Gelation kinetics and mechanism of PBLG/toluene organogels

Abstract

Poli(?-benzil-L-glutamat) (PBLG) tolüen gibi organik çözücülerde sıcaklıkla tersinir organojel oluşturan sentetik bir polipeptittir. Bu tezde, PBLG'nin sıcaklıkla kontrol edilebilen tersinir jel oluşturması dinamik ışık saçılımı (DLS), micro-viskozimetre, diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve ultraviyole ve görünür ışık (UV-Vis) spektrometresi ile incelenmiştir. Bu model sistemde, zaman, sıcaklık, konsantrasyon ve farklı molekül ilavesinin çubuk şeklindeki polipeptitlerin jel oluşturmasına etkisi incelenmiştir. PBLG, 4-5 mg/ml olarak belirlenen kritik konsantrasyon üzerinde ve 23-26°C olarak belirlenen kritik jelleşme sıcaklığında tersinir organojel oluşturur. PBLG-tolüen sisteminin faz geçiş sıcaklıkları DSC ile 51.04°C ve 19.65°C olarak belirlenmiştir. PBLG'nin farklı sıcaklıklarda jel oluşturması için gereken zamanın konsantrasyonla azaldığı bulunmuştur. Artan PBLG konsantrasyonu ile birlikte, topak boyutu, viskozite ve saçılan ışığın şiddeti artmaktadır. Ultraviyole ve görünür ışık (UV-Vis) absorpsiyon spektrometresi ile yapılan bulanıklık ölçümü, makroskopik jelin topakların birleşmesiyle oluştuğunu göstermektedir. Kullanılan farklı ölçüm tekniklerinin karşılaştırılması sonucunda, her bir tekniğin jelleşmenin farklı bir evresine duyarlı olduğu belirlenmiştir. Jelleşmenin başlangıcı DLS ile belirlenebildiği halde, topakların büyümesi viskozimetri ile takip edilebilmiştir. Makroskopik jelleşmenin son evresi sadece ultraviyole ve görünür ışık (UV-Vis) absorpsiyon spektrometresi kullanılarak yapılan bulanıklık ölçümüyle gözlenmiştir. Bu ölçümlere dayanarak, PBLG moleküllerinin tolüen içinde zamanla jel oluşturmasını açıklayan bir model önerdik. Farklı konsantrayonlardaki PBLG tolüen çözeltilerinin zamanla değişen bulanıklık ölçümleri Avrami denklemiyle analiz edilmiştir. PBLG/tolüen konsantrasyonuna bağlı olarak Avrami üstelinin, n, 2-5 arasında değişmesi farklı büyüme mekanizmalarına işaret etmektedir.Polistiren (PS)'in PBLG/tolüen çözeltilerine yüksek oranda ilave edilebilmesi başarılmıştır. PBLG'nin makroskopik jel oluşturmadığı kritik PS konsantrasyonu ağırlıkça %82 olarak belirlenmiştir. PS'in PBLG/tolüen çözeltilerine katılması sıcaklıkla tersinir jel oluşmasını etkilememiştir. PS-PBLG/tolüen ve PBLG/tolüen çözeltilerinin DLS sonuçları benzerdir. Bu sonuç, PS'in yapı oluşumunun ilk evresine kaydadeğer bir etkisinin olmadığını göstermektedir. Buna karşılık, topakların büyümesi ve birleşmesi evrelerinde PS'in büyük bir rolü vardır. Yüksek miktarda PS içeren çözeltide PBLG'nin PS matrisi içinde 3 boyutlu ağ yapı oluşturduğu mikroskopik ölçümlerle doğrulanmıştır.

Poly (?-benzyl-L-glutamate) (PBLG) is a synthetic polypeptide which can form thermoreversible organogels with common organic solvents such as toluene. In this thesis, thermoreversible gelation of PBLG has been studied by dynamic light scattering (DLS), micro-viscometer, differential scanning calorimetry (DSC), and ultraviolet-visible spectrometer. In this model system, to understand how rodlike polypeptides form a gel, we have investigated the effect of time, temperature, concentration and addition of other competing molecules. PBLG can form thermoreversible gels in toluene above the critical concentration which was determined to be 4-5 mg/ml close to critical gelation temperature which was found to be between 23°-26°C. The transition temperatures for PBLG/toluene solutions were determined as 51.04°C and 19.65°C by DSC. The time required for gelation of PBLG at different temperatures, decreased with concentration. With increasing PBLG concentration, aggregate size, viscosity and scattered light intensity increased due to growth of aggregates. Turbidity measurements by means of UV-visible spectrometer showed that macroscopic gel was formed only when aggregates fused to each other. From the comparison of the data obtained by different techniques, it was found that each technique was sensitive to different stages of gelation in time. Though onset of PBLG gelation could be detected via DLS, growth of aggregates could be followed by viscometer. Last stage in which the system formed a macroscopic gel could only be observed by turbidity measurements using UV-visible Spectrometer. We propose a model for the gelation of PBLG molecules in toluene in time. Turbidity measurements as a function of time for different concentrations of PBLG/toluene solutions were analyzed on the basis of Avrami equation. The Avrami exponent n was found to be between 2-5 depending on PBLG/toluene concentration indicating different growth mechanisms.It has been achieved to incorporate polystyrene (PS) into PBLG/toluene solutions with high loading percentages. The critical concentration above which PBLG does not form macroscopic gel was determined as 82% by weight. Incorporation of PS did not affect the thermoreversibility of PBLG/toluene solutions. DLS results of PS-PBLG/toluene solutions were similar with PBLG/toluene solutions. This indicates that PS has no significant effect on the onset of structure formation which is the first stage of gelation. On the other hand, PS plays a key role in growth of aggregates and their fusion to each other at the later stages of gelation. Network formation of PBLG in PS matrix was confirmed by microscopic measurements.