SOL-JEL YÖNTEMİYLE Ag/TiO 2 MALZEMELERİNİN HAZIRLANMASI VE ANTİBAKTERİYEL ETKİLERİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 SOL-JEL YÖNTEMİYLE Ag/TiO 2 MALZEMELERİNİN HAZIRLANMASI VE ANTİBAKTERİYEL ETKİLERİNİN İNCELENMESİ P. NEBOL, M. TUNÇER, A. TOP, D. DEMİRBÜKER, F. TIHMINLIOĞLU, E. ŞEKER İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Kimya Mühendisliği Bölümü, Gülbahçe URLA- İZMİR, 3437 TÜRKİYE ÖZET Bu çalışmada gümüş katkılı titanyum dioksit (Ag/TiO 2 ) malzemeler tek aşamalı sol-jel ve emdirme yöntemleri kullanılarak hazırlanmıştır. Her iki hazırlama yönteminde (Ag/Ti) mol oranı.1 ve.1 gümüş miktarları kullanılmıştır. Gümüş miktarı ve hazırlama yöntemlerinin antibakteriyel aktifliği üzerindeki etkileri disk yayılma metodu kullanılarak E. coli bakterisine karşı incelenmiştir. Antibakteriyel testler göstermistir ki: gümüş miktarının artırılması antibakteriyel aktivitiyi artırmaktadır fakat hazırlama yöntemlerinin aynı gümüs miktarına sahip malzemelerin antibakteriyel aktifliğini deneysel hatalar içinde etkilemediği bulunmuştur. Anahtar Kelimeler: Ag; Antibakteriyel; Emdirme; Sol-jel; Tek aşamalı sol-jel; TiO 2, 1. GİRİŞ Antibakteriyel malzemeler medikal aletlerde, diş dolgularında, gıda endüstrisinde ve mikroorganizmaların yok edilmesi ve yayılmasının önlenmesi gereken alanlarda yaygın bir şekilde kullanılır [1]. Gümüş, çinko, bakır, civa, titanyum gibi ağır metaller antibakteriyel aktiviteye sahiptirler [2]. Bu metal iyonları bakteri enzimlerini etkisiz hale getirerek bakterilerin enzim reaksiyonlarını gerçekleştirmesini olanaksızlaştırırlar [3]. Bunların içinden iyonik haldeki gümüş maddelere en yüksek antibakteriyel aktiviteyi sağlar [4, ve 6]. Gümüşün bu özelliği ve zehirli olmaması kullanım alanlarını genişletir [7]. Sol-jel kimyası ile filmler, fiberler, ve kompozitlerin üretimleri diğer geleneksel üretim teknolojilerine göre bazı avantajlar sağlamaktadır. Mesela, yoğun seramik aerojel, seramik fiber ve film sol-jel yöntemi ile üretilebilmektedir [8]. Bu yöntemin geleneksel seramik ve cam işleme yöntemlerine göre bilinen en belirgin avantajı düşük sıcaklıklarda sentezleme/üretim olanağıdır. Bununda ötesinde sol-jel işlemi, bileşik malzemelerin (mesela karışık oksitler) hazırlanmasında üreticiye bu tür malzemeleri moleküler seviyede homojen olarak sentezleme ve başka malzemelerin ekleme sıralarının değiştirilmesi ile kolayca isteğe ve uygulama alanına göre modifiye edilmesini sağlar [9]. Bu çalışmada gümüş katkılı TiO 2 tozlarının hem tek aşamalı sol-jel yöntemiyle hem de emdirme yöntemiyle hazırlanması ve hazırlanan tozların antibakteriyel özelliklerinin disk difüzyon yöntemiyle E. Coli bakterisi kullanılarak incelenmesi amaçlanmıştır. 2. DENEYSEL 2.1. Tek Aşamalı Sol-Jel Yöntemi Bütün sentezlemelerde gümüş nitrat, tetrabütil ortotitanat, etanol ve hidroklorik asit (ağırlık oranı 37 % HCl) kimyasalları hiç bir işleme tabi tutulmadan üreticiden alındığı gibi kullanıldılar. Tek aşamalı sol-jel yötemi ile koloit ve polimerik jeller literatürdeki titanyum dioksit jel hazırlama reçetesinin modifiye edilmesi ile sentezlenmiştir []. Detaylandıracak

2 olursak, mol oranları [HCl]/[Ti]=.2; [H 2 O] / [Ti] = ve [EtOH] / [Ti] = 27 olarak kullanılmıştır. Ayrıca koloit jel oluşumu gerekli miktardaki su hidroklorik asitten önce eklenerek sağlandı. Polimerik jellerin oluşumunda ise gerekli hidroklorik asit-su miktarı yarıya bölünerek iki aşamada eklenmiştir. Koloit jel sentezinde gümüş nitratın eklenmesi jelleşme noktasına yakın bir zaman seçilerek gümüş klorid kristallerinin titanyum dioksit jel oluşumundan önce çökelmesi önlenmiştir. Bu şekilde gümüş nitrat katıldıktan dakika sonra koloit jeli elde edilmiştir. Toplam jelleşme suresi koloit jeller icin yaklaşık iki saatir. Polimerik jellerde ise gerekli olan hidroklorik asit su karışımının yarısı kullanıldıktan sonra gümüş nitrat eklenmiş ve arta kalan asid-su miktarı dakika içinde eklenmiştir. Bu şekilde elde edilen polimerik jeller şeffafa yakındır. Hazırlanan koloit ve polimerik jeller daha sonra 4 C de 3 saat kalsinasyona tabi tutuldu. Kalsinasyondan sonra malzemeler 2 µm elekten geçecek şekilde agatta öğütülerek antibakteriyel aktivite testleri için hazır hale getirilmiştir Emdirme Yöntemi Bu yöntemde gümüş içermiyen polimerik ve koloit titanyum dioksit malzemelerin su yardımı ile gözenek hacmi mikropipet kullanılarak belirlenmiştir. Daha sonra istenen [Ag] / [Ti] oranı göz önüne alınarak gerekli miktardaki gümüş nitrat daha önce bulunan gözenek hacmine eşit suda çözüldükten sonra titanyum dioksite emdirilmiştir. Daha sonra emdirme yöntemi ile hazırlanan gümüş katkılı titanyum dioksit malzemeler 4 C de 3 saat boyunca kalsine edilmiştir Hidroklorik Asit İşlemi XRD sonuçlarına bakılarak bazı kalsine edilmiş olan gümüş katkılı titanyum dioksit malzemeler daha sonra tekrar asit emdirmeye tabi tutulmuşlardır. Bu iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada gözenek hacminin yarısı kadar HCl emdirilir ve C de 2 saat kalsine edilir. Kalsinasyondan sonra birkaç defa damıtılmış su ile asit işlemine tabi tutulan malzemeler yıkanır ve santrifüjden geçirilir. Yıkama suyunda Cl kalmayıncaya kadar (AgNO 3 ile kontrol edilerek) işleme devam edilmiştir. İkinci basamakta ise geri kalan yarım HCl emdirilir ve aynı kalsinasyon ve yıkama işlemleri takip edilmiştir Karakterizasyon Bütün örneklerdeki kristal yapıları, kristal kalınlıkları ve yüzey atomik konsantrasyonu Philips XRD (çalışma şartları: 4 kv ve 4 ma) ve Philips XL 3S FEG SEM kullanılarak tespit edildi. 2.. Antibakteriyel Aktivite Testi Örneklerin E. coli bakterisine karşı antibakteriyel aktivitesini belirlemek için disk difüzyon (Kirby-Bauer) metodu kullanılmıştır. Mueller Hinton agar ortamı kullanılmıştır. Bakteriyel kültürler 37 C de bir gece bekletildi. E. coli kolonisi 1 ml. damıtılmış su içerisinde çözülmüştür. Bulanıklık, Mc Farland no. ( 8 CFU / ml) ye göre ayarlanmıştır. Steril pamuklu çubuk, bakteriyel süspansiyon içine daldırıldıktan sonra, çubuk Mueller-Hinton agarının yüzeyine düzenli bir büyüme sağlanması için en az iki yönde sürülmüştür. Plakalar 4 parçaya bölünmüştür. Her örneğin.36 g. ı plakaların her birine bir örnek gelecek şekilde eşit çaplı daireler şeklinde yerleştirilmiştir. Plakalar 37 C de bir gün inkübe edilmiştir. Birinci günün sonunda antibakteriyal etki alan çapları ölçülmüştür.

3 3. SONUÇLAR ve TARTIŞMA 3.1. Örneklerin Karakterizasyonu Hidroklorik Asit İşlemine Tabi Tutulmamış Örnekler (Ag/Ti)=.1 oranına sahip olan koloit örneğinin XRD tayfında sadece titanyum dioksidin anatase kristal fazına denk gelen pikler gözlemlenirken aynı gümüş/titanyum oranına sahip polimerik örneğin XRD tayfında ise titanyum dioksidin anatase kristal faz piklerine ilaveten gümüş klorür kristal pikleride gözlemlenmiştir. Polimerik örnekte gözlemlenen gümüş klorür kristal kalınlığı Scherrer denklemi kullanılarak yaklaşık 24 nm olarak hesaplanmıştır. Gümüş oranını (Ag/Ti)=.1 artırmak her iki tür örnekte hem gümüş klorür hemde gümüş kristal kalınlıklarını artırmıştır. Koloit ve polimerik örneklerin XRD grafikleri Şekil 1 ve 2 de gösterilmektir. Scherrer denklemi kullanılarak koloit örnekte gümüş klorürün kristal kalınlığı ~21 nm ve gümüş kristalinin kalınlığı ise ~2 nm olarak hesaplandı. Polimerik örnekte ise Scherrer denklemi kullanılarak hesaplanamayacak kadar küçük gümüş kristal piki gözlemlenirken gümüş klorürün kristal kalınlığı ise az bir düşüşle ~21 nm olarak hesaplanmıştır Şekil 1: (Ag/Ti)=.1 oranına sahip koloit örneğin XRD tayfı Şekil 2: (Ag/Ti)=.1 oranına sahip polimerik örneğin XRD tayfı

4 Tek aşamalı sol-jel yönteminin aksine emdirme yöntemi ile yapılan malzemeler XRD ile incelendiğinde, (Ag/Ti)=.1 ve.1 oranlarına sahip polimerik ve koloit olarak hazırlanmış saf titanyum dioksit örneklerde ne gümüş klorür ne de gümüş metal kristal pikleri gözlemlenmedi. Bu örneklerde sadece titanyum dioksidin anatase kristal fazına denk gelen pikler XRD tayfında bulunmuştur. Örnek olarak (Ag/Ti)=.1 oranında emdirme yöntemi ile hazırlanmış olan polimerik malzemenin XRD tayfı Şekil 3 de gösterilmektedir Şekil 3: (Ag/Ti)=.1 oranında emdirme yöntemi ile hazırlanmış polimerik örneğin XRD tayfı XRD tekniği ile kristal kalınlığı ~4nm den küçük kristaller gözlenemediği için SEM-EDX analiz tekniği ile yüzey atom konsanstrasyonları bulunmuştur. Bütün örnekler karşılaştırıldığında, tek aşamalı sol-jel metodu ile hazırlanan örneklerde klor, gümüş, titanyum ve oksijen atomları bulunmaktadır. Bu bulgular XRD neticeleri ile paralellik göstermektedir. Ancak, emdirme yöntemi ile hazırlanan örneklerde sadece gümüş, titanyum ve oksijen atomları gözlemlenirken klor atomu bulunamamıştır. Diğer bir deyişle emdirme yönetemi ile hazırlanan örneklerde sadece gümüş metali ve titanyum dioksit bulunmaktadır. Sonuç olarak tek aşamalı sol-jel metodunun AgCl oluşturmada daha başarılı olduğu anlaşılmıştır. Bununda sebebi jel oluşumu için gerekli olan hidroklorik asit aynı zamanda gümüş klorür oluşumunu da sağlamıştır. Halbuki emdirme yönteminde ise daha önce sentezlenmis olan titanyum oksit malzemesi ve su içinde çözülmüş olan gümüş nitrat kullanıldığı için kalsinasyon esnasında sadece gümüş oluşumu mümkündür Hidroklorik Asit İşlemine Tabi Tutulmuş Örnekler Hidroklorik asit işlemi sadece (Ag/Ti)=.1 oranına sahip malzemelere emdirme yöntemi ile oda sıcaklığında uygulandı ve sonra bütün örnekler o C de 2 saat kalsinasyon yapıldı. Bu örneklerin XRD leri incelendiğinde bütün örneklerde gümüş klorür kristal faz oluşumu ve kristal kalınlıklarının arttığı bulunmuştur. Şöyleki, tek aşamalı sol-jel yöntemi ile hazırlanan koloit malzemede asit işlemine tabi tutulmadan önce gözlemlenen gümüş piki asit işleminden sonra kaybolurken daha önce var olan gümüş klorür kristal kalınlığında da bir artış olduğu Scherrer denklemi ile hesaplanmıştır. Aynı eğilim polimerik malzemede de gözlenmiştir. Emdirme yönetmi ile hazırlanan bütün örneklerde asit işleminden önce görülmeyen gümüş ve gümüş klorür pikleri asit işleminden sonra ise sadece gümüş klorür kristal fazına denk gelen pikler XRD tayfında gözlenmiştir. Asit işlemine tabi tutulmuş tek aşamalı sol-jel ve emdirme yöntemi ile hazırlanan polimerik örneklerin XRD tafyları Şekil 4 ve de gösterilmektedir. Klor iyonlarının nano ölçütlerdeki metal parçacıkların yüksek sıcaklıklarda sinterleşmesine sebep oldukları uzun zamandır katalizör üreticileri tarafından bilinmektedir. Bizde bu çalışmada asit işleminden sonra gümüş klorür kristal kalınlığının artmasına kalsinasyon esnasında arta kalmış

5 klorür iyonlarının gümüş metalini sinterlemesi sonucu oluştuğuna inanıyoruz. Bu durum asit işlemine tabi tutulmuş bütün örneklerde gözlenmiştir Şekil 4: (Ag/Ti)=.1 oranında tek aşamalı sol-jel yöntemi ile hazırlanmış ve hidroklorik asit işlemine tabi tutulmuş polimerik örneğin XRD tayfı Şekil : (Ag/Ti)=.1 oranında emdirme yöntemi ile hazırlanmış ve hidroklorik asit işlemine tabi tutulmuş polimerik örneğin XRD tayfı 3.2. Örneklerin Antibakteriyel Test Sonuçları Bir günlük inkübasyon sonrasındaki görünümler incelendiğinde, Ag yüklü TiO 2 tozlarının antibakteriyel aktivite taşıdığı anlaşılmıştır. Şekil 6 da gümüş yüklenmemiş polimerik titanyum dioksidin hiç bir antibakteriyel aktiflik göstermediği görülmektedir. Şekil 7 de görüldüğü gibi gümüş oranını (Ag/Ti)=,1 e artırılması antibakteriyel aktfliğinin artmasını sağlamıştır. Bu da örnek etrafındaki alanın bakterilerden arındırılarak temiz bir geniş halka oluşmasından anlaşılmaktadır. Örnek etrafında oluşan temiz alanın genişliği düşük gümüş miktarında ince olurken gümüş miktarının artırılmasıda bu alanın kalınlığının artırmaktadır. Fakat, antibakteriyel aktifliğin hazırlama yöntemi (tek aşamalı ve emdirme yöntemi) ve jel tipi (koloit veya polimer) değiştirildiği zaman deneysel hatalar içinde aynı kaldığı bulunmuştur. Asit işlemine tabi tutulan (Ag/Ti)=,1 oranına sahip örneklerin E. coli bakterisine karşı antibakteriyel aktifliklerinin asit işlemine tabi tutulmamış örneklerin gösterdiği antibakteriyel aktifliğine deneysel hatalar içinde benzediği bulunmuştur. Tüm örneklerin daha uzun süreli inkübasyondan sonra tekrar incelenmesi gerekmektedir, bu da ileriki çalışmalarda yapılacaktır.

6 Şekil 6: Gümüş içermiyen Polimerik titanyum dioksit Şekil 7: (Ag/Ti)=.1 oranında tek aşamalı sol-jel yöntemi ile hazırlanmış Polimerik titanyum dioksit 4. SONUÇ Gümüş içermeyen titanyum dioksit E. coli bakterisine karşı antibakteriyel aktiflik göstermemektedir. Gümüş katkılı titanyum dioksit E. coli bakterisine karşı antibakteriyel aktiflik göstermektedir ve bu aktiflik gümüş miktarı artırıldığı zaman artmaktadır. Tek aşamalı sol-jel yöntemi ile hazırlanan aynı gümüş miktarına sahip hem koloit hemde polimerik titanyum dioksit örnekler E. coli bakterisine karşı deneysel hatalar içinde aynı antibakteriyel aktiflik göstermiştir. Emdirme yöntemi ile hazırlanan gümüş katkılı titanyum dioksidin E. coli bakterisine karşı antibakteriyel aktifliğinin aynı gümüş miktarlarındaki tek aşamalı sol-jel yöntemi ile hazırlanan titanyum dioksit örneklerinden farklı olmadığı bulunmuştur. Asit işlemine tabi tutulmuş gümüş katkılı titanyum dioksitlerin E. coli bakterisine karşı antibakteriyel aktifliğinin asit işlemine tabi tutulmamış örneklere göre deneysel hatalar içinde aynı aktifliğe sahip olduğu bulunmuştur.. KAYNAKLAR 1. I. Sondi ve B. Salopek-sondi, Journal of Colloid and Interface Science, 4, 27, pp M. Riviera- Garza, M.T. Olguin, I. Garcia-Sosa, D. Alcantara, G. Rodriguez-Fuentes, Microporous and Mesoporous Materials 39, pp M. Kokkoris, C.C. Trapalis, S.Kossionides, R. Vlastou, B. Nsouli, R. Grötzschel, S. Spartalis, G. Kordas, Th. Paradellis, Nuclear Instrument and Methods in Physics Research B 188 2, pp H.J. Klasen, Burns, 26.. M.T. Olguin, M. Rivera-Garza, I. Garcia-Sosa, D. Alcantra, ve G. Rodriguez-Fuentes, Microporous and Mesoporous Materials,, A. Top, S. Ülkü, Applied Clay Science, 4, 27, pp M. Kawashita, S. Toda, H. Kim, T. Kokudo, N. Masuda, Journal of Biomedical Materials Research, 2,, 66A, pp Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, 4 th edition, 1994, volume 22, pp M. Crisan, M. Raharescu, D. Crisan, R. Ion, M. Manolache, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 1998, 13, pp L.K. Campbell, B.K. Na, ve E.I. Ko, Chemistry of Materials 1992, 4.