sunulmaktadır.

GIDA

Gıda ve içecek alaninda gelişen bazı teknolojiler ve uygulamalarının incelenmesi

Yiyecek ve içeceklerde patojenleri saptama yöntemleri:

AgroMicron şirketının nanoteknoloji çalışmaları sonuçu bionano Lüminesans özellikli bir sprey üretilmiştir. Bu sprey patojenleri geniş bir yelpazede tanımlama gücüne sahiptir.

Izolasyon ve filtreleme:Gıda ve içeceklerde mikroorganizmaları tanimlamak ve ayırmak için ileri bir teknoloji kullanan Aquamarijn şirketi bazi nano filtreler geliştirmiştir. Bu filtrelerin yapi malzemeleri olarak silikon ve bazı polimerler kullanılmaktadır.

Biyo nano sensörler:Nanosens Şirketı taşınabilir sensör sisteminin, Biyolojik ve kimyasal türlerin hızlı bir şekilde tespiti için bir sensör sistemi geliştirmiştir.

Hızlı bir şekilde virüslerin tespit edilmesi ve konsantrasyonun belirlenmesi için alüminyum oksit cam kompozitlerı,ve Nano-fiberler kullanılmaktadır. Uluslararası Gıda alanında bu çalışmalar Leatherhead firması tarafından yürütülmektedir.

Biyolojik Nanopartiküllerin İzolasyonu:

Protista şirketı süper makro gözenekli jelleri geliştirmiştir. Nanoparçacıkların (örneğin virüsler ve organeller) izolasyonuna yardımcı olan bu teknoloji gıda işleme sektöründe kullanılmaktadır.

Bu alanlarda teknoloji geliştirmek için araştırma yapan dünya çapında şirketler vardır. Yukarıda saydığımız şirketler ve araştırma konuları bunlara birer örnektir.

işlenmiş gıda ve içecek sektöründeki teknoloji ve güvenlik:

67N@nobülten 13

Kuantum noktalarla ürünlerin ambalajlarının kodlanmasıbu teknolojı Ingenia Technoloji Şirketi tarafından Lazer Yüzey Tanımlama (LSA) adıyla geliştirilmiştir.

Nano son reaktifler:Crown Biyoteknoloji Şirketi bu göstergenın üretimi üzerine çalışır.

Akıllı ve aktif paketleme; tazeliğini korumak ve gaz oluşumunu önlemek:Sun Chemical şirketi bu paketleme sistemini geliştirmek için Avrupa'da laboratuvar araştırmaları sürdürmektedir.

PET Nanokompozitlerı:raf ömrünü uzatmak için kullanılan bu nanokompozitler Nanova şirket tarafından yapılmaktadır.

Nano-gıda ambalajları içinde dağınık olan silikatler:Nanolok şirketi gıdalarda istenmeyen gaz oluşumunu engellenemek için bazı koruyucu polimer kaplamalı ambalajlar üretmektedır.

Oksijen ve karbondioksit gazlarına karşı koruyucu kaplamalar: PET ve PET/poliolefin polımerlerı bu amaç için kullanılır. kaplamalar NGimat şirket tarafından ve kendıne has Nanomiser adlı belirli bir işlem tarafından üretilmektedir.

Gıda ambalajları için Antibakteriyel plastik kaplamalar:Chem Associates şirketi Gümüş nanopartiküller kullanarak bu paketleme ve kaplama sıstemini geliştirmişlerdir.

Nano-barkodlar:Nanoplex şirketi Nanobarkod teknolojisini geliştirdi. Bu yöntemde kullanılan barkodlar çubuk şeklinde ve farklı metallerden yapılmışlardır. Metallerin çeşitlendirilmesiyle farklı barkod kombinasyonları oluşturulabilmektedir.

GIDAYiyecek ve içeceklerin ambalajlanması sektöründe kullanılan teknolojiler

68 MAYIS 2011

Nano oksijen reaktifler:DGTec şirketi seramik esaslı bazı dolgu maddeleri geliştirmiş ve üretmiştir.Bu malzemelerin özellikleri mekanik dayanıklılığı artırmak, ışık ve pigmentleri algılamak, ışık saçan dekor ürunleri için, ve veri okumak için manyetik pigmentleri arttırmak olarak sıralananilir. Bu malzemeler Nano-barkodlarda kullanılır. NoReplicaSystems şirketin ürettiği bu sistem sayesinde sahtecilik önlenebilmektedir.

Ambalaj ürünleri için yüksek gözenekli nano-filtreleri:kompozit nanoteknolojisi kullanılarak paketleme için, nefes alabilen katmanlar üretilmektedır. Gözenekli yapı içinde nanoparçacıklar kullanarak Biyouyumluluk özellığı arttırılmaktadır. Caesar şirketi bu yeni yöntemi geliştirmektedır.

Gıda ve içecek sektöründe serbest hedeflenen iletim ve Teknolojilar:

GIDA

Kontrollü salım yontemleri:Glycologic Şirketi APS Sistemini kullanarak aktif molekülleri salan kapsüller üretmiştir. Bu kapsüller istenilen enzimatik reaksiyon veya kimyasal ortamda olunca kontrollü olarak aktif molekülleri salmaya başlıyorlar. Glycologic Şirketi tarafından üretilen bu malzemeler kapsül olarak piyasaya sürülmektedır.

Gıdalar için Nano-taşıyıcılar:Yeni aktif maddelerin geliştırıcısi Aquanova teknoloji şirketi yağ azaltmak ve gıdalarda tokluk hissini artırmak amacıyla bir aktif madde piyasaya sürmüştür. NovaSOL adı verilen ürün E vitamini (SoluE) ve C vitaminini (SoluC) taşınması için de kullanılmaktadır.

Kontrollü salım:RBC Life Sciences Şirket şu anda altda verılen ürünleri üretmektedir:Neoceuticals Enginar Nanoclusters; Yüzey gerilimi azaltma ve gıda takviyelerinin emilimini artırmak için kullanılan bir üründür. Neoceuticals Hydrocel; yüzey gerilimi artırmak ve içme suyu çözünürlük özellikleri azalma için kullanılan bir üründür.Neoceuticals Slim Shake Chocolate; nano-küme iletkenlik sistemi ile çikolata kümeleri halinde tat vermek için üretilen bir üründür.Neoceuticals Spirulina Nanoclusters: gıda üretimi için nano-küme iletkenlik sisteminde kullanılan bir üründür.

Bu yazıda adı geçen guruplar ,şirketler ve elde edılen malzemeler dışında, teknoloji geliştirme ve araştırma yapan çeşitli araştırma ekipleri faaliyetlerini sürdürmektedirler. Bu yazı sadece tanıtım amacıyla yapılmıştır.

Bu yazı Nanoteknoloji Dergi No 158’de yayımlanmıştır.

Kaynak: Nanoposts, 2008 "ve Gıda Nanoteknoloji Pazarı 2015 için Drink".

69N@nobülten 13

Arş. Gör. Gülsu ŞenerNanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Doktora

Nanofiltrasyon MembranlarıArtan nüfus la b ir l ikte u laşı lab i l i r doğal su kaynaklarının yeterliliği giderek azalmaktadır. Bu sorun, insanları yeni su kaynakları arayışına yöneltmektedir. Bu yüzden kullanılabilir su kaynağı olarak Dünya’daki suyun büyük bir kısmını oluşturan deniz suyu tercih edilebilir. Ne yazık ki deniz suyunu olduğu gibi kul lanamamaktayız . Deniz suyu kullanılmadan önce kirletici tuzlar ortamdan uzaklaştırılmalıdır. Ancak bu uzaklaştırma işleminin oldukça yüksek maliyetli olması sebebiyle deniz suyu y a y g ı n o l a r a k i ç m e s u y u ü r e t i l m e s i n d e kullanılamamaktadır. Son yıllarda gelişmekte olan nanoteknoloji ile su arıtma yöntemlerindeki sorunların maliyet düşürülerek giderileceği öngörülmektedir. Bu alanda son yıllarda ortaya çıkmakta olan nanofiltrasyon membranları umut vaadeden malzemelerdir.

Nanofiltrasyon membranları, moleküler ağırlık sınırı ters osmoz ile ultrafiltrasyon arasında yer alan (200 ile 2000 Dalton), asimetrik yapıya sahip, özellikle sulu çözeltilerdeki organik ve inorganik maddelerin giderilmesi amacıyla kullanılan, basınç sürücülü bir membran ayırma işlemidir. Membran gözenek boyutu, 0,5-2 nm ve basıncı 5-40 bar arasındadır. Kum filtrasyonu, mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon gibi yöntemler sudan bulanıklığı ve mikropları uzaklaştırmak için etkili yöntemler olmalarına rağmen çözünmüş bileşikleri uzaklaştırmak için yeterince etkili değillerdir. Ters osmoz, çözünmüş tuzların uzaklaştırılmasını sağlamaktadır fakat geleneksel filtrasyon membranlarının kullanımı daha fazla enerjiye ve işletme maliyetine sebep olmaktadır.

Nanofiltrasyon, nitratlar, klorürler, kalsiyum ve magnezyum gibi suda çözünen tuzları ve diğer kimyasalları geleneksel membranlara göre oldukça seçici ve geçirgen olan nanogözenekl i membranları sayesinde etkili bir şekilde uzaklaştırabilmektedir. Bu malzemelerin kullanımıyla daha az basınç dolayısıyla daha az enerji gerekmektedir. Nanoteknolojideki gelişmeler ışığında son yıllarda nanofiltrasyon tercih edilen yöntemler arasına girmiştir.

NANOFİLTRASYON

NANO

FİLTR

ASYO

N

70 MAYIS 2011

Nanofiltrasyon membranları doğal olarak oluşmuş veya yapay olarak oluşturulmuş nanoölçekte gözeneklere sahip karbon, silikon, polimer, seramik gibi malzemelerden üretilebilmektedir. Malzemenin gözenek büyüklüğünün, seçiciliğinin ve diğer fiziksel özelliklerinin kontrol edilebildiği, aynı zamanda kirleticilerin gözeneklerle temas ettiğinde ortaya çıkan kimyasal süreçlerin de kontrol edilebildiği nanoboyuttaki polimerik ve anorganik malzemeler, nanokompozitler de yeni nanofiltrasyon membranlarının üretiminde kullanılmaktadır. Filtrasyon yöntemlerinin etkinliği, elde edilen suyun kalite standartlarına, su kaynağının kalitesine, kirliliğe bağlıdır. Farklı kirleticiler için farklı membranlar kullanılmaktadır. İhtiyaca özel fiziksel ve kimyasal özellikleri olan yeni nanofiltrasyon membranlarının üretilmesi hedeflendirilmiş kirletici uzaklaştırılması yönünde önemli bir gelişmedir. Membranlarda kullanılan ve kullanılması düşünülen malzemelerden bazıları aşağıda kısaca açıklanmaktadır.

Nanokiller

Nanoyapıdaki killer doğada bol miktarda bulunur ve çeşitli üretim süreçlerinde kullanılır. Bu killer iki boyutlu nanoölçekte kristal örgüye sahip, nanokristal yapıdaki doğal minerallerdir. Yüksek yüzey alanına sahiptirler ve katyonik değişim özellikleri vardır. Bu özellikler bu malzemelerin petrol, ağır metal ve organik bileşiklerin sudan uzaklaştırılması gibi uygulamalarda kullanımlarına olanak verir. Bu killer kolaylıkla, düşük maliyette s a f l aşt ı r ı l a b i l i r v e i y o n d eğ iş i m i , aş ı l a m a v e d iğe r b a s i t iş l e m l e r l e fonksiyonelleştirilebilir.Örneğin doğal olarak hidrofilik özelliğe sahip nanokil, alkil amonyum gibi organik bir malzeme kullanılarak iyon değişimi reaksiyonuyla organofilik özellik kazandırılır. Farklı türdeki killerin kullanılmasıyla yapılan çalışmalar geliştirildikçe kil temelli su iyileştirme yöntemleri daha etkin hale gelecektir.

Manyetik Nanopartiküller

Manyetik nanopartiküller, yüksek yüzey alanlarına sahiptirler ve herhangi bir yardımcı adsorplayıcı malzemenin kullanımına gerek duyulmadan kimyasallarla kolaylıkla etkileşebilirler. Bu yüzden suyun iyileştirilmesi dahil olmak üzere farklı kimyasal ayırma uygulamalarında kullanılır. Aynı zamanda manyetik nanopartiküller yüzeylerinin kaplanmasıyla ya da farklı yöntemlerle fonksiyonalleştirilebilirler. Adsorpsiyon işlemi gerçekleştikten sonra bir mıknatıs yardımıyla ya da manyetik alanın uygulanmasıyla manyetik nanopartiküller sudan kolaylıkla ayrılabilirler ve tekrar tekrar kullanılabilirler. Manyetik nanopartiküller suda dağılmış bir şekilde bulunabilirken kil, polimer veya diğer destek malzemelerine gömülü olarak da bulunabilirler. Suda dağılmış haldeyken hedef kirleticiye bağlandıktan sonra manyetik ayırmayla kolaylıkla geri kazanılır. Hedef kirleticiyi içeren su akışı esnasında manyetik partiküllerin gömülü olduğu filtrelerde bu kirleticiler tutulur.

71

NANOFİLTRASYON

N@nobülten 13

Katalizör, bir kimyasal tepkimenin aktivasyon enerjisini düşürerek tepkime hızını arttıran ve tepkime sonrasında kimyasal veya fiziksel yapısında bir değişiklik meydana gelmeyen maddelerdir. Nanokatalizörler, nanoölçekteki boyut veya yapısal değişiklikleri sayesinde gelişmiş katalitik özellikleri olan enzim, metaller ve diğer malzemeleri içerirler. Nanoölçekteki malzemenin boyutu ve/veya yapısının kontrolüyle daha reaktif, daha seçici ve daha dayanıklı malzemeler üretilmektedir. Ham madde tüketimini, yan ürünleri, atıkların oluşumunu azaltmak ve katalizörlerin toplam maliyetini düşürmek için daha az miktarda katalizör kullanılmalıdır.

Nanokatalizörler

1. Summary of the International Workshop on Nanotechnology, Water and Development (Chennai, India, 10–12 October 2006); available at www.merid.org/nano/waterworkshop

2. Nanofiltration, Steven Kaul (2005)3. Nanotechnology and the challenge of clean water, Thembela Hillie, Mbhuti Hlophe, Nature

nanotechnology (2007)

Kaynaklar

LİTER

ATÜR

Arş. Gör. Gülsu Şener

Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı Doktora

72 MAYIS 2011

Hacettepe Üniversitesi Kaynaklı Nanoteknoloji ve Nanotıp YayınlarıOcak 2011 - Mayıs 2011 Dönemi

Design and Characterization of Nanocrystal Formulations Containing EzetimibeChemical & Pharmaceutical BulletinCilt: 59, Sayı: 1, Ocak 2011, Sayfalar: 41-45Tuğba Gülsün, Reyhan Neslihan Gürsoy, Levent Öner

Antitumoral activity of camptothecin-loaded nanoparticles in 9L rat glioma modelInternational Journal of Pharmaceutics, Cilt: 403, Sayı: 1-2, Ocak 2011, Sayfalar: 201-206 Yasemin Çırpanlı, Emilie Allard, Catherine Passirani, Erem Bilensoy, Laurent Lemaire, Sema Calıs¸Jean-Pierre Benoit

An environmental impact assessment of quantum dot photovoltaics (QDPV) from raw material acquisition through useJournal of Cleaner ProductionCilt: 19, Sayı: 1, Ocak 2011, Sayfalar: 21-23 Hatice Şengül, Thomas L. Theis

Photochemical internalization for pDNA transfection: Evaluation of poly(d,l-lactide-co-glycolide) and poly(ethylenimine) nanoparticlesInternational Journal of PharmaceuticsCilt: 403, Sayı: 1-2, Ocak 2011, Sayfalar: 276–284M. Gargouria, A. Sapina, B. Arıca-Yegina, J.L. Merlinc, P. Becuwed, P. Maincenta

The Recent Electrochemical Biosensor Technologies for Monitoring of Nucleic Acid HybridizationCurrent Analytical ChemistryCilt: 7, Sayı: 1, Ocak 2011, Sayfalar: 63-70 Hakan Karadeniz, Filiz Kuralay, Serdar Abacı, Arzum Erdem

Synthesis and characterization of nanomagnetite particles and their polymer coated formsJournal of Colloid and Interface ScienceCilt: 353, Sayı: 2, Ocak 2011, Sayfalar: 372-379Güldem (Güven) Utkan, Filiz Sayar, Pınar Batat, Semra İde, Manfred Kriechbaumd, Erhan Pişkin

73

LİTERATÜR

Methacryloylamidohistidine in Affinity Ligands for Immobilized Metal-ion Affinity Chromatography of FerritinBiotechnology and Bioprocess Engineering, Cilt: 16, Sayı: 1, Ocak-Şubat 2011, Sayfalar: 173-179 Deniz Aktaş Uygun, Nevra Öztürk, Sinan Akgöl, Adil Denizli

Layered double hydroxides with interlayer borate anions: A critical evaluation of synthesis methodology and pH-independent orientations in nano-galleriesApplied Clay Science, Cilt: 51, Sayı: 3, Şubat 2011, Sayfalar: 308–316Ahmet Nedim Ay, Birgül Zümreoğlu Karan, Abidin Temel, Luis Mafra

Acetylsalicylic Acid Loading and Release Studies of the PMMA-g-Polymeric Oils/Oily Acids Micro and NanospheresJournal of Applied Polymer Science, Cilt: 119, Sayı: 3, Şubat 2011, Sayfalar: 1610-1618 Ebru Kılıçay, Birten Çakmaklı, Baki Hazer, Emir Baki Denkbaş, Bektaş Açıkgöz

The Effect of Different Preparation and Etching Procedures on the Microleakage of Direct Composite Veneer RestorationsPhotomedicine and Laser Surgery, Cilt: 29, Sayı: 3, Mart 2011, Sayfalar: 205-211Jale Görücü, Sevil Gürgan, Filiz Yalçın Çakır, Ceren Özge Biçer, Hande Görücü

Nanoparticle silver ion coatings inhibit biofilm formation on titanium implantsJournal of Clinical Neuroscience, Cilt: 18, Sayı: 3, Mart 2011, Sayfalar: 391-395Kutsal Devrim Secinti, Hakan Özalp, Ayhan Attar, Mustafa F. Sargon

Cellular Behavior on Epidermal Growth Factor (EGF)-Immobilized PCL/Gelatin Nanofibrous ScaffoldsJournal of Biomaterials Science-Polymer Edition, Cilt: 22, Sayı: 1-3, 2011, Sayfalar: 207-223 Seda R. Tigli, N. Merve Kazaroglu, Bora Mavis, Menemse Gumusderelioglu

SERS-based sandwich immunoassay using antibody coated magnetic nanoparticles for Escherichia coli enumerationAnalyst, Cilt: 136, Sayı: 4, 2011, Sayfalar: 740-748 Burcu Guven, Nese Basaran Akgul, Erhan Temur, Ugur Tamer, Ismail Hakki Boyaci

N@nobülten 13