Bursa Teknik Üniversitesi Doğa Bilimleri, Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü 10 Nisan 2014

Transkript

1 Biyomimetik Malzemelerin ve Fonksiyonel Kaplamaların Geliştirilmesi Bursa Teknik Üniversitesi Doğa Bilimleri, Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü 10 Nisan 2014

2 İÇERİK Biyomimetik malzemelerin tanımlanması Kendiliğinden desenlenebilen karbon nonotüp esaslı yapay nilüfer yaprağı yüzeylerinin geliştirilmesi Kertenkele ayak saçlarınının taklit edilmesiyle endüstriyel boyutta mikro-yapıların üretilmesi Antibakteriyel kaplamaların geliştirilmesi

3 DOĞA TARAFINDAN DİZAYN EDİLEN BİYOMİMETİKLER Kertenkelenin hiyerarşik ayak yapısı Autumn Autumnetetal.al Nilüfer yaprağı Köpekbalığı derisi Kelebek kanadı 50 µm 150 µm 150 µm 20 µm Barthlott et al Reif Lawrence et al

4 Teijin Corporation of Japan MorphoTex fibers Lancôme s LUCI Inert synthetic materials to form a series of periodic micro and nanostructures!

5 DOĞAL YAPIŞMA SİSTEMLERİ Natural adhesive systems Kuru yapışma Islak yapışma Walker 1993, Int. J. Adhes. Adhes. 13, 3. Küçük ölçekli yüzey pürüzlülüğünü kompanse etmek için muhtemel stratejiler Vizkoz sıvının akması ile yüzeydeki çukurları doldurarak tam temas yapması İnce seta uçlarıyla kuru yapışma Sıvının salgılanması ile yüzey çukurlarının doldurulması Autumn et al. 2008, Phil. Trans. R. Soc. A 366, Federle 2006, J. Exp. Biol. 209, 2611.

6 HAYVANLARIN AYAKLARINDAKİ SAÇLARIN DİZAYNI Hayvanların vücut ağırlıklarının ayak yapılarının çaplarına etkisi Arzt et al

7 NİLÜFER YAPRAĞININ ÖNE ÇIKAN ÖZELLİKLERİ Nilüfer yaprağının üst kısmı Ensikat et al Nilüfer yüzeyi en yüksek papila yoğunluğuna sahip Nilüfer papilaları çok daha küçük çaplara sahip oldukları için su damlası ile temas alanını azaltırlar.

8 BİR YADA İKİ-SEVİYELİ (HİYERARŞİK) YAPILARI ÜRETMEK İÇİN KULLANILABİLECEK METOTLARA GENEL BAKIŞ E-ışınlı litografi Kimyasal Buhar Biriktirme (KBB) KNT seta KNT Spatula 2 µm Ge et al Geim et al Poröz membranlar Fotolitografik şablonlar 10 µm Majidi et al Murphy et al

9 AMAÇ Nano- Mikro- Hiyerarşik düzen Doğada bulunan çok ölçekli yapılar üretmek Yan et al Myint et al

10 KENDİLİĞİNDEN DESENLENEBİLEN BİYOMİMETİK YÜZEYLERİN SENTEZLENMESİ Biyomimetik yüzeylerin sentezlenmesinin şematik gösterimi Katalistin uygulanması Oksidasyon SiO2 oluşumu Redüksiyon Ar:H2 altında Reaksiyon Ethanol akışı Karbon nanotüp oluşumu

11 İNHİBİTÖR VE KATALİST ÇÖZELTİLERİNİN TABAKA-TABAKA UYGULANMASI İnhibitör başlangıç malzemesi: Aluminyum nitrat (Al(NO3)3.9H2O Katalist başlangıç malzemeleri: Demir nitrat (Fe(NO3)3.9H2O Kobalt nitrat (Co(NO3)2.6H2O

12 KARBON NANOTÜP BÜYÜTME SİSTEMİ Kimyasal Buhar Biriktirme (KBB) Sistemi Redüksiyon basamağı: H2:Ar (1:5) atmosferi (15 min at 625 C) Reaksiyon basamağı: H2:Ar (1:5) atmosferinde etanol akışı altında(30 min at 625 C)

13 Al/Fe ve Al/Fe/Al KATALİST KONFİGÜRASYONLARI ÜZERİNDE BÜYÜYEN KARBON NANOTÜPLER Al/Fe (20/20) Kötü bir şekilde dağınık olarak hizalanmış karbon nanotüp parçaları Al/Fe/Al (20/20/20) Homojen dağılmış ve iyi hizalanmış karbon nanotüpler Nanoscale, 2012, 4, 3746.

14 ELEKTRON IŞINLI BUHARLAŞTIRMA YÖNTEMİ KULLANILARAK ÜRETİLEN KOBALT VE DEMİR KATALİSTLERİ ÜZERİNDE SENTEZLENEN KARBON NANOTÜPLER Co Fe Oldukça uzun ve yoğun karbon nanotüpler Nanoscale, 2012, 4, 3746.

15 Al/Fe/Al/Co KATALİST KONFİGÜRASYONU ÜZERİNDE BÜYÜYEN DİK OLARAK HİZALANMIŞ KARBON NANOTÜPLER İki-boyoutlu hiyerarşik yapılar Al / Fe / Al / Co 20 / 20 / 20 / µm 40 µm 4 µm Nanoscale, 2012, 4, 3746.

16 DİK OLARAK HİZALANMIŞ KARBON NANOTÜPLERİN YÜZEY ISLATMA ÖZELLİKLERİ Yapay gül yaprağı 90 eğimli 180 eğimli 4 µm Nanoscale, 2012, 4, 3746.

17 KARBON NANOTÜP ESASLI İKİ-BOYUTLU HİYERARŞİK YAPILAR 10 µm 40 µm 4 µm 4 µm 40 µm 4 µm

18 KARBON NANOTÜP ESASLI YAPIŞKAN YÜZEYLERİN SENTEZLENMESİ Karbon nanotüpler Polimer yapılar 1 µm KBB Fotolitografi Karbon nanotüpler Mikro-yapılar 20 µm

19 POLİMER MALZEME İÇERİSİNE KISMEN GÖMÜLMÜŞ KARBON NANOTÜPLER PDMS SiO2/Si 3 µm Serbest duran KNT ler KNT lerin polimere transferi PDMS PDMS SiO2/Si 10 µm

20 PDMS DESEN ÜZERİNE AKTARILMIŞ KARBON NANOTÜPLER Karbon nanotüpler PDMS desen 10µm

21 DİŞ TELLERİ ÜZERİNDE GELİŞTİRİLEN ANTİBAKTERİYEL KARBON NANOTÜPLER Diş tellerinde bakteri plağının oluşabileceği potansiyel bölgeler Karbon nanotüplerin üç boyutlu diş telleri üzerinde büyütülmesi ve fonksiyonel gruplarla modifiye edilerek Streptococcus mutanslara karşı antibakteriyel özellik kazandırılması Esra Deniz Soner, Ebru Devrim Sam, Irem Durmaz, Rengul Atalay & Erman Bengu

22 DİŞ TELLERİ ÜZERİNDE SENTEZLENEN KARBON NANOTÜPLERİN SEM GÖRÜNTÜLERİ 1 mm 100 µm 20 µm 2 µm

23 NİLÜFER YAPRAĞI YÜZEYİNİN TAKLİT EDİLMESİ İLE GELİŞTİRİLEBİLECEK BİYOMEDİKAL MALZEMELER Kan ile temas edecek malzemelerin kan ürünlerinin adsorpsiyonun önleyebilecek şekilde dizayn edilmesi Kan damarları ve kalp kapakçıklarının geliştirilmesinde haemocompatible (kan ile uyumlu) malzeme yüzeylerinde iki-boyutlu desenler oluşturmak İki-boyutlu desenler oluşturulan yüzeylerin haemocompatible bir malzeme ile kaplanması Trombosit (platelet) aglomerasyonunun önlenmesi Hücre yapışmasının kontrolünü sağlayacak malzemelerin geliştirilmesi (Fibroblast hücre yapışması vb.) Khorasani, M.T. J. Appl.. Polym. Sci. et al Ishizaki, T. et al. Langmuir, 2003.

24 YAPAY YAPIŞKAN YÜZEYLERİN ENDÜSTRİYEL BOYUTLARDA ÜRETİLMESİ Yumuşak döküm yöntemi BASF firmasından temin edilen farklı elastik modülüse ve farklı vizkozitelere sahip polimer karışımlar PDMS kalıp UV lambası PET foil Yumuşak döküm yöntemi ile üretilen mikro-yapılar PDMS kalıp PDMS kalıp 50 µm 1.5 µm

25 YAPAY YAPIŞKAN YÜZEYLERİN ENDÜSTRİYEL BOYUTLARDA ÜRETİLMESİ Kertenkele ayak saçlarının yapılarından esinlenerek yapay yapıştırıcıların endüstriyel boyutlarda üretilmesi Yumuşak döküm yöntemi ile üretilen mikro-yapılar 5 µm 18 µm 18 µm 2.3 µm 18 µm 18 µm

26 YAPAY YAPIŞKAN YÜZEYLERİN ENDÜSTRİYEL BOYUTLARDA ÜRETİLMESİ Polimer malzemenin mekanik özelliklerinin desenlemeye olan etkisi 0.83 MPa 5 µm 3.7 MPa 5 µm 8.6 MPa 5 µm

27 YAPAY YAPIŞKAN YÜZEYLERİN ENDÜSTRİYEL BOYUTLARDA ÜRETİLMESİ Roll-to-roll prosesi Nickel shim 100 µm Çift taraflı bant 18 µm Silindir 18 µm 18 µm

28 YAPAY YAPIŞKAN YÜZEYLERİN ENDÜSTRİYEL BOYUTLARDA ÜRETİLMESİ Embossing düzeneği 18 µm Mikro-yapılar 18 µm

29 YUMUŞAK DÖKÜM YÖNTEMİ İLE ÜRETİLEN MİKRO-YAPILARIN YAPIŞMA ÖZELLİKLERİ Boy/En oranı 0.73 E-modülüs: 3.90 MPa 1 cm² ~500 g

30 KERTENKELE SAÇLARINDAN ESİNLENEREK GELİŞTİRİLEN MALZEMELER Cerrahi amaçlı bant Karp et al Hap boyutunda yumuşak robot kapsül Stickybot Yim et al Paul Day and Alan Asbeck, Stanford University

31 FONKSİYONEL KAPLAMALAR

32 TEŞEKKÜR Prof. Dr. E. Arzt Dr. P. Oliveira E. Kroner Dr. M. Kamperman Dr. P. Rogin B. Schäfer D. Paretkar G. Castellanos Dr. A. Schneider Dr. A. Kasten Dr. D. Urban Dr. F. Büsch Dr. B. Bläsi M. Nitsche Prof. Dr. Mustafa Ürgen Prof. Dr. Fatma Tepehan Yrd. Doç. Dr. Erman Bengü Gökce Küçükayan-Doğu Esra Deniz Soner Pelin Altay Hüseyin Alagöz Fatih Genisel Beril Baykal Zeynep Dalkilic Dr. Yıldırım Teoman Nedim Erinç Julide Bayram