Synthesis and characterization of macroporous poly(dimethylamino ethyl methacrylate) hydrogels by enhanced phase seperation

Abstract

ARTTIRILMIŞ FAZ AYRILMASIYLA MAKROGÖZENEKLİ POLİ(DİMETİLAMİNO ETİLMETAKRİLAT) HİDROJELLERİNİNHAZIRLANMASI VE KARAKTERİZASYONUOsman AguşÖZETBu çalışmada poly(N,N-dimetilamino etil metakrilat) hydrogellerinin arttırılmış fazayrılması tekniği kullanılarak radyasyonla sentezi ve ağ yapısının karakterizasyonuincelenmiştir.Çeşitli bileşimlerde N,N-dimetilamino etil metakrilat(DMAEMA), su, EGDMA ve fazayırıcı NaCl veya poli(etilen glikol) (PEG) içeren başlangıç karışımları hazırlanmış ve60bunlar Co gama kaynağında 4 kGy ışınlanmıştır. Çapraz bağlayıcı EGDMA nın,sodyum klorürün ve poli(etilen glikol) ün karışımların yüzde jelleşmesine olan etkisibelirlenmiştir. Sentezlenen jellerin yüzde jelleşme değerleri gravimetrik olarak tayinedilmiştir. Jellerin FTIR spektrumları ağ yapısının kimyasını açıklamak amacıylaalınmıştır.Ağ yapısının karakterizasyonu için önce pH 7 de şişmiş olan jellere Universal testcihazı kullanılarak sıkıştırma testi uygulanmıştır. Sodyum klorür ve PEG varlığındahazırlanan P(DMAEMA) hidrojellerinin gerilim-uzama eğrileri modulus değerinin veçapraz bağlar arasındaki molekül ağırlığının bulunması için değerlendirilmiştir.P(DMAEMA) hidrojellerinin çapraz bağlar arasındaki molekül ağırlığı çapraz bağlayıcımadde miktarının % 0.05 den % 1.0 değerine ve sodyum klorür miktarının 1M dan 3M arttırılması ile azalmıştır. PEG varlığında hazırlanmış P(DMAEMA) hidrojellerininçapraz bağlar arasındaki molekül ağırlığı başlangıç karışımındaki PEG miktarının %1den % 20 ye artması ile artmıştır.Hidrojellerin ağ yapısının karakterizasyonundaki en önemli parametrelerden bir taneside gözenek büyüklüğüdür. Gözenek büyüklüğü makromolekül zincirleri arasındakiboşluğu karakterize eder. Bu çalışmada, gözenek büyüklüğü, ξ şişme verileri vepolimer bazlı sabitler kullanılarak hesaplanmıştır. P(DMAEMA) hidrojelleriningözenek boyutu, çapraz bağlayıcı madde miktarının %0.05 den %1 e arttırılmasıyla22.6 nm den 6.4 nm ye düşmüştür. P(DMAEMA) hidrojellerinin gözenek boyutusodyum klorür konsantrasyonunun 1M dan 3M a çıkmasıyla, 10.9 nm den 3.4 nm yedüşmüştür. Ancak başlangıç karışımına PEG eklenmesi ile çapraz bağ yoğunluğudüşmüş ve gözenek boyutu artmıştır. En yüksek gözenek boyutuna sahip hidrojeller%20 oranında 10000 molekül ağırlığında PEG içeren hidrojel sisteminde eldeedilmiştir.pH ın hidrojellerin şişme davranışına olan etkisinin incelenmesi için pH 3-8 aralığındaşişme davranışları incelenmiştir. Sonuçlar, denge şişme değerlerinin (EDS) pHdeğerinin azalmasıyla arttığını ve çapraz bağlayıcı içeriğinin artışıyla azaldığınıgöstermiştir. PEG kullanılarak hazırlanan tüm sistemlerde en yüksek şişme pH 3 teolmuştur, bunun nedeni bu pH değerinde PDMAEMA yapısındaki amin gruplarınınprotonlanmasıdır.Poli(etilen glikol) un molekül ağırlığının şişme üzerine etkisi incelenmiştir. Poli(etilenglikol) un molekül ağırlığının 10000 e kadar artmasıyla denge şişme değerlerinin dearttığı görülmüştür. 10000 molekül ağırlığının üzerine çıkmasıyla denge şişmedeğerleri değişmemiş veya bir miktar düşüş göstermiştir. Maksimum şişmedeğerlerine %1 ve %5 oranında, 10000 molekül ağırlığında poli(etilen glikol)kullanılarak hazırlanan sistemlerde ulaşılmıştır.Son olarak, hidrojellerin gözenek yapıları elektron mikroskobu ile incelenmiştir.Elektron mikroskobu analizleri, hidrojellerin gözenek yapılarının homojen olduğunuve pH ın azalmasıyla birlikte gözeneklerin açıldığını göstermiştir.Anahtar Kelimeler: Hidrojel, gama ışığı, mikroporlar, pH duyarlı, porojen

SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF MACROPOROUS POLY(DIMETHYLAMINO ETHYL METHACRYLATE) HYDROGELS BYENHANCED PHASE SEPARATIONOsman AguşABSTRACTIn this study, radiation synthesis and characterization of poly (N, N- dimethylaminoethyl methcrylate hydrogels by enhanced phase separation technique have beeninvestigated.Initial monomer mixtures containing various composition of N, N dimethylamino ethylmethacrylate (DMAEMA), water and ethylene glycol dimethylacrylate (EGDMA) andphase separator sodium chloride (NaCl), or poly (ethylene glycol) (PEG) have been60prepared and irradiated in Co gamma sources at 4 kGy. The effect of cross-linkingagent, (EGDMA), sodium chloride and poly(ethylene glycol) content on the totalpercentage gelation were determined. Percentage gelation values of the preparedhydrogels were found by gravimetrically. FTIR spectra of gels were taken to explainthe chemical structure of network.For the characterization of network structure firstly, the uniaxial compression wasapplied using the Universal Testing Instrument on the swollen gels at pH 7. Stress-strain curves of poly(dimethylamino ethyl methacrylate) P(DMAEMA), hydrogelsprepared in the presence of NaCl and PEG were evaluated to calculate Shearmodulus values and molecular weight between the cross-links in the gel structure.The molecular weight between cross-links of P(DMAEMA) hydrogels decreased withincreasing amount of EGDMA, from 0.05% to 1.0% and increasing concentration ofNaCl in the initial mixture from 1M to 3M. The molecular weight between cross-linksof P(DMAEMA) hydrogels prepared in the presence of PEG increased withincreasing amount of PEG in the initial mixture from 1% to 20%.One of the important parameters characterizing the hydrogel systems is the meshsize. The mesh size characterizes the space between macromolecular chains. In thisthesis, the network mesh size, ξ, was calculated by using the swelling data andpolymer based constants. The mesh size in P(DMAEMA) hydrogels decreased from22.6 to 6.4 nm with increasing cross-linking agent content in the hydrogel structurefrom 0.05 to 1.0 %. The mesh size in P(DMAEMA) hydrogels decreased from 10.9 to3.4 nm with increasing NaCl content in the initial mixture from 1M to 3M. However,addition of PEG in the initial mixture decreased the crosslink density and increasedthe mesh size. The highest mesh size hydrogels have been obtained by using 20%PEG containing PEG10000.For the investigation of the effect of pH on the swelling of P(DMAEMA) hydrogels,swelling experiments were followed at pH 3-8. The results showed that EquilibriumDegree of Swelling (EDS) values increased with decreasing of the pH due to cationicof the gels and decreased with increasing of cross-linking density of hydrogel system.In all PEG used systems maximum extent of swelling was reached at pH 3, thisbeing due to protonization of amine groups of PDMAEMA at pH 3.Effect of molecular weight of PEG on the swelling behaviour was investigated. It wasfound that with the addition of PEG, Equilibrium Degree of Swelling (Q) increaseswith increasing molecular weight of PEG until 10000 molecular weight. Over the10000 molecular weight, the equilibrium degree of swelling didn?t change or slightlydecreased. Although, maximum extent of swelling was reached at 10000 molecularweight containing %1 and 5 % PEG.Finally, Porous structures of hydrogels were examined using a scanning electronmicroscope (SEM). Analysis of the SEM micrographs showed that pore structures ofhydrogels were very homogeneous and pores were opened with the decrease of pH,as expected.Key Words: Hydrogel, gama irradiation, microphorous, pH sensitive, porogen