Sepiyolit Nanofiberlerinin Fonksiyonelleştirilmesi Ve Karakterizasyonu: Antibakteriyel Aktivite Ve Afm-iletkenlik Ölçümleri

Abstract

Nanofiberler, 100nm ya da daha küçük çaptaki fiber formlarıdır. Günümüzde nanofiberlerin potansiyel kullanım alanları tekstil endüstrisi, filtrasyon cihazları, doku mühendisliği iskelet yapısı, sensör ve membran çalışmaları, yüzey kaplama maddelerinin geliştirilmesi ve elektronik uygulamalardır. Yüksek teknolojiye sahip ürünlerin geliştirilmesinde yüksek kaliteli nanofiberlerin kullanım ihtiyacı gün geçtikçe artmaktadır. Geri dönüştürülebilir fiberlere sahip doğal killer bu amaçla kullanılmak üzere en uygun adaylardandır. Sepiyolit, magnezyum silikat yapılı olup, en bilinen tabaka yapılı kil olan montmorillonitten farklı olarak, emsalsiz fiberlere sahiptir. Yapısındaki bu eşsiz kanal ve tüneller sepiyolite üstün adsorpsiyon ve yüzey özellikleri sağlamaktadır. Bu sayede sepiyolit, yüksek dayanımlı, nemden etkilenmeyen, daha ucuz ve tamamiyle doğal bir malzeme olmasından dolayı MEMS, sensör gibi çalışmalarda kullanılmak için idealdir. Öte yandan, killer üzerine yapılan çalışmaların büyük bir çoğunluğunda tabakalı yapıda bulunan montmorillonit tipi smektit grubu killerle yapılmış olup, fiber yapılı sepiyolitler ile ilgili çok az sayıda çalışma mevcuttur. Sepiyolit üzerine yapılan bilimsel araştırmalar ve çalışmaların büyük bir kısmı sepiyolitin adsorpsiyon ve reolojik özellikleriyle ilgili çalışmalardır. Hatta sepiyolitten nanokompozit eldesi ile ilgili yayın sayısı oldukça sınırlıdır. Ülkemizin dünyanın ikinci büyük sepiyolit rezervlerine sahip olmasından dolayı üretilecek sepiyolit/sepiyolit katkılı malzemelerin Türk sepiyolitleri adına ne denli öneme sahip olduğu açıktır. Bu tezde öncelikle sepiyolit liflerinden safsızlıkların uzaklaştırılması için gravite yöntemi esaslı eşiksiz sallantılı masa olan Mozley masası ile çalışılmıştır. Safsızlıkları uzaklaştırılmış sepiyolit daha sonra, literatürde de sıkça bahsedilen yüksek hızlı karıştırma işlemine tabi tutularak, fiberlerin düzgün bir şekilde dağıtıldığı bir sistem geliştirilmiştir. Lakin bu süre aşıldığında sepiyolit liflerinin kırılarak parçalanmakta olduğu tespit edilmiştir. Mekanik karıştırma ile birlikte Mozley masasında zenginleştirme çalışmalarının faydalı olduğu görülmüştür. Fiberlerin hem elektriksel özellikleri ve hem de antibakteriyel aktivitelerinin geliştirilmesi için gümüş ve bakır adsorpsiyonu çalışmaları yapılarak, Ag+ ve Cu2+ ilaveli sepiyolit fiberleri geliştirilmiştir. Bu çalışmalar için farklı konsantrasyonlarda gümüş nitrat ve bakır sülfat çözeltileri hazırlanmış, sepiyolit örnekleri ile farklı konsantrasyonlarda gümüş nitrat ve bakır sülfat çözeltileri belli süre muamele edilmiştir. Sürenin sonunda santrifüj edilen killer filtrasyon ve kuruma işlemlerinden sonra geri kazanılmış, santrifüj sonrası supernatant kısımdan alınan örneklerin gümüş ve bakır içeriği atomik absorpsiyon spektroskopisi ile ölçülmüştür. Elde edilen değerlere göre yapılan hesaplamalar sonucu adsorpsiyon izotermleri ortaya konulmuş, kile maksimum yüklenebilecek iyon miktarı belirlenmiş ve sepiyolit yüzeyine bu iyonların fiziksel adsorpsiyonla bağlandığı gösterilmiştir. Antibakteriyel aktivite çalışmaları için saf, Ag+, Cu2+ ilaveli sepiyolit örnekleri gram negatif bir bakteri olan E.coli ve gram pozitif bir bakteri olan S. aureus türüne karşı denenmiştir. Bu deneyler için seri dilüsyon ve disk difüzyon yöntemi kullanılmıştır. Seri dilüsyon yöntemi ile gözle görülen mikrooganizma üremesini engelleyen en düşük değer olan minimum inhibisyon konsantrasyonu belirlenmiştir. Bu değer Ag+ yüklü killerde 50mg/L olarak bulunurken, Cu2+ ilaveli sepiyolit örneklerinde ise 100mg/L olarak tesbit edilmiştir. Deney sonuçlarına göre, gümüşün bakıra göre daha iyi bir antibakteriyel ajan olduğu ve gram pozitif bakterilerin negatif yüklü dış membranlarının gram negatif bakterilere göre daha kalın olmasından dolayı elektrostatik etkileşimler sonucu pozitif yüklü iyonlarla daha fazla temas halinde oldukları, bu nedenle de bu iyonlara karşı daha savunmasız oldukları ortaya konulmuştur. Bu bulgular literatürdeki çalışmalar ile de desteklenmiş ve mekanizmalar açıklanmıştır. İyon değişimi gerçekleştirilmiş örnekler distile su ile 5 kez yıkandıktan sonra bile ilk seferdeki antibakteriyel etkiyi gösterdiği de daha sonraki deneylerle ortaya konulmuştur. Çalışmanın AFM (Atomic Force Microscopy) takipli görüntü analizlerinden sepiyolit fiberlerinin boyutu tesbit edilmiş, yüzeylerin yarı iletkenlik özellikleri Conductive-AFM ve EFM (Electrostatic Foce Microscopy) ile ölçülmüştür. İletkenlik sonuçlarına göre saf sepiyolit fiberleri ölçüm aralıklarında elektriği tek başına iletemezken, Ag+ ve Cu2+ katkısı ile yarı iletken sepiyolit nanofiberi üretimi mümkün olmaktadır. Buradan hareketle, gümüş ve bakır ilaveli sepiyolit fiberlerinin hem iyi birer antibakteriyel ajan oldukları ve hem de elektriği iletebildikleri tespit edilmiştir. Tüm bu deneyler sonucu geliştirmiş olduğumuz sepiyolit fiberleri sensör, antibakteriyel yüzey kaplaması, nanokompozit, biyoMEMS, güneş pilleri gibi ileri nanoteknolojik ve biyomedikal uygulamalarda kullanılmak için potansiyel taşıdığı ve çalışmalarımızın bu yönde devam ettiği yorumu yapılmıştır.

Nanofibers are the materials in fiber form that have diameter equal to or less than 100nm. Nowadays, its potential applications include filtration devices, textile industry, tissue engineering scaffolds, sensors, membrane and coating materials development, electronic applications, etc. The need of high-quality nanofiber is increasing every day depending on the developments in high-tech materials. Natural clay is one of the alternative biodegradable fiber materials for the use of these innovative applications. In natural fiber clays, sepiolite fibrous has an special importance due to the fact that Turkey has the second biggest sepiolite reserve on the earth. Sepiolite belongs to a group of layered silicates with a magnesium hydrosilicate chemical formula. It is used as fillers in numerous applications due to its fibrous structure, high surface area, porosity, crystal morphology and composition, surface activity, production of stable dispersions at low concentrations. These properties provide a basis for varieties of catalytical, sorptive and rheological application such as pet litter, detergents, drugs and ceramics. However, nanotechnological applications such as nanocomposites, antibacterial nanocoatings, sensors and bio-MEMS need high-quality sepiolite nanofibers. Sepiolite deposits are possessed of major impurities such as dolomite, calcite, and others, magnesite paligorskit, quartz, feldspar, and phosphates. Due to very fine particle sizes (<2 &#61549;m), the removal of impurities is still a problem without breaking the fibers of sepiolite. High-quality sepiolite nanofibers deliberated by high-speed mixers and separated from impurities using gravity separation techniques. After obtained the sepiolite fibrous, Ag+ and Cu2+ loaded sepiolites were prepared. According to adsorption isotherms, antibacterial activity of Ag+ and Cu2+ loaded sepiolite fibers was tested for E.coli and S.aureus by two common methods: serial dilution and disk diffusion method. Results showed that minimum inhibitory concentrations of each solutions were determined as 50mg/L Ag+ and 100mg/L Cu2+ - loaded sepiolite samples, respectively. Besides, this study proved that silver is a stronger antibacterial agent than copper since gram-negative bacteria E.coli is more resistant to antibacterial clay agents than S.aureus. After washing the treated clay samples with distilled water five times, the samples maintained their antibacterial activity and were just as effective as the first time in the second trials. AFM and EFM/I-AFM measurements will be performed to indicate topography and the electrical conductivity of the sepiolite samples. Scanning the surface of sepiolite thin films by the combined AFM/current technique can lead to requirements in local functionalization of their electronic properties. This change in local properties is made and correlated with copper and silver adsorption studies. According to change of current amplifier, External I-AFM mode referred to the I-AFM that uses the external low noise current amplifier named as Ultra-Low Noise Conductive AFM (ULCA), silver loaded sepiolite films showed promising results compared to the copper functionalized sepiolite films while raw sepiolite has no electrical conductivity. To decrease the effect of morphology of these clay films, each measurement was focused and applied on a single sepiolite nanofiber. As expected, these results are in agreement with an electrostatic force microscopy (EFM) study, showing that the electrons were transferred rapidly to the surface of Ag-Sepiolite film, compared with that on either pure sepiolite clay film or Cu-sepiolite film. This is a great potential for improving cheaper, durable, biodegradable innovative applications in clay thin &#64257;lms. Sepiolite fibers separated from its impurities and loaded with silver and copper ions show excellent antibacterial activity as well as good electrical conductivity. These modified high-quality sepiolite nanofibers have big potential for nanotechnological and biomedical applications.