Nişasta Bazlı Kompozitler
Önemli bir biyokompozit sınıfı agropolimer matrisli
biyokompozitlerdir; esas olarak nişastalı maddeler üzerinde yoğunlaşır.
Nişasta iki temel maddeden oluşur; amiloz ve amilopektin.
Nişastaya, takviyeli polimerlerin üretiminde dolgu maddesi olarak
kullanılmasının dışındaki pek çok uygulamada su ilave edilir. Jelatinizasyon
denilen bu işlemde granüler yapı bozulur; makromoleküllerin çoğu arasındaki
hidrojen bağlarının kırılmasıyla nişasta şişer ve viskoz bir pasta forma
dönüşür, erime noktası ve camsı geçiş noktası düşer. Su miktarına ve orijinal
yapının bozulma derecesine bağlı olarak değişik fonksiyonlar içeren elde
edilebilir. Bu nedenle nişastalı malzemeler iki sınıfta toplanır:
Plastikleştirilmiş nişastalar (su < % 15 hacimce), genişletilmiş nişastalar
(su % 15-30 hacimce).
Plastikleştirilmiş Nişastalar: Plastikleştirilmiş nişastalara
‘termoplastik nişasta (TPS)’ da denir; su ilave edilmiş nişasta sürekli bir
ekstruzyon prosesiyle termo-mekanik enerji uygulanarak plastikleştirilir.
TPS’lar çeşitli fiberler ve whiskerlerler takviye eldir; örneğin jüt, rami ve keten fiberler, tunicin whiskerler,
ağartılmış yaprak odun fiberler, odun hamuru, patates hamurundan mikrofibriller
gibi. Nişasta ve selüloz-bazlı fiberler büyük bir uyumluluk içindedir ve
bunlarla hazırlanan kompozitlerin modüleri yüksektir. Selülozun hidrofobik
özelliği nedeniyle malzemenin kristalinitesi artar, suya karşı hassasiyeti
azalır. Fiber takviyeli nişasta biyokompozitlerin diğer bir gelişmiş özelliği
de sıkı bir üç-boyutlu ağ yapı içinde bulunmalarıdır.
Genişletilmiş (Expanded) Nişastalar: Genişletilmiş nişastalar özel bir
şişirme ve çekirdekleştirici madde ilave edilen sulu nişastanın ekstruzyonuyla
yapılır. Bu tür malzemelerle, yiyecek paketlemede (balık, et,..) kullanılan
expanded polistirenin yerini alabilen, çok-tabakalı biyobozunabilir kompozitler
geliştirilmiştir. Köpük ürünlerin üretiminde de nişasta sentetik bazlı ürünlere
alternatif bir malzemedir.
Nişastanın en büyük olumsuzluğu suya olan hassasiyeti ve
mekanik özelliklerinin zayıf olmasıdır. Bu durum nişastanın doğal fiberlerle
takviye edilmesi ve üretilen köpük malzemenin iki yüzünün polikaprolakton gibi
biyoparçalanabilir düşük hidrofilik bir poliester filmle kaplanmasıyla
giderilebilir.
Protein Bazlı Kompozitler
Protein kompozitlerin biyofiziksel
özellikleri olarak, lokal hücresel davranışlar, kuvvet, elastiklik, yüzey
pürüzlülüğü, yüzey yükü, kimyasal yapı, darbe fonksiyonları ve kararlılık
sayılabilir. Biyomalzemelerin bu özellikleri biyomedisinde önemli bir rol oynar
(örneğin, implantların arayüzünde oluşacak biyolojik reaksiyonlar gibi.).
Aşağıda, bazı tipik protein bazlı kompozit
malzemelere örnekler verilmiştir.
Kollajen-Elastin Filmler: Farklı oranlarda kollajen-elastin
karışımlarıyla ince filmler yapılmıştır; filmlerin gerilme kuvvetleri kollajen
ile, esnekliği elastin ile desteklendiği yüzey polaritesi gibi yüzey
özelliklerin ise iki proteinin karıştırma oranlarıyla değiştiği saptanmıştır.
Kollajen-Elastin-Nanofiberler:
Bu tür biyokompozitlerle yapay kan damarları yapılmıştır; proses
parametreleriyle (akış hızı, uygulanan elektrik alanı ve çözeltiler) fiberlerin
morfolojisi kontrol edilebilmektedir. Elastin miktarının artırılmasıyla fiber
çapı 220 nm’den 600 nm’ye kadar yükselebilmektedir.
Biyokompozit
|
Fiber, %
|
r, g/cm3
|
EI
|
Dn, mm
|
Dm, mm
|
PDI
|
d, mm
|
Küresellik
|
N/Buğday samanı
|
10
|
0.190
|
3.5
|
653.8
|
812.7
|
0.80
|
18.61
|
0.70
|
N/Pamuk tiftiği
|
10
|
0.175
|
3.2
|
648.9
|
734.1
|
0.88
|
15.12
|
0.70
|
N/Kenevir
|
10
|
0.242
|
2.8
|
784.1
|
966.9
|
0.81
|
17.39
|
0.70
|
N/Selüloz
|
10
|
0.170
|
2.8
|
577.6
|
730.7
|
0.79
|
12.54
|
0.70
|
Nişasta/-
|
0
|
0.236
|
2.9
|
875.5
|
1046.6
|
0.84
|
21.52
|
0.72
|
N:
nişasta, EI: Genleşme indeksi, r, yoğunluk, Dn: ortalama çap (sayısal), Dm:
ortalama çap (ağırlıkça), PDI: polidispersite indeksi, d
= hücre duvarı kalınlığı
Tablo-2:
Nişasta Bazlı Biyokompozitlerin Su Absorbsiyonu
Matris/Fiber
|
Fiber, %ağ.
|
Su absorbsiyonu, % (200
saat)
|
||
RH % 33
|
RH % 56
|
% 75 RH
|
||
Nişasta/Buğday samanı
|
10
|
8.4
|
11.7
|
15.6
|
Nişasta/Pamuk tiftiği
|
10
|
9.5
|
12.4
|
16.2
|
Nişasta/Kenevir
|
10
|
8.8
|
12.0
|
16.4
|
Nişasta/Selüloz
|
10
|
8.8
|
11.5
|
15.7
|
RH: relatif nem
İpek-İpek Partikülat Kompozitler:
İpek malzemeler ve performanslarıyla ilgi araştırmalar daha çok biyomedikal
alanlara yöneliktir; çalışmalar özel uygulamalar için gerekli ipek malzemeler
üzerinde yoğunlaşmıştır.
Biyolojik yönden
uygun olmasına karşın doku mühendisliği uygulamalarda 3D yapılı ipek-ipek kompozitler
(ipek fiberler ve çözeltiler) yeterli yük taşıma özelliklerine sahip değildir.
Bu tür kompozitlerin uygun mekanik özelliğe sahip olabilmesi için takviye
olarak öğütülmüş ipek partiküller kullanılır.
Takviye partiküller kompozit içinde
kristalin özelliliğini korur, fakat ipek fiberlerden farklı olarak
heksafluoroizopropanol (HFIP) gibi bazı organik solventlerde kısmen çözünebilme
özelliğine sahiptir. Bu özellik kompozitteki takviye ipek partiküller ve HFIP
ile hazırlanmış taşıyıcı ipek fazı (matris) arasında yüksek bir yüzey-arası
bağlanma sağlayarak kompozitin mekanik özelliklerinin yükselmesini sağlar. Bu
prosesle hazırlanan ipek bazlı biyokompozitler sert doku uygulamalarda gerekli
mekanik özellikleri gösterir.
Şekil: 5: 3D ipek
kompozitlerin SEM imajları
Elastin-Kollajen Mikrofiber Kompozitler: Takviyeli elastin-türü protein
karışımlarıyla çok tabakalı damar graftlar üretilmiştir. Kollajen mikrofiberin
oryantasyonu ve yoğunluğu ile fiber mimarisi ve elastin-türü proteinle
şekillendirilmiş yapının kuvveti ve uyumluluğu proseste kontrol altında
tutulur. Elde edilen sonuçlar takviye olarak kollajen mikrofiberler kullanıldığında
rekombinat elastomerik protein bazlı biyo malzemelerin oluştuğunu göstermiştir.
Şekil-6: İpek ve ipek-kollajen kompozitin
SEM imajları
Jelatin Metakrilat (GelMA)–İpek Fibroin
(SF): interpenetrating polimer ağ yapılı (IPN) hidrojellerin
sentezlenmiştir. Jelatin metakrilat ipek fibroin çözeltisiyle karıştırılıp UV
ışınla çapraz-bağlı yapıya dönüştürülür, metanolle işlemlenerek ipek
fibroinleri kristallendirilir. Bu mekanik olarak dirençli ve ayarlanabilir IPN
hidrojeller çeşitli mikro skala doku mühendisliğinde kullanılabilmektedir.
Kollajen-Kollajen
Mikrofibriller: Tipik bir biyokompozit, yapısal olarak tam kollajen fibrillerle
birleştirilmiş kollajen-elastin matrislerdir; bunlar, örneğin şiddetli yanıklar
gibi deriyle ilgili yenilenmelerde
(rejenerasyon) uygulanabilen biyo malzemelerdir.
Çapraz
Bağlı Yapısal Biyokompozit: Üç komponent, çözünebilir elastin,
hyalüronik asit ve ipek fibroininin kimyasal olarak çapraz bağlı yapılara
dönüştürülmesiyle Young’s modülü ~100 kPa - 230 kPa aralığında kontrol
edilebilen elastik parçalar yapılabilir. Yeni jenerasyon protein kompozit
malzemeler üretiminde, biyomedikal alanda yararlanılabilecek, kontrol
edilebilir optik, elektrik, kimyasal ve mekanik özelliklere sahip malzemeler
hedeflenmektedir.
İpek-Tropoelastin Kompozitler:
İpek-tropoelastin karışımında iki tip protein zincirinin etkileşimiyle farklı
yapıların oluştuğu saptanmıştır. İpeğe az miktarda tropoelastin ilave
edildiğinde (SE90) tropoelastin mikrofazın ayrıldığı ve ipek solventte süreksiz
küçük agregatlar meydana gelir. Tropoelastin miktarının artırıldığında
tropoelastin damlaları birleşmeye başlar ve ipek zincirleriyle etkileşime girer
ve nihayet sistem iki-sürekli sisteme (SE25) dönüşür. İki-sürekli sistemde
farklı protein zincirler karşılıklı olarak etkileşerek ağ yapılar oluşturur.
Tropoelastin miktarı çoğunlukta olduğunda (SE10) polimer ağ yapı giderek saf
tropoelastine dönüşür. (Şekil-7)
Son yıllarda
özellikle biyomedikal alanda çok sayıda protein bazlı kompozit malzemeler
üzerinde çalışmalar yapılmaktadır; çeşitli kompozit filmler, köpükler, jeller,
fiberler, graftlar, ve partiküller üretilmiştir. Şekil-8’de tipik protein bazlı
kompozit malzemeler görülmektedir.
Şekil-7: İpek-Tropoelastin Kompozitler
Şekil-8: Tipik protein bazlı kompozit
malzemeler
