Nanopartikül Sentez Yöntemleri
Şevval Özkaya - Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen Bilimleri Enstitüsü, Necmettin Erbakan Üniversitesi
Nanoteknoloji nano ölçekli malzemelerin sentezi, karakterizasyonu ve uygulanması için bir alandır [1]. Bu teknoloji maddeye atom ve moleküler seviyede yeni fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikler kazandırmayı hedeflemektedir ve hızla gelişmektedir. Nanopartiküller boyutları 1-100 nanometre (nm) boyut aralığında olan malzemelerdir. ‘Nano’ kelimesi Yunanca da cüce anlamına gelmektedir ve bir nanometre metrenin milyarda birine eşit olan bir uzunluk birimidir. Nanopartiküllerin küçük boyutlu ve geniş yüzey alanına sahip olmalarından dolayı farklı mekanik, elektrik, manyetik ve kimyasal özelliklere sahip olduğu bilinmektedir. Bundan dolayı da boya, gıda, tekstil, elektronik, tarım ve hayvancılık, doku mühendisliği, kanser teşhisi, tıp, ilaç ve genetik gibi birçok farklı uygulama alanı bulunur [2].
Nanomalzemeler doğal ve yapay (sentetik) olarak iki sınıfa ayrılabilir. Doğal nanomalzemeler doğada kendiliğinden oluşan malzemelerken yapay nanomalzemeler fiziksel, kimyasal ve biyolojik yöntemlerle sentezlenmektedir (Şekil 1). Metal ve metal oksit nanopartikülleri, manyetik nanopartiküller, quantum dots (kuantum noktalar), fullerenler, dendrimerler, karbon nanotüpler ve diğer nanomalzemeler bu sentez yöntemleri kullanılarak elde edilebilmektedir. Nanopartikül sentez yöntemleri genel olarak iki başlık altında incelenir: top-down (yukarıdan aşağıya doğru) yaklaşımı ve bottom-up (aşağıdan yukarıya doğru) yaklaşımı. Fiziksel yöntemler top-down yaklaşımı, kimyasal ve biyolojik yöntemler bottom-up yaklaşımı olarak bilinmektedir [2]. Top-down yaklaşımda maddeye enerji verilerek (kimyasal ya da mekanik), maddenin makro boyuttan nano boyuta küçültülmesi sağlanır. Bottom-up yaklaşımında ise atomik ya da moleküler boyuttaki malzemelere kimyasal reaksiyonlar ile enerji verilerek nanopartiküllerin elde edilmesi hedeflenir. Bu yaklaşım daha ucuz ve etkili bir yöntemdir ve bundan dolayı da top-down yöntemine göre daha fazla tercih edilmektedir [3].
Şekil 1. Top-down ve bottom-up yaklaşımının şematik görünümü [3].
Fiziksel yöntemler ile nanopartikül sentezinde pahalı ekipmanlar, yüksek sıcaklık ve yüksek basınç gerekirken kimyasal yöntemle nanopartikül sentezinde çevreye zararlı olan çeşitli toksik kimyasallar kullanılmaktadır. Sentez yöntemleri arasından biyolojik sentez (yeşil sentez-green synthesis) daha ucuz, biyouyumlu ve çevre dostu olduğu için diğer yöntemlere göre son yıllarda daha çok tercih edilen yöntem olarak bilinmektedir. Yeşil sentez için bakteri,fungi, alg, maya ve bitkilerin kök, gövde, yaprak ve çiçek gibi kısımları içeren biyolojik kaynaklar kullanılabilir. Böylece inorganik metal iyonlarının metal nanopartiküllere dönüşmesi sağlanmış olur (Şekil 2) [4].
Şekil 2. Nanopartiküllerin biyosentezi [4].
Son yıllarda metal nanopartiküllerin eşsiz özellikleri ve pratik uygulanabilmeleri nedeniyle önemi artmıştır. Birkaç grup tarafından limonotu, pancar (Beta vulgaris), karanfil (Syzygium aromaticum) ve nar (Punica granatum) bitkilerinin çeşitli kısımlarının ekstraklarından elde edilen paladyum (Pd), altın (Au) ve gümüş (Ag) nanopartiküllerinin sentezinde başarı olduğu rapor edilmiştir. Sentezlenen nanopartiküllerin farklı şekil, boyut ve yüzey yüküne sahip olabileceği bilinmektedir [5]. Başka bir çalışmada Artemisia vulgaris, Marine sediment fungi, J. glauca, Ocimum gratissimum, Morus alba, Nigella sativa, Corchorus capsularis, Coffea arabica, Ficus benghalensis, Solanum tuberosum, Andrographis echioides, Alcea rosea ve Chlorella vulgaris gibi bitkilerin ekstraktları kullanılarak gümüş nanopartiküllerin (AgNPs) sentezi gerçekleştirilmiştir. Bu yeşil sentez yaklaşımı çevreye toksik olan kimyasal ajanları içeren geleneksel metodlardan daha avantajlı bir yöntemdir. Sentezlenen gümüş nanopartiküllerinin yapılan çalışmalar sonucunda antibakteriyel, antimikrobiyal ve antikanser olduğu bilinmektedir fakat antikanser mekanizmaları tam olarak aydınlatılmamıştır ve bundan dolayı daha çok in vitro (laboratuvar ortamında) ve in vivo (canlıda) çalışma yapılması gerekir [6].
Çeşitli nanopartiküllerin sentezi sıcaklık, pH ve reaksiyon zamanı gibi parametrelerden etkilenir. Nanopartiküllerin sentezinin yanısıra boyutu ve şekli de sıcaklığa bağlıdır. Sıcaklık arttıkça çekirdeklenme merkezi oluşumu ve reaksiyon hızında da artış meydana gelir. Sıcaklık gibi pH da çekirdeklenme merkezini kontrol eder. pH arttıkça metal nanopartiküllerin oluşumunun artmasına yol açan çekirdeklenme merkezinin sayısını arttırır. Reaksiyon zamanı ise nanopartiküllerin morfolojisini etkileyen ana faktördür. Yapılan bir çalışmada reaksiyon zamanı arttırıldıkça partikül boyutunun arttığı tespit edilmiştir [7].
Metalik nanopartiküller arasında gümüş nanopartikülleri (AgNP) anti-oksidan, antibakteriyel, antikanser, antimikrobiyal ve antifungal gibi biyolojik aktivitelere sahiptir. Yüzeylerinin güçlü oksidatif potansiyele sahip olması ve gümüş iyonlarının ortama salınmasından dolayı AgNP’leri antimikrobiyal özellik gösterir. Antibakteriyal aktivitede ise AgNP’lerin boyu önemli rol oynar ve daha küçük nanopartiküllerin yüzey alanları daha geniş olduğundan daha fazla antibakteriyel aktiviteye sahiptir [8].
Referanslar
1. Abdullah, E. R. E. N. (2020). Biyolojik Olarak Sentezlenen Gümüş Nanopartiküllerin Buğday (Triticum aestivum L.) Tohumlarının Çimlenmesine Etkisi. ISPEC Journal of Agricultural Sciences, 4(2), 358-365.
2. Bayğu, G. (2020). Cimin üzümü yaprağı kullanılarak yeşil sentez yöntemiyle elde edilen gümüş nanopartikülünün genotoksik etkisinin kanat benek testi ile belirlenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Erzincan Binali Yıldırım Üniversitesi.
3. Ediz, E. Phaseolus vulgaris l.'den gümüş nanopartiküllerin biyosentezi ve antifungal etkinliklerinin incelenmesi. Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Ankara.
4. Devatha, C. P., & Thalla, A. K. (2018). Green synthesis of nanomaterials. In Synthesis of inorganic nanomaterials (pp. 169-184). Woodhead Publishing.
5. Mubayi, A., Chatterji, S., Rai, P. M., & Watal, G. (2012). Evidence based green synthesis of nanoparticles. Adv Mat Lett, 3(6), 519-525.
6. Mousavi, S. M., Hashemi, S. A., Ghasemi, Y., Atapour, A., Amani, A. M., Savar Dashtaki, A., ... & Arjmand, O. (2018). Green synthesis of silver nanoparticles toward bio and medical applications: review study. Artificial cells, nanomedicine, and biotechnology, 46(3), S855-S872.
7. Singh, A., Gautam, P. K., Verma, A., Singh, V., Shivapriya, P. M., Shivalkar, S., ... & Samanta, S. K. (2020). Green synthesis of metallic nanoparticles as effective alternatives to treat antibiotics resistant bacterial infections: A review. Biotechnology Reports, 25, e00427.
8. Umaz, A., & Koç, A. Yeşil Yolla Sentezlenmiş Metal Nanopartiküllerinin Biyomedikal Uygulamaları. Bölüm 5, 79-90.