Çapraz bağlı poli(hema) partiküllerin üretimi: Polimerizasyon parametrelerinin incelenmesi, yapısal ve moleküler karakterizasyon

Abstract

ÖZET Hidrofilik poli(hidroksietihnetakrilat) (PHEMA) mikropartiküller Kiremitçi tarafından geliştirilen yeni bir süspansiyon polimerizasyon tekniği ile çok yakın bir zamanda hazırlanmıştır. Söz konusu polimerik partikûllerin son uygulamaları, endüstriyel ve biyolojik ayırma işlemleri, kontrollü salım ve diğer biyoteknolojik ve biyomedikal alanları kapsar. Sunulan çalışmanın amacı, üstün ve uniform özelliklere sahip hidrofilik mikrop artiküllerin hazırlanması için reaksiyon mühendisliği protokollerinin analizi ve geliştirilmesidir. Bu amaca uygun olarak, 2- hidroksietilmetakrilat (HEMA) monomerinin çapraz bağlayıcı ajan olarak kullanılan etilenglikol-dimetakrilat (EGDMA) monomeri ile süspansiyon kopolimerizasyon reaksiyonu, stabilizör/salting-out ajan olarak kullanılan MgO varlığında, sulu ortamda gerçekleştirilmiştir. Partikül boy, boy dağılımı ve moleküler karakteristikler polimerizasyon koşullarının örneğin, karıştırma hızı, sıcaklık, monomer/sulu faz oranı, stabilize edici ajanın dağıtma ortamındaki konsantrasyonu vb., fonksiyonu olarak tayin edilmiştir. Tüm parametrelerin, özellikle stabilizör/salting-out ajan olarak kullanılan MgO miktarının partikül boy ve boy dağılımında son derece etkili olduğu artan MgO miktarına bağlı olarak partikül çapının küçüldüğü saptanmıştır. Partikül boy ve boy dağılimı ile ilgili sonuçlar çeşitli ampirik bağıntılarla değerlendirilmiştir. Spektrofotometrik yöntemler kullanılarak, oluşturulan poli(HEMA) partikûllerin yapısal analizi gerçekleştirilmiştir. Bu amaç doğrultusunda reaksiyon mekanizması ve polimerik yığın yapı özellikleri katı hal 13C- NMR spektroskopisi ve FTIR ile incelenmiştir. ESCA (X-Ray electron spectroscopy) ile partikül yüzeyinin atomik bileşimi ve elementel analiz ile de yığın bileşimi tayin edilmiş ve elde edilen sonuçların birbirini desteklediği gözlenmiştir. DSC ile polimerik partikûllerin termal kararlılığı incelenmiş, camsı geçiş sıcaklığı saptanmıştır. Ayrıca SEM fotoğrafları ve optik fotoğraflar ile partikül yüzey ve kesit yapılan incelenmiştir.Partiküllerin çapraz bağlar arası sayıca ortalama molekül ağırlığı, Mc, değerleri sulu ortamda yürütülen şişme deneyleriyle, şişme öncesi ve sonrası polimer hacim kesirleri tayin edilerek hesaplanmıştır. Moleküler karakterizasyon, termodinamik etkileşim parametresi %, çapraz bağ yoğunluğu, px, partiküllerin denge şişme derecesi, Qm ve gözenek büyüklüğü, Ç değerleri saptanarak tamamlanmıştır. Moleküler analiz, Mcve % değerlerinin partikül büyüklüğü ve çapraz-bağ yoğunluğundaki artışın sonucu olarak azaldığım göstermiştir. Son olarak da optik mikroskop yardımı ile polimerik kürelere olan su difüzyonu incelenmiş ve çapraz bağ konsantrasyonu ve partikül boyunun şişme davranışı üzerine olan etkisi tartışılarak, difüzyon mekanizmasının non-Fickian olduğu bulunmuştur. Yapılan çalışmalar, polimerizasyon parametrelerinin değiştirilmesiyle istenilen boy, boy dağılımı ve moleküler karakteristiklere sahip çapraz- bağlı poli(HEMA) partiküllerin hazırlanabileceğini göstermiştir.

SUMMARY Hydrophilic polythydroxyethylmethacrylate), poly(HEMA), microparticles were prepared by a novel suspension polymerization technique developed by Kiremitçi. Immediate applications of these polymeric particles can be found in industrial and biological seperations, in controlled release and many other biotechnological and biomedical areas. The aim of this study is to analyze and represent specific reaction engineering protocols for preparation of hydrophilic microparticles with improved and uniform properties. As due to this aim the suspension copolymerization of 2- hydroxyethylmethacrylate (HEMA) with ethyleneglycoldimethacrylate (EGDMA) monomer serving also as the crosslinking agent of the reaction was carried out in the presence of stabilizör/salting-out agent, MgO. The particle size, size distribution and molecular characteristics were determined as a function of polymerization conditions e.g. stirring speed, temperature, monomer/aqueous phase ratio, concentration of stabilizing agent in the dispersion medium, and etc. The results show that particle size and size distribution mainly depend on the MgO concentration. A lower concentration of MgO causes large sized spheres. Particle size and size distribution were evaluated by means of several empirical equations. The reaction mechanism, composition and structure of poly(HEMA) beads were studied by solid state 13C CP/MAS NMR, FTIR, ESCA and elemental analysis. 13C-NMR implies the existence of unreacted pendant groups in the HEMA-EGDMA copolymer. The surface composition obtained by ESCA is almost the same as the bulk composition by elemental analysis. The glass- transition temperature and the thermal stability of beads were determined by DSC. In addition, surface and cross-section structures of particles were investigated by means of SEM photographs and optical photographs. Furthermore, the particles were subsequently swollen in water at 37 °C and their crosslinked structure analyzed using a modified Gaussian distribution equation of equilibrium swelling. Therefore, the molecular weight between crosslinks, Mc thermodynamic interaction parameter, %, crosslinking density, px, volume degree of swelling, Qm, and mesh size, % were calculated.Molecular analysis have shown that, Mc and Ç values decrease as a result of Increase In particle size and crosslinking density. The water transport to polymeric particles was investigated by optical microscope as a function of particle size and crosslinking density. It was found that transport mechanism is non-Fickian. The result of this work is the conclusion that polymerization parameters of HEMA may lead to crosslinked poly(HEMA) particles which have desired size, size distribution and molecular characteristics. VI