Biozika yakorlat jeyz könyv Polimerek Készítette: Körmendi János JRD4V2 eészséüyi mérnök MSC szak, I. évf. Gyakorlatvezet k: Bauer Rita, Hajdú Anéla, Juria Dávid, Molnár Kristóf, Vara Zsóa Mérés ideje: 2012.02.14
1. Polimerek, polimer élek Gyakorlatot vezette: Molnár Kristóf A m anyaok polimerekb l állnak. Olsó el állítani ket. Az emberi szervezet polimerjei az aminosavakból összeálló fehérjék. 25 darab aminosav van, ebb l 23 darab a fehérje épít. A polimerek monomerekb l állnak össze. Mesterséesen általában kondenzáiós reakiókkal állítják el. Ilyen polimer a poli-vinil-alkohol (PVA). Ez biokompatibilis anya. Réebben a kontakt lenséket ilyen anyaból készítették. A polimerek keresztkötéseket is létrehozhatnak ha feloldják valamilyen oldószerbe. Mefelel oldószerre van szüksé. Rossz oldószerben kisapódik az anya. Hoy a keresztkötések létrejöjjenek, az oldat konentráiójának is mefelel nek kell lennie. Ha létrejöttek a keresztkötések a polimer lánok között, akkor kialakulhatnak a élek. A él állapothoz az is szüksées, hoy a keresztkötésekkel kialakult térhálós szerkezet közé folyadék szívódjon fel. Vannak olyan térhálós szerkezet polimerek, ahol ninsen közte folyadék, pl. a bakelit. Ezek a élekkel ellentétben nayon kemény anyaok. A keresztkötéseknek két f fajtájuk lehetsées, a zikai és a kémiai keresztkötések. A zikai keresztkötések általában hidroén kötések vay Van der Waals-féle kötések. Ha a zikai keresztkötésekb l felépül éleket meleítjük, akkor azok meolvadnak. Ilyen például a kosonya. Kémia keresztkötés élre példa a pudin. Ha a pudinot meleítjük, könnyen odaé, nem meolvad. Gél akkor alakul ki, ha kevés a keresztkötés, és íy folyadékot tud felvenni az anya. Minél több folyadékot vett fel a polimer, annál láyabb lesz a él. A élben felvett folyadék képes vándorolni a polimeren belül. Ez a tulajdonsá yóyszerek készítésénél is hasznosítható. Mefelel en beállított élekkel szabályozni lehet a yóyszerek hatóanyaának leadási sebesséét. A szakirodalom szerint szappanból is lehet élt készíteni, de nayon nehéz. Molnár Kristóf azt állította, hoy mé nem látta, hoy valakinek sikerült volna, sak olvasott róla. Amennyiben a polimer oldatot szennyezzük nanorészeskékkel, meváltoznak a él mehanikai tulajdonsáai. Ha viszont sok ilyen részeske kerül bele, akkor nem fo metörténni a élesedés. Gélesedés idejének mérése: Kaptunk ey friss polimer oldatot, és me kellett mérnünk a élesedés idejét. A kapott oldatban dimethyl sulfoxidban volt polisuidin feloldva, és diamino-butane volt a keresztköt anya. Nálunk az oldat 10:54-kor készült el, és 11:10-re élesedett me. Ennek alapján a az oldat 15 per alatt élesedett. 2. Rualmassái modulusz mérése Gyakorlatot vezette: Juria Dávid Polimer él rualmassái moduluszát mértük. A élek átmenetet képeznek a szilárd és a folyékony anyaok között. A termodinamikai tulajdonsáaik a folyadékokra hasonlítanak, azonban metartják az alakjukat. A mérés során ey kémiai keresztkötésekkel összeálló élt vizsáltunk. Ennek a rualmassáát az adja, hoy a polimer keresztkötésekkel kapsolt térhálós szerkezete össze akarja húzódni, ezzel pedi ellentétesen hat a felszívott folyadék duzzadásban menyilvánuló ozmotikus nyomása. Ez a két hatás tart eyensúlyt a élben. Ha ebb l az eyensúlyi kiterjedésb l mepróbáljuk kimozdítani az anyaot (pl. összenyomjuk), akkor az iyekszik visszatérni az eredeti helyzetébe. Ez az elmozdulással ellentétes er hatásban mutatkozik me. Hener alakú élt vizsáltunk. Nálunk a hener átmér je d 0 = 1,97 m, a maassáa h 0 = 1,765 m volt. Ey olyan épbe tettük a élt, ami a henert a két véér l összenyomta. Mérte a élt összenyomó er t (F ), és az ennek hatására beállt elmozdulást ( h). Ha a hener két vée letapad, akkor hordósodás következik be. Ennek meakadályozására a henert és a nyomási felületeken bekentük szappanos oldattal. A Hook-törvény nem használható ebben az esetben. Helyette a Neo-Hook-törvényt használjuk: σ N = G(λ 1 λ 2 ) (1) ahol σ N a nominális feszültsé, G a rualmassái modulusz, és λ a deformáiós arány. 1
1. ábra. A nominális feszültsé σ N füése a ( 1 λ 2 λ) értékekt l és az ezekre illesztett eyenes A nominális feszültsé számítási módja: σ N = F ( d 0 2 ) 2 π (2) A deformáiós arány: λ = 1 h h 0 (3) A Neo-Hook-törvény alapján a σ N nominális feszültsé eyenesen arányos a ( 1 λ λ) kifejezéssel. A mért nyomóer 2 (F ), elmozdulás ( h) párokból és a él kezdeti maassáából (h 0 ) valamint átmér b l (d 0 ) kiszámíthatók a σ N és ( 1 λ λ) értékek. Ha ezekre eyenest illesztünk, akkor annak a meredeksée me foja adni a rualmassái 2 moduluszt. Az eyenes illesztése a matlab lsqurvefit füvényével történt. Az illesztett örbét l a σ N értékek eltérés néyzetének átlaa: 1.2 10 5 N 2 m volt. És a kapott rualmassái modulus: 5.2 10 4 N 4 m. Ha Oriinnel sináljuk az illesztést, akkor az meadja az illesztett eyenes meredekséének a standard 2 hibáját is, ami1 771 N m. A számított σ 2 N, ( 1 λ λ) értékpárok és az illesztett örbe a 1. ábrán láthatók. Az ábrán látható, hoy a mért pontok nem 2 ey eyenest alkotnak, vayis sak kis jóindulattal mondhatjuk, hoy iaz a Neo-Hook-törvény. Az eyenest l nemsak a kisebb értékeknél térnek el a mért pontok, hanem a véén is. Azok ey határozott ívet írnak le. Íy azt sem mondhatjuk, hoy kiválasztunk eyetlen szakaszt, ahol közel eyenes a lefutás. 3. Molekuláris töme mehatározása viszkozitás mérés seítséével Gyakorlatot vezette: Bauer Rita Vibráiós viszkoziméterrel mértük ey poliszukinimid oldat viszkozitását. A viszkozitás mérésének a élja az volt, hoy meállapítsuk a poliszukinimid molekulatömeét. A vibráiós viszkozitás mérés elve: A mérend folyadékba keskeny fémlemez merül, amelyet kényszerrezésben tartanak. A viszkozitástól fü en a rezés frekveniája meváltozik, s ezt a változást mérik. 2
2. ábra. A η sp értékek a konentráió füvényében és az illesztett eyenes A mérés elve a rezonania frekvenián alapszik. A mintát speiális küvettába kell elhelyezni, amelybe két vékony érzékel lemezt kell bemeríteni. A lemezeket elektrománeses er rezeteti eymással ellentétes fázisban. A készülék a minta által okozott rezésváltozás kompenzálásához szüksées áramot méri és alakítja át viszkozitásértékké. A mért viszkozitás értékeket át kell számítani relatív viszkozitás értékekre: Ebb l pedi a speikus viszkozitást: A mérés során a következ értékeket mértük: konentráió: [ 100ml η rel = η η 0 (4) η sp = η rel 1 (5) ] oldószer 0.5 1.25 2.5 3.3 4 konentráió: [ ml ] oldószer 0.005 0.0125 0.025 0.033 0.04 viszkozitás: η[mp as] 0.78 0.91 1.17 1.79 2.36 2.9 relatív viszkozitás: η rel [1] 1.000 1.167 1.500 2.295 3.026 3.718 speikus viszkozitás: η sp [1] 0.000 0.167 0.500 1.295 2.026 2.718 A η sp η sp [ ml ] 33.3 40 5.18 61.4 68 hányados és a konentráió értékek párosaira a matlab lsqurvefit füvényével eyenes lett illesztve. Ezen illesztés eredményeként az eyenes tenelymetszetére azt kaptuk, hoy: 27.79 ml. Ez a határviszkozitás ([η]). Az illesztett eyenest l a ηsp értékek eltérés néyzetének átlaa: 0.35 ml2 volt. Ez 2 átlaosan 3.5 %-os eltérést jelent η sp értékekt l. Ha Oriin-nel sináljuk az illesztést, akkor az meadja a tenelymetszet szórását: 0.7 ml2. A η sp 2 értékek és az illesztett örbe a 2. ábrán látható. Ezután a Kuhn-Mark-Houwink eyenlet seítséével kifejezhet a molekulatöme: ahol K = 1.32 10 2, és q = 0.76 Ebb l átszámítva azt kapjuk, hoy a molekulatöme: 2.36 10 4 [η] = KM a (6) mol 3
4. Vizes köze máneses folyadékok Gyakorlatot vezette: Vara Zsóa A máneses folyadék viszkozitása meváltozik, ha máneses térbe kerül. Ey dupla, eymással szembefordított injekiós feskend -szer eszköz eyik kamrájából a másikba eyikünk sem tudta átpréselni a folyadékot, amí ey mánes volt mellette. Amint azonban a mánes elkerült onnan, ezt könnyedén me lehetett tenni. Ha ilyen anyaból készítenek tömítést, akkor ki lehet használni, hoy a viszkozitás mánessel változtatható. A bemutatón máneses folyadékkal feltöltött élt is mutattak. Ez ey hajlítatható vékony hener volt, amit mánessel lehetett ide-oda irányítani. A máneses folyadékok alkalmazását els sorban az orvostudományok területén tervezik. Dianosztikában: Az MRI dianosztikai módszerben a vizes máneses folyadékok kontrasztanyaként alkalmazhatók a jelenle használt adolínium-komplex helyett. A adolínium extraellulárisak, és ritka földfémet tartalmaznak, ami szennyezi a környezetünket, f le a vizeket. A máneses folyadékok nayobb érzékenysée mellett el nyös a szervezetbarát összetételük, valamint az, hoy a jelet adó nanorészeskék méretükt l fü en más és más szövetben halmozódnak fel, íy nayobb felbontású a különböz szervek képi mejelenítése. Az USA-ban 80%-ban máneses folyadékokat használnak kontrasztanyaként, Európába mé nem hozták be. A élzott sejtváloatás során a máneses nanorészeskék felületére ey olyan felismer molekulát szeretnének rözíteni, mely az eltávolítani kívánt bete sejtet felismeri és meköti, majd ekkor ezek ey küls máneses tér seítséével elválaszthatók lennének a többi jelenlev áenst l. Terápiában: Olyan irányú kísérletek folynak, hoy a hatóanyaot élzottan juttassák be a szervezetbe. F le daanatos beteséek esetén tervezik a használatát, kihasználva azt, hoy a rákos sejtek sokkal több tápanyaot foyasztanak, mint az eészséesek, ezen kívül azt, hoy a máneses hordozóhoz kötött hatóanyaot küls mánessel lehetne irányítani. A kutatások ey másik iránya a máneses folyadékok hipertermiás terápiában való alkalmazása, melyben a nanorészeskék ferro- vay szuperparamáneses tulajdonsáát használnák ki. Tumoros szövetekbe máneses folyadékot juttatnának. Az ilyen szöveteket mánese térbe helyezve, a nanorészeskék mozásba jönnének. Eközben h szabadulna fel. Ezt a lokális meleítést mefelel idei alkalmazva (30 peri min. 42 C) a daanatos sejtek elpusztulnának, mivel jóval érzékenyebbek a h mérséklet változására, mint az eészsées sejtek. Íy kieészít kezelésként használhatók lennének daanatos beteséek esetén, ezzel is sökkentve a kemoterapeutikumok dózisát és mellékhatásait. 5. Elektromos szálhúzás Gyakorlatot vezette: Vara Zsóa Elektromos térben történ szálhúzás: A polimerb l ey körkörösen mozó fej nyílásából ey seppet "ejtenek le" elektromos térben, ami az elektromos tér és a körkörös mozás hatására er sen menyúlva, nano-méret vé vékonyodó szál formájában érkezik le ey y jt lapra. Nanotehnolóiai eljárásokkal olyan szálakat tudnak el állítani, amelyeket a textilipar különlees nemsz tt kelmék yártására használhat, amelyekb l azután sz r betétek, b rutánzatok, yóyászati eszközök (kötszerek) készíthet k. A sz r betétek és a kötszerek esetében az a nay el ny, hoy rendkívül kis méret részeskék kisz rését teszik lehet vé, akár mé mikrobákét is. Térhálósítás: 10-25 kv-os elektromos térbe seppenve az anyaot, a besapódási felületen ebb l ey ultravékony lm alakul ki. Reaktív elektromos szálhúzás: a polimerek kiindulási anyaát beseppentve, mire az besapódik, létrejön a polimerizáió. 4
Extraelluláris mátrix készíthet bel le. Ezekre helyezett sejtekkel sejt tenyésztés lehetsées. Olyan kísérletek folynak, hoy ssejteket helyezve ilyen térhálós anyara, mesterséesen tenyésszenek szöveteket, amivel majd pótolni lehet pl. éési sérültek hiányzó b r felületeit. Hasfali sérvek esetén kísérleteznek ilyen anyaokkal. A sérveknél beültetett hálókkal mindenféle baj szokott történni. Az anya zsuorodik, pöndörödik, kitépi a kapsokat, amelyekkel rözítették. A él az, hoy a kifejlesztend új anyanak mefelel en l jék be a lebomlási idejét. A beültetés után addi kellene memaradnia ennek a térhálós szerkezetnek, amí rajta ki nem fejl dnek a mefelel szövetek, utána viszont jobb, ha lebomlik. Ez körülbelül fél év. 6. Ozmométerek Gyakorlatot vezette: Hajdú Anéla Membrán ozmometria: az ozmózis elvén alapul, azaz, hoy az oldószer molekulák hajlamosak hí oldatból a tömény oldatba átmenni ey féliátereszt membránon keresztül, hoy eyensúly jöjjön létre. A tesztnél a hí oldat nulla konentráiójú, a tömény oldat pedi a polimert tartalmazza. Az oldószer átvándorlása a membránon keresztül nyomáskülönbséet okoz, amely az oldat konentráiójától és a polimer molekulatömeét l fü. G zfázis ozmometria: tiszta oldószer aeroszol párolási sebesséének összehasonlítása lealább három eltér konentráióban polimert tartalmazó aeroszolhoz képest. 5