Giriş
Yenilenebilir doğal bir polisakarit olan kitosan, selülozdan sonra yayılım ve kullanım açısından en fazla olan biyomalzeme olarak kabul edilmektedir.[1]
Kitosan yapısal olarak selüloza benzer olsa da hidroksil gruplarınaek olarak, asetilamin veya serbest amino grupları içermektedir.
Bu yüzden selülozlardan çok farklı özelliklere sahiptir.
[2] Kitosan, glukozamin ve N-asetilglukozaminden oluşan gruplar sayesinde antibakteriyel özellik göstermektedir.
[3] Kitosanın biyobozunur,bbiyouyumlu, toksik olmayan özellikleriyle beraber ana avantajlarından biri; tane, jel, mikro-partikül, nanopartikül,nanofiber ve iskele gibi farklı formlara işlenebilme kolaylığıdır.
[4] Kitosan biyolojik özelliklerinin yanısıra medikal alanda (doku mühendisliği, ilaç salınımı ve yara iyileştirme uygulamaları vb.), gıda endüstrisinde (yenilebilir film vb.) ve tekstil sektöründe (antibakteriyel kaplama vb.) yaygın kullanımı dolayısıyla oldukça dikkat çeken bir malzemedir.
[4, 5]Silika (SiO2) polimer ve kauçuk endüstrisinde dolgu malzemesi olarak yaygın kullanıma sahiptir. Silika malzemeler su ve ısıl kararlılık (1500°C’ye kadar), iyi mekanik mukavemet ve toksik olmama gibi mükemmel fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir.
[6] Ayrıca, silika malzemelerin yüzeyleri üzerindeki silanol gruplarının (Si-OH) varlığı, çok çeşitli inorganik ve organik grupların immobilizasyonu için önemli bir destek sağlamaktadır.[7] Kitosan ve silikanın genel özellikleri ve temel uygulama alanları Şekil 1’de sunulmaktadır.
Şekil 1. a) Kitosan ve b) silikanın genel özellikleri ve uygulama alanları ([4] nolu kaynaktan faydalanılarak modifiye edilmiştir)
Medikal, gıda ve tekstil sektörlerinde yaşanan hızlı gelişmeler nedeniyle bu alanlarda ihtiyaç duyulan özel gereksinimlerini karşılamak için geleneksel tek bileşenli polimer veya seramik malzemeler yetersiz kalabilmekte[8] ve bu nedenle de yeni malzemelerin geliştirilmesi gerekmektedir.
Söz konusu talebi karşılamak amacıyla günümüzde inorganik malzemeler ile modifiye edilmiş kitosan esaslı, geliştirilmiş özelliklere sahip kompozitlerin üretilmesine yönelik her geçen gün artan bir ilgi söz konusudur.
Mezogözenekli silika biyouyumluluk, yüksek yüzey alanı, yüksek gözenek hacmi ve modifiye edilebilir yüzey özellikleri nedeniyle kitosan esaslı kompozitlerin üretiminde kullanılma potansiyeline sahiptir.[9] Ayrıca tabakalı silika[10] ve nanosilika[11] gibi farklı silikalar ile kitosan esaslı kompozit malzeme üretimi gerçekleştirilmektedir.
Kitosan-Silika kompozitlerin Uygulamaları Kitosan-silika esaslı kompozitler antimikrobiyal ajanlar,su bariyer bileşikleri, anti-ultraviyole bileşikleri, ilaç taşıyıcı sitemleri ve antimikrobiyal gıda ambalajı gibi çeşitli uygulamalarda kullanılma potansiyeline sahip umut verici malzemelerdir.
Bu kompozitlerin çeşitli uygulamaları ile ilgili literatürde yer alan çalışmaların bir kısmı Tablo 1’de özetlenmektedir.
Potansiyel “yeni nesil” membran malzemeleri olarak kitosan-silika membranlar, ayarlanabilir gözeneklilik,kontrol edilebilir hidrofobiklik ve mekanik kararlılık gibi önemli özelliklerinden dolayı üzerinde yoğun olarak çalışılmakta olan bir konudur.
Bu malzemelerin özellikle kimyasal sensörlerin geliştirilmesinde kullanımına yönelik olarak gün geçtikçe artan bir ilgi söz konusudur.[14,24, 25]
Silika kserojellerin kitosan ile sol-jel ibridizasyonu yeni biyoaktif güdümlü kemik rejenerasyon membranlarının üretimi için uygun bir yöntem olarak kabul edilmektedir.Organik faz olarak kitosanın kullanımı katı silika kserojelden esnek bir membran üretimine olanak sağlamaktadır.
Ayrıca, kompozit membranlarda silika kserojelin ilaç taşıma potansiyeli ve kemiği oluşturan bileşenlerden biri olması dolayısıyla kitosan polimerinin yara iyileştirme ve kemik oluşturma kabiliyetini geliştirmektedir.
Lee ve arkadaşları[12] tarafından gerçekleştirilen çalışmada da kitosan-silika hibrit membranların tek başına kitosan membrana oranla daha yüksek yeni kemik rejenerasyonu sağladığı tespit edilmiştir.
Nano-silika ilaveli kitosan kompozit malzemeler biyomühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. Silika nanoparçacıkların biyopolimerler esaslı doku iskelelerine ilavesi ile malzemenin sertliğinde ve iyomineralizasyonunda artış meydana gelmektedir.
Kompozitlerin mineralizasyon kabiliyeti, kemik yapıtaşı olan apatit oluşumunda büyük rol oynayan silanol gruplarının (Si-OH) varlığı nedeniyle önemli ölçüde gelişmektedir. Ayrıca silika ilavesi ile kitosan esaslı malzemeler osteojenik aktivite kazanmaktadır.
[4] Kemik oluşumunu teşvik edecek bu özellikleri sayesinde kitosan-nanosilika esaslı malzemelerin kemik doku mühendisliği uygulamalarında etkin bir şekilde kullanılabileceği düşünülmektedir.
Silika-kitosan esaslı malzemeler gıda endüstrisinde çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. D-ksilozizomeraz olarak da bilinen glikoz izomeraz (GI), içeceklerde ve gıda endüstrisinde çeşitli ürünlerde yaygın olarak kullanılan çok önemli suda çözünen bir enzimdir.
Sıcaklık ve pH gibi çevresel değişikliklere karşı bu enzimin etkin kullanımı ve kararlılığının artırılmasının sağlanması için silika/ kitosan esaslı mikroküreler ile glikoz izomeraz enziminin enkapsülasyonuna yönelik çalışmalar yapılmaktadır.
Zahao ve arkadaşları[17] tarafından gerçekleştirilen çalışma sonucunda serbest GI ile karşılaştırıldığında, immobolize GI daha iyi pH, sıcaklık, depolama ve çalışma kararlılığı göstermiştir.
[17] Ayrıca, kitosan-nano silika antibakteriyal gıda ambalajı subtropikal bir meyve olan Loquatın (Eriobotrya japonica Lindl.) raf ömrünün uzatılmasında değerlendirilmiştir.
Kitosan-nano silika kaplamaların meyvedeki iç ahverengileşmeyi ve ağırlık kaybını azalttığı, ayrıca yüksek toplam çözünebilir katı, titrasyon asitliği, glikoz ve fruktoz seviyelerini koruduğu belirlenmiştir.
[18]Kitosan-silika esaslı kompozitlerin etkin olarak kullanılabileceği bir diğer uygulama alanı sulardan ağır metal ve boyar madde gibi çeşitli kirleticilerin adsorpsiyonudur.
[19-21] Yapılan çalışmalarda kompozit adsorbanların adsorpsiyon kapasitesinin tek başına kitosan veya silika adsorbanlardan daha yüksek olduğu belirlenmiştir.[19, 21]
Tarımsal kimyasalların hedefe yönelik ve kontrollü salımı için nanotaşıyıcıların eliştirilmesi son yıllarda dikkat çeken önemli konulardan biridir.
Kitosan-silika esaslı malzemeler,tarım sektöründe böcekleri, yabani otları, mantarları ve diğer organizmaları öldürmek için kullanılan pestisitlerin kontrollü salınımında kullanılabilecek taşıyıcı sistemlerdir.[23]
Genel Değerlendirme
Kitosan ve silika farklı birçok uygulamada tek başına kullanılsa da bu malzemelerin bir arada kullanımı ile çok fonksiyonel özelliklere sahip kompozitler elde edilebilmektedir.
Gelişmiş özellikleri sayesinde kitosan-silika kompozitler pek çok farklı alanlarda kullanım potansiyeline sahip olduğu için artan bir ilgi ile bu kompozitlerle alakalı araştırma çalışmaları devam etmektedir.
Kitosan-silika esaslı kompozit malzemeler sahip oldukları üstün özellikler nedeniyle gelecek vaat etmektedir.
Ancak farklı kitosan-silika malzemelerin her bir özel uygulama alanındaki performansı malzemenin özelliğine ve uygulama alanına bağlı olarak değişiklik gösterdiği için elde edilecek kompozitin özelliklerinin optimize edilmesi gerekmektedir.
Gerçekleştirilen literatür çalışmalarında kitosan ve silikadan oluşan kompozitlere ilave olarak üçüncü bir bileşen eklenerek (örneğin gümüş vb.) farklı özelliklere sahip yeni kompozitlerin geliştirilmesi ve bu kompozitlerin farklı uygulama alanlarında kullanımına yönelik araştırmaların da hızla devam etmekte olduğu belirlenmiştir.
Kaynaklar
[1] M.A. Elgadir, M.S. Uddin, S. Ferdosh, A. Adam, A.J.K. Chowdhury, M.Z.I. Sarker, Impact of chitosan composites and chitosan nanoparticle composites on various drug delivery systems: A review, journal of food and drug analysis 23(4) (2015) 619-629.
[2] J.K. Hwang, H.H. Shin, Rheological properties of chitosan solutions, Korea-Australia Rheology Journal 12(3-4) (2000) 175-179.
[3] S. Hashemikia, N. Hemmatinejad, E. Ahmadi, M. Montazer, Antibacterial and anti-inflammatory drug delivery properties on cotton fabric using betamethasone-loaded mesoporous silica particles stabilized with chitosan and silicone softener, Drug delivery 23(8) (2016) 2946-2955.
[4] S. Deepthi, J. Venkatesan, S.-K. Kim, J.D. Bumgardner,R. Jayakumar, An overview of chitin or chitosan/nano ceramic composite scaffolds for bone tissue engineering, International journal of biological macromolecules 93 (2016) 1338-1353.
[5] Li Q, Dunn ET, Grandmaison EW. Applications andproperties of chitosan. In: Goosen MFA, editor. Applications of chitinandchitosan. Lancaster: Technomic Publishing Co.,1997, 3-29.
[6] E. Vunain, A. Mishra, B. Mamba, Dendrimers, mesoporous silicas and chitosan-based nanosorbents for the removal of heavy-metal ions: A review, International journal of biological acromolecules 86 (2016) 570-586.
[7] A. Wight, M. Davis, Design and preparation of organic- inorganic hybrid catalysts, Chemical reviews 102(10) (2002) 3589-3614.
[8] M. Dziadek, E. Stodolak-Zych, K. Cholewa-Kowalska, Biodegradable ceramic-polymer composites for biomedical applications: A review, Materials Science and Engineering: C 71 (2017) 1175-1191.
[9] S. Khoee, R. Bafkary, F. Fayyazi, DOX delivery based on chitosan-capped graphene oxide-mesoporous silica nanohybride as pH-responsive nanocarriers, Journal of Sol-Gel Science and Technology 2(81) (2016) 493-504.
[10] X. Wang, Y. Du, J. Luo, B. Lin, J.F. Kennedy, Chitosan/ organic rectorite nanocomposite films: Structure, characteristic and drug delivery behaviour, Carbohydrate Polymers 69(1) (2007) 41-49.
[11] K. Kavya, R. Dixit, R. Jayakumar, S.V. Nair, K.P. Chennazhi, Synthesis and characterization of chitosan/chondroitin sulfate/nano-SiO2 composite scaffold for bone tissue engineering, Journal of biomedical nanotechnology 8(1) (2012) 149-160
[12] E.-J. Lee, D.-S. Shin, H.-E. Kim, H.-W. Kim, Y.-H. Koh, J.-H. Jang, Membrane of hybrid chitosan–silica xerogel for guided bone regeneration, Biomaterials 30(5) (2009) 743-750.
[13] E.-J. Lee, H.-E. Kim, Accelerated bony defect healing by chitosan/silica hybrid membrane with localized bone morphogenetic protein-2 delivery, Materials Science and Engineering: C 59 (2016) 339-345.
[14] W. Li, R. Yuan, Y. Chai, L. Zhou, S. Chen, N. Limmobilization of horseradish peroxidase on chitosan/silica sol–gel hybrid membranes for the preparation of hydrogen peroxide biosensor, Journal of biochemical and biophysical methods 70(6) (2008) 830-837.
[15] K. Kavya, R. Jayakumar, S. Nair, K.P. Chennazhi, Fabrication and characterization of chitosan/gelatin/nSiO2 composite scaffold for bone tissue engineering, International journal of biological macromolecules 59 (2013) 255-263.
[16] J. Sowjanya, J. Singh, T. Mohita, S. Sarvanan, A. Moorthi, N. Srinivasan, N. Selvamurugan, Biocomposite scaffolds containing chitosan/alginate/nano-silica for bone tissue engineering, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 109 (2013) 294-300.
[17] H. Zhao, Q. Cui, V. Shah, J. Xu, T. Wang, Enhancement of glucose isomerase activity by immobilizing on silica/chitosan hybrid microspheres, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 126 (2016) 18-23.
[18] H. Song, W. Yuan, P. Jin, W. Wang, X. Wang, L. Yang, Y. Zhang, Effects of chitosan/nano-silica on postharvest quality and antioxidant capacity of loquat fruit during cold storage, Postharvest Biology and Technology 119 (2016) 41-48.
[19] Y. Vijaya, S.R. Popuri, V.M. Boddu, A. Krishnaiah, Modified chitosan and calcium alginate biopolymer sorbents for removal of nickel (II) through adsorption, Carbohydrate
polymers 72(2) (2008) 261-271.
[20] R. Nithya, T. Gomathi, P. Sudha, J. Venkatesan, S. Anil, S.-K. Kim, Removal of Cr (VI) from aqueous solution using chitosan-g-poly (butyl acrylate)/silica gel nanocomposite, International journal of biological macromolecules 87(2016) 545-554.
[21] R.D.C. Soltani, A. Khataee, M. Safari, S. Joo, Preparation of bio-silica/chitosan nanocomposite for adsorption of a textile dye in aqueous solutions, International Biodeterioration & Biodegradation 85 (2013) 383-391.
[22] S. Zhang, T. Lü, D. Qi, Z. Cao, D. Zhang, H. Zhao, Synthesis of quaternized chitosan-coated magnetic nanoparticles for oil-water separation, Materials Letters 191(2017) 128-131.
[23] L. Cao, H. Zhang, C. Cao, J. Zhang, F. Li, Q. Huang, Quaternized chitosan-capped mesoporous silica nanoparticles as nanocarriers for controlled pesticide release, Nanomaterials 6(7) (2016) 126.
[24] J. Abdullah, M. Ahmad, L.Y. Heng, N. Karuppiah, H. Sidek, Stacked films immobilization of MBTH in nafion/sol-gel silicate and horseradish peroxidase in chitosan for the determination of phenolic compounds, Analytical and bioanalytical chemistry 386(5) (2006) 1285-1292.
[25] Y. Miao, S. Tan, Amperometric hydrogen peroxide biosensor with silica sol–gel/chitosan film as immobilization matrix, Analytica Chimica Acta 437(1) (2001) 87-93.
