Development of supramolecular hydrogels with adjustable viscoelastic, mechanical and self-recovering properties

Abstract

Biological systems are living systems with unique features such as self-healing, reorganization, and being able to respond to external stimuli. The production of synthetic materials with similar properties by imitating biological systems will prevent the loss of both raw material and energy and will increase the quality of life. Thanks to the new generation hydrogels with these features, soft and smart materials, underwater adhesives, wound dressings, actuators, sensors and many more will be used in daily life to replace the living tissues. Today, many research groups continue their studies for the production of hydrogels with a double network structure, nanocomposite hydrogels, cryogels, tough and shrinkable gels, as well as cost-effective soft devices. Despite all these efforts, the design of autonomous self-healing soft materialswith a high mechanical strength is still a big problem. In the first part of the thesis, self-healing hybrid crosslinked poly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) (PAMPS)-based hydrogels with a high mechanical strength were synthesized by solution polymerization of AMPS without using any initiator. Although PAMPS hydrogels have been in use for many years due to their large swelling capacities, they are brittle and exhibit no self-healing behavior limiting their applications. Recently, PAMPS hydrogels were prepared without an initiator by thermal polymerization. However, these hydrogels were easily soluble in water and their use was also limited due to their poor mechanical properties. To develop high mechanical strength in PAMPS hydrogels and hinder their water solubility, three strategies were applied in the first part of the thesis, namely, clay nanoparticles and a chemical crosslinker were included into the reaction system both separately and together to produce nanocomposite, chemically cross-linked, and hybrid cross-linked PAMPS hydrogels, respectively. Although both nanocomposites and chemically cross-linked hydrogels up to 2 mol% crosslinker content PAMPS hydrogels were weak and easily soluble in water, hybrid crosslinked ones formed using both clay nanoparticles and chemical crosslinkers were water insoluble, and exhibited good compressive mechanical properties with a Young's modulus of around 0.7 MPa together with a sel-healing ability. The hybrid strategy thus developed within the framework of the thesis is a novel and general approach for the production of nanocomposite ionic hydrogels with self-healing ability. The synthesis of water-stable PAMPS hydrogels formed by only H-bonding interactions has not reported before. This is due to the 100-fold weaker strength of H-bonds compared to the covalent bonds, leading to the dissociation of H-bonds between the PAMPS chains in water. However, cooperativity of H-bonds similar to those in double-stranded DNA would create H-bonded physical hydrogels of high mechanical strength. This was the idea behind the experiments conducted in the second part of the thesis. UV photopolymerization of AMPS in water was conducted in the presence of 2-hydroxy-4'-(2-hyroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (Irgacure 2959) photoinitiator at a high AMPS concentration without using any chemical crosslinkers. As compared to the thermal polymerization at 80 °C leading to water soluble PAMPS hydrogels, UV polymerization at 23±2 °C produces water-insoluble hydrogels exhibiting an equilibrium swelling ratio of 1013±53, i.e., the mass of the hydrogel around 1013-fold increases upon swelling in an excess of water. Although the hydrogels are stable in water, they all could be dissolved in aqueous urea solutions due to the breaking of H-bonds. The network chains of PAMPS hydrogels formed by UV polymerization was found to have a much higher molecular weight as compared to those obtained by thermal polymerization. This reflects strengthening of H-bonds with increasing chain length due to the so-called proximity effect. Moreover, the addition of N,N-dimethylacrylamide (DMAA), a non-ionic monomer, to the UV polymerization system further improved both the mechanical properties and self-healing behavior of PAMPS hydrogels. The results could be explained with the hydrogen donor-acceptor relationship between DMAA-AMPS units. Because the hydrogels are physically cross-linked by H-bonds, they heal completely within minutes without any external stimuli. In addition to self-healing, the combination of supramolecular crosslinks also imparted shape-memory properties to the PAMPS hydrogels. Cryogelation is a simple and environmentally friendly technique for the production of macro-porous hydrogels, called cryogels, which exhibit extraordinary properties such as a large porosity, full squeezability, high toughness, and super-fast responsiveness. Cryogelation reactions are usually conducted at 10 to 20 °C below the freezing temperature of the reaction solution and hence, the reactions proceed in the unfrozen domains of the apparently frozen reaction system. Because of the cryoconcentration, the concentrations of the reactants in the unfrozen domains significantly deviate from those in the initial reaction system. Therefore, the cryogel studies reported so far are incomplete as they consider the initial conditions instead of the real conditions of the cryogelation system. Within the scope of the third part of the thesis, the relationship between the real conditions of the cryogelation, that is, the conditions in the unfrozen domains, and the cryogel properties were investigated. For this purpose, cryogelation of AMPS in the presence of N,N'-methylene(bis)acrylamide (BAAm) as a crosslinker was conducted in aqueous solutions at 18 °C. Two series of experiments were carried out to highlight the effects of the chemical crosslinker BAAm, and the initial monomer concentration C0 on the cryogel properties. In the first series, the amount of BAAm was changed in the range of 1.2-9.1 mol% while the monomer concentration, C0 was fixed at 10%. It was found that the swelling capacity of the cryogels decreases with the increasing amount of the crosslinker while, their mechanical strength increases. This improvement was reflected in a 7-fold increase in Young's modulus and 4-fold increase in the fracture stress of the cryogels. In the second series, the initial monomer concentration C0 was changed between 10 and 25 wt% at a crosslinker content of 1.2 mol%. The mechanical properties of the cryogels remained almost unchanged by varying C0 while their swelling capacity decreased as C0 is increased. It was also observed that the cryogels formed at 10 and 15 wt% monomer concentration were transparent when swollen in water, while those formed at 20 and 25 wt% were opaque indicating the onset of a phase separation during reactions. As mentioned above, the main aim of this last section was to determine the actual reaction condition under which cryogelation took place and to examine its reflection on the final cryogel properties. For this purpose, the real monomer concentration (Ctrue) in the unfrozen domains, and the volume of ice Vice acting as a template for the pores were determined by DSC measurements conducted on apparently frozen reaction solutions. Although the real monomer concentration Ctrue was independent on the actual concentration Co, both the ice volume Vice and the ratio Ctrue/Co decreased with increasing Co. These changes determined both the morphology and mechanical properties of PAMPS cryogels. In short, the experiments carried out in this section have shown that it is possible to control the structure of the final cryogels by controlling the real synthesis conditions during cryogelation.

Biyolojik sistemler; kendini onarma, yeniden düzenlenme ve dış uyarılara cevap verebilme gibi eşsiz özelliklere sahip sistemlerdir. Biyolojik sistemleri taklit ederek benzer özellikler gösteren malzeme üretimi hem ham madde hem de enerji kaybını önleyecek, yaşam kalitesini yükseltecektir. Bu özelliğe sahip hidrojel malzemeler sayesinde günlük hayatta esneyebilir yumuşak malzemeler, sualtı yapıştırıcılar, yara örtüleri, harekete geçiriciler, sensörler ve daha birçokları günlük hayatta kullanılabilir hale gelecek ve canlı dokuların yeri doldurulabilecektir. Günümüzde birçok araştırma grubu; çift ağ yapılara sahip hidrojeller, nanokompozit hidrojeller, kriyojeller, tok ve elastik jeller veya uygun maliyetli yumuşak robotların üretimi için çalışmalarını sürdürmektedir. Bütün bu çabalara rağmen hala otonom olarak kendini onarabilen ve aynı zamanda mekanik dayanımı yüksek yumuşak malzeme tasarımı büyük bir problemdir. Bu sorunlara çözüm üretebilmek adına yürütülen tez çalışmaları 3 ana kısma ayrılmıştır. Çalışmalar kapsamında başlıca 2-akrilamido-2-metilpropan sulfonik asit (AMPS) monomeri kullanılmış ve çeşitli stratejiler uygulanarak kendini onarabilen poli(AMPS) (PAMPS) hidrojelleri elde edilmiştir. Yüksek derecede su emme kapasiteleri ve geniş potansiyel uygulama alanlarına karşın mekanik dayanımlarının düşük oluşu, dolayısıyla kolaylıkla parçalanması ve kendini onaramaması nedeniyle tez kapsamında PAMPS hidrojeli seçilmiştir. İlk kısımda yüksek sıkıştırma direnci gösteren, tok ve kendini onarabilen hibrit çapraz bağlı PAMPS hidrojeller kil nanopartikülleri ve çapraz bağlayıcı içeren AMPS sulu çözeltilerinden elde edilmiştir. İkinci kısım çalışmaları kapsamında ise H-bağlarından oluşan 3-boyutlu bir polimer ağyapıya sahip suda 1000 katı şişebilen ve %1000 çekilebilir, aynı zamanda da kendini %100 onarabilen PAMPS temelli hidrojeller geliştirilmiştir. Son kısım çalışmaları ise PAMPS temelli kriyojellerin gerçek sentez koşulları ve yapı-morfoloji ilişkisinin aydınlatılmasına ayrılmıştır. Aşağıdaki paragraflarda her bir bölüm içinde gerçekleştirilen çalışmaların ayrıntıları verilmiştir. Tez çalışmasının ilk kısmında herhangi bir başlatıcı kullanmadan PAMPS temelli ve mekanik dayanımı yüksek, kendini onarabilen hidrojeller termal polimerizasyon ile sentezlenmiştir. Bu tip bir malzeme daha önce elde edilmemiş olup geliştirilen hidrojel ürünler tezin ilk kısmının özgün değeridir. Son yıllarda yayınlanmış bir makalede termal polimerizasyonla başlatıcı olmaksızın kendini onarabilen PAMPS hidrojeli eldesi rapor edilmiştir. Ancak, bu jelin zayıf mekanik özellikleri ve suda çözünebilir olması nedeniyle kullanımı sınırlıdır. Buradan yola çıkarak yapıya kimyasal çapraz bağlayıcı ve nanokil ilavesiyle mekanik dayanımı yüksek hibrit çapraz bağlı PAMPS hidrojeller geliştirilmeye çalışılmıştır. Kimyasal çapraz bağlayıcı ve nanokilin (Laponit) ayrı ayrı eklendiği çalışmalar sonucu elde edilen hidrojellerin suda kolaylıkla çözündüğü, mekanik özelliklerinde ise herhangibir iyileşme olmadığı gözlenmiştir. Buna karşılık kimyasal çapraz bağlayıcı ve Laponit'in birarada kullanımı ile yüksek mekanik dayanım, suda çözünmezlik ve kendini onarma özelliğine sahip hibrit çapraz bağlı PAMPS hidrojelleri sentezlenmiştir. Deneysel bulgular, yüksek derişimde Laponit'in 'iskambil kağıt evi' yapısı oluşturması ve hidrojelde mevcut kimyasal çapraz bağ noktalarının yapı bütünlüğünün korunmasına yardımcı olması ile açıklanmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda 45 MPa'a kadar varan sıkıştırma gerilimine dayanan ve kendini onaran hidrojeller elde edilmiştir. Kil nanopartiküllerini ve kimyasal çapraz bağlayıcıyı bir arada kullanilarak tez kapsamında geliştirilen hibrit stratejisi aynı zamanda iyonik nanokompozit hidrojellerin üretimi için yeni, özgün ve genel bir yaklaşım olarak literatüre kazandırılmıştır. Termal polimerizasyonla sentezlenen PAMPS hidrojelinin kendini onarma özelliğinin yanı sıra yüksek sıkıştırma direnci göstermesine rağmen çekilebilir olmaması geliştirilen malzemenin bir dezavantajı olarak ortaya çıkmıştır. Diğer yandan hidrojel sentezlerinde kil nanopartikülleri ile kimyasal çapraz bağlayıcısı da kullanılmaktadır. Hiçbir katkı olmadan, sadece AMPS monomeri kullanılarak suda kararlı, sadece H-bağı etkileşimleri yardımıyla fiziksel PAMPS hidrojel sentezi daha önce literatürde yayınlanmamıştır. Bunun nedeni, H-bağlarının kovalent bağlara oranla yaklaşık yüz misli zayıf oluşu, dolayısıyla su ortamında PAMPS zincirleri arasındaki H-bağlarının kolaylıkla parçalanmasıdır. Ancak, çift-sarmal DNA moleküllerinde olduğu gibi kooperatif H-bağlarının oluşturulması suretiyle mekanik dayanımı yüksek ve suda kararlı H-bağlı PAMPS hidrojelleri elde edilebilir. Tezin ikinci kısmında yapılan deneysel çalışmalarının arkasında bu fikir bulunmaktadır. Yapılan denemelerde AMPS'nin termal polimerizasyonu yerine fotopolimerizasyonu uygulanmış olup ilk etapta her iki polimerizasyon tekniğinin hidrojel ürün üzerine etkileri kıyaslanmıştır. Bu amaçla yapılan denemelerde ağırlıkça % 50 AMPS monomerinin sulu çözeltisi başlatıcı veya çapraz bağlayıcı olmaksızın etüvde 80°C'de ve 24 saat termal polimerizasyonu, buna paralel olarak 365 nm'de UV ışık altında 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (Irgacure 2959) fotobaşlatıcısı varlığında 23±2 °C'de ve 24 saat fotopolimerizasyonu yapılmıştır. Termal polimerizasyonla sentezlenen PAMPS hidrojeli suda kolayca çözünürken UV fotopolimerizasyon sentezi sonucu elde edilen hidrojelin suda şiştiği ama şeklini koruduğu saptanmıştır. Bunun nedenini anlayabilmek için elde edilen hidrojeller olası H-bağlarını koparacak üre çözeltisinde (5 M) çözülmüş, saf suya karşı diyaliz edilmiş, ardından jel geçirgenlik kromatografisi (GPC) yardımıyla molekül ağırlıkları tayin edilmiştir. UV ve termal polimerizasyon ile elde edilen hidrojellerdeki polimer zincirlerinin molekül ağırlıklığının sırasıyla 750.000 ve 8.300 g/mol olduğu, yani UV polimerizasyonu ile yaklaşık 100 kat daha uzun zincirlerin oluştuğu saptanmıştır. GPC ölçümleri sonuçları UV polimerizasyonu sonucu elde edilen PAMPS hidrojellerinin suda çözünmezliğini ve yüksek mekanik performansını açıklamaktadır. PAMPS zincir uzunluğu arttıkça zincir içi ve zincirler arası H-bağı oluşturma olasılığı artmakta, dolayısıyla daha fazla sayıda fiziksel çapraz bağlar oluşturmakta, bunun sonucu olarak UV polimerizasyonu sonucu elde edilen hidrojelin %99'dan fazla su emmesine rağmen suda çözünmeden kalabilmesini sağlamaktadır. Yukarıdaki paragrafta bahsedilen ve herhangi bir kimyasal çapraz bağlayıcı kullanmadan UV fotopolimerizasyon tekniği ile PAMPS hidrojelleri sentezi literatürde daha önce yayınlanmamıştır. PAMPS hidrojellerinin mekanik dayanımını daha da arttırmak için başlangıç monomer derişimini arttırmaya yönelik bir dizi deney gerçekleştirilmiştir. Denemelerde, AMPS monomerinin sudaki çözünürlük sınırı nedeniyle ağırlıkça en fazla ağırlıkca % 60 konsantrasyonda polimerleştirilebilmiştir. Ancak sulu AMPS çözeltisine iyonik olmayan bir monomer olan N,N-dimetilakril amid (DMAA) ilave edilerek başlangıç monomer derişimi % 80'e kadar çıkarılmıştır. Başlangıç monomer derişiminin artırılmasıyla mekanik özelliklerde kaydedilen iyileşmenin beklenenin üzerinde olduğu anlaşılmıştır. En yüksek mekanik özelliğe sahip hidrojel, monomer karışımında DMAA miktarınının molce % 60 ve toplam monomer konsantrasyonunun ağırlıkca %75 olduğu reaksiyon çözeltisinden elde edilmiştir. Diğer yandan tüm hidrojellerin 7-10 M konsantrasyonda sulu üre çözeltilerinde çözündükleri, yani hidrojel ağyapılarının sadece H-bağları ile oluştuğu saptanmıştır. GPC ölçümleri, kopolimer ağyapı zincirlerinin molekül ağırlığının 1.400.000 g/mol olduğunu, yani homopolimer zincirlere oranla iki kat daha büyük olduğu saptanmıştır. Diğer yandan yapılan çalışmalar sonunda AMPS'nin kendiliğinden çapraz bağlanma mekanizması aydınlatılmış olup DMAA-AMPS arasındaki hidrojen verici-alıcı ilişkisi sayesinde tamamen kendini onarma davranışı gösteren PAMPS hidrojelleri geliştirilmiştir. %1000 çekilebilirliğe ve 0,6 MPa'a varan kopma gerilimine sahip olan hidrojeller, herhangi bir kimyasal çapraz bağ içermemelerine rağmen suda çözünmemekte ve kendi ağırlıklarının 1000 katından fazla su tutma kapasitesine sahiptirler. Dolayısıyla bu bölüm çalışmaları sonunda fiziksel çapraz bağlı süperabsorban polimer (SAP) malzemeler geliştirilmiştir. Tüm PAMPS hidrojelleri tamamen tersinir hidrojen bağları ile çapraz bağlandığından, hidrojel dakikalar içinde ve herhangi bir dıştan uyarıya gerek olmadan %100'e yakın bir etkinlikle kendilerini onarabilmektedir. Buna ek olarak supramoleküler çapraz bağların kombinasyonu malzemeye şekil-hafıza özelliği de kazandırmıştır. Sonuç olarak tez çalışmalarının ikinci kısmında sadece komplementer H-bağları ile neler yapılabileceğini ortaya koymuş olup ileride bu konuda yapılacak çalışmalara yön verecektir. Tezin ilk iki kısmında yapılan çalışmalar bütünüyle yeni nesil PAMPS hidrojellerin geliştirilmesine yönelik olup kendini onarabilen ve aynı zamanda yüksek mekanik performans gösteren hidrojeller sentezlenmiştir. Tezin son kısmında ise PAMPS kriyojellerin geliştirilmesi ve kriyojelleşme sisteminin gerçek koşullarını aydınlatmak amaçlanmıştır. Kriyojelleşme, geniş gözeneklilik, tamamen sıkılabilirlik, yüksek tokluk, uyaranlara super hızlı yanıt verme gibi olağanüstü özellikler gösteren ve kriyojel olarak adlandırılan makro-gözenekli hidrojellerin üretimine yönelik basit ve çevre dostu bir uygulamadır. Şimdiye kadar raporlanan kriyojel çalışmaları, kriyojelleşme sisteminin gerçek koşullarını açığa çıkarmada eksik kalmıştır. Tez çalışmaları kapsamında kriyojelleşmenin, yani donma noktasının altındaki reaksiyon sisteminin gerçek koşulları ile kriyojel özellikleri arasındaki ilişki incelenmiştir. Bu kısımda gerçekleştirilen deneyler sadece sentez koşulları kontrol edilerek nihai ürünün yapısını kontrol edebilmenin mümkün olduğunu göstermiştir. Kriyojel çalışmaları iki ana grupta gerçekleştirilmiştir. İlk grupta başlangıç monomer derişimi ağırlıkça % 10 olacak şekilde sabit tutularak kimyasal çapraz bağlayıcı (BAAm) etkisi incelenmiştir. Bunun için monomere oranla BAAm miktarı molce % 1,2 ve 9,1 aralığında değişitirilerek elde edilen kriyojellerin mekanik özellikleri incelenmiştir. İkinci seride ise BAAm miktarı molce %1,2 olacak şekilde sabit tutularak başlangıç monomer derişimi Co % 10-25 aralığında değiştirilmiştir. Sentez sırasında hazırlanan çözeltiler sıvı azota daldırılarak ön-soğutma işlemine tabi tutulmuştur. Bu ön soğutma işlemi, reaksiyon çözeltisinin polimerizasyon reaksiyonları başlamadan önce donmasını sağlamak amacıyla uygulanmıştır. Diğer yandan bu işlem sonucunda polimerizasyon öncesi oluşan buz kristalleri reaktörün dış yüzeyinden içe doğru yönlenmiş olup, buna bağlı olarak da yönlenmiş ve tabakalı yapıya sahip kriyojeller elde edilmiştir. Sıklıkla biyolojik sistemlerde iskelet görevi için hazırlanan kriyojellerin bu şekilde tabakalı olması hücre tutunma kabiliyetini arttıracağından deneyler bu koşullarda sürdürülmüştür. Çalışmalar sonunda gerçek kriyojelleşme koşulları aydınlatılmış olup, kriyojelleşme koşulları ve yapı-mekanik özellik ilişkisi açıkça ortaya konmuştur. Elde edilen sonuçlara göre başlangıç monomer derişimi ne olursa olsun kriyo-konsantrasyon sonucu donmamış bölgelerdeki monomer konsantrasyonu, diğer bir ifade ile gerçek monomer konsantrasyonu sabit kalmaktadır. Bu ilginç bulgu gelecek çalışmalar için oldukça önem arz etmektedir. Ayrıca başlangıç monomer konsantrasyonunun artması ile donabilecek su miktarı da azaldığından sıvı azot etkisiyle elde edilen yönlenme artan monomer konsantrasyonu ile azalmaktadır. Tezin son kısmında yürütülen çalışmalar sonunda kriyojelleşme sırasındaki gerçek sentez koşulları açığa çıkarılarak, nihai ürün özelliklerindeki değişim de aydınlatılmıştır. Kısacası bu bölümde gerçekleştirilen denemeler sonunda oldukça kolay ve erişilebilir DSC ölçümleri ile kriyojelleşme sisteminin optimum koşullarının belirlenebileceği ve istenen malzeme özelliklerine seri denemeler yerine nokta atışı olarak ulaşılabileceği gösterilmiştir. Tezin son kısmında edinilen bulguların kriyojeller konusundaki yeni araştırmalara öncülük edeceği düşünülmektedir.