AKRİLAMİD/MESAKONİK ASİT HİDROJELLERİNDE ŞİŞME ÖZELLİKLERİ Ömer Barış ÜZÜM, Erdener KARADAĞ Adnan Menderes Üniversitesi, Kimya Bölümü 09010 Aydın ÖZET Suda şişebilen, çapraz bağlı hidrofilik homopolimerler veya kopolimerler hidrojel olarak adlandırılırlar. Hidrojeller, kütlelerinin %20 sinden daha fazla suyu bünyelerine alabilen ağ yapılı polimerlerdir. Hidrojeller biyomühendislik, tıp, biyotıp, eczacılık, tarım, veterinerlik alanları ile yiyecek endüstrisinde yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada yüksek oranda su tutabilen akrilamid/mesakonik asit (AAm/MESA) hidrojellerinin şişmesine; hidrofilik monomer olarak kullanılan mesakonik asitin (MESA) etkileri araştırılmış ve çapraz bağlayıcı olarak 1,4-butandiol dimetakrilat (BDMA) kullanılmıştır. Şişme karakterizasyonlarının yapılabilmesi için denge yüzde şişme değerleri, dengede su içerikleri, difüzyon üsteli, difüzyon sabiti gibi bazı parametreler hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Akrilamid, Hidrojel, Mesakonik asit, Şişme 1. GİRİŞ Hidrojeller; 1970 li yıllarda ilk kez kontakt lens olarak kullanılmaya başlanmalarından sonra biyoteknoloji, biyotıp, farmakoloji, veterinerlik, gıda endüstrisi ve tarımsal uygulamalarda yoğun olarak kullanılmışlardır. Bu alanlarda hidrojeller, denetimli ilaç taşınmasında taşıyıcı, biyotıp alanında yapay organ, su saflaştırma alanında ve iyon değişimi ile ilgili uygulamalarda Adsorban-iyon değiştirici reçine olarak başarı ile kullanılmışlardır [1-4]. Yapay hidrojeller içerisinde üzerinde en çok çalışılanlar, 2-hidroksietil metakrilat (PHEMA), poli(vinil pirrolidone) (PVP), poli(n-izopropil akrilamid) (PNIPAM), poliakrilik asit ve türevleri, poliakrilamid (PAAm) ve türevleri olmuştur. PAAm fizyolojik vücut sıvıları ve vücut dokuları ile uyumluluk göstermesi ve yüksek oranda su tutucu olması nedeni ile üzerinde yoğun çalışmalar yapılan bir polimer olmuştur [5-7]. Bu çalışmada; akrilamid ile birlikte değişen kütlelerde mesakonik asidin kimyasal olarak çapraz bağlanmaları amaçlanmıştır. Böylelikle akrilamidin suda şişme özelliği, hidrofilik bir monomer olan mesakonik asit ile denetlenebilir bir hale gelecektir. Elde edilen hidrojellere dinamik şişme testleri uygulanarak şişme karakterizasyonu yapılacaktır. 2. KURAMSAL 2.1. Çapraz Bağlanma Homopolimerik ya da kopolimerik zincirler; doğrusal, dallanmış ve çeşitli oranlarda çapraz bağlanmış durumda olabilirler. Çapraz bağ bulunduğu ana zincire benzer türde ya da kullanılan çapraz bağlayıcı nedeniyle farklı türde olabilir. Çözelti ortamında bir başlatıcı ve bir hızlandırıcı varlığında kimyasal çapraz bağlayıcılar kullanılarak çapraz bağlı polimer üretimi sıkça kullanılan bir yöntemdir.çözeltide yürütülen bu tepkimelerde genellikle sulu çözeltiler kullanılır [6,8].Çapraz bağlı polimerlerde bulunan zincirler birbirlerine güçlü kovalent bağlarla bağlanmıştır. Bu nedenle çapraz bağlı polimerler çözücülerde çözünmeyip şişerler.
2.2. Hidrojeller Kütlelerinin %20 sinden daha fazla çözücüyü bünyelerine alarak şişme yeteneğine sahip çapraz bağlı homopolimerler veya kopolimerler kserojel (xerogel) olarak adlandırılırlar. Çözücü su olduğunda ise çapraz bağlı bu yapılar hidrojel adını alır. Hidrojeller, susever olmaları nedeniyle hidrofil polimerler olarak da adlandırılırlar. Üç boyutta çapraz bağlanmalarla oluşan ağ yapıda bağlar kovalent ya da iyoniktir. 2.3. Hidrojellerde Suyun Konumu Çapraz bağlı homopolimerik veya kopolimerik yapıların hidrojel olarak tanımlanabilmesi için yapısında OH, NH 2,, COOR vb. gibi hidrofilik (su sever) grupların bulunması gerekir. Bu gruplar su ile etkileşerek hidrojen bağları oluştururlar. Bağlı duruma geçen su moleküllerinin varlığı ile hidrofilik fonksiyonel gruplar çevresinde kütlesel bir büyüme olur ve çapraz bağlı polimer şişmeye başlar. Hidrofilik grupların fazlalığı ile şişmenin miktarı arasında bir ilişki vardır. Şişmiş bir hidrojelde üç tür su bulunmaktadır [9]. Bağlı su: Polimerin polar grupları ile hidrojen bağları yapan sudur. Ara yüzey suyu: Polimerin susevmez grubu çevresinde toplanan ve sıkıca bağlı olmayan sudur. Serbest ya da kütle su: Polimerin gözeneklerini dolduran sudur. Bir bağ olmaksızın su molekülleri fiziksel olarak gözenek içinde yer alır. 2.4. Şişme karakterizasyonu ve difüzyon türü Çapraz bağlı, ağ yapılı polimerler uygun çözücü ortamına konulduktan sonra, çözücünün yapıya girmesi ile şişme başlar. Belirli bir süre sonra çözücünün jele girme hızı ile jelden salım hızı birbirine eşit olur. Bu durum; en büyük şişme değerine ulaşıldığı denge durumudur [7,9,10]. Şişme davranışı gösteren ağ yapılı polimerlerin karakterizasyonunda şişme kinetiğinin incelenmesi, difüzyon türü ve mekanizmasının aydınlatılması da önemlidir. Bu amaçla öncelikle şişme eğrilerinin oluşturulması gerekir. Şişme eğrileri, denge yüzde şişme (%S) değerlerinin zamanla değişiminin izlenmesi ile oluşturulur [11,12]. %S değerleri, W W0 %S = x100 (1) W t 0 eşitliği ile hesaplanır. Bu eşitlikte W 0 ; başlangıçtaki kuru polimer kütlesi, W t ; t süre sonraki şişmiş polimerin kütlesidir. Denge durumuna ulaşıldığında şişmiş hidrojel en büyük şişme değerine sahiptir. Çözücüyle dengede bulunan hidrojeller için dengede sıvı içeriği (DSİ); DSİ W W d 0 = (2) Wd eşitliği ile hesaplanır. Eşitlikte W d ; dengedeki (şişmiş) polimerin kütlesini, W 0 ; kuru polimerin kütlesini göstermektedir. Şişme özelliği gösteren polimerlerin şişme kinetiği; M F = t n = kt (3) Md
eşitliği yardımıyla incelenmektedir [2,5]. Bu eşitlikte M t ; t anında jelin içerdiği çözücü kütlesi, M d ; dengedeki jelin içerdiği çözücü kütlesi, n; çözücünün difüzyon türünü gösteren difüzyon üsteli, k; jelin ağ yapısına bağlı olarak değişen bir sabiti göstermektedir. F; jelin t anında aldığı çözücü miktarının dengede alınan çözücü miktarına oranıdır ve şişme kesri olarak tanımlanır. Difüzyon türünün belirlenebilmesi için n parametresinin bilinmesi gerekir. Difüzyon üsteli n, şişmenin henüz dengeye ulaşmadığı bölgede ve çözücü kütlesinin %60 lık kesiminin (F<0,60) jele girmesi için geçen zaman aralığında lnf-lnt doğrusunun eğiminden bulunabilmektedir [5,9]. Polimerik ve kopolimerik yapıların difüzyon türünün açıklanmasında kullanılan en temel yasalar Fick yasalarıdır. i. Fick tipi difüzyon (Durum I): Durulma hızının difüzyon hızından daha büyük olduğu ve denge şişme değerine kısa sürede ulaşıldığı difüzyon türüdür. Bu durumdaki şişme, difüzyon olayı ile denetlenir ve polimerik yapıya giren ya da yapıdan çıkan türün miktarı zamanın karekökü ile orantılı olarak artar (n=0,5). ii. Süper durum II (Durum II): Difüzyon hızının durulma hızından daha büyük olduğu difüzyon türüdür (n=1). iii. Fick tipi olmayan yada anormal tip difüzyon (Durum III): Şişme üzerinde difüzlenme ve durulmanın aynı anda etkin olduğu difüzyon türüdür (0,5<n<1). 3. DENEYSEL 3.1. Kullanılan Kimyasallar ve Hidrojellerin Hazırlanması Hidrojel üretiminde kullanılan kimyasalların formülleri ve kısa gösterimleri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Hidrojellerin üretiminde kullanılan maddeler. Madde Formül Kısa gösterim Akrilamid H 2 C=CHCONH 2 AAm Mesakonik asit HO 2 CCH=C(CH 3 )CO 2 H MESA Amonyum persülfat (NH 4 ) 2 S 2 O 8 APS N,N,N,N -Tetrametiletilendiamin (CH 3 ) 2 NCH 2 CH 2 N(CH 3 ) 2 TEMED 1,4-Bütandiol dimetakrilat [H 2 C=C(CH 3 )CO 2 CH 2 CH 2 ] 2 BDMA Bu çalışmada kullanılan çapraz bağlı AAm/MESA kopolimerleri serbest radikalik polimerleşme tepkimesi ile çözelti ortamında hazırlanmışlardır. Kopolimerlerin sentezlenmesinde çok fonksiyonlu çapraz bağlayıcı olan BDMA kimyasal çapraz bağlayıcısı kullanılmıştır. AAm monomerinin sudaki çözeltisine değişen oranlarda MESA yardımcı monomeri eklenerek elde edilen monomer karışımına, çapraz bağlayıcı (BDMA), başlatıcı (APS) ve hızlandırıcı (TEMED) eklenir. Hazırlanan çözelti yaklaşık 3 mm çapındaki plastik pipetlere doldurularak oda sıcaklığında jelleşmeye bırakılır. Oluşan hidrojeller plastik pipetlerden çıkarılarak 3-4 mm uzunluğunda kesilir ve önce açık havada sonrada vakumda kurutularak saklanır. 3.2. Şişme karakterizasyonu Hazırlanan çapraz bağlı kopolimerlere 25 o C da dinamik şişme testleri uygulanmıştır. Bu amaçla kuru haldeki bir AAm/MESA kopolimeri tartılarak su banyosunda 25 ± 0,1 o C sabit sıcaklıkta, damıtık su içerisine konularak şişmeye bırakılmıştır. Jelin suya bırakıldığı an t=0 olarak alınmış ve belirli zaman aralıklarında sudan çıkarılan hidrojel dış yüzeyindeki su kurulanarak aynı duyarlıkla tartılmıştır. Zamanla değişmeyen kütle değerleri elde edilene dek düzenli olarak tartıma devam edilmiş ve değişmeyen değerler elde edildiğinde şişmenin dengeye geldiği kabul edilerek deney sonuçlandırılmıştır.
4. BULGULAR ve SONUÇLAR Bu çalışmada, daha önce hidrojel üretiminde hiç kullanılmamış hidrofilik bir monomer olan mesakonik asidin, akrilamid ile birlikte çapraz bağlı kopolimerleri üretilmiştir. O O CH 3 C CH=CH 2 + HO C HC = C C OH NH 2 O Akrilamid OH O=C CH 3 CH CH 2 CH C C=O C=O NH 2 OH n AAm/MESA kopolimeri Mesakonik asit Şekil 1. AAm, MESA ve AAm/MESA kopolimeri. AAm/MA hidrojellerinin serbest radikalik polimerleşme tepkimesi ile üretimlerinde gerçekleşen tepkime temel olarak dört aşamadan oluşmaktadır. Bu mekanizmanın şematik olarak gösterimi Şekil 2 de verilmiştir. TEMED + APS Radikal Oluşumu + + Başlama AAm MESA + + Monomer Katılması + Çapraz Bağlayıcı (ÇB) ÇB Çapraz Bağlanma Şekil 2. Olası kopolimerleşme ve çapraz bağlanma mekanizması.
4.1. Denge şişme değerleri Elde edilen veriler yardımıyla %S t grafikleri çizilerek şişme izotermleri oluşturulmuştur. %S 3500 3000 2500 2000 1500 00 MESA 20 MESA 40 MESA 60 MESA 80 MESA 1000 500 4.2. Dengede su içeriği 0 0 500 1000 1500 2000 t (dak) Şekil3. BDMA ile çapraz bağlı AAm/MESA hidrojellerinin şişme izotermleri. Eşitlik 2 kullanılarak hesaplanan DSİ değerleri Çizelge 2 de verilmiştir. Hidrojeller için DSİ değerlerinin 0,60 dan büyük olması, bu yapıların biyouyumluluğunun bir göstergesidir. Elde edilen bu değerler ışığında BDMA ile çapraz bağlı AAm/MESA hidrojellerinin biyomateryal olarak kullanılabileceği söylenebilir. Çizelge 2. AAm/MESA hidrojellerinde DSİ değerlerinin MESA ile değişimi. MESA / mg 00 20 40 60 80 Denge su içeriği, DSİ BDMA 0,9301 0,9607 0,9628 0,9670 0,9706 4.3. Suyun difüzyonu Eşitlik 3 te verilen bağıntının logaritmik formu kullanılarak lnf lnt grafiği çizilmiştir. Elde edilen doğruların eğiminden difüzyon üsteli n ve kesim noktalarından ise difüzyon sabiti K değerleri hesaplanarak Çizelge 3 te sunulmuştur. lnf 0,0-0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-3,0-3,5-4,0-4,5 00 MESA 20 MESA 40 MESA 60 MESA 80 MESA 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 lnt Şekil 4. BDMA ile çapraz bağlı AAm/MESA kopolimerlerinde lnf-lnt değişimi.
Çizelge 3. AAm/MA hidrojellerinde difüzyon üstelleri ve difüzyon sabitleri. MESA / mg 00 20 40 60 80 Difüzyon üsteli, n BDMA 0,58 0,73 0,76 0,76 0,74 Difüzyon sabiti, k x 10 3 BDMA 17,82 9,432 9,956 8,580 5,171 Hazırlanan çapraz bağlı polimerler için n değerleri 0,56 ile 0,76 arasında bulunmuştur. Bu değerler 0,5<n<1 aralığındadır. Bu durumda AAm/MESA hidrojellerinin difüzyon türü Fick tipi olmayan (anormal) difüzyon sınıfına girmektedir. Yani AAm/MESA hidrojellerinin şişmesi sırasında difüzlenmenin ve durulmanın aynı anda olduğu söylenebilir. TEŞEKKÜR Bu çalışma Adnan Menderes Üniversitesi Araştırma Fonu tarafından desteklenmiştir. Proje no: FEF 03 003 5. KAYNAKLAR 1. WICHTERLE, O. and LIM, D., Hydrophilic gels for biological use, Nature, 185, 117-118, 1960. 2. PEPPAS, N.A. and FRANSON, N.M., The swelling interface number as a criterion for prediction of diffusional solute release mechanisms in swellable polymers, Journal of Polymer Science: Polymer Physics Edition, 21, 983-997, 1983. 3. BYRNE, M.E., PARK, K.and PEPPAS, N.A., Molecular imprinting within hydrogels, Advanced Drug Delivery Reviews, 54, 149-161, 2002. 4. HUANG, G., GAO, J., HU, Z., ST.JOHN, J.V., PONDER, B.C. and MORO, D., Controlled drug release from hydrogel nanoparticle networks, Journal of Controlled Release, 94, 303-311, 2004. 5. ENDE, M.T. and PEPPAS, N.A., Transport of ionizable drugs and proteins in crosslinked poly(acrylic acid) and poly(acrylic acid-co-2-hydroxyethyl methacrylate) hydrogels. II. Diffusion and release studies, Journal of Controlled Release, 48, 47-56, 1997. 6. KARADAĞ, E., ÜZÜM, Ö.B. and SARAYDIN, D., Swelling equilibria and dye adsorption studies of chemically crosslinked superabsorbent acrylamide/maleic acid hydrogels, European Polymer Journal, 38, 2133-2141, 2002. 7. SARAYDIN, D., KARADAĞ, E., IŞIKVER, Y., ŞAHİNER, N. and GÜVEN, O., The influence of preparation methods on the swelling and network properties of acrylamide hydrogels with crosslinkers, Journal of Macromoleculer Science, Part A Pure and Applied Chemistry, A 41(4), 421-433, 2004. 8. KARADAĞ, E., ÜZÜM, Ö.B. and SARAYDIN, D., Water uptake in chemically crosslinked poly(acrylamide-co-crotonic acid) hydrogels, Materials and Design, 2004 (Kabul edildi, baskıda). 9. PEPPAS, N.A. and MIKOS, A.G., Preparation methods and structure of hydrogels. Hydrogels in Medicine and Pharmacy, Peppas NA (editor), vol:1, Fundamentals, CRC Press, Florida, 1986. 10. KULICKE, W.M. and NOTTELMANN, H., Structure and swelling of some synthetic, semisynthetic and biopolymer hydrogels, Polymers in Aqueous Media, 223, 15-44, 1989. 11. EVMENENKO, G., ALEXEV, V., BUDTOVA, T., BUYANOV, A. and FRENKEL, S., Swelling-induced changes of polyelectrolyte gels, Polymer, 40, 2975-2979, 1999. 12. DOLBOW, J., ELIOT, F. and JI, H., Chemically induced swelling of hydrogels, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 52, 51-84, 2004.