Effect of cryogenic conditions on the properties of synthetic and biological cryogels

Abstract

Kriyojel basitçe kriyojelleşme ile sentezlenen, üç-boyutlu, kimyasal veya fiziksel olarak çapraz bağlanmış polimer zinciri olarak tanımlanır. Kriyojelleşme deniz suyunun donmasından ilham alınarak ortaya çıkmıştır. Deniz suyu tuz, biyolojik organizmalar gibi birçok türde safsızlık içermesine rağmen donmuş deniz suyunda saf buz kristallerinin olduğu keşfedilmiştir. Bunun nedeni, tamamen donmuş gibi görünse de, aslında mikroskobik ölçekte bazı donmamış alanlar olmasıdır. Donma sırasında, safsızlıklar donmamış alanlarda birikir ve böylece donmuş bölgede saf buz kristalleri oluşur. Bu doğal fenomenden esinlenerek, kriyojelleşme, çözücünün donma sıcaklığı altında bir öncü-çözücü sisteminden makro gözenekli, kimyasal veya fiziksel olarak çapraz bağlı polimer kriyojelleri sentezlemek için kullanılmaya başlanmıştır. Bir öncü monomerik (düşük moleküler) veya polimerik (yüksek moleküler) yapıda olabilir. Kullanılan çözücünün donma sıcaklığının altında olan kriyojelleşme sırasında yarı donmuş bir ortam oluşur. Yarı donmuş ortam, görünüşte donmuş bir sistemde donmamış sıvı bölgelerin varlığını ifade eder. Kriyojelleşme bu donmamış alanlarda gerçekleşir ve donmuş alanlar gözenek oluşumundan sorumludur. Böylece yarı donmuş ortamda kriyojelleşme ile çapraz bağlı makro gözenekli kriyojeller elde edilir. Kriyojeller, yüksek mekanik mukavemet, viskoelastik davranış, biyouyumluluk, biyolojik olarak parçalanabilirlik ve yüksek şişme yeteneği gibi birçok benzersiz özelliğe sahiptir. Bu özellikler arasında, kriyojellerin ana karakteristik özelliği, birbirine bağlı makro gözenekli bir yapıya sahip olmalarıdır. Makro gözenekli yapıları nedeniyle kapsülleme ajanları olarak ilaç dağıtım sistemlerinde, sorbent materyalleri olarak çevresel uygulamalarında olmak üzere birçok alanlarda kullanılabilirler. Bu nedenle, kriyojellerdeki bu makro gözeneklerin hacminin belirlenmesi birçok uygulama için hayati önem taşımaktadır. Özellikle makro gözenek hacminin kriyojel sentezinden önce belirlenmesi birçok avantaj ve tasarruf sağlayabilir. Bu çalışmanın temel amacı, kriyojenik koşullar ile kriyojellerin gözenek hacmi arasında bir ilişki bulmaktı. Bu amaçla, sentetik ve biyolojik kriyojeller sentezlenmiş ve bunların kriyojenik koşulları diferansiyel taramalı kalorimetresinde simüle edilmiştir. Bir ilişki bulmak için kriyojellerin toplam gözenek hacimleri ve bu simülasyondan hesaplanan buz hacimleri karşılaştırılmıştır. Sentetik kriyojeller, akrilamid (AAm), N,N-dimetil akrilamid (DMAA), akrilik asit sodyum tuzu (AAc-Na), metakrilik asit sodyum tuzu (MAAc-Na) ve 2-akrilamido-2- metilpropan sülfonik asit sodyum tuzunun (AMPS-Na) sulu çözeltilerinden, çapraz bağlayıcı olarak N,N'-metilen bisakrilamid (BAAM) kullanılarak uygun başlatıcı- katalizör varlığında -18°C'de serbest radikal çapraz bağlama kopolimerizasyonu ile sentezlenmiştir. Biyolojik kriyojeller, ipek fibroin (SF) ve deoksiribonükleik asidin (DNA) sulu çözeltilerinden, çapraz bağlayıcı olarak 1,4-bütandiol diglisidil eter (BDDE) kullanılarak katalizör varlığında -18°C'de çapraz bağlama reaksiyonu ile sentezlenmiştir. 3 gün boyunca vakum altında dondurarak kurutulduktan sonra, jellerin çeşitli özellikleri belirlenmiş ve karşılaştırılmıştır. 1 gram monomer veya polimerden elde edilen çapraz bağlı polimer kesri olan jel kesri, Wg hesaplandığında jellerin 0.8-1.4 arasında jel kesirlerine sahip oldukları görülmüştür. Bu değer 1'e yaklaştıkça daha çok monomer veya polimer çapraz bağlı zincire katılır ve 1'den yüksek bir değer hesaplanması imkansızdır. Buna rağmen P(AAc-Na) ve P(MAAc-Na) için jel kesri 1'den fazla hesaplanmıştır. Bunun nedeni de saf su ile polimer zincirindeki iyonik grupları arasındaki güçlü etkileşimlerin neden olduğu bağlı sudur, bağlı su dondurarak kurutma işlemi ile ayrılamadığı için bu jeller için 1'den fazla jel kesri hesaplanmıştır. Kriyojeller, çapraz bağlı yapıları nedeniyle çözücüler içinde çözünmeden şişerler. Bu çalışmada, tüm kriyojeller küçük numuneler halinde kesilmiş ve şişme davranışlarını belirlemek için bu jeller için iyi bir çözücü olan saf suya daldırılmıştır. Saf suda dengeye ulaştıktan sonra kriyojellerin ağırlıkça, qw ve hacimce, qv şişme oranları hesaplanmıştır. Jellerin 1.1-3.9 aralığında hacimce şişme ve 8.1-135.8 aralığında ağırlıkça şişme değerlerine sahip olduğu hesaplanmıştır. Bu değerler detaylı incelendiğinde iyonik jel olan P(AAc-Na), P(MAAc-Na), P(AMPS-Na) ve DNA kriyojellerinin iyonik olmayan P(AAm), P(DMAA) ve SF kriyojellerinden daha fazla şiştiği gözlemlenmiştir. İyonik kriyojellerin iyonik olmayan kriyojellerden çok daha fazla şişmesinin nedeni, iyonik kriyojellerin polimer zincirindeki yüklü birimlerdir. Yüklü birimler kriyojel içindeki ve dışındaki karşı iyonların konsantrasyon farkına neden olur ve bu osmotik basınç yaratır. Osmotik basınç nedeniyle daha fazla su molekülü jele girmek ister. Bu nedenle de, osmotik basınç yaratan iyonik kriyojeller daha fazla şişerler. Kriyojellerin şişmiş durumdaki gözenekliliği, Ps ağırlıkça ve hacimce şişme oranlarından yaklaşık olarak hesaplandığında da tüm kriyojellerin %90'dan fazla şişmiş durumda gözenekliliğe sahip oldukları görülmüştür. Kriyojellerin toplam gözenek hacimleri, sadece gözenekler tarafından alınan zayıf çözücü hacminden hesaplanmıştır. Zayıf çözücü, çapraz bağlı polimer zinciri ile etkileşime girmez, sadece gözenekleri doldurur. Böylece, toplam gözenek hacmi, zayıf çözücünün gözeneklerle doldurulmasından sonra ağırlık değişimi ile belirlenebilir. Zayıf çözücü olarak DNA kriyojeli için metanol, diğerleri için aseton kullanılmıştır. Küçük kriyojel numuneleri, dengeye ulaşana kadar zayıf çözücüde bekletildikten sonra gözenek hacimleri hesaplanmıştır. Kriyojellerin 6.6-15.6 mL/g arasında gözenek hacmine sahip oldukları hesaplanmıştır. Kriyojellerin iç yapıları hem optik mikroskop hem de taramalı elektron mikroskobu ile incelenmiştir. Optik mikroskop ölçümleri üzerinden kriyojellerin ortalama gözenek çapları hesaplanmıştır. Kriyojellerin 35.9-207.8 μm aralığında gözenek çaplarına sahip oldukları bulunmuştur. Taramalı elektron mikroskobu ölçümleri de yapılmış, bu ölçümler üzerinden hesaplanan gözenek çaplarının optik mikroskop ile hesaplanan değerlere yakın olduğu görülmüştür. Diğer bir yandan, kriyojenik koşullarının simülasyonu, diferansiyel taramalı kalorimetresinde gerçekleştirilmiştir. Başlatıcı ve katalizör içermeyen, sulu monomer veya polimer ve çapraz bağlayıcı içeren çözeltiler hazırlanmış ve bu çalışmada jelleşme sıcaklığı olan -18°C'de dondurulmuştur. Diferansiyel taramalı kalorimetresinde, bu donmuş çözeltiler, 1°C/dk'lık bir tarama hızıyla -18°C'den 10°C'ye eritilmiştir. Elde edilen erime piklerinden çözeltilerin erime sıcaklıkları, erime piklerinin altındaki alandan çözeltideki donmamış alanların miktarı, kriyo- konsantrasyonları ve buz hacimleri hesaplanmıştır. Öncelikle bu yöntem ile -18°C'de dondurulmuş saf su simüle edilmiştir. Elde edilen erime pikinden saf suyun erime sıcaklığının -0.3°C olduğu ve %92.3'lik bir alanın donduğu hesaplanmıştır. Literatürde saf suyun erime sıcaklığının 0°C olduğu bilinmesine rağmen, bu çalışmada -0.3°C olarak hesaplanmasının nedeni test edilen örnek hacmi, tarama hızı gibi birçok ölçüm parametresi olabilir. Saf suyun -18°C'de bile %7.7'lik bir kısmının donmamış olmasının nedeni ise su moleküllerinin oluşturduğu hidrojen bağlarıdır. Su moleküllerinin proton verici ve alıcı tarafları arasında moleküller arası hidrojen bağları oluşur ve bu etkileşim donmayı zorlaştırabilir. Diğer donmuş çözeltilerin erime noktaları da (-6.6)-1.2°C aralığında olduğu hesaplanmıştır. Ayrıca, akrilamid monomerinin saf su ile ötektik karışım oluşturduğu da görülmüştür. Erime piklerinin altındaki alandan, çözeltilerdeki donmamış bölge miktarları kütlece %6.5-38.0% aralığında hesaplanmıştır. Kriyo-konsantrasyonlarının %12.2-44.7 a/h ve buz hacimlerinin 11.8-17.9 mL/g aralığında olduğu hesaplanmıştır. Donmamış alanın oluşmasının nedeni saf su ile monomer veya polimer arasındaki moleküller arası hidrojen bağının oluşumudur. Değerlere yakından bakıldığında da iyonik olan AAc-Na, MAAc-Na ve AMPS-Na ve DNA çözeltilerinde daha fazla donmamış bölge görülmüştür. Bunun nedeni bu iyonik monomerlerin ve polimerin taşıdığı negatif yüklerin saf su ile daha fazla ve daha güçlü hidrojen bağı yapmasıdır. Böylece bu çözeltiler -18°C'de daha fazla donmamış alana, bu yüzden daha az buz oluşumuna sahip oldukları hesaplanmıştır. Diferansiyel taramalı kalorimetre ile elde edilen donmuş çözeltilerin buz hacmi, kriyojellerin toplam gözenek hacmi ile uyumlu olmalıdır, çünkü kriyojelasyon sırasında buz oluşumu kriyojelin gözeneklerinden sorumludur. Elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında donmuş çözeltilerin buz hacmi ile kriyojellerin toplam gözenek hacmi arasında doğrudan bir ilişki olduğu gözlemlenmiştir. Dondurulmuş AAm, DMAA, AAc-Na, MAAc-Na, AMPS-Na, SF ve DNA çözeltilerinin buz hacimleri sırasıyla 16.5 ± 0.3, 17.9 ± 0.2, 12.0 ± 0.1, 11.8 ± 0.1, 13.1 ± 0.3, 14.4 ± 0.2 ve 13.0 ± 0.2 mL/g olarak hesaplanmıştır. Karşılık gelen kriyojellerin toplam gözenek hacimleri sırasıyla 15.6 ± 0.3, 14.1 ± 0.5, 6.8 ± 0.1, 10.5 ± 0.2, 10.6 ± 0.4, 10.4 ± 0.4 ve 12.4 ± 0.4 olarak hesaplanmıştır. Tüm kriyojellerin tahmin edilen buz hacminden biraz daha az gözenek hacmi sergilediği görülmüştür. Bu fark, donmuş buzu yüksek vakum altında süblimleştirme yolu ile kriyojelden uzaklaştıran işlem olan dondurarak kurutma işlemi sırasında gözeneklerin büzülmesinden kaynaklanabilir. Dondurarak kurutma sırasında yüksek vakum nedeniyle gözeneklerde bir büzülme olsa bile, sonuç olarak, kriyojelin sahip olabileceği toplam gözenek hacmi kriyojel sentezi yapılmadan, kriyojenik koşulların diferansiyel taramalı kalorimetrede simüle edilmesi ile yaklaşık olarak tahmin edilmiştir. Buna ek olarak, çeşitli kriyojenik koşullar, birçok öncül türü ve farklı miktarlarda monomer ve çapraz bağlayıcı bu yöntem ile simüle edilebilir ve bu farklı denemelerin nihai kriyojel üzerindeki etkileri hem sentez yapılmaya gerek kalmadan hem de kimyasallardan, zamandan ve iş gücünden tasarruf ederek bulunabilir.