EGDMA ve NBisA ile ÇAPRAZ BAĞLI AKRİLAMİD/KROTONİK ASİT HİDROJELLERİNDE ŞİŞME E. KARADAĞ, Ö. B. ÜZÜM, S. KUNDAKÇI, *D. SARAYDIN Adnan Menderes Üniversitesi, Kimya Bölümü 09010 Aydın *Cumhuriyet Üniversitesi, Kimya Bölümü 58140 Sivas ÖZET Bu çalışmada etilen glikol dimetakrilat ve N,N -metilenbisakrilamid gibi çok fonksiyonlu çapraz bağlayıcı ile kimyasal olarak çapraz bağlanmış akrilamid/krotonik asit hidrojelleri çözelti ortamında, amonyum persülfat (başlatıcı) ve N,N,N,N -Tetrametiletilendiamin (hızlandırıcı) kullanılarak serbest radikalik katılma polimerleşmesi yöntemi ile elde edilmiştir. Elde edilen çapraz bağlı polimerik ürünlere dinamik şişme testleri uygulanarak şişme karakterizasyonları yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar değerlendirilerek suyun çapraz bağlı polimerik sisteme non- Fickian tipte bir difüzyon ile difüzlendiği izlenmiştir. Akrilamid/krotonik asit hidrojelleri için, ortama eklenen krotonik asit içeriğinin artışı ile denge yüzde şişme değerlerinde önemli artışlar kaydedilmiştir. Anahtar kelimeler; Akrilamid/krotonik asit; çapraz bağlanma; difüzyon; hidrojel; şişme 1. GİRİŞ Hidrojeller, yüksek oranda suyu bünyesine alarak şişme özelliği gösterebilen çapraz bağlı homo ya da kopolimerik sistemlerdir. Günümüzde yaygın bir biçimde kullanılan hidrojellerden özellikle biyotıp, biyomühendislik, eczacılık, veterinerlik, tarımsal savaşım, gıda endüstrisi gibi bilimsel ve teknik alanlarda çok yoğun biçimde yararlanılmaktadır(1-5). Hidrojeller bu alanlarda genelde denetimli salınım sistemlerinin oluşturulmasında destek materyali olarak kullanılmaktadır. Denetimli salınım, polimerdeki etkin maddenin (ilaç, tarım ilacı, gübre vb.) belirli bir zaman aralığında önceden belirlenmiş doz ya da derişimde hedef alana aktarılması olarak tanımlanır(1-5). Özellikle tıp ve eczacılıkta kullanılan denetimli salınım sistemlerinde kullanılan hidrojeller ile ilgili birçok yayın yapılmıştır. Denetimli salınım sistemleri geliştirilerek yapay organ yapımı, kontakt lens yapımı, enzim tutuklama sistemleri ve ilaç taşıyıcı sistemleri oluşturulmuştur. Hidrojeller biyotıp alanında kaplama, dikiş iplikleri ile 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 yapımı ve rahim içi aletler yapımında kullanılmıştır(1-5). Hidrojellerin yüksek oranda su tutucu olmalarından dolayı, tarım alanında gübrelerin denetimli salınımında endüstride yağ ve petrol içerikli sulu atıkların arılaştırılmasında ve hastane atıklarından suda çözünebilen, hidrojellerle uyumlu bazı fizyolojik sıvıların (kan, üre, vb.) soğurulmasında kullanıldığı açıklanmıştır. Bazı araştırmalarda ise, poliakrilamid hidrojellerinin bazı vücut sıvılarının (kan, üre, enzim, protein, yapay kan) soğurulması ve taşınmalarında soğurucu ve taşıyıcı olarak kullanıldığı da belirtilmiştir(2-7). Bu çalışmada elde edilen yüksek oranda su tutma özelliklerine sahip AAm/KA kopolimerlerine dinamik şişme testleri uygulanarak şişme özellikleri araştırılmıştır.
2. DENEYSEL Çapraz bağlanmış AAm/KA kopolimerleri, etilen glikol dimetakrilat(egdma) ve N,N - metilenbisakrilamid(nbisa) gibi çok fonksiyonlu iki çapraz bağlayıcı kullanılarak, çözelti ortamında serbest radikalik polimerleşme yöntemi ile elde edilmiştir(8-15). Hazırlanan çapraz bağlı kopolimerik sistemlere suda 25 o C da dinamik şişme testleri uygulanarak su soğurumunun temelleri araştırılmıştır. Şişme karakterizasyonu için şişme izotermleri oluşturularak denge yüzde şişme değerleri hesaplanmıştır. Şişme verileri değerlendirilerek dengede su içeriği, difüzyon üsteli ve difüzyon sabiti gibi bazı temel karakterizasyonu parametreleri hesaplanmıştır. Çizelge 1; AAm/KA Hidrojellerinin Hazırlanmasında Kullanılan Monomerler ve Çapraz bağlayıcılar Akrilamid (Propen amid) H 2 C=CHCONH 2 AAm Krotonik asit CH 3 CH=CHCOOH KA Amonyum persülfat (NH 4 )S 2 O 8 APS N,N,N,N -Tetrametiletilendiamin (CH 3 ) 2 NCH 2 CH 2 N(CH 3 ) 2 TEMED Etilen glikol dimetakrilat [H 2 C=C(CH 3 )COOCH 2 ] 2 EGDMA N,N - metilenbisakrilamid (H 2 C=CHCONH) 2 CH 2 NBisA 3. BULGULAR 3.1 Denge yüzde şişme, %S Suyun çapraz bağlı polimerler tarafından adsorplanması ile şişme oluşur. Şişme, AAm/KA hidrojelleri üzerinde yer alan hidrofilik-su sever grupların su moleküllerini olası hidrojen bağları ile üzerlerine bağlamaları ve yine çapraz bağlı yapının gözeneklerine kütle halinde suyun adsorplanması ile görülür. Adsorpsiyon sonunda, hidrojen bağları yapan su, ara yüzey suyu ve serbest su moleküllerinin kütlesel artışı ile şişme yüksek olmaktadır. Hidrojellerin şişme ve difüzyon özellikleri için gerekli yüzde şişme değerleri aşağıdaki eşitlik kullanılarak hesaplanmıştır. %S = ( m m ) t mo o x 100 Burada m o ve m t ; başlangıçtaki ve t anındaki jel kütlesidir. Yukarıda açıklanan eşitlik yardımı ile hesaplanan yüzde şişme değerleri, zamana karşı grafiğe geçirildiklerinde, şişme izotermleri oluşturulmaktadır. EGDMA ile çapraz bağlanmış akrilamid/krotonik asit hidrojel sistemleri için yüzde şişme değerlerinin zamanla değişimini veren şişme izotermi, örnek olarak Şekil 1 de sunulmuştur. Şişme izotermleri incelendiğinde yüzde şişmenin zamanla arttığı, bir süre sonra dengeye ulaştığı, zamanın artışı ile artık yüzde şişme değerlerinde bir artışın ya da değişimin olmadığı görülür. Dengenin söz konusu olduğu şişme, denge yüzde şişme, (%S denge ) olarak nitelendirilebilir. Denge yüzde şişme değerleri bir hidrojelin hangi alanda etkin olarak kullanılabileceğini göstermesi açısından önemli bir parametredir. İlgili şişme izotermleri incelenerek gözlenen yüzde şişme değerleri Çizelge 2 de listelenmiştir.
3000 % şişme 2000 1000 0 00KAE 20KAE 40KAE 60KAE 0 1000 2000 süre, dakika Şekil 1; EGDMA ile çapraz bağlanmış AAm/KA hidrojellerinin şişme izotermleri Çizelge 2; AAm/KA hidrojellerinin denge şişme değerleri KA, mg 00 20 40 60 Denge şişme, %S denge EGDMA 1729 1843 2100 2577 NMBA 1798 1946 2048 2246 Hidrojellerin şişme oranı değerlerinde, krotonik asit artışı ile çok yüksek şişme değerlerine ulaşılmaktadır. KA içermeyen jeller %1729-1798 şişme gösterirken, KA eklenmesi ile bu değerlerin %1843-2577 gibi daha büyük değerlere ulaştığı izlenerek AAm/KA hidrojellerinin yüksek oranda su tutma yeteneklerine sahip oldukları belirlenmiştir. Burada temel etken komonomer olan krotonik asidin çok sayıda hidrofilik /susever gruplar içermesidir. Suyun değişik etkileşimler sonunda polimerik/hidrojelik yapıya bağlanması ile hacimde artış gözlenir. Yani çapraz baplı polimerik sistem şişer. Sisteme eklenecek komonomer içeriği denetlenerek şişme denetim altına alınabilir. 3.2 Denge su içeriği Dengede su içeriği bir hidrojelin ya da çapraz bağlanmış bir kopolimer veya polimerin bir biyomateryal olarak, özellikle de yapay organ yapımı ve denetimli salınım sistemlerinde kullanılabileceğinin önemli bir göstergesidir. Bu amaçla, biyomateryal olarak kullanılması planlanan malzemede dengede su içeriği, fizyolojik içerik olan %60 lık su içeriği ile karşılaştırılır. Su tutma kapasitesi %60 ve üstünde değerlere sahip olan bir materyalin bu amaçla kullanılması gündeme gelir. Biyomateryal olarak kullanılması düşünülen polimerik sistemlerde dengede su içeriği aşağıdaki eşitlik uygulanarak araştırılabilir(16,17). DSİ = ( m - m ) d o md
Burada m d, hidrojelin dengedeki kütlesi ve m o ise hidrojelin başlangıçtaki (şişmeden önceki) kütlesidir. İlgili eşitlik kullanılarak hesaplanmış dengede su içerikleri Çizelge 3 de sunulmuştur. Dengede su içeriklerinin 0,60 tan büyük çıkması AAm/KA hidrojellerinin potansiyel bir biyomateryal olarak kullanılabileceğinin bir ölçüsüdür. Çizelge 3; AAm/KA hidrojellerinin denge su içerikleri KA, mg 00 20 40 60 Dengede su içerikleri EGDMA 0,9543 0,9485 0,9545 0,9626 NMBA 0,9473 0,9511 0,9534 0,9573 3.3 Hidrojellere su difüzyonu Hidrojellerde şişme, çapraz bağlı yapıya ya da gözeneklere suyun girmesi ve kütlesel bir artışın olması anlamındadır. Bir anlamda çapraz bağlı yapının kimyasal özellikleri ile şişme gücünün hangi boyutlarda olabileceğinin araştırılması, onun hangi alanda daha etkin kullanılabileceğinin de bir göstergesidir. Şişme izotermleri yardımıyla hidrojel sistemlere çözücü difüzyonu ve difüzyon davranışını açıklayabilmek için şişme kinetiği eğrileri oluşturulur. Bu konuda araştırılabilecek parametreler olan difüzyon üsteli (n) ve difüzyon sabiti (K) aşağıdaki eşitlik kullanılarak hesaplanabilir(1,18,19). ( m - m ) n F = t o = Kt mo Burada m t, t anında şişmiş örnek kütlesi ve m o, kuru örnek kütlesidir. F, t anında difüzlenen çözücü kesridir. K; difüzyon sabiti ve n ise difüzyon türünü belirleyen difüzyon üstelidir. 0-1 00 KAN 20 KAN 40 KAN 60 KAN lnf -2-3 -4 1 2 3 4 5 6 lnt Şekil 2; NBisA ile çapraz bağlanmış AAm/KA hidrojellerinin kinetik şişme eğrileri
Şişme kinetiği eğrilerinin oluşturulması için şişme eğrilerindeki kütlesel artışın ilk %60 lık bölümünden yaralanılır ve lnf lnt grafikleri çizilerek şişme kinetiği eğrileri oluşturulur (Şekil 2). Bu eğrilerin eğiminden difüzyon üsteli (n), kesim noktasının değerlendirilmesi ile de difüzyon sabiti (K) bulunmuştur. Çizelge 4; Difüzyon üsteli ve difüzyon sabitinin KA içeriği ile değişimi KA, mg 00 20 40 60 Difüzyon üsteli, n EGDMA 0,59 0,58 0,66 0,65 NMBA 0,65 0,65 0,64 0,69 Difüzyon sabiti, Kx10 2 EGDMA 2,02 1,87 1,21 1,03 NMBA 1,53 1,41 1,58 0,83 Çizelge 4 deki sonuçlar incelendiğinde, (n) değerlerinin 0,58-0,69 arası değerlerde değiştiği izlenmiştir. Bu değişen değerlere dayanılarak hidrojellere su difüzyonunun non-fickian (Fick tipi olmayan) karakterde olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Fick tipi olmayan (anormal) difüzyonda şişme sırasında difüzlenme ve durulmanın aynı anda etkin olduğu belirtilir. Bu özelliklerden yararlanarak akrilamid/krotonik asit hidrojellerinin, belirlenecek bazı alanlarda yüksek oranda su adsorplayıcı bir biyomateryal olarak kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. 4. SONUÇLAR EGDMA ve NBisA gibi çok fonksiyonlu çapraz bağlayıcı ile çapraz bağlanmış AAm/KA hidrojelleri, çözeltide serbest radikalik katılma polimerleşme yöntemi ile elde edilmiştir. Şişme testleri sonunda hidrojellerin üstün su tutma yeteneğinde olduğu görülmüştür. Akrilamid hidrojeli, EGDMA ile çapraz bağlandığında %1729, NBisA ile çapraz bağlandığında %1798 değerlerinde şişme gösterirken düzenlemeye üzerlerinde hidrofilik/su sever karboksil grupları taşıyan krotonik asit gibi bir karboksilik asidin eklenmesi ile şişme değerleri %1843-2577 gibi değerlere ulaşır. Diğer yandan, akrilamid/krotonik asit hidrojelleri için dengede su içerikleri 0,9473-0,9626 arası değerlerdedir. Bu değerler, akrilamid/krotonik asit hidrojellerinin potansiyel birer biyomateryal olabileceğinin de ön göstergeleridir. Yüksek su tutma yeteneği ile akrilamid/krotonik asit hidrojelleri, denetimli salınım sistemlerinde, ilaç taşıyıcı sistemlerin hazırlanmasında, yapay organ yapımında potansiyel bir biyo malzeme olabilecektir. Diğer yandan bu çalışma sonunda elde edilen akrilamid/krotonik asit hidrojellerinin, çevrede belirlenen sistemden bazı kimyasal türlerin ya da istenmeyen suyun değişik ortamlardan uzaklaştırılmasında ve tarımda gübre ve tarımsal savaşım ilaçlarının çevreye denetimli salınımlarının sağlanmasında da, kullanılabileceği ileri sürülebilir. TEŞEKKÜR Bu çalışma Adnan Menderes Üniversitesi Araştırma Fonu tarafından desteklenmiştir. Proje no: FEF 00 001
5. KAYNAKLAR 1. Saraydın D., Karadağ E., Işıkver Y., Şahiner N., 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, 2004, A(41)4, 421-433. 2. Shantha KL, Harding DRK, Synthesis, characterization and evulation of poly[lactose acrylate-2-vinyl-pyrrolidione] hydrogels for drug delivery. Eur Polym J, 2003; 39: 63-68 3. Kim SJ, Park SJ, Kim SI, Swelling behavior of interpenetrating polymer network hydrogels composed of poly(vinyl alcohol) and citosan. React Funct Polym, 2003; 55: 53-59 4. Rosso F, Barbarissi A, Barbarissi M, Petillo O, Margarucci S, Calarco A, Peluso G, New polyelectrolyte hydrogels for biomedical applications. Materials Science and Engineering, 2003; C23:371-376 5. Evmenenko G, Alexev V, Budtova T, Buyanov A, Frenkel S, Swelling-induced changes of polyelectrolyte gels. Polymer, 1999;40: 2975-2979 6. Paxton RA, Al-Jumaily AM, Eastal AJ, An experimental investigation on the development of hydrogels for optical applications. Polymer Testing, 2003;22: 371-374 7. Gupta P, Vermani K, Garg S, Hydrogels: from controlled release to ph-responsive drug delivery. Drug Discovery Today, 2002;7(10): 569-579 8. Hennink WE, van Nostrum CF, Novel crosslinking methods to design hydrogels.. Advanced Drug Delivery Reviews, 2002;54: 3-36 9. Peppas NA, Mikos AG, Preparation methods and structure of hydrogels. Hydrogels in Medicine and Pharmacy, Peppas NA (editor), vol:1, Fundamentals, CRC Press, Florida, 1986 10. Tanaka T, Gels. Scientific American, 1981;224(1):110-123 11. Durmaz S, Okay O, Phase separation during the formation of poly(acrylamide) hydrogels. Polymer, 2000; 41: 5729-5735 12. Karadağ E, Üzüm ÖB, Saraydın D, Swelling equilibria and dye adsorption studies of chemically crosslinked superabsorbent acrylamide/maleic acid hydrogels. Eur Polym J, 2002;38: 2133-2141 13. Karadağ E, Saraydin D, Swelling studies of super water retainer acrylamide/crotonic acid hydrogels crosslinked by trimethylolpropane triacrylate and 1,4-butanediol dimethacrylate, Polym Bull, 2002; 48: 299-307 14. Karadağ E, Saraydin D, Swelling of superabsorbent acrylamide/sodium acrylate hydrogels prepared using multifunctional crosslinkers, Turk J Chem, 2002;26:863-875 15. Güven O, Şen M, Karadağ E, Saraydın D, A review on the radiation synthesis of copolymeric hydrogels for adsorption and separation purposes. Radiat Phys Chem 1999; 56: 381-386 16. Tighe BJ, The role of permeability and related properties in the design of synthetic hydrogels for biomedical applications. British Polymer Journal, 1986;18(1):8-13 17. Peniche C, Cohen ME, Vazguez B, Roman JS, Water sorption of flexible networks based on 2-hydroxyethyl methacrylate-triethylenglycol dimethacrylate copolymers. Polymers, 1997;38:5977-5982 18. Peppas NA, Franson NM, The swelling interface number as a criterion for prediction of diffusional solute release mechanisms in swellable polymers. J Polym Sci, 1983;21:983-997 19. Am Ende MT, Peppas NA, Trasport 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, 1997;48:47-56