Antioksidan Özellikli Siyah Pirinç Poliüretan Biyokompozitinin Gıda Ambalajlama ve Yara İyileştirici Ürünü Olarak Eldesi
Yara örtüleri yaraların hızlı bir şekilde sağlığa uygun ortam ve koşullarda iyileşmesine yardımcı olan tıbbi tekstil ürünleridir (Ersoy ve ark., 2015).
Medikal (tıbbi) tekstiller veya Medtech olarak Isimlendirilen tekstil malzemeleri tekstil endüstrisinde son zamanlarda hızlı bir gelişme göstermektedir. Medikal tekstiller, tıbbi durumlar için üretilmiş ya da tasarlanmış tekstil malzemeleridir.
Ameliyat iplikleri, yara örtüleri, sargı bezleri, bandajlar, yapay organlar vb. gibi malzemeler tıbbi tekstil ürünleri arasında bulunmaktadır (Doğan ve Başal, 2009).
Tıbbi tekstiller, yaygın olarak tıp ve cerrahinin her alanında kullanılmaya uygun şekilde tasarlanmış tekstil malzemeleridir. Tıbbi tekstiller çevresinde bulunan doku ile biyolojik uyum göstermeli ve değişik malzemelerle birleşim göstermelidir.
Kullanım alanına bağlı olarak medikal tekstillerden istenen genel özellikleri sıralarsak; mukavemet, antitoksik, elastikiyet, antialerjik, dayanıklılık ve biyouyumluluk olarak sayılabilir.
Biyomedikal malzemeler bakteriler ile kontamine olabilmektedirler, bu noktada ise biyomedikal malzemelerin sterilizasyonu da çok önemli ve dikkat edilmesi gereken unsurlardan biridir (Al-sherbini ve ark., 2015).
Antioksidanlar son yıllarda insan beslenmesinde önemli konulardan biri haline gelmiştir. Bunun nedeni serbest radikallerin giderebilme yetenekleridir. Ayrıca besinlerin uzun süre bozunmasını engellemek amacıyla sentetik ve doğal antioksidanlar ile işlem görülmesi sağlanmaktadır.
Bu antioksidanlar besini korurken aynı zamanda besinin oksitlenmesini sağlayan maddelere karşıda koruma özelliği sergilemektedir (Yavaşer, 2011). Antioksidanlar vücudun bağışıklık sistemini kuvvetlendirir ve yaşlanma geciktirici gibi özelliklere de sahiptir.
Siyah pirinç yüksek antioksidan değerine sahip bir besin kaynağıdır. Siyah pirinç aromasını asetil pirolinden alırken, rengini ise antosianin, sianidin ve 3-0-beta glukositten almaktadır (Shao ve ark., 2018).
PU, yapılarında üretan gruplarını ihtiva eden kopolimerlerdir (Yeganeh ve Hojati-Talemi, 2007). Fiziksel ve mekanik özellikleri ile biyouyumluluk durumlarının iyi olması çok çeşitli kullanım olanağı sağlamıştır (Gültekin, 2006).
Bu özellikleri ile yara örtü malzemesi olarak da kullanılmaktadır. Yara örtüsü, yara yüzeyinde su kaybetme riskini engelleyerek epidermal hücre göçmesi durumunu kolaylaştırmaktadır (Zlatanic ve ark., 2004). Şekil 1’de doğrusal PU yapısı gösterilmektedir.
Şekil 1. Doğrusal PU yapısı (Zlatanic ve ark., 2004)
Bu çalışmada, gıda ambalajlama ürünü ve yara iyileştirici bant özelliği gösterebilecek malzemeler elektroeğirme yöntemiyle PU-Siyah pirinç biyokompozitlerinden üretilmiştir. Nano yapılı kompozitlerin karakterizasyon çalışmaları yapısal (FTIR), morfolojik (FEGSEM), termal (DSC) ve mekanik (çekme) analiz/test yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan siyah pirinç katkılı PU nanolif yapılar, başlıca gıda sektöründe ambalaj ürünü ve doku mühendisliğinde yara iyileştirici bant özellikli malzemeler olarak önemli bir potansiyele sahip olması beklenmektedir.
2. Materyal ve Metot
2.1 Kullanılan Malzemeler
Siyah pirinç, İstanbul’daki yerel bir marketten temin edildi. Biyokompozit üretiminde, PU (Lubrizol advanced material inc. Cleveland Birleşik Devletler) ve polimerleri çözmek için Dimetilformamit (DMF-HCON(OH3)2) (Sigma-Aldrich/Türkiye) ve Etil Asetat (C4H8O2) (Sigma- Aldrich/Türkiye) gibi organik çözücüler kullanıldı. Elektroeğirme aşamasında biyokompozit üretiminde altlık malzeme olarak yağlı kâğıt kullanıldı.
2.2 Siyah Pirinç Takviyeli PU Nanoliflerin
Elektroeğirme Yöntemiyle Üretimi
PU ve %1, %5, %8 Siyah pirinç katkılı PU nanolifler hacimce %80/20 oranında karıştırılan DMF/Etil asetat çözücülü sisteminde 2 saat 40°C’de çözülerek, elektroeğirme yöntemiyle nanolif üretim prosesine uygun hale getirilmiştir. Nanolif üretim işlemi, %14’lük PU ve %14’lük PU matrisine takviye edilmiş %1, %5, %8 Siyah pirinç çözeltilerinden sağlanmıştır. Üretim işleminde Tablo 1’de yer alan parametre değerleri esas alınmıştır. Tablo 1’de elektro eğirme çözeltilerine uygulanan parametre değerleri yer almaktadır. Şekil 2’de biyokompozit ürün üretim aşamaları gösterilmektedir.
Tablo 1. Elektroeğirme yöntemiyle biyokompozit üretim
parametreleri (Bozkurt ve ark., 2017)
Şekil 2. Siyah pirinç takviyeli PU nanoliflerin elektroeğirme
yöntemiyle üretimi
2.3 Karakterizasyon Çalışmaları
Üretilen biyokompozitlerin yapısal analizi Jasco 6600 FTIR cihazı ile 400-4000 cm-1 dalga boyu aralığında belirlenen yüzde transmitans (%T) değerlerine bağlı olarak, numunelerin yapılarında bulunan fonksiyonel gruplar tespit edilmiştir.
Morfolojik analizi Quanta FEG 450 FEGSEM cihazı ile yüksek çözünürlüklü nanolif görüntüleri alınarak, bu nanoliflerin ortalama çap kalınlıkları Image j (2011) yazılımı ile ölçülmüştür.
Termalanalizi Hitachi 7000X cihazı ile 10°C/dk. ısıtma hızında -50-140°C sıcaklık aralığında 3 adım olacak şekilde DSC analizleri 10 mg tartılan biyokompozit numunelere uygulanmıştır.
Mekanik analizi ASTM standartlarına göre 1x5 cm boyutunda kesilmiş numunulerin kalınlıkları OKR marka mikrometre ile ölçülmüş ve Zwickline test cihazı ile 500 N yük altında 5 mm/dakika çekme hızına, 10 mm çene aralığına ayarlanıp cihazla mekanik özellikler belirlenmiştir.
Test işleminde dört farklı numuneden üçer tekrar yapılarak ortalama değerleri esas alınmıştır.
3. Tartışma
3.1 FTIR Analizi
PU yapısı spektrumu değerlendirildiğinde, N-H gerilme bandı 3325 cm-1 dalga sayısında, CH2 gerilme bandı 2956 cm-1 dalga sayısında, C=O absorpsiyon bantlarının 1701 ve 1727 cm-1 dalga boylarında olduğu belirlenmiştir. Benzen halkasındaki C-C gerilme bantları 1464 cm-1 ve 1597 cm-1 frekans değerlerinde, amid grubundaki N-H ve C-N bağlarına ait bantlar 1527 cm-1 dalga boyunda ve C-O-C gerilme bantları ise 916 cm-1 ve 1100 cm-1 dalga sayılarındadır (Chiono ve ark., 2014).
Siyah pirinç partikülleri PU yapısının sahip olduğu fonksiyonel grupların dalga boyu şiddetini azaltırken aynı zamanda gerilme bant değerlerini bir miktar kaydırmıştır. %14 PU-%8 Siyah pirinç biyokompozit yapısında PU ve siyah pirinç partiküllerinin fonksiyonel gruplarının örtüştüğü gözlemlenmiştir, bu yapılardan kaynaklı biyokompozit oluşumunu desteklediği belirlenmiştir. Şekil 3’te PU-Siyah pirinç biyokompozitine ait FTIR spekturumu yer almaktadır.
Şekil 3. PU-Siyah pirinç biyokompozitine ait FTIR
spektrumu
3.2 FEGSEM Analizi
Polimerik matrise takviye edilen siyah pirinç partikülleri konsantrasyon miktarının artması ile topaklanma (aglomerasyon) oluşumunu azalttığı tespit edilmiştir. Takviye edilen siyah pirinç partiküllerinin konsantrasyon oranının artmasıyla, siyah pirinç partiküllerin lifler üzerinde homojen kaplandığı gözlemlenmiştir.
Ayrıca elektro eğirme aşamasında debi, gerilim, toplayıcı plaka- besleme ucu arasındaki mesafe ve toplayıcı plaka dönme hızına bağlı olarak nanolif dağılımının değiştiği de belirlenmiştir.
Konsantrayon miktarı artan numunelerin lif yapıları homojen bir şekil aldığı ve liflerin incelerek topaklanma (aglomerasyon) göstermediği FEGSEM görüntülerinin varlığı ile belirlenmiştir (Tijing ve ark., 2012; Bozkurt ve ark., 2017). Şekil 4’te yer alan FEGSEM görüntülerinden Image j (2011) yazılımı yardımı ile nanolif yapılarının çapları ölçülmüştür.
Nanolif çapları siyah pirinç partiküllerinin konsantrasyonun artması ile incelmiştir. Nanolif çaplarının 30-350 nm olduğu Image j (2011) yazılımı ile ortaya çıkmıştır.
Yaklaşık 50 nanolif yapısının çapları ölçülerek ortalama çap değerleri esas alınmıştır. Şekil 4’te PU-Siyah pirinç biyokompozitlerine ait FEGSEM görüntüleri verilmektedir.
Şekil 4. PU-Siyah pirinç biyokompozitlerine ait
FEGSEM görüntüleri
3.3 DSC Analizi
PU-Siyah pirinç biyokompozitinin termal analiz sonuçları incelendiğinde, saf PU polimerine nazaran siyah pirinç takviyeli biyokompozitlerde, siyah pirinç konsantrasyonun artması ile camsı geçiş (Tc) ve erime noktalarında (Te) artış gözlemlenmiştir.
Gıda ambalajlama ve yara iyileştirici ürünü olarak kullanılmaya yönelik termal özellikleri yüksek
biyokompozitler elde edilmiştir (Anandhan ve Lee, 2014). Şekil 5’te PU-Siyah pirinç biyokompozitlerine ait DSC analiz sonuçları gösterilmektedir.
Şekil 5. PU-Siyah pirinç biyokompozitlerine ait DSC
analiz değerleri
3.4 Çekme Analizi
PU matris malzemesine takviye edilen siyah pirinç partiküllerinin konsantrasyon yüzdelerindeki artışa bağlı olarak mukavemet değerinin doğrusal olarak yükseldiği gözlemlenmiştir.
Morfolojik incelemeler sonucunda elde ettiğimiz FEGSEM görüntülerinden de anlaşılacağı gibi siyah pirinç partiküllerinin polimer fiberler üzerine homojen kaplandığı, topaklanma oluşumunun gözlenmediği sonuçları ile uyumlu olarak mekanik özelliğimizde bu biyokompozitler için artış göstermiştir.
Literatürdeki eşlenik çalışmalarda bulunan mekanik sonuçların üzerinde mukavemete sahip biyokompozitler üretilmiştir. %14 PU-%8 Siyah pirinç numunesinde elde edilen mukavemet değeri çalışmamızda elde edilen en yüksek değer olduğu tespit edilmiştir.
Bu mukavemet artışı hem yük taşıma kapasitesi yüksek polimerik matrisin hem siyah pirinç partiküllerinin takviyesinin hem de biyokompozitdeki homojen dağılımın bir sonucu olduğu sonucuna varılmıştır (Bozkurt ve ark., 2017). Şekil 6’da PU-Siyah pirinç biyokompozitlerine ait çekme test değerleri grafiği yer almaktadır.
Şekil 6. PU-Siyah pirinç biyokompozitlerine ait çekme
test değerleri
4. Sonuç
Çalışma sonuçları değerlendirildiğinde, siyah pirinç takviyeli PU matris malzemelerinden biyouyumlu ve biyobozunur özellikte gıda ambalajlama ürünü ve yara örtücü bant başarılı bir şekilde üretilmiştir. FTIR analizi sonucu belirlenmiş fonksiyonel gruplar ile siyah pirinç ve PU maddelerinin PU-Siyah pirinç biyokompozit yapısında ihtiva ettiği belirlenmiştir.
FEGSEM analizleri sonucu PU ve PU-Siyah pirinç nanoliflerinin lif boyutları, Image J (2011) yazılımı ölçülerek 30-350 nm olduğu belirlenmiştir. Bu ince liflerin kopuk halde olmaması, siyah pirinç partiküllerinin PU liflerini homojen bir şekilde sarması ile nanolif çaplarının inceldiği gözlemlenmiştir.
Üretilen biyokompozitlere mekanik test uygulandığında PU-%8 Siyah pirinç biyokompozitinde diğer numunelere göre en yüksek test değerine ulaşılmıştır. Çalışmanın devamı niteliğinde biyokompozit numunelere antioksidan ve hücre kültürü gibi testler yapılması halinde ileriki süreçte yapılması planlanan çalışmalara yön verebilecektir.
Teşekkür
Biyokompozit üretiminde ve karakterizasyonu çalışmalarında yardımlarını esirgemeyen İstanbul Arel Üniversitesi ArelPOTKAM (Polimer Teknolojiler ve Kompozit Uygulama ve Araştırma Merkezi) ekibine ve biyokompozitlerin mekanik analiz çalışmalarında yardımcı olan Zwick-Roell firma yönetici ve çalışanlarına teşekkür ederiz.
- Kaynaklar
ERSOY, Y., DURAN, M., & TAYYAR, A. E. (2015). Tıbbi Tekstiller ve
Yara Örtüsü. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 3(2).
DOĞAN, G., & BAŞAL, G. (2009). Elektrolif çekim yöntemine göre
elde edilen biyopolimer nanoliflerin ilaç salınım sistemleri yara örtüsü
ve doku iskelesi olarak kullanımları. Tekstil Teknolojileri Elektronik
Dergisi, 3(2), 58-70.
AL-SHERBINI, A., RAGAB, S. S., & EL-SAYED, H. H. (2015). Antimicrobial
Effects of Silver Nanoparticles Mediated Cosmetic Cream and
Cotton Gauze on Candida Strains. Journal of Pharmachy and Biological
Science, 10(3), 69-75.
YAVAŞER, R. (2011). Doğal ve sentetik antioksidan bileşiklerin antioksidan
kapasitelerinin karşılaştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Adnan
Menderes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Aydın.
SHAO, Y., Hu, Z., YU, Y., MOU, R., ZHU, Z., & BETA, T. (2018). Phenolic
acids, anthocyanins, proanthocyanidins, antioxidant activity, minerals
and their correlations in non-pigmented, red, and black rice.
Food chemistry, 239, 733-741.
YEGANEH, H., & HOJATI-TALEMI, P. (2007). Preparation and properties
of novel biodegradable polyurethane networks based on castor
oil and poly (ethylene glycol). Polymer Degradation and Stability,
92(3), 480-489.
GÜLTEKİN, G. (2006). Yara örtü malzemesi uygulamaları için yağ asiti
temelli poliüretan filmlerin üretimi, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri
Enstitüsü, İstanbul.
ZLATANIĆ, A., LAVA, C., ZHANG, W., & PETROVIĆ, Z. S. (2004). Effect
of structure on properties of polyols and polyurethanes based on
different vegetable oils. Journal of Polymer Science Part B: Polymer
Physics, 42(5), 809-819.
BOZKURT, Y., SAHIN, A., SUNULU, A., AYDOGDU, M. O., ALTUN, E.,
OKTAR, F. N., ... & GUNDUZ, O. (2017). Electrospun Nanocomposite
Materials, A Novel Synergy of Polyurethane and Bovine Derived
Hydroxyapatite. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 829,
No. 1, p. 012015). IOP Publishing.
CHIONO, V., MOZETIC, P., BOFFITO, M., SARTORI, S., GIOFFREDI,
E., SILVESTRI, A., ... & DI MEGLIO, F. (2014). Polyurethane-based
scaffolds for myocardial tissue engineering. Interface focus, 4(1),
20130045.
TIJING, L. D., RUELO, M. T. G., AMARJARGAL, A., PANT, H. R., PARK,
C. H., KIM, D. W., & KIM, C. S. (2012). Antibacterial and superhydrophilic
electrospun polyurethane nanocomposite fibers containing
tourmaline nanoparticles. Chemical Engineering Journal, 197,
41-48.
ANANDHAN, S., & LEE, H. S. (2014). Influence of organically modified
clay mineral on domain structure and properties of segmented
thermoplastic polyurethane elastomer. Journal of Elastomers & Plastics,
46(3), 217-232.
Dr. Öğr. Üyesi Yeşim Müge Şahin
Merkez Müdürü
İstanbul Arel Üniversitesi - ArelPOTKAM
Erdi Buluş
Metalurji ve Malzeme Yüksek Mühendisi
Malzeme Teknolojileri Uzmanı
İstanbul Arel Üniversitesi ArelPOTKAM
