İnorganik ve Organik Katkılı PCL Kompozitlerin Isıl ve Enzimatik Bozunma Mekanizmaları ve Kinetiği Burcu Alp a*, Serap Cesur b, Devrim Balköse a a İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Kimya Mühendisliği Bölümü, Urla-İzmir b Ege Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü, Bornova-İzmir e-mail: burcualp@iyte.edu.tr serap.cesur@ege.edu.tr, devrimbalkose@iyte.edu.tr ÖZET Biyobozunur polimerler, biyolojik olarak bozunduğundan çevre dostu malzemeler olarak dikkat çekmektedir. PCL, diğer polimerlere göre sahip olduğu sayısız avantajları nedeniyle dikkatleri yeniden üzerine toplamıştır. Bu avantajlar, tercihe göre uyarlanabilen mekanik ve bozunma özellikleri, şekillendirme kolaylılığı ve doku içinde büyümeye elverişli uygun gözenek boyutlarında üretimin sağlanabilmesi, kontrollü ilaç salınımı ve gıda ambalajı uygulamalarını içermektedir. İnorganik katkı olarak çinko oksit, organik katkı olarak oleik asit ve gliserol monooleatın PCL in ısıl ve enzimatik bozunma mekanizması ve kinetiğine etkileri incelenmiştir. Kompozit filmlerin ısıl bozunma aktivasyon enerjileri, TGA sonuçlarından Broido modeli ile hesaplanmıştır ve değerleri, kj/mol ile 9, kj/mol arasında değişmektedir. Kompozit filmlerin Pseudomonas lipaz enzimi içinde bozunmada hidroksi kaproik asitin difuzyon sabiti Fick Difüzyon Modeli ile hesaplanmıştır. Bozunmanın PCL filmin yüzeyinde ve amorf bölgede difüzyon kontrolünde gerçekleştiği düşünülmüştür. Enzimatik bozunma öncesi ve sonrası XRD paternlerinden %kristallik derecesinin enzimatik bozunma sonrası büyük ölçüde arttığı görülmüştür. Bu, bozunmanın ilk amorf yüzeyde ve difüzyon kontrolünde gerçekleştiğini desteklemektedir. Anahtar Kelimeler: PCL, biyobozunma, inorganik ve organik katkılı PCL kompozitleri.. GİRİŞ PCL, ham petrolden üretilen, yüksek kristallik derecesine sahip, sentetik biyobozunur bir polyesterdir. PCL in biyo-uyumlu ve insan vücudu için zararsız olması, uyarlanabilen mekanik ve bozunma özellikleri, şekillendirme kolaylılığı ve doku içinde büyümeye elverişli uygun gözenek boyutlarında üretimin sağlanabilmesi, biyomedikal ve kontrollü ilaç salınımı, gıda ambalajı uygulamaları için yeni malzeme olarak kullanılmasında yapılan çalışmaları arttırmıştır. PCL in hidrolizlenerek bozunması ve biyobozunması üzerine yapılmış araştırmalar olmasına rağmen ısıl kararlılığı konusunda bilgiler oldukça azdır. Bu çalışmada kompozit filmlerin ısıl kararlılık ve bozunma kinetiği TGA ile incelenmiştir. Saf PCL in ısıl bozunması ile ilgili incelemeler, bozunmanın iki adımda ortaya çıktığını göstermiştir []. Katı-durum ısıl bozunma reaksiyonları doğada ve birçok kinetik süreç için genelde homojendir; reaksiyon hızı ürünün sıcaklık-bağımlı fonksiyonu olarak ifade edilmektedir. PCL kompozit filmlerin ısıl bozunma kinetiği, TGA eğrilerinden Broido tarafından önerilen analitik bir yöntemin uygulanmasıyla türetilmiştir []. PCL in su varlığında bozunma sürecinde, moleküler parçalanma ve zincirlerin kırılması hidroliz yoluyla gerçekleşmektedir. Bu yüzden alifatik polyesterlerin bozunmasında hidroliz önemli bir kontrol mekanizmasıdır. Alifatik polyesterlerin hidrolizi su ile ester bağlarının hidrolitik ayrılmasıyla başlamaktadır. Sekosan ve Vasanthan () dikkate değer hidrolitik bozunmanın oluşmadığını, bozunmanın önce amorf sonra kristal bölgede gerçekleştiğini öngörmüşlerdir []. Seretoudi ve ark. (), yüksek kristal derecesine sahip PCL filmin içine, su ve enzimin nüfuz etmesinin zor olduğunu rapor etmişlerdir []. Bu çalışmada inorganik ve organik katkı maddeleri ile hazırlanan PCL kompozit filmlerin ısıl ve enzimatik bozunma mekanizma ve kinetiğinin incelenmesi amaçlanmıştır ve kullanılan kinetik modelleri Tablo de verilmiştir.
Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, - Eylül, Koç Üniversitesi, İstanbul Model Broido Modeli [] Michaelis Menten Modeli [] Fick in Difüzyon Modeli [] Bozunma Tipi Isıl Enzimatik Enzimatik Tablo. Isıl ve enzimatik bozunma kinetik modelleri Denklem Parametreler T m : Reaksiyon sıcaklığı : Herhangi bir andaki fraksiyonel bozunma E : Bozunma aktivasyon enerjisi : Isıtma hızı R : Gaz sabiti T : Sıcaklık v : Reaksiyon hızı V max : Maksimum substrat derişiminde ulaşılan maksimum hız K m : Michaelis sabiti [S] : V max ın yarısında substrat derişimi M t : Herhangi bir andaki kütle kayıbı M : Sonsuzda kütle kaybı L : Film kalınlığının yarısı t : Bozunma süresi D : Difüzyon katsayısı. DENEYSEL YÖNTEM Yapılan deneysel çalışmalarda, polikaprolakton (PCL) (7.-9. g/mol; Aldrich), çözgen olarak diklorometan(dcm) (Merck), inorganik katkı maddesi olarak çinko oksit (ZnO) (Merck), organik katkı maddesi olarak oleik asit (Riedel) (OA) ve gliserol monooleat (Kimpeks A.Ş) (GMO) kullanılmıştır. PCL (, g), 7 cm DCM çözgen içinde oda sıcaklığında manyetik karıştırıcı kullanılarak çözülmüştür. ZnO (,; ; % ağırlıkça), oleik asit (; ; % ağırlıkça) veya GMO (; ; % ağırlıkça), PCL çözeltisi içine farklı derişimlerde eklenerek saat karıştırılmıştır. Kompozit filmler, cm çapındaki petri kaplarına, ml dökülerek, çözgenin buharlaştırılmasıyla hazırlanmıştır. Hazırlanan kompozit filmlerin içerik ve kodları Tablo de görülmektedir. Kompozit film kodlarında Z: çinko oksit, O: oleik asit, G: Gliserol mono oleat ı temsil etmektedir. Filmlerin ısıl özellikleri TGA (Seteram LABSYS-TG) cihazı ile karakterize edilmiştir. TG analizleri için örnekler ( mg) azot akımında (ml/dk), C/dk ısıtma hızı ile C ye kadar ısıtılmıştır. Lipaz enzimi ile bozunma testi için, PCL filmler cm x cm ölçülerinde kare şeklinde kesilerek,, mg Pseudomonas lipaz enzimi içeren ml ph 7, fosfat tampon çözeltisi içine konup 7 C de bekletilmiştir. Örnekler bozunma ortamından,, 7, 9 ve gün sonra çıkarılıp saf su ile birçok kez yıkandıktan ve kurutulduktan sonra kuru ağırlıkları tartılmıştır. Bozunan örnekler XRD (Philips X-pert) ile incelenmiştir.. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Şekil (a-b) de ZnO (%, ağırlıkça) katkılı PCL kompozit filmlerin artan organik katkı miktarına göre termogramları verilmiştir. PCL ısı etkisi ε-kaprolaktona dönüşmekte ve -kaprolakton sistemden buharlaşarak ayrılmaktadır. Kompozit filmlerin TGA analizlerinden elde edilen bozunma başlangıç sıcaklıkları, C deki kül miktarları Tablo de verilmiştir. ZnO ve GMO nun bozunma başlangıç sıcaklığını oleik asite göre daha çok düşürdüğü görülmüştür. Katı-durum ısıl bozunma reaksiyonları doğada ve birçok kinetik süreç için genelde homojendir; reaksiyon hızı ürünün sıcaklık-bağımlı fonksiyonu olarak ifade edilmektedir. PCL kompozit filmlerin ayrışma kinetiği, TGA eğrilerinden Broido tarafından önerilen analitik bir yöntemin uygulanmasıyla incelenmiştir. Şekil de ZnO (%, ağırlıkça) katkılı PCL kompozit filmlerin artan organik katkı miktarına göre kompozit filmlerin Broido modeli grafikleri
ln(ln(/ )) ln(ln(/ )) Kalan Kütle, % Kalan Kütle, % Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, - Eylül, Koç Üniversitesi, İstanbul gösterilmiştir. Broido modeli ile hesaplanan bozunma aktivasyon enerjisi değerleri Tablo de ve bozunma aktivasyon enerjilerinin katkı miktarına göre değişimi Şekil te verilmiştir. Tüm katkılar saf PCL e göre bozunma aktivasyon enerjisini düşürmüştür. Özellikle GMO katkılı filmlerde bu düşüş daha çok gözlenmiştir. PCL_Z. PCL_Z._O PCL_Z. PCL_Z._GMO PCL_Z._O PCL_Z._GMO 8 PCL_Z._O 8 PCL_Z._GMO a b Sıcaklık, C Şekil. ZnO ( %, ağırlıkça) katkılı PCL kompozit filmlerin artan organik katkı miktarına göre TGA termogramları; a-oleik asit, b-gmo Sıcaklık, C.. a PCL_Z. PCL_Z._O PCL_Z._O PCL_Z._O y = -x +.8 R² =.998 y = -88x + 9.9 R² =.99 y = -x + 7.7 R² =.99 y = -8x +.8 R² =.99 b -. - -. - - - PCL_Z. PCL_Z._GMO PCL_Z._GMO PCL_Z._GMO y = -x +.8 R² =.998 y = -9x + 9.98 R² =.99 y = -888.x +. R² =.99 y = -7.x + 8. R² =.99 -.....7.8 /T, K - -.....7.8 /T, K - Şekil. ZnO (%, ağırlıkça) katkılı PCL kompozit filmlerin artan organik katkı miktarına göre Brodio modeli grafikleri; a-oleik asit, b-gmo Örneklerin lipaz enzim çözeltisi içinde artan katkı miktarına göre zamana karşı yüzde ağırlık kayıpları Şekil te gösterilmiştir. Hem oleik asit hem de GMO katkısı ZnO katkılı kompozit filmlerin ağırlık kayıplarını arttırmıştır. Örneklerin enzimatik bozunma kinetiğinin Michaleis- Menten modeline uymadığı görülmüştür []. Bozunmanın filmin amorf bölge yüzeyinden başlayıp difüzyon kontrolüyle lipaz çözeltisine doğru meydana geldiği düşünülmüştür. Bu nedenle, Fick in ikinci yasası deneysel verilere uygulanmıştır []. Şekil te M t /M nın bozunma zamanının karekökü ile değişiminin doğrusal olduğu görülmektedir. Bu grafiklerden bozunan PCL kompozit filmlerden açığa çıkan hidroksi kaproik asitin film içinde difüzyon katsayıları hesaplanmıştır. Difüzyon katsayısını oleik asit düşürürken GMO nun arttırdığı Şekil da görülmektedir. Yüksek kristallik derecesine sahip PCL kompozit filmlerde bozunmanın aynı anda hem kristal hem de amorf bölgede gerçekleştiği öne sürülmektedir. Sekosan ve Vasanthan () farklı kristallik derecelerindeki PCL filmler için benzer sonuçları gözlemişlerdir. Bozunmanın önce amorf bölgede gerçekleştiği ve bozunma hızının kristallik derecesine bağlı olduğu düşünülmektedir. Bu sonuçlar literatür ile uyumludur [,].
İnorganik Katkı, % ağırlıkça Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, - Eylül, Koç Üniversitesi, İstanbul Kompozit filmlerin lipaz enzim çözeltisinde bozunma öncesi ve sonrası XRD analizlerinden kristallik dereceleri hesaplanmış ve Şekil 7 de karşılaştırılmıştır. Bozunma sonrasında filmlerin çoğunda kristallik derecelerindeki artış dikkat çekmektedir. Bu sonuç bozunmanın önce amorf bölgede gerçekleştiğini desteklemektedir. Benzer şekilde Sekosan ve Vasanthan () dikkate değer hidrolitik bozunmanın oluşmadığını, bozunmanın önce amorf sonra kristal bölgede gerçekleştiğini öngörmüşlerdir[]. Seretoudi ve ark. (), yüksek kristallik derecesine sahip PCL filmin içine, su ve enzimin nüfuz etmesinin zor olduğunu rapor etmişlerdir []. Şekil. Kompozit filmlerin Broido Modeli ile hesaplanan bozunma aktivasyon enerjilerinin katkı miktarına göre değişimi; a- ZnO-oleik asit, b-zno-gmo, Organik Katkı % ağ. Tablo. Kompozit filmlerin ısıl bozunma sonuçları Bozunma Bozunma C de Aktivasyon Kompozit film kodları Başlangıç Sıcaklığı ( o %Kül Miktarı Enerjisi, C), T d (kj/mol) OA GMO OA GMO OA GMO OA GMO PCL, 7, PCL_Z_O PCL_Z_G 8, 7, 9, 78,7 PCL_Z_O PCL_Z_G 98,78,7 8,, PCL_Z_O PCL_Z_G 99,7 7,8,,8 PCL_Z. 8,9, PCL_Z._O PCL_Z._G 8 7,,8 9,9 98,8 PCL_Z._O PCL_Z._G 9,7, 89,, PCL_Z._O PCL_Z._G 8, 8, 7,,8 PCL_Z,, PCL_Z_O PCL_Z_G 8 89,,,, PCL_Z_O PCL_Z_G 8,9,7 9,, PCL_Z_O PCL_Z_G 8 7,8 8, 8, 9, PCL_Z 7,,8 PCL_Z_O PCL_Z_G 9 9,7,8 9,,7 PCL_Z_O PCL_Z_G 8,8, 9, 78,7 PCL_Z_O PCL_Z_G,,97 8,,
Difüzyon Katsayısı x, [m /s] Difüzyon Katsayısı x, [m /s] Ağırlık Kaybı, % Ağırlık Kaybı, % Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, - Eylül, Koç Üniversitesi, İstanbul Zaman, gün örnek örnek a b Şekil. ZnO (%, ağırlıkça) ve % organik katkılı PCL filmlerin zamana karşı yüzde ağırlık kayıpları; a-oleik asit, b-gmo 8 8 Zaman, gün örnek örnek Şekil. ZnO (%, ağırlıkça) ve % organik katkılı PCL filmlerin M t /M nın zamanın karekökü ile orantısı a-oleik asit, b-gmo 8 8. ZnO, % wt Oleik Asit, % wt. ZnO, % wt GMO, % wt Şekil. Kompozit filmlerin Fick Difüzyon Modeli ile hesaplanan difüzyon katsayısının katkı miktarına göre değişimi; a- ZnO-oleik asit, b-zno-gmo
Kristallik Derecesi % Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, - Eylül, Koç Üniversitesi, İstanbul 8 7 7 Enzimatik bozunma testinden önce Enzimatik bozunma testinden sonra Şekil 7. Kompozit filmlerin enzimatik bozunma testi öncesi ve sonrası kristallik derecesi değerleri XRD sonuçlarına göre Şekil 8 da görüldüğü gibi, bozunmanın PCL filmin yüzeyinde ve amorf bölgede difüzyon kontrolünde gerçekleştiği düşünülmüştür. Şekil 8. PCL in lipaz çözeltisinde önerilen bozunmasının şematik gösterimi; E: Lipaz enzimi, PCL: Polikaprolakton film, C: Hidroksi kaproik asit. TEŞEKKÜR: Bu çalışma TÜBİTAK M7 no lu proje ile desteklenmiştir. Laboratuvar imkanları için İYTE Kimya Mühendisliği Bölümü ne teşekkür ederiz. KAYNAKLAR. Sivalingam G., Karthik R., Madras G., Kinetics of thermal degradation of poly(ε-caprolactone), Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 7, -7,.. Broido A., A simple, sensitive, graphical method of treating thermogravimetric analysis data, J Polym Sci, 7, 7-7, 99.. Sekosan G.,Vasanthan N., Morphological changes of annealed poly-ε-caprolactone by enzymatic degradation with lipase, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 8, -,.. Seretoudi G., Bikiaris D., Panayiotou C., Synthesis, characterization and biodegradability of poly(ethylene succinate)/poly(ε-caprolactone) block copolymers, Polymer,, -,.