KOZMETİK ENDÜSTRİSİNDE KULLANILAN BAZI POLİMERLERİN NANO ÖLÇEKLİ YAPI ÖZELLİK
İLİŞKİLERİNİN ARAŞTIRILMASI
INVESTIGATION OF NANO SCALE STRUCTURE PROPERTY RELATIONSHIPS OF SOME POLYMERS
USED IN COSMETIC INDUSTRY
PINAR KAYA
PROF. DR. SEMRA İDE Tez Danışmanı
Hacettepe Üniversitesi
Lisansüstü Eğitim-Öğretim ve Sınav Yönetmeliğinin Polimer Bilimi ve Teknolojisi Anabilim Dalı için Öngördüğü YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak hazırlanmıştır.
2019
Sevgili Anneme ve Babama…
i
ÖZET
KOZMETİK ENDÜSTRİSİNDE KULLANILAN BAZI
POLİMERLERİN NANO ÖLÇEKLİ YAPI ÖZELLİK İLİŞKİLERİNİN ARAŞTIRILMASI
Pınar KAYA
Yüksek Lisans, Polimer Bilimi ve Teknolojisi Anabilim Dalı Tez Danışmanı: Prof. Dr. Semra İDE
Eylül 2019, 101 sayfa
Bu tez çalışmasında, günlük yaşantımızda sıklıkla kullanılan, yapılarında polimer içeren kozmetik ürünlerinden üç tip sıvı fondöten/krem (QW, LF ve BB krem kodlu örnekler) ile dört tip (farklı özellikleri olan sabitleyici/şekillendirici) saç spreyi üzerine odaklanılmıştır.
Öncelikli olarak, kozmetik ürünlerde yaygın kullanılan beş farklı polimer belirlenmiş ve bu polimerlerin arasından (hacimsel) nano ölçekli oluşumlara yol açabilen polimetilsilseskuiokzan, polifenilsilseskuiokzan, feniltrimetikon, C 26-28 alkil dimetikon ve silikon elastomer reçine jel ile çalışmalar başlatılmıştır. Yapılan öncü çalışmalarda, bu polimerlerin nano ölçekli SAXS (Küçük Açı X-Işını Saçılması) analizleri yapısal değişimleri izlemede yol gösterici olmuştur. Saf
ii
polimerlerin kozmetik ürünlerde kullanım öncesi, yapı formlarında mevcut olan nano oluşumlarının morfolojileri (şekillenimleri), boyut bilgileri (jirasyon yarıçapları ve maksimum büyüklükleri) ile uzaklık dağılım fonksiyonları elde edilerek, 3B nano oluşumlarının ab-initio yapı modellemeleri yapılmıştır.
İncelenen polimerlerden, küresele en yakın şekillenime sahip olan polimetilsilseskuiokzan (PMSQ), nano ölçekli yapı-özellik araştırmaları ile ilgili ayrıntılı çalışmalarda kullanılmak üzere seçilmiştir. Bu polimerin kozmetik kremlerin yapısal özellikleri üzerindeki etkisini incelemek üzere, iki farklı fondötene ve BB kreme farklı polimer katkılarında incelemeler yapabilmek üzere, 343 mg örnek için 0,4; 0,7 ve 1,2 mg (sırası ile % 0,12; 0,20 ve 0,35 kütlece katkı olacak şekilde) PMSQ eklenmiştir. PMSQ’nun diğer polimerlere göre tercih edilmesinin bir başka nedeni de, jel/krem formunda olan kozmetik malzemelerin içinde, bu polimerin makroskopik görüntüyü ve homojen yapıyı bozmayacak şekilde mevcut yapıda çözünerek, miktarının kolayca artırılabilmesi olmuştur.
Polimer miktarı artırılarak ve artırılmadan (kontrol grubu olarak) hazırlanan örnekler X-ışını saçılma deseni oluşturmayan alt taşlar üzerine ve deri malzeme üzerine ince film formunda uygulanarak, bu malzemelerin SAXS ve WAXS (Küçük - Geniş Açı X-Işını Saçılması) analizleri yapılmıştır. Elde edilen SAXS (~1-100 nm ölçeğinde) ve WAXS (~1-3 Å ölçeğinde) verileri kullanarak yapısal incelemeler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca bu örneklerin SEM ölçümleri de yapılarak, polimer miktarındaki artışının meydana getirdiği yapısal değişiklikler mikroskopik ölçekte de takip edilebilmiştir. Polimer katkılama artışına en iyi yanıtı veren LF kodlu fondöten ile BB krem kullanılarak hazırlanan film formundaki örnekler bu kez 1-4 hafta aralığında yaşlandırılmaya bırakılmış ve örneklerin SAXS analizleri Tayvan Ulusal Sinkrotron Işın Merkezi (NSRRC) de gerçekleştirilmiştir. SAXS analizleri ile elde edilen, nano oluşum uzaklık dağılım fonksiyonlarının, üç boyutlu yapılarda uzun erimlerde homojen dağılımın önemli bir göstergesi olduğu, SEM görüntülerinden elde edilen kısa erimli uzaklık dağılım fonksiyonlarına göre, çok daha doğru ve gerçekçi bulgular içerdiği de yarı-deneysel analizler ile gösterilmiştir.
iii
Bu aşamaya kadar yapılan analizlerde polimer artışına en elverişli olan yani, 3B nano morfolojilerin nanokompozit formuna uygun şekil, boyut ve uniform dağılım bilgileri veren, LF kodlu malzemeler olmuştur. Bundan sonraki analizlerde bu örnek üzerine yoğunlaşılarak, yapıları kontrol altına alınan polimer katkısındaki artışın yapı-özellik üzerine etkilerini incelemek üzere, antibakteriyel analizler ve UV soğurucu etkiler incelenmeye başlanmıştır.
Sonuçta, film formundaki LF kodlu fondötenin artan PMSQ polimer katkısıyla antibakteriyel özelliklerinin geliştirilebildiği bulgusuna ulaşılmıştır. E.coli ve S.aureus bakterilerine ait artan polimer katkısı ile biyofilm oluşumunun önüne geçilebildiği belirlenmiştir. Ayrıca bu grup için UV optik geçirgenlik ve yansıtma ölçümleri de yapılmış ve 0,4 mg PMSQ katkılama ile elde edilen kozmetik malzemenin UV yansıtma özelliğinin ~% 15 artırıldığı , UV geçirgenlik özelliğinin ise ~% 40’lara kadar azaltılabildiği sonucuna ulaşılmıştır. Aynı örnek grubunun FT-IR analizleri de yapılmış ve PMSQ miktarındaki artış ile moleküller ölçekte yapılarda değişimlerin olup olmadığı da incelenmiştir.
İkinci kozmetik ürün grubu olarak, farklı özelliklere sahip dört saç spreyi ile çalışılmıştır. Bu spreyler, 25-35 yaş grubu bayan donörlerden alınan farklı (düz sarı, düz kumral, düz siyah ve kıvırcık kahverengi) formlardaki saç örnekleri üzerine uygulanmış ve yapısal analizler SAXS yöntemi ile başlatılmıştır. Nano oluşum morfolojileri küresele en yakın olan “düz sarı” ve “düz kumral” saç örneklerine moleküler yapı farklılıklarını incelemek üzere FT-IR analizleri de yapılmıştır. Mikroskopik analizler ise SEM (Taramalı Elektron Mikroskopisi) ve EDXS (Enerji Dispersiv X-Işınları Spektroskopisi) yöntemleri ile tamamlanmıştır.
Bu grup için elde edilen en önemli bulgu şu şekilde özetlenebilir. Saç spreylerinde kullanılan kimyasal bileşenler, işlevlerini gerçekleştirirken saçın moleküler yapısında çok büyük değişiklik oluşturmamasına rağmen, nanoskopik yapısında (özellikle melanin yapıda) büyük değişikliklere yol açabilmiştir. Bu bulgu, nanoskopik analizlerin kozmetik endüstrisinde mutlaka kullanılması gerekliliğinin
iv
bir göstergesidir. Bu tez çalışması ile ilk kez belirlendiği üzere, SAXS analizleri ile elde edilen 3B ab-initio yapı modellemeleri melanin yapıyı izlemede rahatlıkla kullanılabilir. Bu çalışma ile ilk kez SAXS yöntemi ile, saçın yapısında mevcut olan melanin (nanoglobular) formlarının doğal ortamlarında 3B modellemeleri yapılabilmiştir.
Kozmetik ürünlerde yaygın olarak kullanılan polimerlerin ve diğer makromoleküler yapıların bir araya gelmesi ile nano ölçekte ortaya çıkan nano oluşumların kendiliğinden (self-assembled) düzenlenmesi ile yapı-özellik ilişkilerinde çok farklı sonuçlar ortaya çıkabilmektedir. Yani kozmetik endüstrisinde nano ölçekte ciddi yapı kontrollerinin yapılması çok yerinde olacaktır. Bu çalışma kapsamında, polimer kullanım oranlarındaki küçük değişikliklerin bile, nanoskopik yapı farklılıklarına yol açtığı, bu nano ölçekli yapısal farklılıkların da antibakteriyel özellikleri geliştirmesi ve UV koruyucu kalkan etkisini artırması gibi, biyofiziksel özelliklerde de etkili olduğu ortaya çıkarılmıştır.
Özetle, bu tez çalışması sonucunda, kozmetik endüstrisinde polimer malzemelerin kullanımının optimum oranlarda belirlenmesinin gerekliliği ve yapı- özellik ilişkilerinin moleküler boyuttan başlayarak nano, mikro ve makro boyuta kadar daha ciddi biçimde incelenmesi gerekliliği açıklanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Kozmetik, PMSQ, fondöten, saç, SAXS, WAXS, FT-IR, biyofilm, saç spreyi, SEM, UV
v
ABSTRACT
INVESTIGATION OF NANO SCALE STRUCTURE PROPERTY RELATIONSHIPS OF SOME POLYMERS USED IN COSMETIC
INDUSTRY
Pınar KAYA
Master of Science, Department of Polymer Science and Technology Supervisor: Prof. Dr. Semra İDE
September 2019, 101 pages
In this thesis, three types of liquid foundation / cream (QW, LF and BB cream coded samples) and four types (have different properties of fixative / styling) hair spray which are used frequently in our daily lives and include polymeric cosmetic products, are focused on.
Firstly, five different polymers commonly used in cosmetic products were identified, and studies were initiated with polymethylsilsesquioxane, polyphenylsilsesquioxane, phenyltrimethicone, C 26-28 alkyl dimethicone, and silicone elastomer resin gel, which could lead to (volumetric) nanoscale formations. Before the use of pure polymers in cosmetic products, the morphology (configurations), dimensional information (radius of gyration and
vi
maximum magnitudes) and distance distribution functions of the nano formations present in the structure forms were obtained and ab-initio structure models of 3D nanostructures were performed.
Among the investigated polymers, polymethylsilsesquioxane (PMSQ), which has the closest shape to the spherical, was selected for using in detailed studies on nanoscale structure-property investigations. In order to examine the effect of this polymer on the structural properties of cosmetic creams, 0,4; 0,7 and 1,2 mg PMSQ was added (with % 0,12; 0,20 ve 0,35 mass percentage) to two different foundation and BB cream to perform different polymer amounts. Another reason why PMSQ is preferred over other polymers is that in cosmetic materials in gel / cream form, the amount of this polymer can be easily dissolved by dissolving it in the existing structure without disturbing the macroscopic appearance and homogeneous structure.
SAXS - WAXS (Small - Wide Angle X-Ray Scattering) analyzes of the samples prepared by increasing the amount of polymer and without increasing as control group were applied in thin film form both on the substrates which do not form X- Ray scattering pattern and on the skin material were made. Structural investigations were performed using the obtained SAXS (~ 1-100 nm scale) and WAXS (~ 1-3 Å scale) data. SEM measurements of these samples were also carried out to observe the structural changes caused by the increase in polymer doping on a microscopic scale. Samples in film form prepared using LF coded foundation and BB cream which gave the best response to increase in polymer dopped were allowed to aged for 1 to 4 weeks and SAXS analyses of samples were performed at Taiwan National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC). Obtained by SAXS analysis, nano formation from the distribution functions of the homogeneous distribution in the long range in the three - dimensional structure is an important index, compared to the short range from distribution functions derived from the SEM images, as it contained more accurate and realistic results are presented semi-empirical analysis.
vii
In this analysis, LF-coded materials, which provide the shape, size and uniform distribution information suitable for the nanocomposite form of 3D nano morphologies, were the most suitable for polymer increase. In the following analyzes, by focusing on this sample, antibacterial analysis and UV absorbing effects were started to examine the effects of the increase in the doping of polymer under the control of the structures on the structure-property.
As a result, it was found that the antibacterial properties of LF coded foundation in film form could be improved by increasing PMSQ polymer doping. It was determined that biofilm formation can be prevented by increasing polymer doping for E.coli and S.aureus bacteria. In addition, UV optical transmittance and reflectance measurements were made for this group and it was concluded that the UV reflectivity of cosmetic material obtained by adding 0,4 mg PMSQ was increased by ~ 15 % and the UV transmittance property could be reduced to ~ 40
%. FT-IR analyzes of the same sample group were also carried out and the increase in PMSQ concentraston and the changes in the structures in the molecular scale were examined.
As the second group of cosmetics, four hair sprays with different properties were studied. These sprays were applied to hair samples of 25-35 years old female donors in different forms (straight yellow, straight auburn, straight black and curly brown) and structural analyzes were started with SAXS method. FT-IR analyzes were also performed to examine the molecular structure differences of the
“straight yellow” and “straight auburn” hair samples whose nanostructural morphologies were closest to the spherical. Microscopic analyzes were completed by SEM (Scanning Electron Microscopy) and EDXS (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) methods.
The most important finding for this group can be summarized as follows. Although the chemical components used in hair sprays do not cause a major change in the
viii
molecular structure of the hair while performing their functions, they can lead to major changes in the nanoscopic structure (especially melanin structure). This finding is an indication of the necessity of using nanoscopic analyzes in the cosmetic industry. As determined for the first time in this thesis, 3D ab-initio structure models obtained by SAXS analysis can be used easily to monitor melanin structure. In this study, for the first time, 3D modeling of melanin (nanoglobular) forms present in the structure of the hair can be made by SAXS method. It was also determined that the polymers used in hair sprays directly affect the spray properties.
With the combination of polymers and other macromolecular structures commonly used in cosmetic products, self-assembled clusters (nano-formations) on the nano scale can produce very different results in structure-property relationships. In other words, it would be appropriate to carry out serious structure controls at the nano scale in the cosmetic industry. According to this study, it was found that even small changes in the usage of polymer amounts caused nanoscopic structure differences and these nano-scale structural differences were also effective in biophysical properties such as improving antimicrobial properties and increasing UV protective shield effect.
In summary, as a result of this thesis, the necessity of both determining the use of polymer materials in the cosmetic industry at optimum ratio and examining the structure-property relationships from molecular to nano, micro and macro dimensions seriously have been explained.
Keywords: Cosmetic, PMSQ, foundation, hair, SAXS, WAXS, FT-IR, biofilm, hair sprey, SEM, UV
ix
TEŞEKKÜR
Yüksek Lisans eğitimim ve tez çalışmam boyunca bilgi, deneyim, öneri ve maddi- manevi desteklerini esirgemeyerek, engin fikirleriyle yetişmeme ve gelişmeme katkıda bulunan danışmanım Sayın Prof. Dr. Semra İDE’ye,
Polimerler ile ilgili bilgi, tecrübe ve deneyimlerini bizlere aktaran ve sevdiren, öğrencisi olduğum Polimer Bilimi ve Teknolojisi Anabilim Dalı’nın Başkanı Sayın Prof. Dr. Murat ŞEN’e,
Polimer derslerini aldığım, tüm Polimer Bilimi ve Teknolojisi Anabilim Dalı’ndaki Hocalarıma,
Çalışmamın bir parçası olan optik geçirgenlik ve yansıma ölçümlerini yapan ve bilgilerini bizlerle paylaşan Sayın Doç. Dr. Akın BACIOĞLU’na ve biyofilm oluşturma analizlerini gerçekleştiren ve Biyoteknoloji konusundaki bilgilerini paylaşan Sayın Arş. Gör. Dr. Sinem DİKEN GÜR’e,
Tayvan Ulusal Sinkrotron Işın Merkezi’ndeki ölçümlerimizde bizlere ev sahipliği yapan ve yardımlarını esirgemeyen Sayın Prof. U-Ser JENG ve araştırma ekibine,
Benim de içerisinde bulunduğum SWAXS Araştırma Grubu’nda bulunan, yardım ve desteklerini esirgemeyen tüm arkadaşlarıma ve büyüklerime,
Maddi-manevi her zaman yanımda olan, beni destekleyen, gurur ve mutluluk kaynağım annem Semra KAYA, babam İ.Yalçın KAYA ve ablalarım Şule KAYA KELEŞ ve Elvan KAYA ARABACI’ya
Sonsuz minnet ve teşekkürlerimi sunarım.
Pınar KAYA Eylül 2019, Ankara
x
İÇİNDEKİLER
ÖZET……….i ABSTRACT……….. ... v TEŞEKKÜR……….ix İÇİNDEKİLER……….…….x ŞEKİLLER DİZİNİ…………. ... xiii ÇİZELGELER DİZİNİ ... xviii SİMGELER VE KISALTMALAR………...………..xix 1. GİRİŞ………...1 1.1. Çalışılan Malzemeler ile İlgili Genel Bilgi………3 1.1.1. Polimerler……….……..…..3 1.1.2. Kozmetik Ürünler………..……..6 1.1.3. Kozmetik Ürünlerin Uygulandığı Saç ve Deri Yapılar………..….6 1.2. Kullanılan Deneysel Yöntemler ………8 1.2.1. Taramalı Elektron Mikroskop (SEM) ve Enerji Yayılımlı X-Işını (EDXS)
Analiz Yöntemleri………..………8 1.2.2. Küçük Açı X-Işını Saçılması (SAXS) Yöntemi ……….10 1.2.2.1. Küçük q Bölgesi, Guiner Yasası ve Jirasyon Yarıçapı……….16 1.2.2.2. Orta q Bölgesi………....19 1.2.2.3. Büyük q Bölgesi ve Porod Yasası………...…19 1.2.2.4. Uzaklık Dağılım Fonksiyonu (PDDF)……….……21 1.2.2. Geniş Açı X-Işını Yöntemi (WAXS)……….22 1.2.3. Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR)……….23 1.2.4. Optik Geçirgenlik ve Yansıma Yöntemi………...25
xi
1.2.5. Biyofilm Oluşturma Yöntemi………..……..26 2. DENEYSEL KISIM………...28 2.1. Kullanılan Malzemelerin Temini, Hazırlanması ve Öncü Deneysel Çalışmalar……….……28 2.2. Nanoskopik Analizler İçin Kullanılan X-Işını Deney Sistemleri………..…34 2.2.1. Laboratuvar Tipi SWAXS Sistemi………..35 2.2.2. Sinkrotron Işın SAXS Demet Hattı……….38 2.2.3. Kullanılan Yazılım ve Paket Programlar………..……….40 2.2.3.1. EasySWAXS Programı………...……40 2.2.3.2. Igor Pro Paket Programı……….…………40 2.2.3.3. ATSAS Paket Programları………..………41 2.2.3.4. PDDF Calculator……….….42 2.2.3.5. DECTRIS-ALBULA Viewer………43 3. DENEYSEL BULGULAR………..……..44 3.1. Farklı Ölçeklerle İlgili Yapısal Analizler ……….45 3.1.1.SEM ve EDXS Analizleri……….…45 3.1.2. SAXS Analizleri………..…….47 3.1.2.1. Nano Oluşumların Jirasyon Yarıçapı Hesaplamaları ve Öncü Yapısal Bulgular………....48 3.1.2.2. SAXS Modelleme Çalışmaları ve PDDF Analizleri…………48 3.1.2.3. WAXS Analizleri………..…………72 3.1.2.4. FT-IR Analizi………..…….77 3.1.2.5. Optik Yansıma ve Geçirgenlik Analizi……….………85 3.1.2.6. Biyofilm Analizi………87 5. GENEL SONUÇ VE TARTIŞMA…..……….…88 6. KAYNAKLAR………92
xii
EKLER……….…..99 EK 1 - Tez Çalışması Orjinallik Raporu………99 ÖZGEÇMİŞ……….100
xiii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 1.1. Polimetilsilseskuiokzan'ın kimyasal yapısı ... 3 Şekil 1.2. Polifenilsilseskuiokzan'ın kimyasal yapısı..………4 Şekil 1.3. Feniltrimetikon'un kimyasal yapısı...……….4 Şekil 1.4. C 26-28 alkil dimetikon'un kimyasal yapısı.…...……….…..5 Şekil 1.5. Silikon reçinenin kimyasal yapısı...………..…...5 Şekil 1.6. İnsan saçının farklı ölçeklerdeki yapısı………..7 Şekil 1.7. Keratin matrisi ve melanin granülleri………..7 Şekil 1.8. SEM cihazının şematik gösterimi………..….…....9 Şekil 1.9. SEM cihazının görüntüsü………10 Şekil 1.10. SAXS düzeneği ve q⃗ vektörünün gösterimi………..……….……13 Şekil 1.11. Saçılma vektörünün bulunması……..………....14 Şekil 1.12. Fourier Transformu ile ters uzay- gerçek uzay ilişkisinin kurulumu……...………...…..15 Şekil 1.13. Tipik bir SAXS verisi (profili) ve tanımlanan bölgelere göre yapı hakkında ulaşılabilen bilgiler………..….16 Şekil 1.14. Porod bölgesini gösteren I(q).q4 – q grafiği………20 Şekil 1.15. a. Q yapı değişmezini gösteren grafik. b. Kratky çizimi………21 Şekil 1.16. PDDF grafinde Rg ve Dmax değerlerinin gösterilmesi………22 Şekil 1.17. Bir örneğin FT-IR analiz prosesi………..23 Şekil 1.18. Bir Michelson Interferometrenin şematik diyagramı……….25 Şekil 1.19. a. Yansıma deneyi şeması. b. Optik geçirgenlik deneyi şeması……26 Şekil 1.20. a. Yeni bir bakteri türünün daha önce birçok bakteri türü ile kolonileşmiş bir kaya üzerinde bir biyofilm oluşturma adımlarını gösteren şematik bir gösterimi. b. Biyofilm oluşumundaki basamakların V.
cholerae tarafından mikroskopik olarak incelenmesi. Planktonik
xiv
bakteri taramalı elektron mikroskobu (TEM) (bar = 1 μM) ile görselleştirildi, ekli hücreler ve mikrokolon TEM (bar = 2 μM) ile görüntülendi ve biyofilm ise konfokal tarama lazer mikroskopu (bar = 10 M)………...……….…27 Şekil 2.1. Tez kapsamında kullanılan 5 farklı polimer……….…28 Şekil 2.2. Polimerlerin örnek tutuculara yerleştirilmesi………30 Şekil 2.3. a. Kullanılan BB krem ve Fondötenler. b. SEM ölçümü için hazırlanan polimer katkılı örneklerin mikroskopik görünümü………30 Şekil 2.4. NSRRC’de kullanılan deri ve film örnekleri ve örnek tutucuya yerleştirilmeleri………...………31 Şekil 2.5. a. Hazırlanan PMSQ katkılı LF film öneklerinin mikroskopik görüntüsü.
b. ve c. İki farklı bakteri ortamında biyofilm oluşturma……….…32 Şekil 2.6. Optik geçirgenlik deneyi için hazırlanan PMSQ katkılı film örneklerinin mikroskopik görüntüsü………..…32 Şekil 2.7. Kullanılan spreyler, Sprey 3, Sprey 4, Sprey 5, Sprey 6………...33 Şekil 2.8. Saç örneklerinin SWAXS analizi için örnek tutucuya sabitlenmesi..…33 Şekil 2.9. SAXS, FT-IR ve SEM analizi için hazırlanan Y, D ve P saç örneklerinin mikroskopik görüntüsü………..34 Şekil 2.10. Hecus System3 SWAXS deney sistemi………35 Şekil 2.11. TPF ((Transparent Primary Beam Stop and Filter )sistemini ayarlamak için kullanılan programın arayüzü………...37 Şekil 2.12. SAXS ve WAXS çizgi dedektörleri………..37 Şekil 2.13. ASA3 Programı ile eşzamanlı SAXS ve WAXS dağılımları…………38 Şekil 2.14. Sinkrotron hızlandırıcının çalışma prensibi……….……..38 Şekil 2.15. SWAXS demet hattına (BL 23A) ait görseller………..39 Şekil 2.16. EasySWAXS programının arayüzü………40 Şekil 2.17. IgorPro 6.37 programının arayüzleri ile Polifenilsilseskuiokzan için I-q grafiği ve PDDF dağılımının elde edilmesi………..….41
xv
Şekil 2.18. DAMMİN programının arayüzü, Feniltrimetikon için 3 boyutlu yapının elde edilmesi………42 Şekil 2.19. PDDF Calculator yazılımının arayüzü……….………..43 Şekil 2.20. SAXS görüntülerinin elde edilmesini sağlayan programın arayüzü...43 Şekil 3.1. QW örneği için SEM görüntüleri………46 Şekil 3.2. LF örneği için SEM görüntüleri ..……….……….46 Şekil 3.3. BB örneği için SEM görüntüleri………...……..46 Şekil 3.4. QW, LF ve BB film örneklerine ait bazı EDXS bulguları………47 Şekil 3.5. Saç örnekleri için SEM görüntüleri…..……….….……48 Şekil 3.6. Seçilen saç örneklerinin önemli görülen EDXS bulguları…………..…49 Şekil 3.7. a. Feniltrimetikon b. C 26-28 alkil dimetikon c. PMSQ d. PPSQ
e. Silikon Elastomer Reçine Jel örnekleri için I-q saçılma grafiği, PDDF dağılımı, 3B morfolojisi, Rg ve Dmax değeri………..…………51 Şekil 3.8. PMSQ örneğine ait a. SAXS profili porod bölgesinin eğimi. b. Kratky çizimi………..….52 Şekil 3.9. Tüm polimer örneklerinin Rg, Dmax değerleri ve 3B morfolojileri…...52 Şekil 3.10. a.QW-1 b. QW-2 c. QW-3 d. QW-4 örneği için I-q saçılma grafiği,
PDDF dağılımı, 3B morfolojisi, Rg ve Dmax değeri e. Toplu halde QW örneklerine ait I-q saçılma grafikleri……….…….54 Şekil 3.11. a. LF-1 b. LF-2 c. LF-3 d. LF-4 örnekleri için I-q saçılma grafiği, PDDF dağılımı, 3B morfolojisi, Rg ve Dmax değeri e. Toplu halde LF örneklerine ait I-q saçılma grafikleri………56 Şekil 3.12. a. BB-1 b. BB-2 c. BB-3 d. BB-4 örnekleri için I-q saçılma grafiği, PDDF dağılımı, 3B morfolojisi, Rg ve Dmax değeri e. Toplu halde BB örnekleri için I-q saçılma grafikleri……….……..57 Şekil 3.13. QW, LF ve BB örneklerinin Rg, Dmax değerleri ve 3B morfolojileri..58 Şekil 3.14. a. Bir hafta b. İki hafta c. Üç hafta d. Dört hafta bekletilen BB-3 örneği için I-q saçılma grafiği, PDDF dağılımı, 3B morfolojisi, Rg ve Dmax
xvi
değeri. e. Yaşlandırma uygulaması yapılan BB-3 örnekleri için I-q saçılma grafikleri……….……….59 Şekil 3.15. a. Bir hafta b. İki hafta c. Üç hafta d. Dört hafta bekletilen LF-3 örneği için I-q saçılma grafiği, PDDF dağılımı, 3B morfolojisi, Rg ve Dmax
değeri. e. Yaşlandırma uygulaması yapılan LF örneği için I-q saçılma grafikleri………...…....60 Şekil 3.16. Yaşlandırma uygulaması yapılan LF veBB örneklerinin Rg, Dmax
değerleri ve 3B morfolojileri……….….61 Şekil 3.17. a. BB-1-D b. BB-2-D c. BB-3-D d. BB-4-D örnekleri için bir modele fit edilmiş I-q saçılma grafikleri. e. Toplu halde saçılma grafikleri……62 Şekil 3.18. a. LF-1-D b. LF-2-D c. LF-3-D d. LF-4-D örnekleri için bir modele fit edilmiş I-q saçılma grafikleri e. Toplu halde saçılama grafikleri…...63 Şekil 3.19. a. QW-1-D b. QW-2-D c. QW-3-D d. QW-4-D örnekleri için bir modele fit edilmiş I-q saçılma grafikleri e. Toplu halde saçılma grafikleri….64 Şekil 3.20. a. Y-K b. Y-3 c. Y-4 d. Y-5 e. Y-6 örnekleri için fit edilen I-q saçılma grafiği, PDDF dağılımı, 3B morfolojisi, Rg ve Dmax değeri………….65 Şekil 3.21. a. G-K b. G-3 c. G-4 d. G-5 e. G-6 örnekleri için I-q saçılma grafiği, PDDF dağılımı, 3B morfolojisi, Rg ve Dmax değeri………..66 Şekil 3.22. a. D-K b. D-3 c. D-4 d. D-5 e. D-6 örnekleri için I-q saçılma grafiği, PDDF dağılımı, 3B morfolojisi, Rg ve Dmax değeri………67 Şekil 3.23. a. P-K b. P-3 c. P-4 d. P-5 e. P-6 örnekleri için I-q saçılma grafiği, PDDF dağılımı, 3B morfolojisi, Rg ve Dmax değeri………..68 Şekil 3.24. Tüm saç örneklerinin Rg, Dmax değerleri ve 3B morfolojileri…………69 Şekil 3.25. QW, LF ve BB ince film örneklerinin 2B SAXS desenleri………70 Şekil 3.26. Yaşlandırma uygulaması yapılan QW, LF ve BB ince film örneklerinin 2B SAXS desenleri..……...………...…71 Şekil 3.27. Deri üzerine uygulanan QW, LF ve BB örneklerinin 2B SAXS
desenleri………..71
xvii
Şekil 3.28. 10 µm LF örnekleri için PDDF grafikleri……….………72 Şekil 3.29. QW örnekleri için WAXS görüntüsü ve grafiği………..72 Şekil 3.30. BB örnekleri için WAXS görüntüsü ve grafiği………73 Şekil 3.31. LF örnekleri için WAXS görüntüsü ve grafiği……….74 Şekil 3.32. Yaşlandırma çalışması yapılan LF-3 örnekleri için WAXS görüntüsü ve grafiği………74 Şekil 3.33. Yaşlandırma çalışması yapılan BB-3 örnekleri için WAXS görüntüsü ve grafiği………75 Şekil 3.34. Deri üzerine uygulan QW örnekleri için WAXS görüntüsü ve grafiği..75 Şekil 3.35. Deri üzerine uygulan LF örnekleri için WAXS görüntüsü ve grafiği…76 Şekil 3.36. Deri üzerine uygulan BB örnekleri için WAXS görüntüsü ve grafiği...76 Şekil 3.37. LF örneklerine ait FT-IR spektrumları….………77 Şekil 3.38. Tüm LF örneklerine ait FT-IR spektrumları………78 Şekil 3.39. Y-K, Y-3, Y-4, Y-5 ve Y-6 örneklerine ait FT-IR spektrumları…….….82 Şekil 3.40. Y ve D saç örneklerine ait FT-IR spektrumları……..………83 Şekil 3.41. D-K, D-3, D-4, D-5 ve D-6 örneklerine ait FT-IR spektrumları……...84 Şekil 3.42. a. Melaninin 3B morfolojisi b. Y-4 örneğinin 3B morfolojisi. c. D-6 örneğinin 3B morfolojisi………..84 Şekil 3.43. LF örnekleri için optik yansıma grafiği………85 Şekil 3.44. LF örnekleri için optik geçirgenlik grafiği………..86 Şekil 3.45. Farklı miktarlarda PMSQ katkılanmış malzemelerin E. coli ve S.
aureus'a karşı biyofilm engelleme etkisi……...………...87
xviii
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 2.1. İlk grup kozmetik ürünleri ile ilgili malzeme kodlamaları………29 Çizelge 2.2. İkinci grup kozmetik ürünler ile saç örnekleri için kullanılan kodlamalar…..……….29 Çizelge 2.3. Deneyde kullanılan spreylerin içerikleri……….….34 Çizelge 2.4. NSRRC’deki BL23A SWAXS Demet Hattı’nın Özellikleri………..…39 Çizelge 3.1. Tüm örneklere ait öncül Rg değerleri………50 Çizelge 3.2. LF örneklerine ait FT-IR spektrumları sonucunda elde edilen dalga sayısı, % geçirgenlik ve bağ yapıları………..78 Çizelge 3.3. Y ve D saç örneklerinin FT-IR spektrumları sonucunda elde edilen dalga sayısı ve bağ yapıları……….………80
xix
SİMGELER VE KISALTMALAR
Simgeler
nm Nanometre Å Angstrom µm Mikrometre
r Yer değiştirme vektörü I Işın (saçılma) şiddeti IR Infrared ışın
N Tanecik sayısı P(q) Form faktörü
P(r) Uzaklık dağılım fonksiyonu q
⃗ Saçılma vektörü
q Saçılma vektörünün büyüklüğü Q Yapı değişmezi
Rg Jirasyon yarıçapı S Yüzey alanı S(q) Yapı faktörü V Hacim
γ(r) r komşuluğunda bulunan elektronlar λ Dalgaboyu
ρ Elektron yoğunluğu
xx Kısaltmalar
ASA3 Amplitude Spectrum Analyzer 3
EDXS Enerji Dispersiv (Yayılımlı) X-Işını Spektroskopisi FT-IR Fourier Transfom – Infrared Işın
NSRRC National Synchrotron Radiation Research Center (Ulusal Radyasyon Araştırma Merkezi, Tayvan) PDDF Pair Distance Distribution Function
(Uzaklık Dağılım Fonksiyonu) PMSQ Polimetilsilseskuiokzan
PPSQ Polifenilsilseskuiokzan
SAXS Small Angle X-Ray Scattering (Küçük Açı X-Işını Saçılması)
SEM Scanning Electron Microscopy (Taramalı Elektron Mikroskobu)
SWAXS Small and Wide Angle X-Ray Scattering (Küçük ve Geniş Açılı X-ışını Saçılması)
TPF Transparent Primary Beam Stop and Filter (Işın Durdurucu ve Filtre Sistemi)
WAXS Wide Angle X-Ray Scattering (Geniş Açı X-Işını Saçılması)
1
1. GİRİŞ
Dünyada gerçekleşen ekonomik krizlerden bile neredeyse etkilenmeyen kozmetik sektörü, her zaman kendini yenileyen ve devamlı aktif tüketicisiyle ülke ekonomilerinde önemli bir paya sahiptir. Polimerler bu sektörün en önemli ham maddeleri arasında olup, tedarikçi firmalar için önemli bir rekabet ortamı oluşturan malzemelerdir.
Kozmetik endüstrisinde yaygın olarak kullanılan ve çok talep gören likit fondötenler ve BB kremler, cildin genç, pürüzsüz, sıkı, daha taze ve nemli bir dokuya ulaşması için kullanılmaktadır. Eser miktarda değişen polimer miktarı formülasyonun moleküler bileşenlerini çok değiştirmese de nano ölçekteki oluşumlar ile ürünün biyofiziksel ve biyokimyasal özelliklerini etkiler. Bu etkileri kontrol altına alabilmek ve geliştirmek için nanoteknoloji ile kozmetik ürünleri buluşturan şemsiye altında gerçekleştirilen Ar-Ge çalışmaları ivme kazanmaktadır.
Aynı şekilde dikkat çekici kozmetik malzemeler olarak, saç bakım ürünleri de kişisel bakım endüstrisi için nanoteknoloji alanında çok sayıda güncel Ar-Ge çalışmalarına zemin oluşturmaktadır. Bu kozmetik malzemelerin uygulanması sırasında bazı nano parçacık ve nano kümeler oluşumuna olanak tanıyan polimer içerikleri ürünlerin tasarlanan özelliklerini geliştirmede oldukça etkilidir.
Kullanıcıların estetik açıdan kozmetik ürünlerin etkisinin daha uzun süre devam etmesi beklentisinin artmasıyla, saç spreylerinde kullanılan biyo-uyumlu aktif polimerler ve keratin gibi bileşenler de artırılmaktadır.
Nano malzemeler farklı ve çok çeşitli etkileri nedeniyle kozmetik ürünlerde yaygın olarak kullanılırlar. Ürünün kararlılığı (stabilitesi), cildin soğurma potansiyeli, maruz kalma yolu ve kozmetik ürünlerin formulasyonu vb. özellikleri tasarlama, geliştirme ve açıklama amacı ile yeni nano malzemelerin oluşumu ve kullanımı söz konusu olmaktadır.
2
Kozmetikte tanımlanan “nano malzeme” kavramı temelde şu şekilde özetlenebilir.
Titanyum dioksit, nano-altın, nano-gümüş ve polimerler gibi çözünmeyen, stabil nano parçacıklar, vücuda girebilecek ve doğrudan sağlık/güvenlik sorunlarına neden olabilecek nano partiküller olarak açıkça tanımlanır.
Özellikle, cilt için kullanılan nano parçacıkların boyutu ve kararlılığı oldukça önemlidir. Polimerler nispeten küçük boyut ve stabilite avantajına sahiptir ve yapılarına bağlı olarak çözünür veya çözünmeyen nano partiküller olabilir.
Çözünür polimer nano parçacıkları sabittir ve cildin yüzeyinde veya yakınında dağılmaz. Günümüzde bilindiği üzere, nano-malzemeler, aynı kimyasalın mikro partiküllerine kıyasla, benzersiz/üstün biyokimyasal özellikler sergileyebilir.
Çünkü, nano malzemede kütle küçülürken yüzey alanı artmakta ve atomlardaki elektronlar alışılagelmiş özelliklerin ötesinde, kuantum mekaniksel özellikleri göstermeye başlamaktadır. Böylece, ulaşılan benzersiz kimyasal özellikler, yine benzersiz biyoaktiviteler ile sonuçlanabilir [1]. Kısaca maddesel parçacık artık makro özelliklerinden sıyrılıp kuantum özellikleri ile yani çok farklı olasılıklar ölçüsünde davranışlar sergilemektedir.
Bu tez çalışmasında, kozmetik endüstrisinde kullanılan önemli moleküler bileşenler olan polimer malzemelerin oluşturdukları nanoskopik yapıların karakterizasyonları ve bu yapıların özellikler üzerine etkilerinin doğrudan kurulabilmesi incelenmiştir. Kozmetik firmaları, ürünlerindeki bileşenleri açıklamakla birlikte bu formulasyonlar gizli tutulmaktadır. Bu ürünlerdeki polimer malzemelerin kritik oranları nanoskopik analizler yapılmadan sadece moleküler analizler ve özellikleri Ar-Ge çalışmaları ile belirlenmektedir.
Bu tez çalışması ile kozmetik ürünlerde kullanılan polimer miktarlarında çok az değişiklikler yapılmasının bile, yapı-özellik ilişkisinde önemli değişimlere yol açabileceği ispatlanmaya çalışılmıştır.
3
1.1. Çalışılan Malzemeler ile İlgili Genel Bilgi
Öncelikle, kozmetikte yaygın olarak kullanılan polimerler arasından seçilen beş farklı polimer, tez kapsamında kullanılan kozmetik ürünler, saç ve deri yapılar hakkında genel bilgi verilmiştir.
1.1.1. Polimerler
Kozmetik ürünlerde, sıkça kullanılan yaygın polimerlerden, polimetilsilseskuiokzan (PMSQ), polifenilsilseskuiokzan (PPSQ), feniltrimetikon, C26-28 alkil dimetikon ve silikon elastomer reçine jel bu tez kapsamında incelenmiştir.
Şekil 1.1 de görülen PMSQ polimeri, film oluşturucu, su direnci, toz uygulamalarda işleme kolaylığı gibi özelliklerinden dolayı renkli kozmetik ürünlerinde, saç (şampuanlar, saç kremleri ve stil), cilt (yüz bakımı, yüz temizliği, vücut bakımı ve bebek bakımı) ve güneş bakımı (güneşten korunma, güneş sonrası ve kendiliğinden bronzlaşma) ürünlerinde sıkça kullanılmaktadır [2].
Şekil 1.1. Polimetilsilseskuiokzan’ın kimyasal yapısı [3].
Silseskuiokzanlar (Si-O) birçok farklı yapısı olduğu için genelde bağlayıcı ve dolgu maddesi olarak kullanılırlar. Bu polimerlere organik bileşenler eklendiğinde mekanik, termal, elektrik ve optik özelliklerini geliştirir. İlk olarak 1960’da Brown tarafından basamaklı polisilseskuiokzan gözlenmiş ancak Li ve arkadaşları tarafından mikro küreler olarak PMSQ sentezlenmiştir. Buradan yola çıkarak nano-parçacık olarak basamaklı PMSQ sentezlenmiştir. Spektroskopik yöntemlerle tanımlanmış ve malzemenin çok iyi termal kararlılığı, sekizgen nano- boyutu, spesifik yüzeyleri ve hidrofobik özelliklerinin olduğu görülmüştür. Bu da PMSQ’ı çok iyi bir takviye edici polimer yapmaktadır [3].
4
Yapılan bir çalışmada, PMSQ miktarı değiştikçe, oluşan nano yapıların yüzey gerilimleri, viskozitesi ve yoğunlukları da değişmektedir. Yani PMSQ miktarı artınca jel fazında oluşan nano kürelerin boyutu da artmaktadır. I. Küçük ve M.
Edirisinghe tarafından, 2014 yılında yapılan bir çalışmada PMSQ mikro akışkan nano küreleri hazırlanmış ve ağırlıkça artan (% 5-50) polimer konsantrasyonlarının küre çaplarında 80 nm den başlayacak şekilde 920 nm ye kadar arttığı farklı analiz yöntemleri ile belirlenmiştir [4].
Şekil 1.2. Polifenilsilseskuiokzan’ın kimyasal yapısı [5].
PPSQ polimeri (Şekil 1.2), kozmetik ürüne parlaklık veya ultra parlaklık sağlama, silikon ve film oluşturucu olarak kullanılmaktadır. Genellikle makyaj ürünlerinde, güneş bakım ürünlerinde ve cilt bakımı ürünlerinde kullanılmaktadır [6].
Şekil 1.3. Feniltrimetikon’un kimyasal yapısı [7].
Şekil 1.3 de görülen feniltrimetikon polimeri (polifenilmetilsilokzan) , kozmetik ürünlerde daha çok silikon, parlaklık, ultra parlaklık, su geçirmez özelliği sağlamak (hidrofobik) ve yapışkanlığı azaltmak amacıyla kullanılmaktadır. Daha çok cilt bakımı, güneş bakımı, saç bakımı ve makyaj ürünlerinde kullanılmaktadır [8].
5
Şekil 1.4. C 26-28 alkil dimetikon’un kimyasal yapısı [9].
Şekil 1.4 de görülmekte olan C26-28 alkil dimetikon ise kozmetik ürünlere kalıcılığı arttırmak, nemlendirici, yapışkanlığı azaltıcı, kolay yayılma ve yumuşaklık özelliklerini sağlamak amacıyla kullanılır. Genelde makyaj ürünlerinden rujlarda, maskaralarda, cilt ve güneş bakım ürünlerinde kullanılmaktadır [10].
Şekil 1.5. Silikon reçinenin kimyasal yapısı [11].
Şekil 1.5 de görülen silikon elastomer reçine jel, film şeklinde kullanılmak, yoğunlaştırıcı ve stabilizatör olarak, uzun süreli koruma istendiğinde, parlaklık, yumuşaklık, kolay yayma, yapışkanlık azaltıcı ve su geçirmez özellik istendiğinde kullanılmaktadır.
Daha çok kremlerde, losyon ve jellerde, toz şeklindeki makyaj ürünlerinde, deodorantlar ve ter önleyici ürünlerde, ağız bakım ürünlerinde kullanımı yaygındır [12]. Silikon reçineler, polisilokzan sınıfı olarak tanımlanan malzemelerdir.
Elastomerlerden daha yüksek çapraz bağ yoğunluğuna sahiptirler. Silikon reçineler birkaç farklı yapıda bulunabilirler. Hangi yapıda olursa olsun çok iyi reaksiyon verirler [13].
6 1.1.2. Kozmetik Ürünler
Kozmetik ürünlerinin olmazsa olmazı, kusursuz bir cilt görünümü için mükemmel bir ürün olan fondötenlerdir. Fondöten doğal görünümü bozmamalı ve cilt tipine göre kuru veya yağlı ciltler için uygun forma getirilmelidir. Beklentiler, cildi asla kurutmaması, doğal görüntüyü düzelttiğinin fark edilmemesi ve uygulama aşamasında farklı renk tonuna izin vermeden homojen ve dökülmeyen bir form oluşturması yönündedir. Fondötende bulunan özel katkı maddeleri nem kaybını telafi ederken, renkli pigmentlerin eşit dağılmasını sağlar ve fondötenlerin dayanıklılığını ve kararlılığını arttırır [14].
BB krem ise, kusur kapatan krem (Blemish Balm) olarak bilinen renkli - nemlendirici bir kremdir. İnce yapılı ve hafif bir malzemedir. Fondöten gibi ağır bir yapısı olmadığı için kullanım kolaylığı vardır. Sürüldüğünde cildin renk tonunu eşitler, lekeleri kapatır ve cilde nem vererek daha canlı durmasını sağlar. Daha hafif bir makyaj istendiğinde, yani günlük yaşantıda daha yaygın olarak kullanılmaktadır.
Saç spreyi ise genellikle saçın daha parlak, daha sağlıklı ve daha bakımlı olmasını sağlar. Çünkü saç spreyi uygulandığında saçın modeli, spreyin özelliklerine bağlı olarak sabitlenir ve saç daha düzgün, şekillendirilen formda daha uzun süre kalacak bir hal alır. Bu nedenle kullanımı oldukça yaygındır.
Saç sabitleyici özelliğe ulaşmak için, genellikle saçı belli bir stilde sabit tutmak amacı ile saç üzerinde ince, kaplayıcı film oluşturabilen polimerler kullanılır.
İstenen özellikler arasında, saç tutuşunun iyileşmesi, uygulama kolaylığı, yapışkanlık hissi vermemesi, şampuanla kolayca çıkarılabilmesi, topaklanma yapmaması, daha parlak bir saç görünümü oluşturması, saçın sert durmaması vb. özellikler yer alır [15].
1.1.3. Kozmetik Ürünlerin Uygulandığı Saç ve Deri Yapılar
Saç, sağlığın önemli bir göstergesidir ve bir bireyin kozmetik görünümünde önemli bir etkiye sahiptir. Kozmetik endüstrisi ile ilgili araştırmalar, nano
7
malzemelerin saç bakımı için tasarlanıp kullanıldıklarında, saç görünümünü iyileştirmek için aktif bileşenlerin faydalarını kontrollü biçimde artırabildiklerini ve geliştirdiklerini ortaya koymuştur.
Nanoteknolojinin kozmetik alanındaki yaygın etkisi, nano ölçekte parçacıkların sergilediği eşsiz özelliklerden kaynaklanmaktadır (Şekil 1.6.). Kozmetik kullanım amaçlı ürün geliştirmek için yapılan güncel araştırmalar, nano malzemelerin saç bakımı için tasarlandıklarında, polimerler gibi aktif kimyasal bileşenlerin faydalarının da artırılabildiğini ortaya koymuştur [16].
Şekil 1.6. İnsan saçının farklı ölçeklerdeki yapısı [17].
Saçın morfolojik özellikleri cilt hastalığının erken teşhisi, meme kanseri, kozmetik değerlendirme ve adli muayene için önemli biyofiziksel ipuçları sağlamıştır. Saç lifi, dermatoloji ve kozmetik alanında yoğun bilimsel araştırmalara konu olmuştur.
Şekil 1.7 de mikroskopik derinlikte, 4 µm ölçeğinden başlanarak, kortekste keratin matrisi ve melanin granülleri gerçek uzayda, görselleştirilmiştir [18]. Keratin, saçta ve tırnakta bulunan bir proteindir. Enzimatik bozunmaya karşı kararlılığı nedeniyle ilgi çekmektedir [19].
Şekil 1.7. Keratin matrisi ve melanin granülleri [18].
8
Melanin ise insan vücudunun farklı yerlerinde bulunan bir pigmenttir. Orijinal melanin partiküllerinin yuvarlak veya eliptik olduğu bilinmektedir. Doğal melanin, özellikle koyu renkli hayvansal liflerde, çok çeşitli kaynaklarda bol miktarda bulunur. Doğal melanin bazlı malzemelerin ve kompozitlerin UV-koruma ile ilgili alanlarda uygulanabilirliği de bilimsel açıdan belirlenmiştir [20].
Günlük hayatta, evlerimizde deri ürünler de yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bunlardan biri de birçok eşyada kullanılan sığır derisidir. Uzun süre dayanıklı olması için bu doğal malzemeler, çeşitli fizikokimyasal işlemlerden geçirilir.
Özellikle, in-vitro çalışmalarda sığır derisi kullanımı tercih edilebilmektedir [21].
Bu tez kapsamında fondöten ve BB krem uygulamaları yüzey modifikasyonu görmemiş kuru, ham ve boyasız sığır derisi üzerine yapılmıştır.
1.2. Kullanılan Deneysel Yöntemler
Tez kapsamında örneklere ait yapısal incelemeler mikron ölçeğinden başlanarak, nano ve moleküler düzeye kadar incelenmiş ve biyofiziksel özelliklerindeki değişimler araştırılmıştır. Bu metotlar alt başlıklar halinde verilmiştir.
1.2.1. Taramalı Elektron Mikroskop (SEM) ve Enerji Yayılımlı X-Işını (EDXS) Analiz Yöntemleri
Taramalı Elektron Mikroskobu, tungsten (W), lantan hekza borit katot ya da alan emisyonlu (FEG) ateşleyiciden çıkan elektronların, örnek malzeme yüzeyine gönderilmesi sonucu oluşan etkileşmelerden yararlanılarak bilgi alınmasıdır.
(Şekil 1.9.). SEM sisteminin elektron enerjisi 100 – 300 keV arasında olabilmektedir. Bu amaçla, elektron demeti sırasıyla EM (elektromanyetik) ve objektif mercekle toplanıp odaklanarak EM saptırıcı bobinler ile örneğin yüzeyini tarar.
Görüntü oluşumu, örnek yüzeyi ile elektron demetinin fiziksel olarak etkileşmesiyle sinyaller toplanır ve incelenir (Şekil 1.8.). Öncelikle, gelen elektronlar, malzemedeki atomlarla elastik olmayan çarpışma yaparak ikincil elektronlar meydana getirir (secondary electrons). Bu elektronların enerjileri maksimum 50 eV’tur. ~10 nm yüzey derinliğinden elde edilirler.
9
Şekil 1.8. SEM cihazının şematik gösterimi [22].
Ortaya çıkan ikincil elektronlar foto-çoğaltıcı tüp tarafından toplanır ve yüzeye ait görüntüye ulaşılır. Elektron demeti – örnek arasında meydana gelen etkileşmeler sonucunda ikincil elektronların yanı sıra geri saçılma elektronları da oluşur.
Bu elektronlar, yaklaşık olarak 300 nm örnek yüzeyinin derinliğinden gelir ve foto- çoğaltıcı tüp bu elektronları tespit edemez. Bu nedenle bu elektronlar katıhal dedektörleri ile tespit edilmektedirler. Dedektörler, üzerine gelen elektronların indüklemiş olduğu elektrik akımının şiddetine bağlı olarak çıkış sinyali vermektedirler. Aslında, incelenen örnekte atom numarası büyük olan bir atomdan saçılan elektronun enerjisi, küçük atom numarasına sahip atomdan saçılana göre daha yüksek olmaktadır. Yani, ikincil elektronlar bize yüzeyi araştırılan örneğin kompzisyonunu vermektedir [23].
Bunlara ek olarak, gelen elektron demeti - incelenen örnek yüzeyi arasında meydana gelen etkileşmelerden biri ise ~1000 nm yüzey derinliğinde gerçekleşen, enerjisi keV mertebelerinde olan karakteristik X-ışınının çıkmasıdır.
Bu X-ışını, sırasıyla Si (Li) dedektörle algılanır, yükselticiye gönderilir, sonra çok kanallı analizöre ve son olarak da bilgisayara iletilir. Sonuç olarak karakteristik X- ışını, SEM yöntemi ile incelenen örnek malzemenin elementel yapısını, nitel ve nicel olarak verir [23].
10
EDXS analizi de yapıldığında örnek üzerindeki seçilen noktaların içerdiği elementlere ait yüzde oranları ve örneğin hangi elementlerden oluştuğu kabaca belirlenebilmektedir.
Şekil 1.9. SEM cihazının görüntüsü [24].
1.2.2. Küçük Açı X-Işını Saçılması (SAXS) Yöntemi
Bir Alman fizikçisi olan Wilhelm Conrad Röntgen katot ışınları tüplerinin davranışlarını incelerken X-ışınlarını bulmuştur. X-ışınları görünür ışık gibi elektromanyetik radyasyon özelliğinde olup daha kısa dalga boyundadırlar (30- 10-5 nm) ve önemli pek çok özellikleri vardır. Yüksek enerjileri nedeniyle madde içerisine giricilikleri oldukça fazla olduğundan üzerine düşürülen malzemelerde yapısal değişikliklere neden olabilirler. Özellikle, yumuşak biyolojik dokularda yıkıcı etkiler oluşturabilmektedirler.
X-ışınları yüksek hızdaki elektronların bir metal hedefte soğurulmaları sonucu meydana geldiklerinden, X-ışını tüplerinde kontrollü olarak elde edilirler. Bir X- ışını tüpünde elektronlar yüksek enerjilere (~30 - 60 keV) ulaştırıldıktan sonra bir metal (Cu, Mo, Co vb. malzemelerden yapılmış) hedefe çarptırılırlar ve elektronlar ile hedef atomlarının etkileşmeleri sonucu X-ışınları oluşur. Bu aşamada iki tip X-ışını oluşumu söz konusudur. Bunlardan ilki metal atomlar tarafından yavaşlatılan hızlı elektronların ivmelenmeleri sonucu oluşan sürekli (beyaz) X-ışınları diğeri ise metal atomları ile çarpışma sonrası ortaya çıkan karakteristik X-ışınlarıdır. Oluşan bu fotonların enerjileri, Duane-Hunt yasası ile belirlenen bir eşik değerden başlayarak maksimum elektron enerjisine eşit bir değere kadar geniş bir aralığa yayılır. Karakteristik X-ışını oluşumuna neden olan çarpışmalarda hızlı elektronların, hedef metal atomlarının K ve L yörüngelerinden
11
söktüğü elektronların yeri üst yörüngelerde bulunan elektronlar tarafından doldurulduğunda, aradaki enerji farkı metal hedefin karakteristik X-ışınları olarak tanımlanan elektromanyetik ışınımın yayınlanmasına neden olur. X-ışınları oluşma mekanizmaları elektronların hedefteki maddenin atomları ile etkileşme şekline bağlı olarak, iki şekilde olacağı ifade edilmiştir. Yukarıdaki açıklamalar biraz daha toparlanacak olursa bu iki tip X-ışını ile ilgili aşağıdaki bilgiler verilebilir.
Sürekli X-ışını (Bremsstrahlung) olayı ile etkileşme, hedef içinde ilerlemekte olan elektronlar, hedef maddeye ait çekirdeğe yaklaştığı esnada gerçekleşmektedir.
Negatif yüklü olan elektronlar, çekirdeğin pozitif kısmından etkilenip yollarından saptığında, elektronların kinetik enerjisinde düşüş meydana gelir. Bu enerji kaybı X-ışını fotonu oluşumuna yol açabilir. Bu da, fotonun enerjisi elektron-çekirdek arasındaki mesafeye, elektronun sahip olduğu enerjiye ve etkileşmekte olan çekirdeğin büyüklüğüne göre değişmektedir. Bu X-ışını fotonlarının enerji dağılımları oldukça geniştir. Hedefe farklı enerjilere sahip olan elektronların gelmesi ve bu elektronların sahip olduğu kendi enerjilerini aşamalı bir şekilde kaybetmeleri bu enerji dağılımına neden olmaktadır.
X-ışınlarının oluşmasındaki ikinci olay olan karakteristik X-ışını’nda, gelen elektronlar hedefteki atomun iç yörüngelerinde bulunan elektronlarla etkileşime girer ve iyonizasyon olayı gerçekleşir. Bu etkileşme en çok en içte bulunan ve çekirdeğe en yakın olan K yörünge elektronları ile gerçekleşmektedir. K yörüngesinden bir elektron koparılır ve kopan elektronun yerinde geride bir boşluk oluşur.
Daha sonra, bu boşluğu, bir üst yörüngeden, L yörüngesinden bir elektron gelir ve K yörüngesindeki bu boşluğu doldurur. Bu sırada da bir X-ışını fotonu oluşmaktadır. Elektronun K yörüngesine geçmesi ile bu enerji tabakası, K-L yörüngeleri arasında oluşan enerji farkı kadar uyarılmaktadır. Uyarılan tabakanın enerjisi, salınan X-ışınına ya da Auger Elektronu fırlatılmasına neden olabilir.
Elektronun L yörüngesinden K yörüngesine geçmesi durumunda, salınan fotonun enerjisi, iki yörünge arasında oluşan enerji farkına eşdeğer olur. Yani, E=EL-EK
12
olacaktır. Bu şekilde oluşan fotonun enerjisi hedef maddesinin karakteristik özelliğini taşımaktadır. Bu durum, her elementin kendisine özgün atomik enerji seviyeleri olması ile açıklanır [25].
Nanoskopik ölçekli yapı analizlerinde kullanılan küçük açılı X-ışını saçılma (SAXS) yönteminde, incelenecek olan örnek üzerine düşürülen ve küçük açıda saçılmaya uğrayan X-ışının şiddeti, saçılma açısının bir fonksiyonu olan, saçılma vektörünün büyüklüğüne göre elde edilir. Elde edilen bu verilerden de yapı ile ilgili bilgilere ulaşılmaktadır. Saçılma olayı, örneği oluşturan yapıdaki elektronlar ile gerçekleştirilmektedir. Bu yüzden, bu yöntem, elektron yoğunluğu farkının algılanabilmesi temeline dayanmaktadır.
SAXS yöntemi birkaç angströmdan (Å), yaklaşık 100 nanometreye (nm) kadar uzanan büyüklükte, homojen olmayan (yani farklı elektron yoğunluklarına sahip nano oluşumların içerdiği) elektron yoğunluklarına duyarlıdır. Elektron yoğunluk farkları, çoklu fazlar içeren malzemelerde, pozitif olabildiği gibi negatif değerlere de sahip olabilmektedir. Yani yoğun nano parçacıklar içeren yapıların yanında daha az yoğunluğa sahip, gözenekli yapılar da bu yöntem ile incelenebilmektedir.
Bu nedenle, her iki tür elektron yoğunluk farkı ve dağılımı gösterebilen polimer malzemeler için SAXS analizleri çok daha yaygın biçimde yapılmaya başlanmıştır. Bu yöntemle, katı, toz, sıvı, jel ve de yoğun gaz gibi farklı formlardaki örneklerin yanı sıra, biyolojik dokular üzerinde de ayrıntılı ve yapı kontrollerine dayanan Ar-Ge çalışmaları yapılabilmektedir. Kısaca, SAXS yöntemi, 0,07 - 0,3 nm aralığında dalga boyuna sahip olan, yönlendirilmiş X- ışınları ile büyüklüğü 0,1 - 100 nm arasındaki nano ölçekte oluşumlar içeren maddelerin yapılarını 3B olarak inceler. Ayrıca bu yöntem, polimerik oluşumların iç yapı, şekil, büyüklük ve de dağılımlarını belirlemeye yarayan iyi bir yöntemdir [26-29].
X-ışınları bir malzeme üzerine düşürüldüğünde, malzemenin içindeki elektron yoğunluğu olan bölgeler gelen radyasyonu her yöne saçarlar. Bu saçılan ışın küçük açılarda neredeyse gelen ışın ile hemen hemen aynı özellikte, aynı dalga
13
boylu sabit bir ışıma olarak dedekte edilir. Malzeme içerisinde bulunan nano parçacıklar/oluşumlar içeren bölgeler de saçılma profiline ek katkıda bulunurlar.
Bu da yapının farklı oluşumlardan yani farklı elektron yoğunluklarından oluştuğunu ve X-ışını dalga boyu mertebesinde yapısal büyüklüklerden meydana geldiğini gösterir. Saçılan radyasyonun şiddeti, açıya bağlı (saçılma vektörü büyüklüğüne göre) ölçülerek, yaklaşımlar içeren matematiksel analizler ile ve ayrıntılı Fourier analizleri ile ortalama parçacık /gözenek boyutu, şekli, dağılımı, ara yüzey alanları vb. nano ölçekli yapısal parametreleri belirlemek mümkün olabilmektedir. Ayrıca mikroskopik yöntemler ile belirlenemeyen, ışınlanan örneğin tüm üç boyutlu yapısı hakkında genelleme yapabilecek, nano oluşum yapı modelleri de ab-initio arıtımlar ile görsel hale getirilebilmektedir.
Şekil 1.10. SAXS düzeneği ve q⃗ vektörünün gösterimi.
SAXS yönteminin uygulama alanı oldukça geniştir. Biyolojik materyalleri, polimerleri, kolloidleri, kimyasal maddeleri, nano-kompozitleri, metalleri, mineralleri, gıda malzemelerini, ilaçları ve ilaç taşıyıcı sistemlerini analiz etmekte kullanılabilmektedir. Yapı kontrollü araştırmalarda ve kalite kontrollerinde de kullanımları söz konusudur.
Toparlanacak olursa, SAXS yöntemi ile, nano-tozlar nano-kompozitler, polimer, kopolimer, terpolimerler, kristal katkılı ince filmler, tabakalı filmler, amfifilik bileşikler, lipit yapılar, membranlar, biyolojik malzemeler (kemik, kas, dentin, saç, örümcek ipekleri v.b. nano-yapılı örnekler) ve jel formundaki örnekler incelenebilir.
14
Yöntem ile ilgili fiziksel ayrıntılara girmek için öncelikle saçılma geometrisine odaklanılabilir (Şekil 1.10.). X-ışını kaynağından gelen dalga, örnek üzerine düşürülür. Bu ışının bir kısmı örnekten, hiçbir etkileşmeye uğramadan doğrudan geçerken bir kısmı da belli bir olasılıkla örnekten saçılmaktadır. Gelen ve saçılan dalga, aynı enerjiye ve aynı dalga boyuna (λ ya) sahiptir. Gelen ve saçılan dalga vektörleri, sırasıyla k⃗ 0 ve k⃗ ile (k=2π/ λ) sembolize edilir. Gelen ve saçılan dalgalar arasındaki 2θ saçılma açısı X-ışını saçılma vektörü olan q⃗ ile (Eşitlik 1- 2 ve Şekil 1.11. ile) ilişkilendirilmektedir.
q
⃗ = k⃗ - k⃗⃗⃗ (1) 0
Şekil 1.11. Saçılma vektörünün bulunması.
q = |k ⃗⃗⃗ - k⃗⃗⃗⃗⃗ | (2) 0 Gelen ve saçılan dalganın k vektör büyüklükleri aynı olduğundan, saçılma vektörünün büyüklüğü olan q değeri de Eşitlik 3-4 ile, saçılma açısına ve kullanılan X-ışınının λ dalga boyuna bağlı olarak tanımlanabilir.
q = 2k sinθ (3) q = 4πλ sinθ (4) Eşitlik 4 den de görüldüğü üzere, q niceliği, büyüklük (uzunluk) ile ters orantılıdır [26]. Uzunluk ile ters orantılı olduğundan birimi Å-1 ya da nm-1’dir. θ açısı ne kadar küçükse, q değeri de o kadar küçüktür.
SAXS yönteminde, yapıda bulunan nano oluşumlar ve atomik düzenlenimler belirli bir düzen içerisinde de olabileceklerinden, kristalografide ve katıhal fiziğinde tanımlanan, Bragg Kırınım Yasası bu yöntem ile yapılan analizlerde de
15
da geçerlidir. Yapının düzlemleri arasındaki nanometre mertebelerindeki büyük d mesafeli aralıklara sahip düzlemlerden meydana gelen saçılmadır. Eşitlik 5 de bulunan 2θ yansıma açısı, λ kullanılan X-ışının dalga boyu ve n Bragg yansıma mertebesi olacak şekilde Bragg Kırınım koşulu,
2dsinθ=nλ (5) olarak ifade edildiğinde, q’nun büyüklüğü d cinsinden Eşitlik 6 daki gibi verilir.
q = 2π
d (6) Yani, d değeri nano ölçeğe ulaştığında küçük q değerleri yani çok küçük saçılma açısı değerleri söz konusu olmaktadır. SAXS analizlerinin son yıllarda etkin kullanımının en önemli nedeni, dedektör teknolojilerindeki hızlı gelişimdir.
Böylece, küçük saçılma açısı bölgesinde kalan ve saçılma şiddeti, örnek üzerine gönderilen yüksek şiddetli X-ışınlarına çok yakın olan ışınlara ait verilerin dedektörü yakmadan (detektöre zarar vermeden) ölçülebilme olanağı sağlamaktadır. Çünkü nanoskopik ölçeğe ait yapısal bilgiler küçük q bölgesinde bulunmakta ve bu bölge yüksek şiddetli X-ışını verilerini içermektedir. X-ışınlarına ait saçılma verileri bize ters uzaya ait bilgiler verir. Bu nedenle de Fourier analizi kullanılarak gerçek uzaya ait geçişin yapılmalıdır. Böylece nano ölçekli oluşumlara ait boyut, şekil (radyal elektron yoğunluğu) ve birbirleri arasındaki uzaklık mesafeleri (uzaklık dağılım fonksiyonunun) belirlenir (Şekil 1.12.).
Şekil 1.12. Fourier Transformu ile ters uzay- gerçek uzay ilişkisinin kurulumu.
16
Şekil 1.12 de, ρ(r ), r konumunda bulunan birim hacim başına düşen elektron sayısını, dV saçıcı hacim elemanını, ρ(r ).dV ise r konumundaki toplam saçıcı elektron yoğunluğunu ifade etmektedir. Ae, bir elektrondan saçılan dalganın genliğidir. Böylece, incelenen örneğin gerçek uzayda sahip olduğu önemli ve çeşitli yapısal bilgilerine bu matematiksel ilişkiler kullanılarak ulaşılabilir. SAXS yönteminde q verilerine karşılık I(q) değerlerine ait grafik çizilerek nano yapı hakkında bilgi alınabilmektedir. Tipik bir SAXS eğrisi Şekil 1.13 de verilmiştir.
Şekil 1.13. Tipik bir SAXS verisi (profili) ve tanımlanan bölgelere göre yapı hakkında ulaşılabilen bilgiler.
SAXS grafiği üç bölümden oluşmaktadır. İlk bölge, q’nun çok küçük olduğu, yani çok küçük açılarda, nano yapının kaba şekli ve jirasyon yarıçapı (Rg) hakkında bir bilgi vermektedir. Orta q bölgesinde ise yapıyı oluşturan monodispers yapıların ayrıntılı şekli ya da morfolojisi ile ilgili bilgilere ulaşılabilmektedir. Büyük q bölgesi olan Porod Bölgesi’nde ise farklı fazlar arasındaki ara yüzey bilgisine ulaşılmaktadır. Tüm bölge verileri kullanılarak ayrıntılı yapı modellemeleri ve yapısal parametrelerin arıtımı da söz konusu olabilmektedir. Sırası geldiğinde bu bilgilere de değinilecektir.
1.2.2.1. Küçük q Bölgesi, Guiner Yasası ve Jirasyon Yarıçapı
SAXS analizi için öncelikle, Fourier analizi ile deneysel olarak elde edilen saçılma eğrisine en uygun kuramsal eğri belirlenir. Yapı faktörü olarak bilinen S(q), eğriyi tanımlamada kullanılır. Saçılan oluşumların yapı içerisinde birbirlerine göre nasıl dağıldıklarının göstergesidir. Parçacıkların birbirlerine olan konumları yapı içinde değişiklik gösterdiği için yapı faktörünün ortalaması alınmaktadır. Yapı faktörü Eşitlik 7 de gösterilmektedir.
17
S(q) = 1 +4πnp∫ [γ(r)-1]0∞ sin qrqr r2dr (7) Eşitlik 7 de, np ifadesi, incelenen örnekte bulunan saçıcı tanecik sayısını ve γ(r) ise r komşuluğundaki elektronları ifade etmektedir. İncelenen örneğin seyreltik olması durumunda, parçacıkların birbiriyle olan etkileşimleri ihmal edilerek yapı faktörü değeri 1 olarak alınır. Çünkü parçacıkların birbirine göre konumları önemsiz olur. Yoğun ve etkileşimli bir sistemde ise saçılma şiddeti, form faktörü P(q) ve yapı faktörü S(q)’ya bağlı olarak, aynı şekillenimdeki oluşumlar için Eşitlik 8 de verilmiştir.
I(q)= N[P(q)]2S(q) (8) Saçılma vektörü büyüklüğü q’nun fonksiyonu olarak tek bir parçacıktan saçılma şiddeti I(q),
I(q⃗ ) ∝ V1|∫ ρ(r )e-iq⃗ rdV|2 (9) Burada ρ(r ), konuma bağlı elektron yoğunluğu, V ise ışınlanan toplam hacimdir.
Guinier Yasası [29], jirasyon yarıçapı ve moleküler ağırlık gibi basit moleküler parametrelerin belirlenmesi için kullanılmaktadır. Monodispers seyreltik çözeltiler için saçılma fonksiyonu I(q), küçük q aralığında (q.Rg<1) parçacık yönelimlerinin konumsal ortalamasının dikkate alındığı ve çözeltinin izotropik olduğu düşünülerek genişletildiğinde,
I(q) ∝ d ∑ (q)
dΩ = 1
V(∫ ρ(r ) dr)2[1-1
3q2Rg2+...] (10) şeklinde verilir. Burada q→ 0 limit durumu ile uygulanan Guinier yaklaşımı, I(q) = I(0) exp(-13q2Rg2) (11) olarak ifade edilen, daha basit ve uygulama kolaylığı olan matematiksel forma ulaşılabilmesini sağlar. Burada Rg jirasyon yarıçapı, I(0) ise q=0’daki saçılma şiddetidir. Eşitlik 12 ile jirasyon yarıçapı çok daha yalın biçimde ifade edilebilir.
Rg2= ∫ ρe(r)r2dV
∫ ρe(r)dV (12).
Burada pay eylemsizlik momentini, payda ise saçıcı nano oluşum kütlesini ifade eder. ρ𝑒(r) , detektör merkezinden r kadar uzaklıktaki saçıcı elektron yoğunluğudur. Jirasyon yarıçapı, farklı yönelimlere sahip nano oluşumlara ait
18
elektron yoğunluğunun aynı olmaması sebebiyle tanımlanan ve parçacıkların etkin büyüklüğünü gösteren yarıçaptır. Parçacıkların boyutunu belirlemek için basit ama bir o kadar da doğru bir yöntemdir. Saçılma verilerinin yapı faktörü bilgisini içermemesi daha kolay yapı analizi yapılmasını sağlar. Bu durum genellikle seyreltik sistemler için geçerlidir. Aynı zamanda kolay yapı analizi için veriler olabildiğince küçük açılarda, q<(1/Rg), ölçülmelidir [30].
İnce filmlerde katman içine bakıldığında, örnek hazırlanırken atomların yerleşimleri aşamasında pek çok farklı elektron yoğunluğu bölgesi oluşmaktadır.
Bu oluşumlar atomik yığılmalar, kristalin yığılmalar, kusurlar ve gözenekler şeklinde olmaktadır. Bu farklı elektron yoğunluğu bölgeleri 3B ise hacimsel (küresel), 2B ise düzlemsel (plaka), tek boyutlu ise çizgisel (çubuk) şeklinde tanımlanmıştır.
Nano oluşumların hacimsel, 14 plaka ve çubuk morfolojileri 3B, 2B ve 1B yapılar olarak da ifade edilebilir. Bir ince film yapıda kristal tabakadan bahsedilirken, 3B morfolojilerde nano oluşumlar gözlenirse, bu örneğin hazırlanma aşamasında, her bir adımda SAXS analizleri yapılarak bu kusur ve yığılmaların kontrol altında tutulması sağlanabilir. Bu oluşumların şekil ve büyüklükleri (Rg) kabaca küçük q yaklaşımı ile Guinier bölgesinden elde edilebilir [31].
Özet olarak jirasyon yarıçapı hesaplanırken Guiner Bölgesi (q→ 0) başlangıç yapı modelleri şöyle verilir [32],
I(q).q = I(0) exp [-q2R2g2] Çizgisel Oluşumlar (13) I(q).q2 = I(0) exp [-q2Rg2] Düzlemsel Oluşumlar (14)
I(q) = I(0) exp [-q2R3g2] Hacimsel Oluşumlar (15) Bu ifadelerden faydalanarak her iki tarafın ln’i alınır ve oluşum türüne göre q2’ye karşılık grafik çizilir. Elde edilen grafiğin q→0’a giderken, eğiminden oluşumun jirasyon yarıçapı ve grafiğin y eksenini kestiği noktadan (q=0) da I(0) değeri bulunur.
