Some Common Addition Polymers

Transkript

1 POLİMERİK BİYOMALZEMELER Polimer Nedir? Polimerler; çok sayıda aynı veya farklı atomik gruplarların kimyasal bağlarla, az veya çok düzenli bir biçimde bağlanarak oluşturduğu uzun zincirli-yüksek molekül ağırlıklı bileşiklerdir. Tek bir polimer zincirinde binlerce yada milyonlarca monomer bulunur. Eğer polimer zinciri yeterince büyümemişse, bu tip polimerler oligomer olarak adlandırılır. 1 2 Polimerler monomer denilen birimlerin bir araya gelmesiyle oluşmaktadır

2 Polimer zincirine bir örnek 5 6 Some Common Addition Polymers Name(s) Polyethylene low density (LDPE) Polyethylene high density (HDPE) Polypropylene (PP) different grades Poly(vinyl chloride) (PVC) Poly(vinylidene chloride) (Saran A) Polystyrene (PS) Polyacrylonitrile (PAN, Orlon, Acrilan) Polytetrafluoroethylene (PTFE, Teflon) Poly(methyl methacrylate) (PMMA, Lucite, Plexiglas) Poly(vinyl acetate) (PVAc) cis-polyisoprene natural rubber Formula (CH 2-CH 2) n (CH 2-CH 2) n [CH 2-CH(CH 3)] n (CH 2-CHCl) n (CH 2-CCl 2) n [CH 2-CH(C 6H 5)] n (CH 2-CHCN) n (CF 2-CF 2) n [CH 2-C(CH 3)CO 2CH 3] n (CH 2-CHOCOCH 3) n [CH 2-CH=C(CH 3)-CH 2] n Monomer ethylene CH 2=CH 2 ethylene CH 2=CH 2 propylene CH 2=CHCH 3 vinyl chloride CH 2=CHCl vinylidene chloride CH 2=CCl 2 styrene CH 2=CHC 6H 5 acrylonitrile CH 2=CHCN tetrafluoroethylene CF 2=CF 2 methyl methacrylate CH 2=C(CH 3)CO 2CH 3 vinyl acetate CH 2=CHOCOCH 3 isoprene CH 2=CH-C(CHC(CH 3)=CH 2 Properties soft, waxy solid rigid, translucent solid atactic: soft, elastic solid isotactic: hard, strong solid strong rigid solid dense, high-melting solid hard, rigid, clear solid soluble in organic solvents high-melting solid soluble in organic solvents resistant, smooth solid hard, transparent solid soft, sticky solid soft, sticky solid Polychloroprene (cis + chloroprene synthetic rubber trans) [CH 2-CH=CCl-CH 2] n tough, rubbery solid CH (Neoprene) 2=CH-CCl=CH CCl=CH 2 oil resistant 7 8 Uses film wrap, plastic bags electrical insulation bottles, toys similar to LDPE carpet, upholstery pipes, siding, flooring seat covers, films toys, cabinets packaging (foamed) rugs, blankets clothing non-stick surfaces electrical insulation lighting covers, signs skylights latex paints, adhesives requires vulcanization for practical use 2

3 Yapısal özelliklerinin istenildiği gibi ayarlanabilme özelliği ; monomerlerin kendi kendileriyle ve diğer monomerlerle bağlanmalarının, bağlanma şekillerinin ve bağlanma miktarlarının fazlalığının bir sonucudur. Ayrıca istenilen fonksiyonlara sahip polimerler de uygun fonksiyonel gruplu monomerler kullanılarak kolayca hazırlanabilir. Anorganik polimerlerde esas zincir karbona dayalı yapıya sahip değildir ve genellikle organik polimerlere kıyasla daha fazla ısıya dayanıklı ve daha serttirler Ne Tür Yapılar Polimerleşir? Çift bağ açılması verebilecek yapılar monomer yapı olarak polimerleşir (C=C, C=O vb.). Halka açılması, halkasal yapılar, nispeten kararsızdır ve halka açılması yapabilirler (,vb.). Polimerlerin sınıflandırılması Kaynağına göre sınıflandırma Doğal polimerler Sentetik Çift fonksiyonaliteye sahip yapılar (örn hem halkalı hem de çift bağlı yapılar) polimerleşir

4 Proteinler 20 amino asitten oluşurlar Polisakkaritler Pol isakkaritler L- ve D- formları vardır L-Aspartic Acid L-Lysine L-Amino acid D-Amino acid Eğer polimer molekülü iki farlı monomerin birleşmesinden oluşuyorsa buna kopolimer denir. Kopolimerlerin çeşitlerini dörde ayırabiliriz. Yapıya göre sınıflandırma Heterozincir polimerler Homozincir polimerler 1. Ardışık kopolimer 2. Blok kopolimer Bir polimer tek bir monomer biriminin tekrarlanmasından oluşuyorsa buna homopolimer denir. Örnek olarak, etilenden elde edilen polietilen ve stirenden elde edilen polistiren verilebilir Düzensiz kopolimerler 4. Graft kopolimerler 16 4

5 Polimer zincirler ister homopolimer ister kopolimer olsun, üç farklı formda bulunabilirler. 1. Doğrusal 2. Dallanmış Kısa-zincirli dallanmış: (kristal özelliği azalır) Uzun-zincirli dallanmış: 3. Çapraz Bağlı 17 a.)homopolimer b.)düzenli kopolimer c.)ardışık kopolimer d.)blok kopolimer (Reolojik özelliğini değiştirir) (Dayanıklılık ve termal kararlılık sağlar) 18 Kimyasal bileşimlerine göre sınıflandırılabilirler Organik polimerler: Yapılarında C,H,O,N ve halojen atomları içerirler Isıya veya çözülere karşı gösterdikleri davranışa göre sınıflandırılabilirler Termoplastikler: Isı ve basınç altında yumuşar, akarlar ve böylece çeşitli formda şekillendirilebilirler. Termosetler: Çözünmez ve erimez polimerlerdir. İnorganik polimerler: Ana zincirde C atomu yerine, periyodik cetveldeki IV-VI VI grup elementleri yer alır. Alumina Silikat Polisiloksan

6 Termoplastik Polimerler Alçak ve yüksek yoğunluklu polietilen Lineer alçak yoğunluklu polietilen Yüksek molekül ağırlıklı polietilen Polivinilklorür ve vinil kopolimerleri Polistiren Polipropilen Termoplatik poliamid Poliamid Sulfon polimerleri Polimetil penten Fenilen oksit kökenli reçine Asetal Hopolimerleri Asetal kopolimerleri Polikarbonat Termoplastik polyester Polibütilen Poliüretan Selülozikler Stiren akrilonitril Poliakrilat Naylon Alkidler Melamin Termosetting Polimerler Epoksi reçineler Fenolikler Polyester Poliüretan Naylon

7 25 26 Fiziksel durumlarına göre sınıflandırılabilirler Yaygın bilinen bazı polimerlerin kimyasal yapıları (a) Amorf polimerler, düşük sıcaklıkta katı ve parlayan (camsı) özellik gösterirler. Yüksek sıcaklıkta yumuşak ve şekil verilebilir (plastikimsi)dir. Poli(metilmetakrilat) PMMA Poli(vinilasetat) PAVc (b) Kristalin polimerler, daha serttir. 27 Poli(akrilat) PAA Poli(vinilklorür) PVC 28 7

8 Yaygın bilinen bazı polimerlerin kimyasal yapıları Yaygın bilinen bazı polimerlerin kimyasal yapıları Poli(viniliden klorür) PAVc Poli(etilen oksit) PEO Poli(etilen tereftalat) PET Poli(karbonat) Poli(hekzametilen adipamid) Nylon 6,6 Poli(kaprolaktam) Nylon 29 Poli(dimetil siloksan) Poli(metil stiren) 30 Polimerik malzemelerin bu kadar geniş kullanım alanlarına sahip olmalarının nedeni, Yapısal özelliklerinin istenildiği gibi ayarlanabilir olmasından ve ekonomik olarak elde edilebilmelerinden kaynaklanmaktadır

9 Polimetil metakrilat (PMMA=Lucite or Plexiglas) Hidrofobik (su sevmeyen), doğrusal yapıda bir zincir polimeridir. Işık geçirgenliği, sertliği ve kararlılığı nedeniyle genellikle göz içi lensler ve sert kontakt lenslerde kullanılmaktadır. Yumuşak kontakt lensler ise metil metakrilata alkol grubundan olan metil alkol eklenerek elde edilen 2-hidroksimetil metakrilat (HEMA) monomerinin az miktarda etilen glikol dimetakrilat ile yapısında çapraz bağ oluşturulması sağlanarak hazırlanır Polietilen (PE) Sertliğinin iyi olması, yağlara karşı dirençli olması ve ucuz olması sebebiyle tıbbi uygulamalarda tercih edilir. Genellikle sterilizasyon sıcaklığına dayanamadığı için alçak yoğunluklu polietilen yerine (LDPE), yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) kullanılır

10 LDPE genellikle tüp formundaki uygulamalarda, HDPE ise yapay kalça protezlerinde kullanılır. Polipropilen (PP) Kimyasal direnci yüksek olduğu ve çekme dayanımı iyi olduğu için PE nin kullanıldığı çoğu yerde kullanılır (Örn. şırıngalarda) Politetrafloroetilen (PTFE = Teflon) Kimyasal açıdan ve ısısal açıdan çok kararlı aynı zamanda çok sert olması sebebiyle işlenmesi çok zor bir polimerdir. Hidrofobik yapısından dolayı da damar protezlerinde yaygın olarak kullanılır. Polivinilklorür (PVC) Normalde sert ve kırılgan özelliğe sahiptir ancak içine plastikleştirici denen malzemelerden ilave edildiğinde yumuşak ve esnek hale gelebilirler. Genellikle tüp şeklinde kan naklinde kullanılan araç gereçlerde, diyaliz ünitelerinde ve besinlerin ambalajlarında kullanılırlar

11 Polilaktik asit (PLA) Biyolojik olarak emilebilen bir polimer olduğu için kullanımı uzun süre sadece biyomedikal alanında kullanılmaktadır Polidimetilsiloksan (PDMS) (Siloksan kauçuğu) PDMS, karbon ana zinciri yerine silisyum-oksijen ana zincirine sahiptir. Diğer kauçuklara nazaran ısıya daha az duyarlıdır. Yüksek esnekliğe ve kararlılığa sahiptir. Göğüs estetiklerinde yaygın kullanılır Damar protezlerinde, solunum cihazlarında, kataterlerde ve drenaj borularında kullanılmaktadır. Bunun yanında, parmak eklemlerinde, kan damarlarında, kalp kapakçıklarında, dış kulak, çene ve burun implantlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. 43 Polikarbonat (Calibre, Lexan, Makrolon) Bisfenol A ( ) ve fosgenin ( ) polimerizasyonu sonucu elde edilir. Sert bir malzeme olduğundan dolayı yüksek çarpma dayanımı gösterir. Bu nedenlede gözlük camlarında, oto camlarında, emniyet camlarında, kalp ve akciğer cihazlarında kullanılır

12 Naylon (Nylon) Poliamid ailesine verilen isim. Genellikle diaminlerin ( hekzametilen diamin) Naylonlar ameliyat ipliği olarak kullanılırlar. asitlerle ( adipik asit) reaksiyonu sonucu ( ) ya da laktomların ( açılması polimerizasyonuyla ( ε-kaprolaktam) halka ) oluşurlar Poliüretan ( ) Diol veya gliserinin ( ) diizosyanat ( ) ile polimerizasyonundan (blok kopolimer) oluşur. Özellikle kanla biyouyumluluğu yüksek olduğu için kalp damar uygulamalarında kullanılır. Kalp kapakçığı Hidrojeller Yapılarına çözücü alabilen ve çözücü alma sığası kendi kütlesinin en az %20 si olan çapraz bağlı polimerler kserojel olarak tanımlanır. Çözücü olarak su kullanıldığında bu jellere hidrojel denir. Yapay kalp

13 Hidrojeller genellikle üç boyutlu ve ağ yapılıdır. Çapraz bağlı bu yapıda bağlar kovalent ya da iyonik olabilir. Bu bağlardan daha zayıf bağlar olan van der walls ve hidrojen bağları da çapraz bağ gibi davranabilirler Bir jelin hidrojel olabilmesi için yapısında -OH, -NH 2, -COOH, -COOR vb. gibi polar su sever fonksiyonel grupların olması gerekmektedir. Bu gruplar su ile etkileşerek hidrojen bağlarını oluştururlar. Bağlı duruma geçen su ile çevrilen su sever gruplardan dolayı jelin hacmi ve kütlesi artar ve jel şişmeye başlar. Bir jeldeki su sever grupların fazlalığı şişmeyi daha da arttırır

14 Hidrojeller biyotıp alanında kaplama, dikiş iplikleri ve elektrot yapımında ve elektroforez hücre yapımında kullanılmıştır. Yine hidrojeller yapay kornea, kemik hastalıkları tedavisi için materyal, kulak zarı tıkacı, sentetik kıkırdak, safra kesesi ve yemek borusu yapımında kullanılmaktadırlar Hidrojel olarak PHEMA ve poli akril amid polimerlerinin yanısıra poli(n-vinil 2- pirolidon) (PVP), poli metil metakrilat (PMMA) vb. kullanılmaktadır. Hidrojellerin ilk uygulaması, kontakt lensler olarak ortaya çıkmaktadır. Örn. PVP yumuşak lenslerde kullanılır. 55 Mekanik kararlılıklarının iyi olması, Yüksek oksijen geçirgenliği Uygun kırınım indisine sahip olmaları Kontakt lens olarak kullanılmalarına olanak vermiştir

15 Hidrojellerin diğer uygulamaları; yapay tendon materyalleri, yara-iyileşmesinde bioyapışkan madde, yapay böbrek zarları, yapay deri olarak estetik cerrahide kullanımları şeklinde sayılabilir. Geniş bir ürün aralığında kullanılan Polimerik Biyomalzemeler Medikal Plastik Pazarı Dünyada tahmin edilen medikal plastik pazarı yaklaşık 6,5 milyar YTL Polimer Özelliklerine Sıcaklığın Etkisi amorf Tek kullanımlık olmayanlar toplam hacmin % 50 sini kapsamaktadır. Medikal endüstride kullanılan polimerlerin yaklaşık % 80 i PVC, polipropilen ve polistiren oluşturmaktadır. oluşturmaktadır T Viskoz sıvı camsı M w kauçuksu T g 15

16 Sıcaklığın Etkisi Mekanik Özellikleri yarı-kristalin Sıvı Viskoz sıvı Kauçuk T m T Sert plastik T g Yarı kristalin plastik Kristalin katı Molekül ağırlığı (g/mol) Polimer Isıl Özellikler T g (ºC) T m (ºC) Naylon 6, UHMWPE Silikon poli(ürethan) poli(metilmetakrilat) lat) poli(d,l-laktid) 50 amorf poli( -kaprolakton) poli(glikolik asit)