carbon nanotubes: synthesis, functionalization
Post on 05-Oct-2021
15 Views
Preview:
TRANSCRIPT
International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018
294 | P a g e www.iiste.org
Carbon Nanotubes: Synthesis, Functionalization,
Characterization, Toxicity Researches
Bircan Dinc (Corresponding author)
Istanbul University, Istanbul Faculty of Medicine, Department of Biophysics
34093, Istanbul, Turkey
E-mail: bircan.dinc@altinbas.edu.tr
Ayhan Unlu
Trakya University, Faculty of Medicine, Department of Biophysics
22020, Edirne, Turkey
E-mail: ayhan@trakya.edu.tr
Muhammet Bektas
Istanbul University, Istanbul Faculty of Medicine, Department of Biophysics
34093, Istanbul, Turkey
E-mail: muhammet@istanbul.edu.tr
Abstract Carbon nanotubes (CNTs), with their superior physical and chemical properties, high durability and low weight,
have become the focus of industry and medical applications in recent years. With the functionalization of CNTs, the
biocompatibility can be increased, and different types of molecules can be attached to their large surface areas. The
needle-like structure of CNTs makes it easy to enter the cell by crossing biological barriers, to transport drugs and
molecules. Arc discharge, laser ablation and chemical vapor deposition are the synthesis methods of CNTs.
According to the number of wrapped graphene sheets, there are two different CNTs: single wall and multi wall
carbon nanotubes. Chemical and physical structure of pristine and functionalized CNTs are evaluated through many
techniques but mostly by using Raman Spectroscopy, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and by taking
TEM and SEM images. Before treatment investigations of tumors and drug transportation in mice, toxicity
researches have been carried out. Results of toxicity experiments vary according to the case studies, length, synthesis
method; hazardous and harmless samples have been reported. Studies have been carried out on the adsorbing of
proteins or molecules onto CNTs or wrapping them around, internalization mechanism of pristine or molecule
bounded CNTs to the cell. Determination CNTs exceptional physical, chemical, optical and electrical properties;
toxicity studies, loading and carrying biomolecules at their surface have been provided necessary knowledge to make
them an ideal material for particular intracellular biosensing applications and development of biosensors. This review
focuses on the properties, production and the most used characterization methods and toxicity studies of CNTs.
Key Words: Carbon Nanotubes, Synthesis, Functionalization, Characterization, Toxicity
Karbon Nanotüpler: Sentezlenmesi, İşlevselleştirilmesi,
Karakterize Edilmesi ve Toksisite Araştırmaları
Özet
Üstün fiziksel ve kimyasal özellikleri, yüksek dayanıklılığı ve düşük ağırlığı ile karbon nanotüpler
(KNT), son yıllarda endüstriyel ve tıbbi uygulamaların odak noktası haline gelmişlerdir. KNT'lerin
işlevselleştirilmesiyle, biyouyumlulukları arttırılabilir ve geniş yüzey alanlarına farklı moleküller
bağlanabilir. İğne benzeri yapıları biyolojik bariyerleri aşarak hücreye girmelerini, ilaç ve molekül
salımlarını kolaylaştırır. Yay boşalma, lazer ablasyonu ve kimyasal buhar biriktirme yöntemleri,
KNT'lerin sentez yöntemleridir. Sarılı grafen tabakaların sayısına göre, tek duvarlı ve çok duvarlı
KNT’ler olarak sınıflandırılırlar. Saf ve işlevselleştirilmiş KNT'lerin kimyasal ve fiziksel yapıları pek
International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018
295 | P a g e www.iiste.org
çok teknikle değerlendirilmekle birlikte, çoğunlukla Raman Spektroskopisi, Fourier Dönüşümü
Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ve TEM, SEM görüntüleri alınarak değerlendirilmektedir. Farelerde
ilaç salımı ve tümörlerin tedavisine yönelik araştırmalar yapılmadan önce KNT’lerin toksisiteleri
araştırılmıştır. Toksisite deneylerinin sonuçları, araştırılan vakaya, uzunluğa, sentez yöntemine göre
değişmektedir. Üretilen KNT’ler arasında toksisitesi yüksek ve oldukça düşük numunelere ait sonuçlar
yer almaktadır. Protein ve moleküllerin KNT’lere adsorbe olması ya da etrafına sarılması sağlanmış, saf
ya da molekül bağlanmış KNT’lerin hücreye girmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır. KNT’lerin sıradışı
fiziksel, kimyasal, optik ve elektriksel özelliklerinin belirlenmesi; toksisite çalışmaları, yüzeylerine
biyomoleküllerin yüklenmesi ve taşınması; hücre içi biyo algılama uygulamalarında ve biyosensörlerin
geliştirilmesinde KNT’lerin ideal malzemeler haline gelmesi için gerekli bilgi birikimini sağlamıştır. Bu
derlemede, KNT’lerin özelliklerinden, üretiminden; en çok kullanılan karakterizasyon yöntemlerinden
ve toksisite çalışmalarından bahsedilecektir.
Anahtar Kelimeler: Karbon Nanotüp, İşlevselleştirme, Karakterizasyon, Toksisite
1. Giriş
Yüzyıllardır enerji kaynağı olarak kullanılan karbon, ilerleyen teknoloji ile birlikte nanotüpler olarak
karşımıza çıkmış ve son 20 yılda bilimsel uygulamalarda daha baskın rol almaya başlamıştır. Karbon
atomlarının birleşmesiyle oluşan özel grafen yapının çelikten daha güçlü olduğu düşünülmektedir (1).
Karbon nanotüpler, florin molekülünün tüp yapısına bürünmesi ile oluşturulur. Florin, durağan bir
atmosferde, grafenin dirençli bir ısıtma işlemine tabii tutulması ile elde edilir. Florin ailesinden karbon
nanotüpler (KNT'ler) de, bir atom kalınlığında grafen düzlemin silindirik yapıya bürünmesi ile elde edilir
(2).
Son yirmi yılda, endüstriyel ve tıbbi uygulamalarda KNT'lerin kullanımı ve KNT üretimi hızla artmıştır.
CNT'lerin 2014 yılında dünya pazarındaki payı 158,6 milyon dolar iken, 2016 yılında 167,9 milyon
dolara yükselmiştir. Bu payın 2019'da 670,6 milyon dolara ulaşacağı tahmin edilmektedir (3).
KNT’ler tıbbi uygulamalarda, yeni görüntüleme yöntemlerinde, biyosensörlerde ve ilaç taşıma
araştırmalarında kendisine geniş bir yer edinmiştir. Çözünürlüğü ve biyouyumluluğu kovalent ve
kovalent olmayan işlevselliştirme yöntemleri ile değiştirilebilmektedir. Kanser tedavisine yönelik
araştırmalarda, KNT’ler işlevselleştirildikten sonra, hücreyi apoptoza götürecek ilaç ya da moleküller
bağlanarak biyolojik ortamda denenmişlerdir. 80 nm'lik yarıçapa sahip CNT'lere 5 milyon farklı ilaç
molekülü yüklenebilmektedir. Hedef bölgeye ulaştırılmak istenen ilaçlar, çevre dokulara minimum hasar
vererek, iğne benzeri yapıları ile reseptör engeline takılmadan hücreye aktarılabilmektedirler (4).
KNT’ler balpeteği benzeri yapının köşelerine konumlanmış karbon atomlarının silindirik bir yapıya
bürünmesi ile oluşurlar ve yapısal olarak tek duvarlı (TDNT) ve çok duvarlı (ÇDNT) olmak üzere ikiye
ayrılırlar (Şekil 1). TDNT’lerin çapları 0.4-2 nm arasında değişirken, ÇDNT’ler 2-100 nm aralığında
çaplara sahiptir (5).
Şekil 1: Tek Duvarlı (Sol) ve Çok Duvarlı (Sağ) KNT’ler
International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018
296 | P a g e www.iiste.org
Şekil 2: (A) Kiral vektörün açı ve birim vektörlerine göre KNT’lerin yapısı (B) Koltuk, C) Zikzak D)
Kiral KNT’ler
Dönme açısındaki ve yarıçapındaki farklılıklara göre, KNT’ler kiral, koltuk ve zikzak olarak üretilebilir.
(Şekil 2). Dönme açılarındaki değişiklikler kiral vektör , 𝐶, ile ifade edilir ve latis örgünün sarmal şeklini
ifade eder. T latis vektörü, a1 ve a2 kiral vektörün birim vektörleri, α dönme açısı ve kiral vektör 𝐶= na1
+ ma2 olmak üzere; m ve α sıfır ise koltuk yapıda, n ve m birbirine eşit ve =300 ise koltuk ve 0 < |α| <
300 ise kiral yapıdadır. “n ve m” tamsayıları KNT’lerin yapısal özelliklerini belirler. Bu tam sayılar,
aşağıdaki denkleme yerleştirildiğinde [1], TDNT’lerin yarıçapı hesaplanabilir.
𝑑𝑡 = 𝑎𝑐𝑐 √3√𝑚2+𝑚𝑛+𝑛2
𝜋 [1]
“acc” karbon-karbon bağının uzunluğudur ve 0,142 nm olarak bilinir. Ayrıca n-m farkının 3’e tam
bölünüp bölünmemesi, KNT’lerin iletken ve yarı iletken olma durumunu da belirtir (6).
1.1. KNT’lerin Sentezlenmesi
KNT’lerin sentezlenmesi için yay boşalma, laser ablasyon ve kimyasal sentez yöntemleri olmak üzere,
3 temel yöntem vardır. Bunlardan ilki yay-boşalma yöntemidir ve KNT’lerin yay boşalma yöntemi ile
üretimi ilk kez Japon bilim insanı Iijima tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemde yay boşalma
denilen durum, ortamdaki gazın, plazma oluşturmak için kullanılan elektrik akımı kullanılarak elektriksel
olarak boşalmasıdır (7).
International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018
297 | P a g e www.iiste.org
Şekil 3: Yay boşalma yöntemi sistemi
Şekil 3’de yay boşalma sisteminde, çelik bir gövde içine yerleştirilmiş, anot, katot ve dönme ünitesi
şematik olarak görülmektedir. Sistemde, elektrotlar yatay veya dikey olarak yerleştirilebilir. Anottaki
grafit elektrot, hareketli, dönen bir geçiş birimine bağlanır. Anot ucunda, genellikle bir katalizör ile bir
öncü olarak karbon toz vardır. Sistemde katot genellikle saf bir grafit bara sahiptir ve içinde belirli bir
basınçta gaz bulunur. AC veya DC akımı uygulandıktan sonra, elektrotlar temas ettirilir ve elektrotlar
arasında 1-2 mm'lik bir boşluk bırakılarak elektrik yayı şeklinde bir boşalma sağlanır. Bu boşaltma
işleminden elde edilen yay akımı, plazmanın öncü karbonu süblimleme etmesine izin veren yaklaşık
4000-6000 Kelvin arasında değişen sıcaklıklarda dengesiz bir plazma üretir. Süblimleşen karbon, buhar
fazında birikir ve soğutma sistemine sahip olan katoda doğru sürüklenir. Birkaç dakika süren bu bahar
boşalma yönteminden sonra, yay bölgesinden üretilen KNT'ler siyah duman benzeri yapıda toplanır (8-
9).
Şekil 4: Laser ablasyon sistemi
Laser ablasyon yönteminde, grafit ve metallerden oluşan hedefe laser uygulanarak buharlaşma sağlanır.
Yay boşalma yönteminden farklı olarak, üretim koşullarının daha iyi kontrol edilmesini; daha verimli ve
iyi kalitede üretim yapılmasını sağlar. Temelde oluşum mekanizması ise yay boşalma yöntemine
benzerdir. Grafit hedefte %1 gibi küçük oranlarda Ni ve Co gibi metal parçacıkları bulunur. Hedefin
çevresinde 500 Torr gibi belirli bir basıçta Argon akışı sağlayan kuvars tüpler vardır ve bu akış tüpü
yüksek sıcaklıktaki fırına sabitlenmiştir. Fırın sıcaklığı 1000-1200 0C arası yüksek sıcaklıklara çıkar.
Hedefi vuran laser demetleri KNT’leri oluşturur ve malzeme Ar gazı ile ile bölgeden uzaklaştırılır. Su
ile soğutulan, pirinç ve basınç kontrollü kısma ulaştırılan malzemeler sentezlenmiş KNT’lerdir (Şekil 4)
(10-11).
International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018
298 | P a g e www.iiste.org
Şekil 5: Kimyasal buhar biriktirme yöntemi çemberi
Kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemi kimyasal sentez yöntemlerinden biridir ve diğer yöntemlerde
olduğu gibi, katalizör, tutucu tabaka ya da hedef, karbon kaynağı ve sentez süresi CNT'lerin morfolojisini
ve sentezlenmiş CNT'lerin miktarını etkiler (Şekil 5). Bu işlemde, KNT'ler, küçük yüzdelerde Fe, Co ve
Ni gibi metal katalizörler üzerinde 500 ile 1200 °C arasında değişen sıcaklıklarda ve aset ilen ve metan
gibi taşıyıcı hidrokarbon gazı kaynakları kullanılarak atmosferik basınçta depolanır. Katalizörler tutucu
alt tabakayı oluşturur. ÇDNT'ler, 900-1200 °C sıcaklıklarda 600-900 ve TDNT °C sıcaklıklarında elde
edilir. Katalizörün parçacık boyutu ile CNT'lerin yarıçapı arasında uyum söz konusudur. Böylece,
CNT'lerin türü, boyutu ve yarıçapı kontrol edilebilir. Kimyasal reaksiyonlar için çemberin içinde öncü
gazlar ve ısıtılan tutucu alt tabaka yer alır. Sıcak yüzeyde gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar, kullanılan
karbon kaynağı, katalizör, atmosferinde kullanılan gaz ve sıcaklığa bağlı olarak yüzeyde ince bir film
tabaka veya toz formda KNT’ler oluşturur (9,12).
1.2. Karbon Nanotüplerin İşlevselleştirilmesi
Saf KNT'ler metalik yapı sergilerler ve oldukça hidrofobiktirler. Hücre ve hayvan deneylerinde
kullanılabilmesi ve sıvıda çözünmesinin kolaylaşması ve biyouyumluluğun arttırılması için
işlevselleştirme işlemlerinin yapılması gereklidir. Bunu kovalent ve kovalent olmayan işlevselleştirme
yöntemleri ile gerçekleştirmek mümkündür (13-14).
Şekil 6: Saf KNT’ler (A). İşlevselleştirilmemiş KNT’lerin hücre mediumunda görünümü (B).
İşlevselleştirilmiş KNT’lerin hücre medyumunda görünümü (medyum protein içerdiğinden sonikasyon
sonrası köpürme gerçekleşmiştir) (C).
Kovalent işlevselleştirme işlemlerinde, en yaygın kullanılan yöntem, KNT’leri güçlü asit karışımları ile
belirli sıcaklık ve sürelerde muamele etmektir. Bu işlem sonrasında, uçları kapalı olan KNT’lerin uçları
açılır, bu uçlarda karboksil grupları oluşur. Ayrıca yüzeylerde de hasarlar ve karboksil grupları oluşur
International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018
299 | P a g e www.iiste.org
(Şekil 7). Hidrofilik polimerlerin, peptitlerin, nükleik asitlerin bağlanabileceği -COOH gruplarının
oluşumu ile, KNT’lerin sulu ortamda çözünürlüğü ve biyouyumluluğu artar. Bu işlem sonrası KNT’lerin
boylarında da kısalmalar olur.
Şekil 7: Kovalent işlevselleştirme öncesi (sol) ve sonrası (sağ) KNT’lerin yüzeylerindeki değişimler
Şekil 8: Kovalent olmayan işlevselleştirme işlemi sonrası KNT’lerin yüzeyine amfifilik moleküllerin
adsorbe olması
Kovalent olmayan işlevselleştirme işleminde KNT’lerin atomic yapısı bozulmadan, küçük
moleküllerden polimerlere kadar farklı türde amfifilik moleküller yüzeylere tutunur (Şekil 8). Bu işlem
de KNT’lerin yapısı değişmeden, yüzeye absorbe olan moleküller, çözünürlüğünün ve
biyouyumluluğunun artmasını sağlar. Bu tür işlevselleştirme işleminin gerçekleştirilmesi için, oda
sıcaklığında yahut daha düşük sıcaklıklarda, farklı pH değerlerinde ve farklı sürelerde, KNT’ler ve
bağlanmak istenen moleküller sonikatörde ya da çalkalayıcıda birlikte tutulur (15).
1.3. Karbon Nanotüplerin Karakterize Edilmesi
KNT’lerin tüp yapısını, yarıçapını, varsa yüzeyindeki değişimleri ve kimyasal özelliklerini araştırmak
için kullanılan çok sayıda yöntem vardır. Bunlardan en sık kullanılanlar geçirimli electron mikroskobu
(TEM) ile görüntülerinin alınması; Raman Spektroskopisi, Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR)
spektroskopisidir.
TEM görüntüleri, KNT’lerin tüp yapısının kanıtlanmasını sağlar, yarıçapları ve saflık derecesi hakkında
bilgi verir. Yarıçap bilgisi, koyu çizgiler arasındaki mesafe ölçülerek elde edilir. Tüp yapısı ve yapının
benzerlik göstermesi ya da görüntüsü alınan her bölgede farklı ya da benzer yapıların gözlenmesi ise
saflık dereceleri hakkında bilgi edinilmesini sağlar (16). Şekil 8’deki TEM görüntülerinden KNT’lerin
çok duvarlı ya da tek duvarlı olduğu bilgisi ve yarıçap bilgisi elde edilebilmektedir.
KNT’lerin yapısal karakterizasyonunu yapmak için yaygın olarak kullanılan diğer bir yöntem, simetrik
kovalent bağlara duyarlı olan ve C-C atomları arasındaki bağların kesin analizini sağlayan; ayrıca
yapıdaki küçük değişiklikler hakkında dahi bilgi verebilen Raman spektroskopisidir. TDNT'ler grafen
düzlemin silindirik yapıya bürünmesi ile oluştuğundan, yoğunluk değerleri, grafendekine benzer olarak
International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018
300 | P a g e www.iiste.org
1332, 1582 cm-1 bantlarında gözlemlenir. 1582 cm-1 bandı G bandı olarak bilinirken, 1332 cm-1 bandı D
bandı olarak bilinir. G bandı genişliği ayrıca KNT'lerin metalik veya yarı iletken olduğu bilgisini verir.
KNT'ler fonksiyonel hale getirildiğinde, saf olanlardan daha zayıf bir D bandı gözlemlenir. G ve D
bantlarının şiddet oranlarının karşılaştırılması, karakterizasyonda yaygın olarak kullanılan yöntemlerden
biridir ve düzensizlik modu (DM) olarak adlandırılır. DM oranı [2], yapısal bozukluğun bir ölçüsüdür.
G band yoğunluğu, ÇDNT'lerde daha küçüktür (6,17).
𝐷𝑀 = 𝐼𝐷
𝐼𝐺 [2]
Şekil 8: ÇDNT (sol) ve TDNT (sağ) TEM görüntüleri
Şekil 9: Çok duvarlı saf ve işlevselleştirilmiş KNT’lerin Raman spektrumu
TDNT ve ÇDNT’lerin Raman spektrumu oldukça benzerdir. Çok sayıda numune ile yapılan
çalışmalarda, TDNT’lerin D ve G’ bantlarının, G bandına göre oldukça düşük şiddette olduğu
gözlemlenmiştir. ÇDNT’lerde ise D ve G bantları birbirine yakın şiddet değerleri göstermektedir. Şekil
9’da saf ve kuvvetli asitlerle muamele edildikten sonra işlevsel hale getirilmiş KNT’lerin Raman
spektrumu görülmektedir. D bandı ve G bandı karşılaştırıldığında, şiddetlerinde büyük farklar yoktur.
Buradan numunenin ÇDNT olduğu bilgisine ulaşılabilir. Ancak ÇDNT’lerde yarıçap bilgisi için Raman
spektroskopisi yerine, TEM görüntüleri elde etmek daha uygun olacaktır (18). 1353 cm-1 ‘deki D bandı,
sp3 bağlarını ifade eder; 1589 cm-1’daki G bandı ise C-C germe durumunda, sp2 bağlarını ifade eder. D
bandının şiddeti, yapıdaki düzensizlikler ve simetri bozuklukları hakkında da bilgi verir. Bu durumda, D
International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018
301 | P a g e www.iiste.org
ve G bandı arasındaki oran, KNT duvarlarındaki işlevselleşme hakkında da bilgi verir; değerdeki artış,
işlevselleştirmenin de iyi bir düzeyde olduğunu ifade eder. Şekil 9’da işlevselleştirilmiş ÇDNT’lerin D
bandının daha zayıf olduğu görülmektedir.KNT'lerin iletkenlik veya yarı iletkenlik özelliklerine göre, G
bandında farklı eğrisel şekiller gözlemlenir. G bandı metalik KNT'lerde daha geniştir. Şekil 9’da metalik
bir ÇDNT’ün G bandı gözlemlenmektedir (18-22).
Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), kızılötesi ışığın moleküller tarafından emilmesiyle
elde edilir. Az miktarda numune ile, KNT’ler ve KNT’lere bağlanmış olan atomların sayısı, sırası,
büyüklüğü ve şekli hakkında hızlı sonuçlar elde etmek mümkündür. İşlevselleştirilmiş ve saf KNT’lerin
FTIR spektroskopisinde değerlendirmesini yapmak mümkündür. Kovalent işlevselleştirme sonrasında
KNT'lere adsorbe olan moleküllerin belirlenmesini de sağlar.
Figure 10: Saf ve İşlevselleştirilmiş KNT’lerin FTIR Spektrumu
Şekil 10’da saf ve işlevselleştirilmiş KNT’lere ait FTIR spektrumu değerleri görülmektedir. ÇDNT’lerin
yapısına göre, birkaç kızılötesi tipik değer vardır. ÇDNT’ler, iç içe çok sayıda tüp içerdiğinden FTIR
spektrumunda TDNT’lerden daha geniş bantlar ve daha fazla tepe verir. Saf KNT’ler için 1150 cm-1’ de
görülen ve C-O bağlarını ifade eden ilk tepe değerinin, işlevselleştirilmiş olanda daha fazla olduğu
görülmektedir. Yine işlevselleştirmenin bir sonucu olan 3500 cm-1’de görülen geniş bant, O-H bağlarını
ifade eder ve saf KNT’lerden daha yüksek değerdedir. Ayrıca KNT'lerin altıgen yapısı, her iki KNT için
1580 cm-1’deki tepeler ile doğrulanmıştır. (Bu tepeleri şekil 9'da görüyoruz). 3500 cm-1 sonrasındaki
tepeler asit muamelesinden sonra O-H germe tipik değerini temsil eder ve bu değerde şiddetin
işlevselleştirilmiş KNT’ler için daha yüksek olduğu görülmektedir. 2000-2500 cm-1 arasındaki tepeler
tetrahedron yapıda C-C bağları için karakteristik titreşim tepeleridir. Ayrıca şekil 10’da verilen saf
KNT’lere ait FTIR spektrumunun aslında, saflık derecesi düşük bir KNT’yi temsil ettiği görülmektedir.
Düşük şiddette C-O, O-H bağlarına ait tepeler saf KNT yapısında da bulunmaktadır. Bu da KNT’lerin
saflık derecesi hakkında da bilgi almamızı sağlamaktadır (12,23-24).
KNT’lerin literatürde en çok karşımıza çıkan karakterizasyon yöntemleri TEM, Raman ve FTIR
spektroskopisidir. Bu yöntemlerle yapılan analizlerle, yapısal ve kimyasal değerlendirmeler yapmak
mümkündür.
2. Toksisite Deneyleri
KNT'lerin sıvı ortamda çözünürlüğü düşüktür ve bu halleriyle tıbbi araştırmalar için uygun değildirler.
Hidroklorik asit ve sülfürik asit gibi güçlü asit karışımları ile muamele edilerek yüzeylerinde karboksil
grupları, bozukluklar oluşturularak veya yüzeylerine bağlanan moleküller ile işlevsel hale getirilerek;
biyouyumluluğu ve çözünürlüğü arttırılır. Yapılan çok sayıda çalışma ile, işlevselleştirme işleminin,
toksik etkileri belirgin biçimde azalttığı, hatta çoğu KNT türünde toksik etki gözlemlenmediği
belirtilmiştir. TDNT'lerin işlevselleştirme işlemleri öncesi ve sonrasında ÇDNT'lerden daha toksik
olduğu bilinmektedir (14). Uzun CNT'ler kısa olanlardan daha toksiktir (25-26). Sentez yöntemi, yapısı,
çapı, saflığı, şekli, yüzey alanı, yüzey kimyası ve uzunluğu KNT'lerin biyouyumluluğunu değiştirir. Bu
nedenle, KNT’lerle yapılan toksisite deneyleri, özelliklerine göre tasarlanmalı ve genel kimyasal
bileşiklerin geleneksel toksikoloji çalışmalarından farklı olmalıdır (27).
-0,001
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Ab
sorb
ans
Dalga Sayısı (cm-1)
Saf ÇDNT İşlevselleştirilmiş ÇDNT
International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018
302 | P a g e www.iiste.org
Toksisite çalışmalarının büyük çoğunluğunu hücre canlılığı deneyleri oluşturmaktadır. Hücre canlılığı
deneyleri, farklı hücre hatlarına PBS (fosfat tamponu), hücre ortamı veya distile suda çözülmüş farklı
KNT konsantrasyonları uygulanarak gerçekleştirilir. Belirli sürelerde inkübasyondan sonra, metabolik
aktiviteyi gösteren boyalar hücre kültürü ortamına eklenir. Otofloresan veya absorbans değerleri
ölçülerek; kontrol grupları ile karşılaştırılır (28-29).
Reaktif oksijen türlerini belirlemek için, floresan yoğunluğunun saptanması, diğer bir yöntemdir.
Floresan işaretleyiciler kullanılarak, hücre kültürü ortamındaki nitrit konsantrasyonu belirlenir. Çoğalma
ve apoptoz deneylerinin yanı sıra, hücrelerden RNA izolasyonu yapılması ve mRNA ekspresyonunun
göreli ölçümü de KNT toksisitesinin araştırılmasında kullanılabilir. Ayrıca konfokal mikroskop veya
floresan mikroskop kullanarak, hücre yapısındaki etkileri ve hücresel alımını gözlemlemek mümkündür.
Şekil 11: KNT’lerin meme kanseri hücrelerine girişi
Şekil 11 ‘de hücre iskeleti ve çekirdeği boyandıktan sonra, floresan mikroskobu görüntülenmiş meme
kanseri (MDA-MB-231) hücreleri ve KNT’lerin çekirdek ve hücre iskeletindeki konumlanması
görülmektedir. Belirli zaman aralıklarında damar içi KNT uygulanarak, organlardaki birikiminin ve
vücuttan boşaltım mekanizmasının dışkı yoluyla yapılıp yapılmadığının belirlenmesi ise toksisite
araştırmalarında kullanılan diğer yöntemlerdendir (14,30). Toksisite araştırmaları, KNT’lerin ilaç
taşımadan, doku yenilenmesine, dış enerji kaynağı uygulanarak kanser tedavisinde kullanılmasına kadar,
çok sayıda tıbbi uygulamanın geliştirilme aşamasında, ön çalışmalar olarak karşımıza çıkmaktadır (31).
3. Sonuç
Keşiflerinden bu yana KNT’ler tıbbi uygulamalarda artan hız ve çeşitlilikte gelişmeler göstermişlerdir.
İletkenlik özellikleri ile biyosensör araştırmalarının, toksik özellikleri azaltılarak hücreye girebilmeleri
ile ilaç taşıma araştırmalarının gözdesi haline gelmişlerdir. Kimyasal ve fiziksel özelliklerinin TEM,
Raman ve FTIR gibi karakterizasyon yöntemleri ile belirlenmesinin ardından, toksik araştırmalarından
başlanarak, doku yenilenmesi ve yeni tıbbi görüntüleme yöntemlerinin geliştirilmesi mümkün olmuştur.
Ülkemizde de üniversitelerde CVD yöntemi ile üretilen KNT’lerin karakterizasyonuna ve tıbbi
uygulamalarına yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Tüm Dünyada oldukça büyük bütçeler ayrılan bu
araştırmalar, yeni tanı ve tedavi yöntemlerinin geliştirilmesine ışık tutacaktır. KNT’lerin biyogüvenliğine
yönelik çok sayıda çalışma olmasına rağmen, solunduğunda ne gibi bir etki yaratacağı, uzun vadede
insanlar üzerinde kansorojen etkiye sahip olup olmayacağına yönelik, literatürde net sonuçlar yoktur.
Bununla birlikte bu çalışmalar, gelecek vaad eden çalışmalardır.
International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018
303 | P a g e www.iiste.org
Kaynaklar
1. C Lee, X Wei, JW Kysar, J. Hone. (2008). Measurement of the elastic properties and intrinsic
strength of monolayer graphene. Science, 321:385.
2. P Selvam, KL Himaja, AS Surya. (2014). Carbon-allotropes: Synthesis methods, applications and
future perspectives. Carbon letters,15, 219-237,
3. A. Jacoby. (2015). Global Markets and Technologies for Carbon Nanotubes. A BCC Research
Nanotechnology Report, Report Code: NAN024F.
4. M Pinillos, J G Cecilia. (2015). Carbon Nanotubes: a viable drug delivery platform for the
treatment of cancer. Journal of Applied Pharmaceutical Science, 5, 143-152.
5. Z L Wang, C Hui.(2003). Electron microscopy of nanotubes. Kluwer Academic Publishers,
112.
6. I Y Jeon, D W Chang, A K Nanjundan, J B Baek (2011). Functionalization of Carbon Nanotubes.
Carbon Nanotubes - Polymer Nanocomposites, 4-5.
7. S. Iijima. (1991). Nature 354, 56.
8. Y Ando, X Zhao. (2016). Synthesis of Carbon Nanotubes by Arc-Dischage Method. New
Diamond and Frontier Carbon Technology, 16:3.
9. R Sharma, A K Sharma, V Sharma, E H Jones. (2015). Synthesis of carbon nanotubes by arc-
discharge and chemical vapor deposition method with analysis of its morphology, dispersion and
functionalization characteristics. Cogent Engineering, 2:1.
10. C Justyna, J Hoffman, A Mololepszy, M Mazurkiewicz, T-A Kowalewski, Z Szymanski, L
Stobinski,( 2015). Synthesis of carbon nanotubes by the laser ablation method: Effect of laser
wavelength. Physica status solidi, 8: 1860–1867.
11. T Guo, P Nikolaev, A Thess, D Colbert, R.E Smalley. (1995). Catalytic Growth of Single-Walled
Nanotubes by Laser Vaporization. Chemical Physics Letters, 243, 49-54.
12. N Kouklin, M Tzolov, D Straus, A Yin, J M Xu.(2004). Infrared Absorption Properties of Carbon
Nanotubes Synthesized by Chemical Vapor Deposition. Applied Physics Letters, 85: 4463-4465.
13. A A Aziz, N I N Ismail, S M S Che, M Rusop. (2012). Characterization of functionalized multi-
walled carbon nanotubes in pre-vulcanized natural rubber latex. In AIP Conference Proceedings,
1455:124-130.
14. M Allegri, D K Perivoliotis, M G Bianchi, M Chiu, A Pagliaro, M A Koklioti, A Aikaterini-
Flora; E Bergamaschi, O Bussolati, C A Charitidis (2016). Toxicity determinants of multi-walled
carbon nanotubes: the relationship between functionalization and agglomeration. Toxicology
reports, 3: 230-243.
15. W Shao, P Arghya, M Yiyong, L Rodes, S Prakash. (2013). Carbon Nanotubes for Use in
medicine: Potentials and Limitations , Intech Open.
16. K Safarova, A Dvorak, R Kubinek, M Vujtek, A Rek. (2007). Usage of AFM, SEM and TEM for
the research of carbon nanotubes. Modern Research and Educational Topics in Microscopy, 1.
17. J Lehman, M Terrones, E Mansfield , K Hurst, V Meunier. (2011). Evaluating the characteristics
of multiwall carbon nanotubes. Carbon, 49.
International Journal of Scientific and Technological Research www.iiste.org ISSN 2422-8702 (Online) Vol 4, No.10, 2018
304 | P a g e www.iiste.org
18. M Zdrojek, W Gebicki, C Jastrzębski, T Mélin, A Huczko. (2005). Studies of multiwall carbon
nanotubes using Raman spectroscopy and atomic force microscopy.
19. S Costa, E Borowiak-Palen, M Kruszynska, A Bachmatiuk, R Kalenczuk. (2008).
Characterization of carbon nanotubes by Raman spectroscopy. Materials Science,26.
20. S S Islam, K A Shah, H S Mavi et al. (2007) Raman study on single-walled carbon nanotubes
with different laser excitation energies. Bull Mater Sci, 30: 295.
21. M S, Dresselhaus G, Saito R, Jorio A. (2005.). Raman spectroscopy of carbon nanotubes. Phys
Rep-Rev Sect Phys Lett, 409, 47-99.
22. I Mutlay, F Soysal, B Çiçek. (2008). Modification of a low cost Raman Spectrometer for carbon
nanotube analysis. Eng&Arch.Fac. Eskisehir Osmangazi University, 21: 2.
23. A Misra, P Tyagi, P Rai, D Misra. (2007). FTIR Spectroscopy of Multiwalled Carbon Nanotubes:
A Simple Approachto Study the Nitrogen Doping. Journal of nanoscience and nanotechnology,
7: 1820-3.
24. V Schiopu-Tucureanu, M Alina, A Avram. (2016). FTIR Spectroscopy for Carbon Family Study
, Critical reviews in analytical chemistry, 46:6.
25. A Ünlü, M Meran, B Dinc, et al. (2018). Cytotoxicity of doxrubicin loaded single-walled carbon
nanotubes. Mol Biol Rep, 45 (4):523-531.
26. K Kostarelos. (2008). The long and short of nanotube toxicity. Nat Biotechnol, 28:7,774–776.
27. H Meng,T Xia, S George , A E Nel. (2009). A predictive toxicological paradigm for thesafety
assessment of nanomaterials ACS Nano, 3:1620–1627.
28. J O’Brien, I Wilson, T Orton, F Pognan. (2000). Investigation of the alamar blue(resazurin)
fluorescent dye for the assessment of mammalian cell cytotoxicity. Eur. J. Biochem, 267: 5421–
5426.
29. L Belyanskaya, P Manser, P Spohn, A Bruinink, P Wick. (2007). The reliability and limits of the
MTT reduction assay for carbon nanotubes–cell interaction. Carbon, 45. 2643-2648.
30. S Lee, D Khang, S Kim. (2015). High dispersity of carbon nanotubes diminishes immunotoxicity
in spleen. International journal of nanomedicine, 10:2697-710.
31. N Saito, H Haniu, Y Usui, et al. (2014). Safe Clinical Use of Carbon Nanotubes as Innovative
Biomaterials. Chemical Reviews, 114(11):6040-6079.
top related