Aşırı Dallanmış Poli(Akrilik Asit-Ko-3hidroksipropiyonat) Hidrojellerin Sentezi ve Karakterizasyonu

Abstract

Tez çalışmasının ilk aşamasında, akrlik asitin (AA) farklı deneysel koşullarda HTP yürütülmüştür. Akrilik asit (AA) monomerinin potasyum tersiyer bütoksit (tBuOK) gibi kuvvetli bir baz varlığında uzun polimerizasyon süreleri sonrasında jelleştiği gözlenmiştir. Oluşan jel sırasıyla eter, kloroform ve su ile muamele edilerek farklı polimerik yapılar izole edilmiş ve yapısal karakterizasyonları yapılmıştır. Elde edilen polimerik ürünlerin izolasyonu sonrası spektroskopik (FTIR, NMR) ve termal (TGA) karakterizasyonu yapılarak polimerizasyon ürünlerinin tesbiti yapılmış ve polimerizasyon mekanizması aydınlatılmıştır. Kütlece en fazla izole edilen ürünün çözünürlük testi esnasında hiçbir çözücüde çözünmediği polar çözücülerde şişme davranışı gözlenmiştir. FTIR, katı 13C-NMR, TGA ve titrimetrik analizler sonucunda akrilik asit (AA) ve ester birimleri içeren aşırı dallanmış kopolimer (poli(akrilik asit-ko-3-propiyonik asit) (PAcHP)) olduğu anlaşılmıştır. Bu sonuç, polimerizasyon esnasında hem anyonik zincir polimerizasyonunun (akrilik asit (AA) birimleri) hem de hidrojen transfer polimerizasyonunun (ester birimleri) eş zamanlı olarak yürüdüğünü göstermektedir. Tez çalışmasının devamında, poli(akrilik asit-ko-3-propiyonik asit) (PAcHP)'ın fiziksel (pH'a, iyonik güce ve farklı polariterdeki organik çözücülere bağlı şişme davranışı), kimyasal (biyobozunurluğu) ve biyokimyasal (antibakteriyel) özelliklerinin belirlenilmesine odaklanılmıştır. Farklı polaritedeki çözücülerdeki şişme davranışı göstermesi üzerine farklı pH'daki fosfat tamponlarında ve polarite bakımından geniş bir çözücü spektrumu belirlenerek bu çözücülerdeki şişme kinetiği ve oranları incelenerek çözünürlük parametresi tayin edilmiştir. Akrilik asit (AA) birimleri içermesi nedeniyle poli(akrilik asit) (PAA) gibi antibakteriyel özellik göstereceği ve alifatik ester birimleri içermesi nedeniyle biyobozunur olabileceği öngörüsü ile antibakteriyel aktivitesi ve biyobozunurluğu incelenmiştir. Titrimetrik analiz ile poli(akrilik asit-ko-3-propiyonik asit) (PAcHP) hidrojelinde % 47.3 oranında akrilik asit (AA) birimleri ve % 52.7 oranında propiyonat birimlerinin bulunduğu tayin edilmiştir. Buna rağmen yapılan TG analiz, titrasyondan elde edilen oranlardan farklı sonuçlar ortaya koymuştur. Her iki analizin sonuçları değerlendirildiğinde kimyasal olarak dört farklı birim içeren bir yapı önerilmiştir. Sişme oranına pH etkisi incelendi ve maksimum şişme oranı pH=12 tampon çözeltisi içerisinde % 1100 olarak bulundu. Aynı zamanda, iyon şiddetinin PAcHP hidrojelinin şişme derecesine etkisi 0.025-1.0 M aralığındaki Na2SO4 çözeltiler içerisinde incelendi. Beklendiği gibi, iyon şiddetindeki artış şişme derecesinin azalmasına sebep olduğu belirlendi. Farklı çözücülerde yapılan şişme oranı tesbit çalışmalarında DMSO'da yaklaşık % 2100 oranında en yüksek şişme oranı tayin edilerek sentezlenen aşırı dallanmış PAcHP'nin çözünürlük parametresinin DMSO'nun çözünürlük parametresine eşit olduğu ve değerinin yaklaşık 26.7 olduğu belirlenmiştir.Antimikrobiyal aktivite araştırması sonuçlarına göre S. aureus, M. luteus ve E. coli Gram pozitif patojen bakterilerine karşı poli(akrilik asit-ko-3-propiyonik asit) (PAcPH) hidrojelleri biyosidal etki göstermiş ve bakteri üremesini durdurmuştur. Aktif çamur varlığında hem P3HP hem de PAcHP örneklerinin aerobik bozunması sonuçlarına göre sadece ester birimleri içeren P3HP homopolimeri beklendiği gibi 40 günlük inceleme sonucunda % 47 kütle kaybı verirken poli(akrilik asit-ko-3-propiyonik asit) (PAcHP) % 35 kütle kaybı vermiştir.

At first stage of the thesis study, HTP of acrylic acid (AA) was carried out in various experimental conditions. It was observed that acrylic acid (AA) monomer were gellated in the presence of potassium tertiary butoxide (tBuOK) after a long polymerization period. The gels obtained were treated with ether, chloroform and water, respectively, and different polymeric structures were isolated and characterized. Spectroscopic (FTIR, NMR) and thermal (TGA) characterization of the polymeric products were performed to reveal their structures and polymerization mechanism. It was observed that the main product of the polymerization was not soluble in any solvent but exhibited swelling behavior in polar solvents. Based on the results of the FTIR, solid 13C-NMR, TGA and titrimetric analysis, it was concluded that the product was a hyperbranched copolymer (poly(acrylic acid-co-3-propionate). (PAcHP)) including acrylic acid and ester units. The finding shows that both anionic addition polymerization (acrylic acid units) and hydrogen transfer polymerization (ester units) undergoes simultaneously. In the rest of thesis study, it was focused on the determination of physical (swelling behavior depending on pH, ionic strength and solvents with various polarity), chemical (biodegradability) and biochemical (antibacterial activity) properties of poly(acrylic acid-co-3-propionate). Regarding of swelling properties in various solvent during the solubility tests, solubility parameter of the hydrogel were determined through the examination of swelling kinetics and ratios in a wide range of buffer solutions with different pH and in various organic solvents with variable polarity. Then, antibacterial activity and biodegradability of the hydrogel were examined since the hydrogel includes both acrylic acid units from which PAA exhibits antibacterial activity, and biodegradable aliphatic ester units. Analytical titration of the poly(acrylic acid-co-3-propionate) hydrogel results in 47.3 % of AA units and remaining 52.7 % of propionate units. However, TG analysis of the polymer reveals different proportion of acrylic acid units from the titrimetric method. When both results obtained from the each analysis were evaluated simultaneously it was proposed that the polymer consisted of chemically different four units. Effect of pH on the swelling ratio was examined and maximum swelling was found to be about 1100 % in buffer solution with pH=12. Effect of ionic strength on the swelling ratio of the PAcHP hydrogel were also examined with solutions of Na2SO4 with a range of 0.025-1.0 M concentration. As expected, increase in the ionic strenght of a solution caused a decrease in the swelling ratio. In the examination of swelling ratio in various solvents, maximum swelling ratio of the hyperbranched PAcHP was determined in DMSO as about 2100 %, and solubulity parameter of the hyperbranched PAcHP was equal to that of DMSO, which is 26.7. According to results of the antibacterial activity assays, PAcPH hydrogels showed bactericidal effects on Gram positive pathogen bacterias like S. aureus, M. luteus and E. coli and inhibited their growth. Aerobic biodegradation studies on poly(3-hydroxypropionate) (P3HP) and PAcHP in activated sludge were resulted in mass loss upto 47 % and 35 %, respectively.