عنوان پایان‌نامه
زیست نانو کامپوزیت های ژلاتین- گرافن: تهیه و بررسی ارتباط ساختار و خواص
- رشته تحصیلی
- شیمی-پلیمر
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 6422;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 78194;کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 6422;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 78194
- تاریخ دفاع
- ۲۴ خرداد ۱۳۹۵
- دانشجو
- هدی نصیرا
- استاد راهنما
- حسین مهدوی
- چکیده
- در پژوهش حاضر، روش‌های نوینی برای تهیه زیست نانوکامپوزیت های رسانا از طریق پراکنش بسیار خوب نانوصفحات گرافنی در ژلاتین ارائه گردید. روش اول شامل استفاده از برهم کنش الکترواستاتیک بین نانوصفحات گرافن اکسید و ژلاتین در محلول آبی برای دستیابی به پراکنش خوب نانوصفحات گرافن اکسید و سپس کاهش هم‌زمان در حضور آسکوربیک اسید (ویتامین C) و ژلاتین بود که منجر به فیلم های نانوکامپوزیت رسانا با پراکنش مطلوب گرافن شد. نتایج اندازه گیری رسانندگی الکتریکی مؤید دسترسی به آستانه فراگیری (percolation) الکتریکی بسیار کم vol% 2-10× 3/3 بود که به استناد گزارش های موجود کمترین مقدار گزارش شده تابه‌حال است. این آستانه فراگیری بسیار کم منتج از پراکنش بسیار همگن نانوصفحات گرافنی در بستر ژلاتین می باشد. نتایج حاصل از میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ الکترونی عبوری و تفرق های کوچک زاویه و بزرگ زاویه پرتوایکس بر درستی این واقعیت صحه گذاشت. علاوه بر این اندازه گیری های طیف سنجی رامان نشان داد که عامل دار کردن غیرکووالانسی صفحه کربنی در حضور ژلاتین و آسکوربیک اسید روش مؤثری در تهیه نانوکامپوزیت های حاوی نانوصفحات گرافنی است. همچنین فیلم نانوکامپوزیت ژلاتین -گرافن حاصل با نشان دادن ویژگی رسانندگی الکتریکی وابسته به رطوبت در محدوده رطوبت نسبی صفر تا 100 درصد، قابلیت مهمی را برای کاربرد در زیست حسگرهای رطوبت به اثبات رساند. در روش دوم فیلم نانوکامپوزیت ژلاتین-گرافن حاوی نانوصفحات گرافن اکسید کاهیده جدا از هم با استفاده از کاهش هم‌زمان گرافن اکسید در بخار هیدرازین تهیه شد. بدین ترتیب پیکربندی اوربیتالی کربن sp2 گرافن در فیلم نانوکامپوزیت جامد ژلاتین- گرافن اکسید بازیابی گردید که با تغییر رنگ فیلم از قهوه ای به مشکی به اثبات رسید. به‌علاوه، تغییر در نوع برهمکنش ها و ریخت‌شناسی نانوصفحات گرافن در بستر ژلاتین قبل و بعد از کاهش، توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری و تفرق بزرگ زاویه برای نانوکامپوزیت های حاوی 1 الی 50 درصد وزنی گرافن تأیید گردید. شناسایی با تفرق کوچک زاویه پرتوایکس نیز نشان داد که پراکنش گرافن اکسید در بستر ژلاتین و کاهش آن در اتمسفر هیدرازین منجر به پراکنش خوب و جدا از هم (تک لایه) نانوصفحات گرافن در بستر زیست پلیمر می-گردد. درمجموع حضور ژلاتین در هر دو روش مانع از تجمع گرافن اکسید بعد از کاهش می گردد. درنهایت، به منظور شناسایی کاربردهای نوین در زمینه هایی که زیست سازگاری حائز اهمیت است، قابلیت استفاده از این نانوکامپوزیت های رسانا در کشت سلولی و تثبیت آنزیم مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بررسی کاربردی نانوکامپوزیت ژلاتین-گرافن نشان دهنده عدم سمیت و بقای سلولی بیش از 95 درصد برای نانوکامپوزیت های حاصل از هر دو روش برای محیط کشت سلولی فیبروبلاست ریه انسان WI-38 بود. علاوه بر این، نانوکامپوزیت ژلاتین-گرافن حاصل از کاهش در اتمسفر هیدرازین کارایی عالی جهت تثبیت (immobilization) آنزیم لیپاز PSSD، G50 و DF15 نشان داد، به‌طوری‌که لیپاز PSSD قابلیت استفاده مجدد تا 29 بار به همراه پتانسیل بالای انبارش تا 25 روز را نشان داد. داده های هضم لیپید توسط آنزیم آزاد و تثبیت شده نیز به‌خوبی با معادله میکائیل-منتون برازش شد. درمجموع، روش‌های ارائه شده برای پراکنش بهینه گرافن در زیست پلیمرها و همچنین درک رفتار کامپوزیت حاصل در برابر زیست مولکول ها افق تازه ای را برای کاربرد روزافزون نانوکامپوزیت های بر پایه گرافن در پزشکی خواهد گشود.
- Abstract
- Conductive biopolymer nanocomposites (CPC) of graphene with very low electrical percolation threshold have been challenging to create mainly because of aggregation of graphene nanoplatelets during fabrication. Here, we present two different facile bottom-up approaches which effectively suppress the aggregation of the graphene nanoplatelets within gelatin matrix. In the first approach, using the electrostatic interactions between graphene oxide nanosheets and gelatin, we have shown that the chemical reduction of graphene oxide in a matrix of gelatin and in the presence of ascorbic acid (vitamin C) can suppress aggregation of graphene nanosheets and lead to a CPC with a record-low electrical percolation threshold of 3.3?10-2 vol%, that is the lowest percolation threshold ever reported. This unprecedented low percolation threshold arises from the homogeneous dispersion of graphene nanosheets within the gelatin matrix, as confirmed by atomic force microscopy, transmission electron microscopy and small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) experiments. Moreover, Raman spectroscopy measurements indicated that non-covalent functionalization of the carbon basal plane in the presence of gelatin and ascorbic acid is an effective approach to obtain nanocomposites containing single layer graphene nanosheets. The obtained gelatin/graphene nanocomposite films show humidity-dependent conductivity, which makes these films promising candidates for bio-sensing applications. In the second approach, nanocomposites with isolated monolayer reduced-graphene oxide sheets have been successfully fabricated through reduction of graphene oxide in hydrazine atmosphere. The sp2 carbon orbital configuration of graphene was restored in gelatin-graphene oxide nanocomposite film that was confirmed by color change in the film from light brown to black during reduction. Moreover, changes in interaction and conformation of nanosheets within the gelatin matrix, before and after reduction, was followed by scanning electron microscopy and wide angle X-ray scattering for nanocomposites containing 1-50wt% filler. Small-angle X-ray scattering showed dispersion of graphene oxide in gelatin matrix and subsequent reduction provides isolated single layer graphene nanosheets in biopolymer matrix. Overall these findings indicate in both methods, the presence of gelatin prevent aggregation of the GO during reduction. Finally, in order to study the biomedical application of these nanocomposites, they have been studied for cell culture and enzyme immobilization. The obtained results from cytotoxicity assay confirmed non-cytotoxicity of gelatin-graphene nanocomposites (from both method) against Wi38 – human lung fibroblasts cell and showed more than 95% cell viability. Moreover, gelatin-graphene nanocomposite obtained from the second method represented high potential for immobilization of Lipase enzymes (PSSD, G50 and DF15). Amazingly, immobilized PSSD lipase showed reusability up to 29 cycles along with storage stability for 25day. Kinetic course of lipid digestion by free and immobilized PSSD were fitted well with Michaelis-Menten equation. The proposed methods for dispersing single/double layered graphene nanosheets in biopolymer matrix and understanding their structure-properties relationship could open new opportunities for the application of graphene-based nanocomposites in biomedicine. KEYWORDS: Gelatin, graphene, network, electrical conductivity, humidity-sensitivity, Hydrazine atmosphere
