plastik-ambalaj.com

Hidrojellerde Çapraz Bağlanma

Özet

Sulu ortamda şişme, pH, sıcaklık veya diğer uyaranlara duyarlılık, kendi kendini iyileştirme gibi özelliklerinden dolayı kendiliğinden oluşan iletken, şekil hafızalı ve süper moleküler dahil olmak üzere çeşitli hidrojel türleri geliştirilerek çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Hidrojeller, fiziksel, kimyasal veya biyolojik yollarla çapraz bağlanmış hidrofilik polimer zincirlerinden oluşan üç boyutlu ağ yapısında olup yüzey gerilimi ve kılcal kuvvetlerden dolayı ağ yapısı içinde büyük miktarda suyu şişmiş halde tutabilirler. Bu çalışmada, çapraz bağlanmanın ve çapraz bağlayıcı özelliklerinin hidrojelin özellikleri üzerindeki etkisi, çapraz bağlayıcılar ve çapraz bağlanma mekanizmaları tartışılmıştır. Çalışmanın bu konuda yapılacak çalışmalara katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler: Hidrojel, çapraz bağlayıcı, çapraz bağlanma mekanizması

Giriş

Hidrojeller, sulu ortamda şişme, pH, sıcaklık veya diğer uyaranlara duyarlılık gibi özel özelliklerinden dolayı çok ilgi çekmiştir. Son yıllarda çevreye duyarlı, kendi kendini iyileştiren, kendiliğinden oluşan iletken, şekil hafızalı ve süper moleküler hidrojeller dahil olmak üzere çeşitli hidrojel türleri geliştirilmiş ve özellikleri çok çeşitli uygulamalarda incelenmiş ve test edilmiştir. Son birkaç yılda, yumuşak robotlardan doku mühendisliğine kadar geniş bir uygulama yelpazesine sahip kendi kendini iyileştiren hidrojellerin geliştirilmesine büyük bir ilgi vardır [1]. 

Hidrojeller, fiziksel, kimyasal veya biyolojik yollarla çapraz bağlanmış hidrofilik polimer zincirlerinden oluşan üç boyutlu ağ yapısında olup yüzey gerilimi ve kılcal kuvvetlerden dolayı ağ yapısı içinde büyük miktarda suyu şişmiş halde tutabilirler [2]. Su içeriği, polimer konsantrasyonuna bağlı olmakla birlikte %90-99'a kadar ulaşır. Bu durum, hidrojellerin yüksek hidrofilikliği dolayısıyla proteinler ve hücreler gibi biyolojik varlıkları bir agregasyon olmadan güvenli bir şekilde dahil etme yeteneğini açıklar [3]. 

Çapraz bağlı polimer hidrojeller yüksek su emme yetenekleri nedeniyle, yapısında bulunan mevcut kritik çapraz bağların varlığı nedeniyle sulu çevre ortamında veya bir çözücü içine girdiğinde çözünmeden benzersiz bir şişme davranışı gösterirler [4, 5]. Su emme yetenekleri, hidrojel formülasyonunu oluşturan polimer yapısında bulunan –CONH, –OH, –CONH2 ve –SO3H gibi hidrofilik fonksiyonel grupların varlığından kaynaklanmaktadır. Hidrojel tarafından su absorpsiyonu, fonksiyonel gruba, suyun durumuna ve hidrojeldeki çapraz bağlama ağının yoğunluğuna bağlıdır [2]. Polimerik ağlardaki çapraz bağlar, hidrojen bağı, kovalent bağlar, vanderwaals etkileşimleri veya fiziksel dolaşmalarla sağlanır [5]. Hidrojelleri tanımlamak için genellikle şişme derecesi kullanılır. Şişme derecesi de, ağ yoğunluğu, çözücü yapısı, polimer çözücü etkileşim parametresi gibi birçok faktöre bağlıdır [4].

Hidrojellerin mekanik davranışı tipik olarak su ve sıvı içindeki polimer ağlarının hareketi ile ilişkili olan viskoelastik davranıştır [3]. Hidrojelleri enjekte edilebilir dağıtım araçları olarak başarılı bir şekilde kullanmak için, önceden jelleştirilmiş çözeltinin sıvı özelliklerini ve jel sonrası mekanik özelliklerinin kontrol edilmesi önemlidir. Akışkan özellikleri (yani viskozite), malzemenin dağıtımı için kritik öneme sahiptir (örneğin, bir şırınga iğnesinden veya endoskoptan akış için). Uygun olmayan sıvı özellikleri (ör. tam karıştırmaya izin vermeyecek kadar yüksek viskozite) jelin nihai performansını engelleyebilir. Vücuttaki jelleşmiş malzemenin mekanik özellikleri (yani sertlik ve kırılganlık), komşu dokulardan gelen sıkıştırma karşısında jel yapısını korumak ve yeni doku oluşumu için bir alan sağlamak için kritik öneme sahiptir [6]. Hidrojel bileşimi ve mekanik özellikleri biyolojik dokularınkine benzer olduğundan biyomalzemeler olarak büyük ilgi görmektedir [7].

Suda veya biyolojik sıvılarda şişebilirlik, toksik olmama, biyolojik olarak bozunabilirlik ve biyouyumluluk gibi spesifik özelliklerinden dolayı hidrojeller, teşhis, tedavi, doku mühendisliği, biyonanoteknoloji ve yapay doku gibi implante edilebilir cihazlar dahil olmak üzere çok çeşitli tıbbi, biyolojik ve farmasötik uygulamalarda kullanılmaktadır [5]. Hidrojellerin biyolojik olarak parçalanabilen doğası nedeniyle, farmasötik proteinler gibi biyoaktif moleküllerin kontrollü salımı, ilaç dağıtım sistemleri ve canlı hücrelerin kapsüllenmesi gibi konularda son zamanlarda yapılan araştırmalarda büyük ilgi görmektedir [8].  

Hidrojel hazırlamada kullanılan çapraz bağlayıcılar, rapor edilen toksisitelerinden dolayı hidrojellerden kullanılmadan önce ekstrakte edilmelidir. Hidrojel hazırlamak için fiziksel olarak çapraz bağlı yöntemler, çapraz bağlayıcı toksisitesinin alternatif çözümüdür [8]. Bununla birlikte, kimyasal çapraz bağlama, mükemmel bir mekanik mukavemete sahip hidrojellerin oluşumu için oldukça iyi bir yöntemdir. 

Hidrojellerde N,N′-methylenebis(acrylamide), ethylene glycol diacrylate, poly ethylene glycol diacrylate, gluteraldehit, sodium borate/boric acid, glyoxal, silane, oxidized dextrins, epichlorohydrin, endogen polyamine spermidine, oxidized alginate, zinc, borax, ethylene glycol dimethacrylate, N,N′-methylenebisacrylamide ve genipin gibi çapraz bağlayıcılar kullanılmaktadır. Bu çalışmada, çapraz bağlanmanın ve çapraz bağlayıcı özelliklerinin hidrojelin özellikleri üzerindeki etkisi, çapraz bağlayıcılar ve çapraz bağlanma mekanizmaları tartışılmıştır.

Çapraz Bağlanmanın Hidrojelin Özelliklerine Etkisi

Polimer zincirleri arasına çapraz bağlar eklemek, çapraz bağlanmanın derecesine ve kristalliğe bağlı olarak polimerin fiziksel özelliklerini etkiler. Hidrojellerin şişme, elastiklik, viskozite, mekanik dayanım, termostabilite, camsı geçiş sıcaklığı,  geçirgenlik, rijitlik gibi özellikleri dikkate değer ölçüde çapraz bağlanma ile geliştirilebilir.

Hidrojeller, hidrojel yapısında mevcut kritik çapraz bağların varlığı nedeniyle sulu çevre ortamında çözünmeden benzersiz bir şişme davranışı gösterir [5]. Polimerik ağlardaki çapraz bağlar, hidrojen bağı, kovalent bağlar, vanderwaals etkileşimleri veya fiziksel dolaşmalarla sağlanır [5]. Çapraz bağlanma ile zincirler güçlü kovalent bağlarla birbirine bağlandığından hidrojeller çözücülerde çözünmez ancak çözücüleri emebilirler. Çok fazla çözücü emdikten sonra çapraz bağlanan malzemeye jel denir. Yumuşak kontakt lensler yapmak için suya batırılmış çapraz bağlı poliakrilamid jelleri kullanılır [9].

Hidrojeller viskoz davranışları ile ilişkili sulu bir çözelti ile çevrili elastik özellikler veren katı bir ağ yapı ile karakterize edilir  [7]. Elastomerler, sınırlı çapraz bağlanma ile esneklik kazanan elastik polimerlerdir. Bununla birlikte, çapraz bağların sayısı arttıkça, polimer daha sert hale gelir ve o kadar fazla esneyemez; polimer daha az viskoz ve daha az elastik hale ve hatta kırılgan hale gelebilir [9]. Hidrojeller, biyolojik dokular kadar özünde viskoelastiktir. Hücrelerin aynı zamanda substratlarının zamana bağlı özelliklerine de tepki verdiğini gösteren çalışmalar sayesinde, son zamanlarda malzeme viskoelastisitesinin ayarlanmasına ilişkin çalışmalarda farklı viskoz özelliklere sahip polyacrylamide (PAAm) jelleri, jellerde sterik olarak tutulan yüksek moleküler ağırlıklı lineer polimerler eklenerek veya basitçe akrilamid monomeri ve bis-akrilamidin oranı değiştirilerek gerçekleştirilmiştir [7].

Polimerlerin akabilmesi için zincirlerin birbirini geçmesi gerekir ve çapraz bağlanma bunu engeller. Akıştaki kısıtlamanın bir sonucu olarak sürünme davranışında iyileşme olur [9].

Çapraz bağlı polimerler, çapraz bağlanma olmayan aynı polimere göre mükemmel stabiliteleri nedeniyle önemli bir mühendislik malzemesidir [10].

Çapraz bağlama, serbest hacimde azalmaya neden olarak camsı geçiş sıcaklığında artışa neden olur. Tokluk aslında büyük ölçüde çatlak ucu bölgesi içinde enerjiyi dağıtabilen plastik akış süreçlerine dayanır. Bu tür işlemler, stres altında ulaşılabilen moleküler yapıların sayısını sınırlayan kimyasal bağların çapraz bağlanması sırasında oluşan oluşum tarafından güçlü bir şekilde engellenir [11].

Düşük derecede çapraz bağlanmaya sahip kristalli polimer için, çapraz bağlama zincir oryantasyonu için engel oluşturduğundan, daha düşük erime noktasına sahip daha yumuşak, elastik polimer davranışı ile kristal davranışta bir azalma gözlenir.

Çapraz Bağlayıcı Özelliklerinin Hidrojelin Özellikleri Üzerine Etkisi

Bu bölümde, çapraz bağlayıcının tipi, derişimi, yüzey alanı, parçacık boyutu, fonksiyonel grup sayısı,  çapraz bağlanma derecesi, termal bozunması, cam geçiş sıcaklığı, sertliği, esnekliği, hidrofilikliği ve hidrofobikliğinin polimer şişmesi gibi polimer özellikleri üzerindeki etkileri tartışılmaktadır.

Bir çapraz bağlayıcının kimyasal yapısının emilim özelliklerini etkileyebildiği ve N,N metilen bis-akrilamid gibi hidrofilik özelliklere sahip çapraz bağlama maddeleri, amit gruplarının varlığının bir sonucu olarak su tutma kapasitesini arttırdığı belirtilmiştir [12]. Ağ yapıdaki zincirlerin çapraz bağlanması arttıkça çözünmezlik artar ancak su tutma kapasitesi azalır 

Çapraz bağlayıcının yüzey alanının artması ile, polimer zincirlerinin hareketlerini kısıtladığı ve şişme oranının azalmasına yol açtığı belirtilmiştir [13].

Çapraz bağ reaktifinin düşük miktarda kullanılması, üç boyutlu polimer ağının etkili bir şekilde oluşturulamamasına neden olarak hidrojellerin şişme oranlarında ve su tutma kapasitelerinde azalmaya yol açar. Yüksek çapraz-bağlayıcı derişimlerinde ise, ek bir ağ yapısı oluşturmak için daha fazla polimer zincirleri oluşur. Bu yüksek ağ yoğunluğu suyun ağa girmesine izin vermez ve su tutma kapasitesini azaltır [12]. Bodur (2020) yaptığı çalışmada, artan çapraz bağlama ajanı derişiminin şişme derecesini düşürdüğünü bildirmiştir [14].

Polimer zincirleri boyunca belirli fonksiyonel grupların varlığından dolayı akıllı malzemeler olarak adlandırılan hidrojeller sıcaklık, pH ve iyonik kuvvet gibi çeşitli dış çevre koşullarındaki değişikliklere genellikle duyarlıdır [5]. Polimer moleküllerinden çapraz bağlanmış bir ağ yapısı formüle etmek için polimerlerin kimyasal olarak aktif fonksiyonel gruplara sahip olmaları gerekir. Bu nedenle karboksil, amin veya hidroksil gruplarına sahip polimerler çapraz bağlanmış hidrojel oluşumu için uygun materyallerdir [14]. Bazı araştırmacılar, çapraz bağlayıcıların bileşimindeki fonksiyonel grupların sayısının su tutma kapasitesini etkileyeceğini bildirmişlerdir. Şişme oranı ve su tutma kapasitesindeki değişiklikler her bir çapraz bağlayıcı türünün fonksiyonel gruplarının bir sonucudur [12]. Collins ve ark. (2008), hyaluronik asit moleküllerinin çapraz bağlanmasından esas olarak sorumlu olan fonksiyonel grupların hidroksil ve karboksil grupları olduğunu ve hidroksil gruplarının bir eter bağı yoluyla ve karboksil gruplarının da bir ester bağı yoluyla çapraz bağlanabildiğini belirtmişlerdir [15]. Sıkça kullanılan çapraz bağlayıcılardan N,N-metilenbisakrilamid, 1,4-bütandiol dimetakrilat ve etilen glikol dimetakrilat dört fonksiyonlu çapraz bağlayıcılar; trimetilopropan triakrilat ise altı fonksiyonlu çapraz bağlayıcıdır. N,N-metilenbisakrilamid’deki N-H grubu yeni hidrofilik etkileşime neden olarak şişme oranını ve su tutma kapasitesini arttırır. Trimetilopropan triakrilat çapraz bağlayıcılarında, birçok çapraz bağlama bölgesi bulunur. Bu nedenle çapraz bağlama yoğunluğu, aynı konsantrasyonda diğer çapraz bağlayıcılardan daha yüksek olacağı için, bu durum suyu tutma kapasitesinin azalmasıyla sonuçlanır [12].

Hidrojellerde çapraz bağlanma derecesi arttıkça, hidrojellerin şişme dereceleri azalır. Kullanım yerine göre kimi hidrojellerin çok şişmesi istenirken kimi hidrojeller için şişme dereceleri düşük tutulur. Örneğin; su tutucu olarak hazırlanan hidrojelik bir adsorbanın çok şişmesi ön planda iken, kontakt lens olarak kullanılacak bir hidrojelin çok şişmesi istenmez [16].

Tuncaboylu ve ark. (2013) yaptıkları çalışmada, hidrofilik polimerler arasında kendi kendini iyileştiren hidrojellerin üretimine yol açan güçlü hidrofobik etkileşimler oluşturmak için stearil metakrilat (C18) gibi büyük hidrofobların, sulu sodyum dodesil sülfat (SDS) solüsyonlarında hidrofilik monomer akrilamid (AAm) ile kopolimerize etmişlerdir. Bu, reaksiyon çözeltisine eklenen tuz (NaCl), misel büyümesine ve dolayısıyla büyümüş solucan benzeri SDS miselleri içinde büyük hidrofobların çözünmesine yol açtığını gözlemişlerdir. Misel polimerizasyon tekniği ile hidrofilik poliakrilamid (PAAm) zincirlerine hidrofobik dizilerin dahil edilmesi, fiziksel jellerin suda çözünmesini engelleyen güçlü hidrofobik etkileşimler üretirken, birleşme bölgelerinin dinamik doğası homojenlik ve kendi kendini iyileştirme özelliklerinin sağladığını belirtmişlerdir. Yüzey aktif madde miselleri ile çevrili hidrofobik birlikteliklerin, hidrojellerin herhangi bir uyarıcıya veya iyileştirici maddeye ihtiyaç duymadan oda sıcaklığında hızlı kendi kendini iyileştirmesinden sorumlu olan tersinir kırılabilir çapraz bağlar gibi davrandığı gösterilmiştir [17].

Çapraz Bağlanma Yöntemleri

Şimdiye kadar, üç tip çapraz bağlama yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemler kimyasal, fiziksel ve biyolojik çapraz bağlama yöntemleridir [10]. Hidrojel formülasyonlarında genellikle kimyasal ve fiziksel yöntemler kullanılmıştır. Kimyasal olarak çapraz bağlı jeller, radikal polimerizasyon, kondenzasyon polimerizasyonu, yüksek enerjili ışınlama ve enzimler kullanılarak üretilebilir. Fiziksel olarak çapraz bağlı jeller, kristalizasyon, iyon etkileşimleri ve amfifilik blok ve aşı kopolimerlerinden üretilebilir. Hidrojellerde çapraz bağlanma, stabilite sağlar ve çevredeki sulu çözeltide çözünmelerini önler. Hidrojellerin kırılmaya karşı direncini arttırmak için kimyasal çapraz bağlama kullanılabilir [5]. Kimyasal çapraz bağlama, mükemmel bir mekanik mukavemete sahip hidrojellerin oluşumu için oldukça iyi bir yöntem olmasına rağmen hidrojel hazırlamada kullanılan çapraz bağlayıcılar, rapor edilen toksisitelerinden dolayı fiziksel olarak çapraz bağlı yöntemler, çapraz bağlayıcı toksisitesinin alternatif çözümüdür [8].  

Kimyasal Çapraz Bağlı Hidrojeller

Kimyasal polimerler, zincirler arası kuvvetli kimyasal bağlarla (kovalent bağlar) çapraz bağlanmanın gerçekleştiği hidrojellere denir. Bu hidrojeller çeşitli fiziksel faktörlerin değiştirilmesiyle tekrar homojen çözelti haline getirilemedikleri için tersinmez hidrojeller olarak da bilinmektedirler. Sıcaklık, pH ya da çözücü bileşiminin değişmesi ile zincirler birbirlerinden ayrılamaz, bu yüzden çözünmezdirler ve ısı etkisiyle bile üç boyutlu yapı bozulmamaktadır.

Kimyasal çapraz bağlı hidrojelller, geleneksel radikalik katılma veya radyasyon teknikleri kullanılarak hazırlanabilir. Konu ile ilgili yapılan çalışmalarda nişasta, kitosan, aljinat ve polisakkarit karışımı gibi farklı polisakkaritler omurgasına vinil monomerlerinin aşılanması için geleneksel teknikler kullanılmıştır [18].

Serbest radikal polimerizasyonu, anyonik ve katyonik polimerizasyonu yoluyla polimerler kimyasal olarak çapraz bağlanırlar. Serbest radikal polimerizasyonu, başlatma, büyüme ve sonlandırma adımlarını içerir. Başlama adımında benzoil peroksit gibi bir başlatıcı ısı, ışık etkisiyle radikal oluşturur ve monomerler bu radikalin ucuna bağlanarak polimer zincirini büyütür. Büyüyen polimer zincirleri birleşerek veya ayrı ayrı sonlanırlar. Akrilatlar, amidler ve vinil laktamlar gibi çeşitli monomerlere sahip hidrojellerin hazırlanması için kullanılır. Uygun fonksiyonel gruplara sahip olan veya kitosan bazlı hidrojeller gibi radikal olarak polimerize olabilen gruplarla fonksiyonel hale getirilmiş doğal polimer bazlı hidrojellerin geliştirilmesi için de kullanılabilir [19]. Poli (N-izopropil akrilamid) hidrojel, tipik serbest radikal polimerizasyonu ile sentezlenir. PVA bazlı hidrojeller, serbest radikal kopolimerizasyonu ile hazırlanır. PVA, çapraz bağlama maddesi olarak etilen glikol di-metakrilat (EGDMA) ve reaksiyon başlatıcı olarak benzoil peroksit kullanılarak sulu ortamda monomer (metakrilik asit (MAA)) ile kimyasal olarak çapraz bağlanmıştır. Monomer MAA, pH'a duyarlı özellikler vermek için kullanılır. Bu pH'a duyarlı kimyasal olarak çapraz bağlı PVA hidrojelleri, kolorektal kanserde 5-florourasil'in kolonik dağıtımı için umut verici bir dağıtım sistemidir [9].

Kondenzasyon polimerizasyonu en az iki fonksiyonel gruba sahip monomerlerin aralarından küçük bir molekülün ayrılmasıyla oluşur. Kondenzasyon polimerizasyonu ile hidroksil, karboksil, amin gibi fonksiyonel gruplara sahip hidrojeller sentezlenir. Sakhtivel ve ark. (2016), yaptıkları çalışmalarında, asit ortamında itaconic asit bazlı pH'a duyarlı polimerik hidrojelleri, itaconic asit ile etilen glikolun kondenzasyon polimerizasyonu ile sentezledikleri ön polimeri, potasyum persülfat kullanılarak serbest radikal polimerizasyonu yoluyla akrilik asit ile polimerize ettiklerini belirtmişlerdir [20].

Serbest radikal ve kondenzasyon polimerizasyonu ile karşılaştırıldığında, UV radyasyonu çapraz bağlı polimer elde etmek için ucuz bir yoldur ve genellikle ortam sıcaklığında gerçekleştirilir. UV radyasyonu kullanılarak polimerizasyon, polimer özelliklerini bozmadığı için en güvenli ve temiz polimerizasyon yöntemidir. Bu tip polimerizasyon için başlatıcı, çözücü, koruyucu kolloid veya yüzey aktif madde gibi herhangi bir kimyasal katkı maddesi gerekli değildir. Sonuç olarak, polimer biyouyumluluklarını korur. Ayrıca radyasyon dozunun kullanımı, çapraz bağlı polimerin uygulama alanına bağlı olup, radyasyon dozu ve radyasyon süresi de polimerin çapraz bağlanma derecesini etkileyen önemli bir konudur [10].

Yüksek enerjili radyasyon, özellikle gama ve elektron ışını, doymamış bileşikleri polimerize etmek için kullanılabilir. Bu, vinil gruplarıyla türetilmiş suda çözünür polimerlerin, yüksek enerjili ışınlama kullanılarak hidrojellere dönüştürülebileceği anlamına gelir. Hidrojeller, monofonksiyonel bir akrilat (örneğin, akriloil-L-prolin metil ester) ve uygun bir çapraz bağlayıcı karışımının radyasyonla indüklenen polimerizasyonuyla da elde edilebilir [21]. Işınlama, monomerler ve foto başlatıcıdan oluşan bir karışımın bir radyasyon kaynağına maruz bırakıldığı, radyasyonun foto başlatıcı aracılığıyla absorbe edildiği ve daha sonra kararsız bir uyarılmış tür olan serbest radikal ürettiği bir tekniktir. Bu uyarılmış molekül, enerjiyi monomere veya polimer omurgasına aktarabilir. Serbest radikal oluşumunun ardından polimerizasyonun büyüme aşaması gelir. Vinil monomeri kullanıldığında başlatıcıya gerek olmadan çapraz bağlayıcılar kullanılabilir. Polimerizasyon ve çapraz bağlanma mekanizmasının başlaması için oda sıcaklığı yeterli olacaktır.

Enzimatik yolla çapraz bağlanmada, Saini (2017) poli etilen glikol (PEG) bazlı hidrojelleri enzim kullanarak çapraz bağlamıştır. Glutaminil gruplarının eklenmesiyle tetrahidroksi PEG elde etmişler ve transglutaminazın PEG ve poli (lizin-kofenilalanin) çözeltisi içinde birikmesiyle çapraz bağlanmanın olduğunu rapor etmiştir. Bu enzim, polimerleri içeren bir amid bağı vermek üzere PEG-Qa'nın y-karboksamid grubu ile lizinin e-amin grubu arasındaki reaksiyonu katalize eder. Jel özellikleri muhtemelen PEG-Qa ve lizin kopolimerinin oranı ile özelleştirilebilir. Uygun koşullar altında, denge su içeriği %90 olan jeller hazırlanmıştır [19].

Sperinde ve ark. (2000), poli (lizin-ko-fenilalanin) ile lizin uç-fonksiyonelleştirilmiş PEG’ü transglutaminaz, peptit ile modifiye edilmiş makromerlerin sulu bir çözeltisine konduğunda hidrojeller elde ettiklerini belirtmişlerdir [19, 22].

Kimyasal çapraz bağlama yöntemi ile üretilen hidrojellere yapılan testler sonucunda; bir deri dokusu için gerekli olan önemli fiziksel özellikler sağlanılmış ve hücre canlılığını destekleyen gözenekli bir yapı elde edildiği belirtilmiştir. 

Fiziksel Çapraz Bağlı Hidrojeller

Zincirler arası hidrojen bağları, iyonik bağlar, koordinasyon bağları, van der waals kuvvetleri gibi zayıf kuvvetler ile çapraz bağlanmanın gerçekleştirdiği hidrojellerdir. Bunlar sıcaklık, pH ya da çözücü bileşiminin değişmesi ile homojen bir çözelti oluştururlar. Bu jeller temel olarak bazı doğal organik moleküllerden (proteinler ve polisakkaridler) ve yarı-sentetik selüloz türevlerinden oluşmaktadır. Bazı sentetik su seven polimerler de bu sınıfa dahil edilmektedir. Fiziksel hidrojellerde sekonder etkileşim ortadan kalktığında düğüm noktaları bozulur.

Poly vinyl alcoohol (PVA), kristal bölgelerin çapraz bağlar gibi hareket etmesini sağlayan tekniklerle fiziksel olarak çapraz bağlanabilir. Peppas ve diğerleri, derişik çözeltilerden lineer PVA'nın kristalizasyonununu incelemişler ve her döngünün 4 ile 48 saat arasında sürdüğü, tekrarlanan donma ve çözülme döngüleri tarafından %60'a kadar kristalliğe sahip hidrojeller elde ettiklerini belirtmişlerdir [23, 24].

Hidrofobik etkileşimler, polimerin şişmesine ve hidrojeli oluşturan suyu almasına neden olur. Kitosan, dekstran, pullulan ve karboksimetil curdlan gibi polisakkaritler, hidrofobik modifikasyon ile fiziksel olarak çapraz bağlı hidrojellerin hazırlanması için literatürde rapor edilmiştir.

Fan ve ark. (2018), fiziksel olarak çapraz bağlı poli(vinil alkol) ve kimyasal olarak çapraz bağlı poliakrilamid ile aerojellerin tanik asit çözeltisine daldırılmasıyla tanik asit bazlı hidrojellere dönüştürmüşlerdir [25].

Otsuka ve Suzuki (2009), fiziksel PVA jellerini suda veya bir dimetil sülfoksit (DMSO)/su karışık çözücü içinde donma-çözülme yöntemiyle elde ettiklerini ve bu yöntemlerin, yüksek performanslı ve yüksek su emme kabiliyetine sahip çeşitli hidrojeller elde etmek için kullanışlı olduğunu belirtmişlerdir [26].

İyonik etkileşimlerde, hidrojeller ılıman koşullar altında, oda sıcaklığında ve fizyolojik pH'da çapraz bağlanabilir. Bu çapraz bağlama işlemi, polimerde iyonik grupların varlığını gerektirmez. Metalik iyonların kullanımı ile daha güçlü hidrojeller elde edilir [9].

Amfifilik blok ve aşı kopolimerleri, polimerlerin hidrofobik bölümlerinin toplandığı polimerik miseller ve hidrojeller gibi organize yapılar oluşturmak için suda kendi kendine birleşebilir. Amfifilik iki bloklu kopolimerler tipik olarak miseller, katmanlı fazlar, vb. oluşturur. Fiziksel olarak çapraz bağlanmış hidrojeller genellikle çok bloklu kopolimerlerden veya aşı kopolimerlerinden elde edilir [21].

Proteinler, bir ucuyla polimer üzerindeki histidin etiketleri ve metal kaplama ligandları arasındaki metal kompleksleri ile polimer omurgasına bağlanarak çapraz bağlayıcı olarak işlev görür [21].

Yorum

Hidrojeller, fiziksel, kimyasal veya biyolojik yollarla çapraz bağlanmış hidrofilik polimer zincirlerinden oluşan üç boyutlu ağ yapısında olup yüzey gerilimi ve kılcal kuvvetlerden dolayı ağ yapısı içinde büyük miktarda suyu şişmiş halde tutabilirler. Bu çalışmada, çapraz bağlanmanın ve çapraz bağlayıcı özelliklerinin hidrojelin özellikleri üzerindeki etkisi, çapraz bağlayıcılar ve çapraz bağlanma mekanizmaları tartışılmıştır. 

Sonuç olarak, fiziksel hidrojellerde sekonder etkileşim ortadan kalktığında düğüm noktaları bozulurken, kimyasal hidrojellerde ise ısı etkisiyle bile üç boyutlu yapı bozulmamaktadır. Kimyasal çapraz bağlama, hidrojellerin mekanik özelliklerini geliştirmek için çok yönlü bir yöntem olmakla birlikte, çapraz bağlama ajanları genellikle toksik bileşiklerdir ve çevre dostu değildir. Hidrojel matrisinde bulunan biyoaktif maddelerle istenmeyen reaksiyonlar verirler. Kimyasal çapraz bağlamanın olumsuz etkileri, radyasyon veya elektron ışını yöntemi kullanılarak fiziksel çapraz bağlama işlemiyle önlenebilir. Radyasyon çapraz bağlama, çapraz bağlama miktarı kullanılan doz miktarı ile kontrol edilebildiğinden ve ürünlerde istenmeyen kalıntılar olmadan enerji açısından verimli ve temiz bir işlem olduğundan daha avantajlıdır.

TEŞEKKÜR  

Bu çalışmaya katkılarından dolayı Uşak Üniversitesi Araştırma Fonu'na (Proje No: UPAP 06/ 2020/TP001)  desteği için teşekkür ederiz.

KAYNAKÇA

[1] Prabaharan, M., Mano, JF. (2006).   Stimuli-Responsive Hydrogels Based onPolysaccharides Incorporated withThermo-Responsive Polymers as Novel Biomaterials. Macromol. Biosci. 6, 991–1008.  

[2] Zainal, S.H., Mohd, NH., Suhaili, N., Anuar, FH., Lazim, A.M., Othaman, R. (2021). Preparation of cellulose-based hydrogel: a review. Journal of Materials Research and Technolog 10, 935-952.

[3] Lee, JH., Kim, HW. (2018), Emerging properties of hydrogels in tissue engineering. Journal of Tissue Engineering  9: 1–4 

[4] Yang, C., Xu, Ling., Zhou, Y.,  Zhang, X., Huang, X., Wang, M., Han, Y., Zhai, M., Wei, S., Li, J. (2010). A green fabrication approach of gelatin/CM-chitosan hybrid hydrogel for wound healing. Carbohydrate Polymers 82, 1297–1305.

[5] Khan, S.,Ranjha, NM.  (2014).  Effect of degree of cross-linking on swelling and on drug release of low viscous chitosan/poly (vinyl alcohol) hydrogels. Polym. Bull. 71:2133–2158 DOI 10.1007/s00289-014-1178-2

[6] Kong, H.J., Lee, K.Y., Mooney, D.J., (2002). Decoupling the dependence of rheological/mechanical properties of hydrogels from solids concentration. Polymer. 43 (23), 6239-6246.

[7] Cacopardoa, L., Guazzelli, N., Nossaa, R., Mattei, G., Ahluwali, A. (2019). Engineering hydrogel viscoelasticity. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 89, 162–167. 

[8] Akhtar, M F., Hanif, M., Ranjha, NM. (2016). Methods of synthesis of hydrogels ... A review. Saudi Pharmaceutical Journal. 24 (5), 554-559.

[9] Maitra, Jaya., Shukla, V.K. (2014).  Cross-linking in Hydrogels - A Review. American Journal of Polymer Science 4(2): 25-31 DOI: 10.5923/j.ajps.20140402.01. 

[10] Mane, S., Ponrathnam, S., Chavan, N. (2015).  Effect of Chemical Cross-linking on Properties of Polymer Microbeads: A Review. Canadian Chemical Transactions. 3 (4), 473-485. DOI:10.13179/canchemtrans.2015.03.04.0245.

[11] Levıta, G., De Petrıs,S., Marchettı, A., Lazzerı, A. (1991). Crosslink Density And Fracture Toughness Of Epoxy Resins. Journal Of Materıals Scıence. 26, 2348 2352.

[12] Gölen, İ. (2020). Çapraz Bağlı Akrilamid-Maleik Anhidrit Kopolimerlerinin Sentezi, Yapısal Analizleri Ve Hidrojel Özelliklerinin Araştırılması. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Anabilim Dalı Doktora Tezi

[13] E. Mirzaei B., A.Ramazani S., A., M. Shafiee, M. Danaei (2013). Studies on Glutaraldehyde Crosslinked Chitosan Hydrogel Properties for Drug Delivery Systems. International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials. 62: 605–611.

[14] Bodur, B. (2020). Polisakkarit bazlı kompozit hidrojellerin kontrollü salım sistemlerinde kullanımı. Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi.

[15] Collins, M. N., Birkinshaw, C. (2007).  Comparison of the Effectiveness of Four Different Crosslinking Agents with Hyaluronic Acid Hydrogel Films for Tissue-Culture Applications. Journal of Applied Polymer Science, 104, 3183–3191.

[16] Ekici, S., Çetik Erkol, M.(2017). Farklı çapraz bağlayıcılar ile hazırlanmış poliakrilamid hidrojellerinin değerlendirilmesi. J. BAUN Inst. Sci. Technol., 19(2), 177-191. DOI: 10.25092/baunfbed.340613

[17] Tuncaboylu, DC., Melek, AA.,  Algi, MP., Okay, O. (2013). Autonomic self-healing in covalently crosslinked hydrogels containing hydrophobic domains. Polymer. 54 )(23), 6381-6388.

[18] Elsayed, MM. (2019). Hydrogel Preparation Technologies: Relevance Kinetics, Thermodynamics and Scaling up Aspects Revıew. Journal of Polymers and the Environment. 27:871–891 https://doi.org/10.1007/s10924-019-01376-4.

[19] Saini, K. (2017). Preparation method, Properties and Crosslinking of hydrogel: a review. 

Scholarly articles of PharmaTutor Magazine

[20] Sakthivel, M., Franklin, D.S., Guhanathan, S. (2016). pH-sensitive Itaconic acid based polymeric hydrogels for dye removal applications. Ecotoxicology and Environmental Safety.  134 (2), 427-432.

[21] Hennink, W.E., van Nostrum, C.F. (2012). Novel crosslinking methods to design hydrogels. Advanced Drug Delivery Reviews. 64, 223-236.

[22] Sperinde JJ, Griffith LG. (2000). Control and predication of gelation kinetics in enzymatically cross-linked poly(ethylene glycol) hydrogels. Macromolecules. 33: 5467-5480.

[23]Martens, P. Anseth K.S. (2000). Characterization of hydrogels formed from acrylate modified poly(vinyl alcohol) macromers. Polymer. 41, 7715–7722.

[24] Peppas, NA. Scott, JE. (1992). Controlled release from poly ( vinyl alcohol ) gels prepared by freezing-thawing processes. Journal of Controlled Release. 18:95–100.

[25] Fan, H., Wang, J., Jin Z. (2018). Tough, Swelling-Resistant, Self-Healing, and Adhesive Dual-Cross-Linked Hydrogels Based on Polymer–Tannic Acid Multiple Hydrogen Bonds, Macromolecules 51 (5), 1696–1705. 

[26] Otsuka, E., Suzuki, A. (2009).  A simple method to obtain a swollen PVA gel crosslinked by hydrogen bonds. Journal of Applied Polymer Science, 14, 10–16.

KAZANCI GÖĞÜŞ Dilruba Öznur, TÜZÜM DEMİR Ayşe Pınar* 

* Uşak Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 64200, UŞAK, Türkiye, (ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0822-5728