Biyomimetik Malzemelerin ve Fonksiyonel
Kaplamaların Geliştirilmesi
Bursa Teknik Üniversitesi
Doğa Bilimleri, Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
10 Nisan 2014
İÇERİK
 Biyomimetik malzemelerin tanımlanması
 Kendiliğinden desenlenebilen karbon nonotüp esaslı
yapay nilüfer yaprağı yüzeylerinin geliştirilmesi
 Kertenkele ayak saçlarınının taklit edilmesiyle
endüstriyel boyutta mikro-yapıların üretilmesi
 Antibakteriyel kaplamaların geliştirilmesi
DOĞA TARAFINDAN DİZAYN EDİLEN BİYOMİMETİKLER
Kertenkelenin hiyerarşik ayak yapısı
Autumn
Autumnetetal.al.2006.
2006.
Nilüfer yaprağı
Köpekbalığı derisi
Kelebek kanadı
50 µm
150 µm
150
µm
20 µm
Barthlott et al. 1997.
Reif 1985.
Lawrence et al. 2002.
Teijin Corporation of Japan
MorphoTex fibers
Lancôme’s LUCI
Inert synthetic materials to form a series of
periodic micro and nanostructures!
DOĞAL YAPIŞMA SİSTEMLERİ
Natural adhesive systems
Kuru yapışma
Islak yapışma
Walker 1993, Int. J. Adhes. Adhes. 13, 3.
Küçük ölçekli yüzey pürüzlülüğünü
kompanse etmek için muhtemel stratejiler
Vizkoz sıvının akması ile
yüzeydeki çukurları doldurarak
tam temas yapması
•İnce seta uçlarıyla kuru yapışma
•Sıvının salgılanması ile yüzey
çukurlarının doldurulması
Autumn et al. 2008, Phil. Trans. R. Soc. A 366, 1575.
Federle 2006, J. Exp. Biol. 209, 2611.
HAYVANLARIN AYAKLARINDAKİ SAÇLARIN DİZAYNI
Hayvanların vücut ağırlıklarının ayak yapılarının çaplarına etkisi
Arzt et al. 2003.
NİLÜFER YAPRAĞININ ÖNE ÇIKAN ÖZELLİKLERİ
Nilüfer yaprağının üst kısmı
Ensikat et al 2011.
Nilüfer yüzeyi en yüksek papila
yoğunluğuna sahip
Nilüfer papilaları çok daha küçük
çaplara sahip oldukları için su damlası
ile temas alanını azaltırlar.
BİR YADA İKİ-SEVİYELİ (HİYERARŞİK) YAPILARI ÜRETMEK
İÇİN KULLANILABİLECEK METOTLARA GENEL BAKIŞ
E-ışınlı litografi
Kimyasal Buhar Biriktirme (KBB)
KNT seta
KNT Spatula
2 µm
Ge et al. 2007.
Geim et al. 2003.
Poröz membranlar
Fotolitografik şablonlar
10 µm
Majidi et al. 2006.
Murphy et al. 2009.
AMAÇ
Nano-
Mikro-
Hiyerarşik düzen
• Doğada bulunan çok ölçekli yapılar üretmek
Yan et al. 2011.
Myint et al. 2011.
KENDİLİĞİNDEN DESENLENEBİLEN
BİYOMİMETİK YÜZEYLERİN SENTEZLENMESİ
Biyomimetik yüzeylerin sentezlenmesinin şematik gösterimi
Katalistin uygulanması
Oksidasyon
SiO2 oluşumu
Redüksiyon
Ar:H2 altında
Reaksiyon
Ethanol akışı
Karbon nanotüp oluşumu
İNHİBİTÖR VE KATALİST ÇÖZELTİLERİNİN
TABAKA-TABAKA UYGULANMASI
İnhibitör başlangıç malzemesi: Aluminyum nitrat (Al(NO3)3.9H2O
Katalist başlangıç malzemeleri: Demir nitrat (Fe(NO3)3.9H2O
Kobalt nitrat (Co(NO3)2.6H2O
KARBON NANOTÜP BÜYÜTME SİSTEMİ
Kimyasal Buhar Biriktirme (KBB) Sistemi
Redüksiyon basamağı: H2:Ar (1:5) atmosferi (15 min at 625°C)
Reaksiyon basamağı: H2:Ar (1:5) atmosferinde etanol akışı altında(30 min at 625°C)
Al/Fe ve Al/Fe/Al KATALİST KONFİGÜRASYONLARI
ÜZERİNDE BÜYÜYEN KARBON NANOTÜPLER
Al/Fe (20/20)
Kötü bir şekilde dağınık olarak hizalanmış
karbon nanotüp parçaları
Al/Fe/Al (20/20/20)
Homojen dağılmış ve iyi
hizalanmış karbon nanotüpler
Nanoscale, 2012, 4, 3746.
ELEKTRON IŞINLI BUHARLAŞTIRMA YÖNTEMİ
KULLANILARAK ÜRETİLEN KOBALT VE DEMİR
KATALİSTLERİ ÜZERİNDE SENTEZLENEN KARBON
NANOTÜPLER
Co
Fe
Oldukça uzun ve yoğun karbon nanotüpler
Nanoscale, 2012, 4, 3746.
Al/Fe/Al/Co KATALİST KONFİGÜRASYONU ÜZERİNDE
BÜYÜYEN DİK OLARAK HİZALANMIŞ KARBON
NANOTÜPLER
İki-boyoutlu hiyerarşik yapılar
Al / Fe / Al / Co
20 / 20 / 20 / 20
10 µm
40 µm
4 µm
Nanoscale, 2012, 4, 3746.
DİK OLARAK HİZALANMIŞ KARBON
NANOTÜPLERİN YÜZEY ISLATMA ÖZELLİKLERİ
Yapay gül yaprağı
90° eğimli
180° eğimli
4 µm
Nanoscale, 2012, 4, 3746.
KARBON NANOTÜP ESASLI İKİ-BOYUTLU
HİYERARŞİK YAPILAR
10 µm
40 µm
4 µm
4 µm
40 µm
4 µm
KARBON NANOTÜP ESASLI YAPIŞKAN
YÜZEYLERİN SENTEZLENMESİ
Karbon nanotüpler
Polimer yapılar
1 µm
KBB
Fotolitografi
Karbon nanotüpler
Mikro-yapılar
20 µm
POLİMER MALZEME İÇERİSİNE KISMEN
GÖMÜLMÜŞ KARBON NANOTÜPLER
PDMS
SiO2/Si
3 µm
Serbest duran KNT’
ler
KNT’ lerin polimere
transferi
PDMS
PDMS
SiO2/Si
10 µm
PDMS DESEN ÜZERİNE AKTARILMIŞ KARBON
NANOTÜPLER
Karbon nanotüpler
PDMS desen
10µm
DİŞ TELLERİ ÜZERİNDE GELİŞTİRİLEN
ANTİBAKTERİYEL KARBON NANOTÜPLER
Diş tellerinde bakteri plağının
oluşabileceği potansiyel
bölgeler
Karbon nanotüplerin üç boyutlu diş telleri üzerinde
büyütülmesi ve fonksiyonel gruplarla modifiye edilerek
Streptococcus mutanslara karşı antibakteriyel özellik
kazandırılması
Esra Deniz Soner, Ebru Devrim Sam, Irem Durmaz, Rengul Atalay & Erman Bengu
DİŞ TELLERİ ÜZERİNDE SENTEZLENEN KARBON
NANOTÜPLERİN SEM GÖRÜNTÜLERİ
1 mm
100 µm
20 µm
2 µm
NİLÜFER YAPRAĞI YÜZEYİNİN TAKLİT EDİLMESİ İLE
GELİŞTİRİLEBİLECEK BİYOMEDİKAL MALZEMELER
 Kan ile temas edecek malzemelerin kan ürünlerinin
adsorpsiyonun önleyebilecek şekilde dizayn edilmesi
 Kan damarları ve kalp kapakçıklarının
geliştirilmesinde haemocompatible (kan ile uyumlu)
malzeme yüzeylerinde iki-boyutlu desenler
oluşturmak
 İki-boyutlu desenler oluşturulan yüzeylerin
haemocompatible bir malzeme ile kaplanması
 Trombosit (platelet) aglomerasyonunun önlenmesi
 Hücre yapışmasının kontrolünü sağlayacak
malzemelerin geliştirilmesi (Fibroblast hücre
yapışması vb.)
Khorasani, M.T. J. Appl.. Polym. Sci. et al. 2003.
Ishizaki, T. et al. Langmuir, 2003.
YAPAY YAPIŞKAN YÜZEYLERİN ENDÜSTRİYEL
BOYUTLARDA ÜRETİLMESİ
Yumuşak döküm yöntemi
BASF firmasından temin edilen farklı
elastik modülüse ve farklı vizkozitelere
sahip polimer karışımlar
PDMS kalıp
UV lambası
PET foil
Yumuşak döküm yöntemi ile üretilen mikro-yapılar
PDMS kalıp
PDMS kalıp
50 µm
1.5 µm
YAPAY YAPIŞKAN YÜZEYLERİN ENDÜSTRİYEL
BOYUTLARDA ÜRETİLMESİ
Kertenkele ayak saçlarının yapılarından esinlenerek
yapay yapıştırıcıların endüstriyel boyutlarda üretilmesi
Yumuşak döküm yöntemi ile üretilen mikro-yapılar
5 µm
18 µm
18 µm
2.3 µm
18 µm
18 µm
YAPAY YAPIŞKAN YÜZEYLERİN ENDÜSTRİYEL
BOYUTLARDA ÜRETİLMESİ
Polimer malzemenin mekanik özelliklerinin
desenlemeye olan etkisi
0.83 MPa
5 µm
3.7 MPa
5 µm
8.6 MPa
5 µm
YAPAY YAPIŞKAN YÜZEYLERİN ENDÜSTRİYEL
BOYUTLARDA ÜRETİLMESİ
Roll-to-roll prosesi
Nickel shim
100 µm
Çift taraflı bant
18 µm Silindir
18 µm
18 µm
YAPAY YAPIŞKAN YÜZEYLERİN ENDÜSTRİYEL
BOYUTLARDA ÜRETİLMESİ
Embossing düzeneği
18 µm
Mikro-yapılar
18 µm
YUMUŞAK DÖKÜM YÖNTEMİ İLE ÜRETİLEN
MİKRO-YAPILARIN YAPIŞMA ÖZELLİKLERİ
Boy/En oranı  0.73 E-modülüs: 3.90 MPa
1 cm²
~500 g
KERTENKELE SAÇLARINDAN ESİNLENEREK
GELİŞTİRİLEN MALZEMELER
Cerrahi amaçlı bant
Karp et al. 1997.
Hap boyutunda yumuşak
robot kapsül
Stickybot
Yim et al. 2012.
Paul Day and Alan Asbeck,
Stanford University
FONKSİYONEL KAPLAMALAR
TEŞEKKÜR
Prof. Dr. E. Arzt
Dr. P. Oliveira
E. Kroner
Dr. M. Kamperman
Dr. P. Rogin
B. Schäfer
D. Paretkar
G. Castellanos
Dr. A. Schneider
Dr. A. Kasten
Dr. D. Urban
Dr. F. Büsch
Dr. B. Bläsi
M. Nitsche
Prof. Dr. Mustafa Ürgen
Prof. Dr. Fatma Tepehan
Yrd. Doç. Dr. Erman Bengü
Gökce Küçükayan-Doğu
Esra Deniz Soner
Pelin Altay
Hüseyin Alagöz
Fatih Genisel
Beril Baykal
Zeynep Dalkilic
Dr. Yıldırım Teoman
Nedim Erinç
Julide Bayram
Download

Biyomimetik Malzemelerin ve Fonksiyonel Kaplamaların Geliştirilmesi