AKILLI JELLER
Temel Özellikleri :
Akıllı Metaryaller genel olarak iki gruba ayrılabilir
1- Sert ve Kuru Metaryaller : Metaller, Seramikler ve plastikler gibi
2-Soft ve Yaş Metaryaller : polimer jeller, manyetik akışkanlar
Bunlardan "Uyarı-cevap polimerleri, akıllı polimerler ya da Akıllı jeller " olarak adlandırılan uzun zincirli moleküllerin dış ortamdan gelen çeşitli uyarılara karşı şişerek ya da büzüşerek cevap verebilmeleri esasına dayanırlar.
Çok sayıda monomer birimlerin bir araya gelmesiyle polimer zincirleri elde edilir. Bu monomerlerin en basiti “CH2-CH2 (Etilen)dir. Polimerler düz zincirli olabileceği gibi dallanmış yapıda olabilir. Dallanmış yapılar Polimer ana zincirine bağlanmış yandalların başka ana zincire bağlanmasıyla çapraz bağlı polimerler oluşur.
Dallanmanın olması polimerin çözünürlüğünü düşürür. Çapraz bağlı yapılarsa çözünmeyip çözücüyü emerek şişerler. Eğer çapraz bağlı polimerler su ortamında şişerse buna jel ya da hidrojel denir. Hidrojeller nötral, anyonik ve katyonik olarak sınıflandırılabilir. Hidrojeller polimer iskeleti boyunca spesifik fonksiyonel gruplarından dolayı fiziksel şartlara çok hassastırlar. Bu jellerin şişme ve büzülme davranışları pH, sıcaklık, iyonik şiddete bağlıdır. Kan pıhtısı da fibrinojen monomerinin enzimlerin yol açtığı bir seri tepkimeyle polimerleşmesi sonucu oluşan tipik biyolojik jellerdendir. Midedeki epitel hücreleri son derece asidik olan mide özsuyundan jeller sayesinde korunurlar. Bu biyolojik sitemlerden yola çıkarak çeşitli polimerik jeller hazırlanmaya başlanmıştır. Bunlarla ilgili çeşitli çevre koşullarında ( pH, sıcaklık, çözelti derişimi, çözücü, ışık, UV radyosyonu, elektrik alan değişimi, manyetik alan değişimi ) şişerek yada büzüşerek tepki veren akıllı jeller üzerine yeni yeni araştırmalar yapılmaktadır. Bunlar ortam koşullarına duyarlılıkları açısından çeşitli sınıflara ayrılırlar
1- Sıcaklığa Duyarlı Jeller
Üzerinde çalışılan en önemli polimerler poli ( N-izopropilakrilamid), kısaca PNIPAM ve poli(vinilmetileter), kısaca PVME’ dir. Bu polimerlerin en önemli özellikleri diğer metaryallerin aksine sıcaklık artışı ile büzüşmesidir. Bu iki polimer sıcaklık belli bir değerin üstüne çıktığında faz ayrımı meydana gelerek polimer büzülür. Bu sınır sıcaklık değerine en düşük kritik çözelti sıcaklığı ( lower critical solution temperature, LCTS) adı verilir. Bu sıcaklığın altında polimer zincirleri genleşerek polimer suda çözünürken üstünde ise polimer çözünmez. Bu polimerlerin diğer bir önemli özellikleri ise sıcaklığa duyarlı olması yani PNIPAM ve PVME ‘in sıcaklık değişimlerine karşı gösterdikleri şişme ve büzüşme tepkileri geri dönüşlüdür.
PNIPAM jeli kritik sıcaklığının üzerinde ısıtıldığında orijinal hacminin % 30’ una kadar büzüşebilmektedir. PVME jeli ise sulu çözeltisinin çapraz bağlanmasıyla hazırlanır ve 37 °C de bir şişme ve büzüşme davranışı gösterir. Jel iplikçikleri 20°C de 400 m uzunlukta iken 40 °C de ise 200 m’ye kadar büzüşürler.
Aynı büzüşme olayı Aseton su karışımına batırılmış poliakrilamid jelde 1 cm’ye yalnızca yarım voltluk elektriksel alan uygulanmasıyla elde edilebilir.Teorik olarak milimetreye uygulanan 5 voltluk elektrik akımı jel partiküllerini büzer ve 1 mikron çapındaki partiküller 1 milisaniyede orijinal hacimlerinin % 4’üne büzüşürler. Bu hızlı cevap, jetlerin robotlar veya diğer mekanik aygıtlarda veya insan protezlerinde kas olarak kullanılmasını sağlar.
PNIPAM-PAAM (Poliakrilamid jel) sisteminin diğer uygulamasıysa “Jel el”olarak adlandırılan ve sıcaklık değişimiyle çeşitli nesnelerin tutulması amacıyla kullanılacak bir tür cımbızdır. Laboratuar cımbızlarının yaklaşık milyonda biri boyutunda olan bu jel tutucular sulu çözeltilerden göremeyeceğiniz kadar nesneleri almada son derece uygundurlar. Kullanım sayesinde yapılacak olan jeli nesneye yaklaştırmak ve sıcaklığı arttırmaktır. Böylece PNIPAM tabakası büzüşerek tutucu uçlar birbirine yaklaşır ve o nesne yakalanır.
İki jel arasındaki ısıl genleşme katsayısı farkı yüksektir.
Ayrıca PNIPAM jele görünür ışığa hassas bir kromofor, örneğin klorofil yerleştirilerek hazırlanan jel ışığın ısıtma etkisine bağlı olarak büzüşürler. Yapılan araştuırmalar 1 mikron çapındaki jelin cevap süresinin 5 mili saniye olduğunu ve bu jelin foto-duyar yapay kaslar ve hafıza cihazlarında kullanılabileceğini belirtiyorlar.
Tıp alanındaki en önemli kullanım alanlarından biri de kontrollü ilaç salınımıdır. Burada önemli olan ilaçların gerekli organlara istenilen dozlarda ve belli sürede verilmesidir. Son yıllarda ilaçları sabit hızda salmak için polimerik yapıları kullanıyorlar. Akıllı jeller bu sistemlerin geliştirilmesinde önemli roller oynuyorlar. Jel, vücut içindeki şartlara duyarlı olduğundan salım hızını değiştirerek kandaki ilaç seviyesini uygun düzeyde tutabilecektir. Sıcaklığa –duyarlı yada diğer fiziksel koşullara duyarlı jellerin kullanımıyla ilaç molekülleri jel örgüsünde hapsedilebilir ve sıcaklıktaki değişime uygun olarak ortama salınabilir. Örneğin PNIPAM kullanıldığında 25 °C de jel yapı içerisine dağılırlar. Bu ilaç yüklü jel vucüt sıcaklığında ilaçla birlikte su jelden ayrılır ve jel büzüşür. Hidrofobik ilaçlarda ise tam tersi olarak LCTS’nin üzerinde jel yapısına hapsedilir ve LCTS’nin altındaki sıcaklıklarda da dış ortama salınırlar.
Poly(N-isopropylacrrylamide) hidrojeli (NIPA) en fazla çalışılan sıcaklık duyarlı jellerden biridir ve bu da 34°C civarında büzülmeye başlar.
2-pH’ya Duyarlı Jeller
Akıllı jellerin diğer bir önemli grubunu da pH’a duyarlı jeller oluşturur. Bunlar pH’ a bağlı olarak şişme yada büzülme davranışının gözlendiği iyonik ağ yapılardır. Bu iyonik ağ şeklindeki yapılar zincirlerine takılı hem asidik hemde bazik gruplar içerir. Uygun pH ve iyonik güce sahip sulu ortamda bu gruplar iyonlaşarak jelde sabit bir elektriksek yük (negatif yad a pozitif) oluştururlar ve bu elektrostatik kuvvetlerin birbirini itmesi sonucunda ağ yapıya çözücü girişi artarak ( Su) yapı şişer.
İlaç salınımı ile ilgili bu konuda yapılan çalışmalardan biri de şudur. İlaçları asidik haldeki mide ortamından korumak için akıllı jellerden yararlanılır. Bu jel düşük pH’da büzüşmekte yani mideden etkilenmeden geçerken, bağırsaklarda (pH > 7) şişerek geçirken hale gelmektedir. Böylece içerisindeki ilacı uygun koşullarda salınımı sağlanmış olur. Diğer bir önemli uygulaması ise şeker hastalığının tedavisinde kullanılan insülin salınımı. Bunun için hazırlanan jel, insülin içeren bir rezervuar ve bunun etrafını çevreleyen poli(metakrilik asit –polietilen glikol) zardan oluşur. Bu kopolimer zarın içinde glukoz oksidaz enzimi hapsedilmiş durumdadır. Zar gözenekli bir yapıya sahiptir ve üzerinde açıklıklar (moleküler kapılar) vardır.Yüksek pH değerlerinde (örneğin normal vücut pH ‘ ı 7,4 te) jel genleşerek kapılar kapanır. Kandaki şeker (glukoz) seviyesi yükseldiğinde zarda hapsedilmiş glukoz oksidaz enzimi glukoz ile reaksiyona girerek pH’ın 4’ e düşmesine neden olur. Bu düşük pH’da jel büzüşerek kapılar açılır ve insülin salınımı gerçekleşir. Bu konuda diğer bir yaklaşımda zayıf çapraz bağlı polielektrolit jelden oluşan sisteme elektrik akımı verildiğinde jel insülinin dışarı sızmasına izin veriyor. Fakat akım kesildiğinde akışı durduyor. Bu konuda diğer bir örnek Smart Hydrogel ismindeki bir jel ve buda ilaç salınımında kullanılıyor. Bu jel sıcaklığa duyarlı olmasının yanı sıra biyolojik dokulara yapışma ve kayma kuvvetlerine karşı hassas olabilme özelliklerine de sahip. Normal göz damlaları göz yaşı tarafından seyrelerek akar.Ancak bu ürün göze sıkıldığında vücut sıcaklığı ile birlikte viskoz bir hale gelir. Kaymaya hassaslığından dolayı göz her kırpılışında sıvı hale gelerek jelin bütün göze eşit bir şekilde dağılmasını sağlar. Böylelikle içerisine yüklenen ilacı uzun bir sürede yavaş yavaş göze salar
3-Manyetik Alana Duyarlı Jeller
Bu tür jeller manyetik alan etkisiyle şişip büzülebilen jellerdir. Kolloidal haldeki manyetik parçacıkların çapraz bağlı NIPA ve PVA hidrojelerinin içine yerleştirilmesiyle oluşur.Jel manyetik alana girdiğinde ısınırken manyetik alan kaldırıldığında jel soğuyarak başlangıç haline gelmiştir. İlaç salım sitemlerinde, yapay kas uygulamalarında kullanılabilir. İlaç salınımı ile ilgili bir manyetik alan sağlayan bir bobin kullanılmaktadır. Bu hastanın vücuduna yerleştirilecek. Jel bu cihazın üzerine geldiğinde cihazın düğmesine basarak manyetik alanı harekete geçirecek ve jel ilacı salacaktır.
4- Elektriksel Alana Duyarlı Jeller
Jel gözenekli zar( membran) şeklinde hazırlanır ve kenarlarındaki bir desteğe tutturulur. Jel büzüştüğünde zardaki gözenekler zorunlu olarak genişleyerek sıvıların ve ve çözünmüş moleküllerin zardan geçişine izin verirler. Jel şiştiği zaman gözenekler büzüşür ve ve akış durur. Akımı orta değerlerde tutarak gözenek boyutunu kontrol edebilmektedir. Böylelikle hangi akım değerlerinde hangi moleküllerin zardan geçebileceğinin tayini mümkün olmaktadır. Özellikle bu tür sistemler değişik boyuttaki molekülleri içeren karışımların ayrılmasında kullanılıyor. Jeller seyreltik sulu çözeltilerde büyük moleküllerin ayrılmasında da kullanabiliyorlar
Araştırmalar sonucunda şişmiş bir jelin suyu emerken su içerisinde çözünmüş maddeleri dışarıda tuttuğunu görmüşlerdir. Bunun için jeli çözeltiye daldırmışlar su emilmiş istenilen ürünler kalmış. Jel sonra büzüşerek suyun büyük bir kısmını bırakır ve tekrar tekrar kullanılabilir.
Bazı katı metaryaller TiO2 gibi elektrik alan altında yüklenirler. Bunlar iletken olmayan bir polimer matriksinin içerisine yerleştirilir ve elektrik alana sokulursa elektronlar yüzeyden kaçar ve parçacıklar pozitif yüklü olurlar. Sonuç olarak jel elektrik alanda aşağıdaki gibi etkileşir.
Sonuç olarak Günümüzde de sert metaryallerden polymer jeller gibi soft metaryeller üzerine bir kayma söz konusudur. Geleceğin soft-wet teknolojisinin temelini Akıllı Jeller oluşturacak. Akıllı polimerler teknolojik uygulamalar açısından büyük bir gelecek vaat ediyor.
Referanslar
1-Zrinyl, M., 2000, Intelligent Polymer Gels controlled by magnetic fields, Colloid Polymer Science,103
2-Mark E. Byrne, 2002, Molecular imprinting within hydrogels, Advanced Drug Delivery,54
3-N. A.Peppas, 1987, Hydogels inMedicine and Pharmacy, CRC Pres, Boca,
4- http://www.cuhk.edu.hk/rtao/research/rhl/gel.htm#ma
5- http://web.fkt.bme.hu/zrinyi/ism.htm
6-Dagani, R.,1997Intelligent Gels, C&Em
7-Gümüşderelioğlu, M., “Biyometaryaller “ders notları, HÜ, 2001
8- Gümüşderelioğlu, M., Akıllı Polimerler, Bilim Teknik, 2001
9- www.devicelink.com
10-www.eng.aubum.edu
11- Bilim Teknik Dergisi
Öğr. Gör. Yoldaş Seki
Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Edebiyat Fak
Kimya Bölümü Fizikokimya Anabilim Dalı | 
