Embed Size (px)
Citation preview
Univerzitet u Nišu
Prirodno-matematički fakultet
Departman za hemiju
Master rad
Sinteza i fizičko-hemijska karakterizacija
(novih) materijala/kompozita na odabranim
biomaterijalima
Mentor: Student:
Prof.dr Aleksandra Zarubica Miljana Rubežić
Niš, 2017. godine
Eksperimentalni deo ovog master rada urađen je u istraživačkoj laboratoriji Katedre za
primenjenu i industrijsku hemiju (Departman za hemiju, Prirodno-matematički fakultet,
Univerzitet u Nišu).
Veliku zahvalnost dugujem svojoj mentorki, Prof. dr Aleksandri Zarubici, redovnom
profesoru Prirodno-matematičkog fakulteta, Univerziteta u Nišu, na beskrajnom strpljenju,
pomoći i podršci, korisnim savetima i sugestijama, nesebičnom zalaganju i idejama, ne samo
u toku izrade ovog master rada, već u celokupnom mom dosadašljem studiranju.
Posebnu zahvalnost dugujem dr Mariji Vasić i Svetlani Dmitrović na profesionalnoj saradnji
i velikoj pomoći prilikom izrade ovog Master rada.
I na kraju ogromnu zahvalnost dugujem svojoj porodici na bezuslovnoj ljubavi i na tome što
su mi najveća podrška u životu. Njima posvećujem ovaj master rad.
Sadržaj
1. Uvod .............................................................................................................................. 1
2. Teorijski deo ................................................................................................................. 3
2.1. Biomaterijali .......................................................................................................... 4
2.2. Biomineralizacija ................................................................................................... 6
2.2.1. Razlika između minerala abiotskog i biotskog porekla .................................. 7
2.2.2. Formiranje biominerala ................................................................................... 8
2.2.3. Primeri biomineralizacije .............................................................................. 11
2.3. Vlakna paukove mreže ......................................................................................... 14
2.3.1 Vrste vlakana paukove mreže i njihove osobine............................................ 15
2.3.2. Morfologija i osobine skeletnih (MA) vlakana ............................................. 17
2.3.3. Proces formiranja vlakana ............................................................................ 19
2.3.4. Vlakna paukove mreže kao biomaterijal....................................................... 20
2.4. Titan(IV)-oksid .................................................................................................... 24
2.4.1. Struktura titan(IV)-oksida ............................................................................. 25
2.4.2. TiO2 kao nanomaterijal ................................................................................. 26
2.4.3. Titan(IV)-oksid kao poluprovodnik .............................................................. 27
2.4.4. Titan(IV)-oksid kao fotokatalizator .............................................................. 29
2.5. Instrumentalne metode analize ............................................................................ 31
2.5.1.Optički mikroskopi ........................................................................................ 32
2.5.2. Elektronska optika ........................................................................................ 32
2.5.3. Kretanje elektrona u električnom i magnetnom polju................................... 33
2.5.4. Elektronska sočiva ........................................................................................ 33
2.5.5. Skenirajući elektronski mikroskop (SEM) ................................................... 35
2.5.6. Difrakciona analiza x-zraka (XRD) .............................................................. 41
3.Eksperimentalni deo .................................................................................................... 49
3.1. Metodološki pristup eksperimentalnoj proceduri, predmet i ciljevi .................... 50
3.2. Sinteza kompozitnog materijala tipa TiO2-SS-T ................................................. 51
3.3. Ispitivanje strukture kompozitnog materijala tipa TiO2-SS-T ........................... 51
3.4. Ispitivanje morfologije kompozitnog materijala tipa TiO2-SS-T ........................ 52
3.5. Ispitivanje/testiranje kompozitnog materijala tipa TiO2-SS-T u fotokatalizi .... 52
4.Rezultati i diskusija ...................................................................................................... 53
4.1. Fizičko-hemijska karakterizacija materijala ........................................................ 54
4.1.1. Strukturna svojstva ....................................................................................... 54
4.1.2. Morfološka svojstva ...................................................................................... 56
4.2. Primena – testiranje kompozita TiO2-SS-450 u fotokatalizi................................ 57
4.3. Primena – antimikrobna svojstva kompozita TiO2-SS-450 ................................. 58
5. Zaključak .................................................................................................................... 59
6. Literatura ..................................................................................................................... 61
7. Biografija .................................................................................................................... 65
1
1. Uvod
2
Izvestan veći broj životinja je evolucijom stekao sposobnost proizvodnje
biomaterijala/(kompozitnih) materijala u obliku vlakana, koji se mogu koristiti u različitim
aplikacijama. Pauci pletući paukovu mrežu proizvode veliki broj različitih vlakana/mreže:
npr. mrežu za hvatanje plena, za čuvanje i zaštitu plena i potomaka (čaure), te konopce (niti)
za beg od predatora, itd. Identifikovano je više od 34.000 različitih vrsta paukova, od kojih
polovina ima sposobnost proizvodnje mreže (registrovano preko 130 dizajnih mreža). Vlakna
paukove mreže se definišu/determinišu kao eksterno proizveden fibrozni material, koji se
generiše sekrecijom proteina. Proteini paukovih vlakana se sintetišu u specijalnim
abdominalnim žlezdama, koje funkcionišu kao biofabrike i produkuju velike količine fibroina.
Ovi fibroini se pletu u vlakna različitih osobina, sastava i morfologije. Neka vlakna imaju
izvanredne mehaničke osobine, koje čine paukovu mrežu jačom od prirodnih i sintetičkih
materijala visokih performansi (npr. najlona, Kevlara, vlakana svilene bube, čelika visoke
zatezne moći). Mehaničke osobine i biokompatibilnost prirodnih vlakana paukove mreže
omogućili su ljudima da koriste ova vlakna milionima godina za različite primene, kao što su:
za lov, proizvodnju papira, tekstila, zavoja za rane, a takođe i kao inspiraciju za naučno-
istraživačke krugove da razvijaju nove, kompozitne materijale, koji se sastoje od proteina
paukovih vlakana/mreža u kombinaciji sa drugim komponentama (npr. neorgansko-
hemijskim), i to u cilju buduće primene u različitim granama industrije.
Predmet ovog završnog - master rada podrazumeva sintezu/pripremu
materijala/kompozita (u razvoju) na bazi TiO2/paukova mreža (TiO2-SS-T) odabranom
modifikovanom metodom iz određenog prekursora, te fizičko-hemijska karakterizacija
materijala radi procene statusa fizičko-hemijskih svojstava materijala, tako da krajnji efekat
bude potencijalna efikasna primena kompozitnog materijala u istraživačkim uslovima u
tretmanima u cilju prečišćavanja tečne faze (model vodenog rastvora), kao i kvalitativna
procena antimikrobnih svojstava dobijenog materijala. Ovako sprovedena preliminarna
istraživanja mogla bi dati rezultate i smernice za dalja istraživanja na ovu i srodnu temu u
cilju postavljanja dizajna, procesiranja, karakterizacije realnog kompozitnog materijala na
bazi biomaterijala (tj. organska faza-neorganska faza), koji bi sa postignutim selektovanim
fizičko-hemijskim svojstvima mogao biti primenjivan u biomedicini, stomatologiji i/ili
regenerativnoj medicini.
3
2. Teorijski deo
4
2.1. Biomaterijali
Biomaterijali su neživi materijali koji se koriste za izradu medicinskih sredstava u
svrhu interakcije sa živim sistemom. Njihova uloga je zamena ili podržavanje rasta tkiva.
Biokompatibilnost je sposobnost biomaterijala da vrši funkciju u određenoj situaciji uz
odgovarajući odgovor.
Biomaterijali obuhvataju široku klasu materijala za primenu u medicini i
stomatologiji: metalne biomaterijale, keramičke i staklaste biomaterijale, ekonomične i
skuplje nedegradabilne sintetičke polimere, kompozitne biomaterijale, biodegradabilne
polimere, bioderivativne polimere i tkiva kao i neaktivne i bioaktivne prevlake.
Mnogobrojni biomaterijali i medicinski pribor danas se koriste kao protetska sredstva
u dentalnoj, ortopetskoj, kardiovaskularnoj, oftamološkoj i rekonstruktivnoj hirurgiji.
Uspešno se koriste i u intervencijama kao što su angioplastika (stentovi) i hemodijaliza
(membrane), za hirurške konce ili bioadhezive kao i za kontrolisano oslobađanje lekova.
Većina inplanata dobro služi njihovim nosiocima za određeni period u svrhu za koju su
namenjeni. Međutim, neki implanti i druga medicinska pomagala neizostavno stvaraju
komplikacije, bilo kao posledica zapaljenja, infekcija, interakcija u vidu neželjenih
(alergijskih ili toksičnih) reakcija, ili usled zatajivanja implanata što može dovesti do štetnih
posledica (tromboza ili tromboembolija) pa čak i smrti nosioca (infarkt). Komplikacije se
javljaju kao rezulatat interakcije između biomaterijala i tkiva, lokalno na mestu ugradnje
materijala, mada mogu imati i sistemski ili opšti karakter. Efekti implantata na tkivo
domaćina i živog tkiva na implantat podjednako su važni i za izbegavanje mogućih
komplikacija i za sprečavanje lošeg rada ili otkazivanja naprava.
Za primenu biomaterijala važni su biokompatibilnost sa tkivom, mehanički kontinuitet
sa okolnim koštanim tkivom, netoksičnost biomaterijala ili njihovih produkata pri degradaciji
i što niža cena. Za specifične primene postavljaju se dodatni zahtevi: bioaktivnost (za
ubrzavanje rasta prelomljenje kosti, regeneraciju pokidanog nerva, sprečavanje upalnih
procesa, itd.), biodegradacija (hiruškog konca, naprave za fiksiranje u rekonstuktivnoj
hirurgiji, „kostura‟ za ćelije koje regenerišu oštećene ili obolele organe), otpornost na
infekcije (posebno na mestima prodora naprava kroz kožu: kateteri, dovodi za napajanje
veštačkog srca krvlju-što se sprečava inkorporiranjem antimikrobnih hemikalija i antibiotika u
takvim biomedicinskim napravama), trombootpornost, propustljivost i difuzibilnost
(membrana vantelesnih naprava i veštačkih organa).
5
Stalna potreba za poboljšanjem performansi implanata i drugih medicinskih sredstava
služe kao inspiracija za razvoj novih biomaterijala sa boljim osobinama u odnosu na
postojeće. Novi biomaterijali se najčešće usmeravaju na konstruisanje sledećih implanata:
1. Srčani zalisci. Degneracija i druge bolesti srčanih zalistaka nameću potrebu za
operacijom i čak zamenom ako je to potrebno. Proteze srčanog zalistaka napravljenje su od
ugljenika, metala, elastomera, tkanina i prirodnih zalistaka i ostalih tkiva, hemijski tretiranih
da ograniče imunološku reakciju i da povećaju trajnost. Gotovo odmah pošto je ugrađen
zalizak, kardiološka funkcija se obnavlja u skoro normalno stanje, a pacijent pokazuje brzo
poboljšanje.
2. Veštački kuk. Ljudski kuk je izložen velikim mehaničkim pritiscima zbog kojih
podnosi velika oštećenja što dovodi do smanjenja pokretljivosti ili čak i do potpune
nepokretljivosti. Sa nekim tipovima zamene kukova i operativnih zahvata, nestala funkcija se
vraća nakon operacije.
3. Dentalni implanti.Titanijumski implanti predstavljaju veštački koren zuba na koje se
pričvršćuju zubne krunice. Poseban zahtev koji je ovde neophodan je otpornost prema
bakterijskim infekcijama na mestu gde implant prelazi u gingivu tj. desni, a jedna od
primarnih prednosti titanovih implant je dobar spoj sa vilicom.
4. Očna sočiva. Veštačka sočiva prave se do polimetil-metakrilata (PMMA), hidrogela,
silikonske gume ili drugog materijala koje se koristi da zameni prirodno sočivo kada postane
mutno ili kataraktično. Dobar vid se uglavnom odmah vraća nakon ugradnje sočiva, a
operacije su najvećim delom uspešne.
U eri tehnološkog razvoja, sve više rastu zahtevi za proizvodnjom novih biomaterijala
kao i zamenom konvencionalnih materijala, kako u različitim tehničko-tehnološkim
aplikacijama, tako i u biomedicini. U okviru ovog master rada, sintetisan je novi materijal
inspirisan prirodnim procesom-biomineralizacijom radi dobijanja kompozita željenih osobina.
Kao organska komponenta kompozita korišćena su vlakna paukove mreže, uveliko poznata po
svojim mehaničkim performansama, dok je kao neorganska komponenta korišćen titan
dioksid.
6
2.2. Biomineralizacija
Biomineralizacija predstavlja proces tokom kog živi organizmi formiraju minerale
usled interakcije bioorganskih molekula i neorganskih materija. Razlika između biominerala i
minerala zasniva se na tome da biominerali nastaju sintezom pod uticajem živih organizama
dok se biominerali od abiotskih razlikuju po tome što u svom sastavu imaju organsku
komponentu [2].
Prvi dokazi o biomineralizaciji datiraju pre oko 750 miliona godina, dok su sunđeri
kao organizmi pre 630 miliona godina imali mogućnost da stvaraju skelete od kalcijuma
(Slika 1). Smatra se da je početak biomineralizacije počeo u kambrijskom dobu [1].
Slika 1. Neke vrste sunđera (Kunstformen der Natur)
Prvi radovi i knjige o procesu biomineralizacije pojavile su se krajem 20. veka, ali se
smatra da je sam proces formiranja minerala počeo još pre više od 750 miliona godina. Ova
tema je dosta zanimljiva naučnicima iz različitih naučnih oblasti kao što su: geologija,
minerologija, kristalografija, hemija, biohemija, biologija, molekularna biologija, itd.
Proces biomineralizacije je prvobitno nazvan procesom „ kalcifikacije‟ zato što je u
tada poznatim mineralima element kalcijum bio najzastupljeniji, ali kako su kasnije otkriveni
minerali u kojima su dosta bili zastupljeni neki drugi elementi (magnezijum, gvožđe, cink,
mangan itd.) proces je nazvan „ biomineralizacija‟.
7
2.2.1. Razlika između minerala abiotskog i biotskog porekla
Postoji dosta razlika između biominerala i onih minerala koji nastaju u rastvoru. Ono
što je danas poznato je da organizmi formiraju minerale neverovatnih oblika i karakteristika
koje nije moguće sintetisati u laboratoriji. Biominerali se ne javljaju kao pojedinačni kristali,
već predstavljaju komplekse organskog i neorganskog materijala ili pak komplekse sa
organskim makromolekulima. Jednostavni biominerali imaju neverovatnu snagu i čvrstinu
koja nadmašuje mogućnosti neorganskih i sintetičkih materijala. Primer za ovo je sedef koji je
3000 puta otporniji od čistog CaCO3, iako 95% sedefa čini CaCO3 (Slika 2). Razlog zbog
čega su biominerali čvršći je upravo njihova biološka komponenta. Razumevanje
biomineralizacije potrebno je za sintezu novih i unapređenjeveć postojećih materijala, a
takođe i za sprečavanje pojave neželjenih biominerala kao što su bubrežni kamen,
ateroskleroza i zubni kamenac.
Slika 2. Primeri minerala iste hemijske strukture a različite morfologije (desno:školjka-argonit nastao
delovanjem živog organizma; levo-argonit abiotskog porekla)
Sastav abiotskih i biominerala se razlikuju i glavni razlog tome je kontrola
mikrookruženja u kojima nastaju jedni i drugi a to se jednim imenom naziva''Vitalni efekat''.
''Vitalni efekat'' podrazumeva kontrolu hemijskog sastava mikrookruženja minerala, kontrolu
nukleacije i rasta kristala.
Primer za ovo jesu Foraminiferae (Slika 3.) koje kontrolom mineralizacije održavaju
drugačiji sastav svojih minerala u odnosu na neorganske minerale u istom okruženju.
Za stvaranje minerala kalcijum karbonata, Foraminiferae koriste iste količine
kalcijuma i karbonata, ali kako je koncentracija kalcijuma u morskoj vodi mnogo viša u
odnosu na koncentraciju karbonata, ovi organizmi imaju razvijenu sposobnost koncentrisanja
8
karbonata, kao i sposobnost konverzije ugljendioksida i bikarbonata u karbonatni anjon za
potrebe kalcifikacije.
Slika 3. Foraminiferae
Ono što je veoma bitno je mogućnost ugradnje organskih molekula u sam kristal da bi
došlo do poboljšanja određenih osobina npr. ugradnja organskih micela u sintetički kalcitni
kristal radi poboljšanja mehaničkih osobina. Menjanjem zapreminskog udela organske faze
koja je ugrađena u kristal mogu se dobiti podaci o mehanizmu biomineralizacije.
2.2.2. Formiranje biominerala
Nastanku biominerala predhode procesi nukleacije i rasta minerala. Ovi procesi se
odigravaju u matriksu, prostoru koji je fizički odvojen od sredine u kojoj se nalazi i koji je
bogat proteinima i polisaharidima. Unutar samog matriksa ćelije stvaraju zonu
supersaturacije, koja je bogata jonima i molekulima bez kojih nije moguće sintetisati
biomineral. Ti joni i molekuli imaju mogućnost ulaska i izlaska iz zone saturacije putem
pasivne difuzije ili aktivnog transporta.
Prvo se vrši proces nukleacije. Tokom tog procesa se iz osnovne faze koju karakteriše
velika vrednost slobodne energije, dobija nova faza koja ima manju vrednost slobodne
energije. Da bi uopšte došlo do formiranja nove faze potrebno je savladati energetsku barijeru.
Prilikom formiranja nukleusa dolazi do promene u energiji.
Kada počne proces formiranja nukleusa, najveći broj molekula se nalazi na površini,
pa samim tim veliki uticaj ima površinska slobodna energija koja u velikoj meri destabilizuje
nukleus, tako da će svako dodavanje molekula dovesti do povećanja slobodne energije.
Nestabilni nukleus se najčešće rastvara pre nego što dostigne odgovarajuću veličinu,
ali kada se desi dostizanje željene veličine usled rasta nukleusa, površinska slobodna energija
9
opada i postaje zanemarljiva u odnosu na slobodnu energiju celokupnog sistema. Kada se
energetska barijera prevaziđe svako dalje dodavanje molekula u rešetku dovodi do smanjenja
slobodne energje sistema.
Tokom nukleacije, nukleus u jednom trenutku dostiže kritičnu veličinu kada se
smanjuje slobodna energija nezavisno od toga da li nukleus raste ili se rastvara. Da li će doći
do nukleacije ili rastvaranja zavisi od vrednosti kritične veličine, koju je moguće korigovati, a
samim tim i vršiti izvesnu kontrolu samog procesa. Kad se smanjuje međuprostorna energija
smanjuje se i vrednost kritične veličine, što dovodi do nukleacije. Na taj način promenom
sastava rastvora ili stepena supersaturacije moguće je takođe vršiti kontrolu nukleacije.
Proces rasta je moće objasniti uz pomoć klasičnog i neklasičnog modela kristalizacije.
Kod klasičnog modela dolazi do formiranja minerala adicijom atoma i molekula mehanizmom
''jon-po-jon'' na već postojeći nukleus. Neklasični model se zasniva na tome da su nanokristali
stabilizovani aditivima u samoj fazi ili u rastvoru koji okružuje rastući mineral.
Biomineralizacija se može podeliti u dve različite grupe, i to:
1. Biološki indukovana mineralizacija (Biologically induced mineralization-BIM)
2. Biološki kontrolisana mineralizacija (Biologically controled mineralization-BCM)
2.2.2.1. Biološki indukovana mineralizacija
(Biologically induced mineralization-BIM)
Sam proces mineralizacije je pod slabom kontrolom iako organizam reguliše pH,
pCO2 i sastav matriksa u kojem se vrši mineralizacija. Organizam sekretuje metaboličke
produkte koji u kontaktu sa jonima ili molekulima rezultuju taloženjem mineralnih čestica, i
zato se BIM smatra nenamernom i nekontrolisanom mineralizacijom koja nastaje kao
posledica metaboličkih aktivnosti ćelije. Nukleacija i rast minerala se najčešće odvija
ekstracelularno, i zato je ovaj tip mineralizacije najčešće zastupljen kod bakterija koje imaju
veliki odnos površine i zapremine. Ono što je karakteristično za ove kristale jeste da imaju
dosta neuređenu kristalnu rešetku. Primer BIM predstavlja mineralizacija magnetotaktičke
vrste Magnetospirillum magnetotacticum koja ekstracelularno produkuje kristale vivianita
(Fe3(PO4)2·8H2O) [1-10].
10
2.2.2.2. Biološki kontrolisana mineralizacija
(Biologically controled mineralization-BCM)
Kod ovog tipa mineralizacije ćelija kontroliše proces stvaranja minerala u određenom
stepenu. Nivo kontrole nad mineralizacijom je različit, a obično se dešava u ograničenom
prostoru. Ćelija utiče na nukleaciju, rast, morfologiju i lokalizaciju minerala. Mineralizacija se
može odvijati intra-, inter-, i ekstracelulano. Uticaj uslova sredine zavisi od stepena kontrole
ćelije nad procesima mineralizacije i smanjen je u odnosu na BIM.
Biološki kontrolisana intracelularna mineralizacija je mineralizacije koja se odigrava
unutar intracelularnih vezikula. Ćelija kontroliše sastav intravezikularnog prostora tako da od
vrste ćelije u kojima se minerali stvaraju zavise osobine minerala dok je uticaj sredine koja
okružuje ćelije minimalan. Nakon što se mineral formira postoje dve mogućnosti: da ostane u
ćeliji ili da iz ćelije egzocitozom ili fuzijom sa ćelijskom membranom izađe u ektracelularni
prostor gde može zadržati svoju morfologiju, može se transformisati ili reorganizovati u
drugačiji oblik.
Biološki kontrolisana intercelularna mineralizacija je mineralizacija koja se odigrava
između ćelija pri čemu u nekim slučajevima mineral može potuno okružiti ćelije, nije toliko
čest i javlja jednoćelijskih organizama koji žive u zajednici.
Biološki kontrolisana ekstracelularna mineralizacija je mineralizacija koja se
odigrava ektracelularno, a ćelija transportuje jone aktivnim transportom van matriksa kroz
ćelijsku membranu. Kada izađu van membrane joni dalje putuju difuzijom. Joni se takođe
mogu koncentrisati unutar ćelije i to u specijalnim vezikulama. Vezikule izlaze iz ćelije kroz
ćelijsku membranui svoj sadržaj oslobađaju u ekstracelularni matriks. Transport anjona kroz
membranu je pasivan proces jer anjoni prate katjone tokom transporta u cilju održanja
elektroneutralnosti.
Na proces stvaranja biominerala, osim samog organizma, znatno utiču i uslovi životne
sredine. Delovanje ljudi je glavni izvor povećane acidifikacije okeana i utiče na mnoge
ekosisteme. Sa povećanjem pCO2, smanjuje se nivo kalcifikacije kod nekih vrsta koje stvaraju
minerale. Mineralizacija je zavisna od pH, odnosno od pCO2 u zavisnosti od nivoa kontrole
organizma nad mineralizacijom.
11
Samo vrste koje imaju slabiju kontrolu nad biomineralizacijom, opstaju na nižim pH. Ovo
je dokazano u eksperimentima gde je posmatrana gustina naseljavanja organizama u
određenim delovima okeana sa višim pCO2, pri čemu na najnižim pH opstaju određene vrste
algi koje imaju nizak nivo kontrole nad biomineralizacijom, dok organizmi kao što su neki
korali i mekušci koji imaju veću kontrolu nad biomineralizacijom ne mogu da opstanu na
nižim pH vrednostima.
2.2.3. Primeri biomineralizacije
Kalcijum-karbonat
Primer jednog biominerala koji se danas dosta proučava je kalcijum karbonat, koji se
nalazi u vodenim organizmima kao što su mekušci i korali.Ovi organizmi utiču na pretvaranje
CO2 u karbonat i na građenje veze sa Ca2+
.Zbog porozne prirode koju mogu imati neki oblici
kalcijum karbonata, koriste se kao nosači katalizatora, fileri, biomimetički kalupi za isporuku
lekova i tkivni inženjering. Kalcijum karbonat postoji u 3 različita polimorfa: kalcit, argonit i
vaterit. Kalcit i argonit se često mogu naći u biomineralima, dok se metastabilni polimorf
vaterit uglavnom ne viđa u biološkim sistemima. Kalcit je termodinamički najstabilniji
polimorf. Široko se koristi u u industriji papira, boje, tekstila, deterdženata, adheziva, plastike,
kozmetike, hrane, antacida, mastila, guma tableta, itd. Kalcit je biodegradabilan materijal sa
dobrom osteokonduktivnošću i ima potencijal za korišćenje u izradi ortopedskih pomagala.
Kalcit je i moćan materijal za restauraciju cementne malterne građe, kao i krečnjačkih
spomenika, smanjenje vode i permeabilnosti za Cl- jone u betonu i popunjavanje pora i
pukotina[11].
Silika
Jedan od jedan od najzastupljenijih biominerala je amorfna hidratisana silika. Sinteza
silike uključuje povišene temperature i/ili ekstremne pH uslove. Međutim, morski organizmi
(diatomi i morski sunđeri) su sposobni da formiraju silikatne strukture baziran na fiziološkom
pH i niskim temperaturama. Silikatni skeleti nađeni u prirodi baziraju se na kompozitima
nano reda veličine gde značajnu ulogu ima organska komponenta (najčešće proteinska)
zahvaljujući kokoj je povećana čvrstoća materijala, uz postojanje odgovarajuće kontrole
morfologije.
12
Silika je široko rasprostranjena u biološkim sistemima i služi za različite funkcije,
počev od podrške i zaštite u jednoćelijskim organizmima kao što su diatomi pa do viših
biljaka i životinja. Izvanredna morfološka kontrola in vivo koja stvara kompleksne obrasce na
malim skalama zavisi od vrste i poslednjih godina privlači puno interesovanja zahvaljujući
osobinama koje prevazilaze sposobnosti današnjih materijala sintetisanih in vitro.
U prirodi, sinteza biosilike iz silikona in vivo se dešava pod blagim ambijetalnim
fiziološkim uslovima neutralnog pH i na niskim temperaturama 4-40°C i dešava se u
prisustvu različitih biomolekula.
Ovakvi uslovi su u oštrom kontrastu sa geohemijskom i industrijskom sintezom silike
in vitro, tipično postignutoj pod mnogo strožijim uslovima visoke temperature i ekstremnih
pH vrednosti[12].
Magnetit
Magnetotaktičke bakterije se orijentišu i migriraju u geomagnetnom polju. Ova
sposobnost se bazira na intracelularnim magnetnim strukturama, magnetozomima koji se
sastoje iz nano kristala minerala magnetita (Fe3O4) i gregita (Fe3S4) koji su vezani za
membranu. Formiranje magnetozoma se postiže procesom mineralizacije uz biološku
kontrolu nad akumulacijom gvožđa i odlikuje se pozicioniranjem mineralnih čestica
specifične veličine i orijentacije unutar membranskih vezikula u ćelijama.
Bakterijske magnetozomne čestice mogu naći komercijalnu primenu u proizvodnji
magnetnih traka i mastila za štampanje, magnetno obeležavanje lekova, separaciju ćelija i
njihovu aplikaciju u pojačavanju kontrastnih agenasa u korišćenju magnetne rezonance.
Sinteza čestica biološkim procesima obezbeđuje prednosti u smislu kontrole rasta i
morfoloških osobina. Biomineralizacija obezbeđuje proizvodnju visoko uniformnih kristala
magnetita bez primene drastičnih uslova temperature, pH i pritiska koji su često potrebni za
industrijsku primenu.
Kalcijum-fosfat
Biominerali koji se koriste kao zamena za tkiva i organe oštećene ili uklonjene usled
bolesti, starosti ili nesreće, igraju sve važniju ulogu u tkivnom inženjeringu. Kao što zanamo,
u mnogim prirodnim biomaterijalima kao što su kosti, hrskavica i školjke, neorganski
minerali su kombinovani sa organskom fazom.
13
Prirodna kost je kompozitni materijal koji se sastoji iz 70% mineralne faze, uglavnom
hidroksiapatita (HA) sa Ca/P odnosom 1.67, dok ostali deo čini organski matriks, pri čemu su
organska i neorganska komponenta međusobno povezane u splet mikro i makropora.
Hidroksiapatit (HA) (Ca10(PO4)6(OH)2) je materijal koji se u oblasti tkivnog
inženjeringa intenzivo koristi zbog sličnosti sa neorganskom komponentom životinjskih
kostiju i sposobnosti za promociju interakcija ćelijskog materijala. Činjenica je da HA ima
slabu tvrdoću i čvrstinu kao i da migrira sa mesta ugradnje implanta, ograničila je njegovu
upotrebu u izgradnji ortopedskih pomagala usled nedovoljne snage pri opterećenjima.
U prirodnim kostima, glavna organska faza je kolagen koji obezbeđuje matriks za
tkivni inženjering, tako da bi idealan biomimetički material za proizvodnju sintetičkih kostiju
takođe trebao da sadrži kolagen.
Materijali koji se baziraju na HA koriste se već 30 godina za implementaciju u
različite delove ljudskog tela oblaganjem drugih materijala u cilju poboljšanja regeneracije
skeletnog sistema i poboljšanje osteointegracije. Razvoj kompozita HA/biopolimer smatra se
idealnim matriksom za tkivni inženjering i izmenu kostiju[13].
Uspešno sitetisana koštana zamena treba da zadovolji zahteve biokompatibilnosti kao i
bioaktivnosti u smislu osteokonduktivnosti i osteoinduktivnosti. Dodatno, mehaničke osobine
su potrebne za dobijanje inicijalne stabilnosti na mestu nedostatka kako bi se omogućila
stabilnost pri naprezanju. Biomaterijali koji se baziraju na kalcijum fosfatu imaju izuzetne
osteokonduktivne osobine, i u nekim slučajevima čak i osteoinduktivne osobine. Međutim
njihove slabe mehaničke osobine usled neodgovarajuće gustine i poroznosti ograničavaju
njihovu upotrebu u aplikacijama koje podrazumevaju određeno opterećenje.
S druge strane, polimeri mogu biti biodegradabilni, a njihova geometrija i intrinzičke
osobine lako se mogu modifikovati pri čemu su njihove mehaničke osobine pri opterećenjima
zadovoljavajuće, ali njihova bioaktivnost je uglavnom inferiorna u odnosu na CaP materijale.
Kombinacija ovih materijala je obećavajuća strategija za poboljšanje osobina koštanih
graftova.
14
2.3. Vlakna paukove mreže
Tokom evolucije veliki broj različitih životinja steklo je sposobnost proizvodnje
kompozitnih materijala u obliku vlakana koje se koriste u različite svrhe. Pauci su jedni od tih
životinja koje imaju sposobnost proizvodnje vlakana (mreže).Nemaju sve vrste pauka
sposobnost da proizvode mreže, ali one koje imaju to rade u različite svrhe: proizvode mreže
za hvatanje plena, za čuvanje i zaštitu plena i potomaka (čaure), proizvode niti za beg od
predatora itd.
Vlakna paukova se definišu kao eksterno proizveden fibrozni materijal koji se generiše
sekrecijom proteina.U specijalnim abdominalnim žlezdama koje proizvode velike količine
fibroina nastaju proteini paukovih vlakana. Sama paukova mreža ima odlične mehaničke
osobine koje je čine boljom od mnogih mnogih prirodnih i sintetičkih materijala (vlakna
svilene bube, najlon, itd,). Ljudi su milionima godina unazad koristili prirodna vlakna za lov
tačnije za izradu mreža i mamaca za pecanje, proizvodnju tekstila, zavoja za rane. Paukova
vlakna imaju veoma dobre karakteristike: pokazuju piezoelektrični efekat, stabilni su na
različitim temperaturama, imaju izuzetne mehaničke osobine, snažna su, elastična i čvrsta,
imaju sposobnost apsorpcije energije (Tabela 1). Na mehaničke osobine utiču faktori kao što
su temperatura, vlažnost i brzina ispredanja. Prirodna vlakna pokazuju mnogo bolje
mehaničke osobine, ali same osobine vlakna zavise od vrste. Paukove je veoma teško uzgajati
zbog njihove kanibalističke prirode, tako da se prirodna paučina najčešće dobija anestezijom
pauka koja je praćena prisilnim pletenjem vlakana iz njihove izvorne žlezde ili ekstrakcijom
spindroina direktno iz žlezde u kojima se prozvodi (nakon žrtvovanja paukova).
15
Tabela 1. Mehaničke osobine vlakana pauka, poređenje sa drugim vlaknima
Materijal Snaga Istegljivost Žilavost
(MPa) (%) (KJ/kg)
Dragline silk 4000 35 400
Minor Ampullate 1000 5 30
Svila
Flagelliform 1000 >200 400
Tubiliform silk 1000 20 100
Bombyx mori silk 600 20 60
Kevlar 49 3600 5 30
Guma 50 850 80
Tendon 150 5 5
Kost 160 3 3
2.3.1. Vrste vlakana paukove mreže i njihove osobine
Pauci koji sintetišu vlakna mogu proizvesti i do 7 različitih vrsta vlakana koja su
sastavljena od 1 ili 2 proteina-spindroina, pri čemu su svi kodirani članovima jedne genske
familije.
MA (Major ampullate) vlakna-skeletna vlakna. Nastaju u glavnoj ampulatnoj
žlezdi, karakteriše ih visoka zatezna snaga i elastičnost. Ova vlakna se najčešće koriste kao
vlakna za beg od predatora, a tokom formiranja mreže na njih mogu da se zakače druga
vlakna. Ova vlakna karakteriše jačina pet puta veća od čelika, čvrstina tri puta veća od
Kevlara- sintetičkog vlakna koji se koristi u proizvodnji pancira. Struktura ovih vlakana je
organizovana u vidu modela jezgro-ljuska. Za veliku zateznu snagu ovih vlakana odgovorni
su delovi bogati alantoinom koji formiraju β-ploče koje su odgovorne za veliku zateznu snagu
MA vlakana, dok blokovi (GGX)n uglavnom formiraju 310 helikse, a blokovi GPGXX
formiraju β-okrete spirale koji utiču na elastičnost proteina. MA proteini se uređjuju u kanalu
16
MA žlezde i sekretuju se kao rastvor iz zaliska koji je lociran na kraju kanala, a nakon
izlaganja vazduhu suše se rezultujući vlaknom.
Zatezna vlakna pokazuju stabilnost na visokim tempetarurama, sposobnost
superkontrakcije i zahržavaju svoju strukturu i mehaničke osobine kada se nakon tretiranja u
autoklavu [14].
MI (Minor ampullate) vlakna - Sastoje se iz 2 vrste proteina: (MI spindroini 1 i 2)
koji su slični po sastavu sa MA, a razlikuju se po tome što nemaju prolin dok se sadržaj
glutamata smanjen. Koriste se za izgradnju spirale.
Flageliformna vlakna-Proizvode se u flageliformnoj žlezdi, sastoje samo od jednog
glavnog proteina koji sadrži veće količine prolina i alanina. Kako bi absorbovali i rasporedili
veliku količinu energije pri sudaru mreže sa letećim insektima ova vlakna se nalaze u „orb‟
mrežama. Koriste se za hvatanje plena.
Cilindriformna/tubiliformna vlakna - Proizvode se u cilindriformnim/tubiliformnim
žlezdama. Ova vlakna karakteriše velika elastičnost, čvrstina i istegljivost. Koriste se za
formiranje čvrstih omotača za jaja.
Aciniformna vlakna - Ovo je najčešći tip vlakana, nastaje u aciniformnim žlezdama.
Služi za zaštitu potomaka od predatora a u obliku opne za zaštitu jaja.
Kruškasta vlakna - Nastaje u kruškastoj žlezdi, koja ima sposobnost proizvodnje
proteinskog lepka koji ima ulogu da zalepi MA skelet za supstrat i Flag vlaknja za MA skelet.
Kruškasti proteini mogu da sadrže male količine malih nepolarnih AK, značajnu količinu
polarnih i naelektrisanih AK (važnih za međusobno ukrštanje) i smatra se da su nasumično
namotani pre i posle sekrecije stvarajući maksimalni broj međusobnih ukrštanja.
Vlakna za agregaciju - Nastaju u agregatnoj žlezdi koja proizvodi lepljivu komponentu
koja se sastoji od glikoproteina i higroskopnih proteina i koriste za oblaganje vlakana u
sfernoj mreži [15,16].
17
Slika 4. Žlezde koje proizvode vlakna, tipovi vlakana koje proizvodi
2.3.2. Morfologija i osobine skeletnih (MA) vlakana
Od svih vlakana kod MA vlakna se javljaju najveće mehaničke promene između
individualnih vrsta. Promene se uglavnom odnose na nanostukturni sastav MaSp1 i MaSp2
proteina od kojih se skeletna vlakna i sastoje. Stuktura ovih vlakana je slojevita (Slika 5). Na
površini se nalaze dva tanka sloja: spoljašnji sloj debljine 20 nm koji se uklanja procesom
seciranja i koji je slabo povezan sa narednim slojem čija se debljina kreće od 40-70 nm i koji
sastoji od finih fibrila koji su ugrađeni u amorfni matriks i teško se uklanja. Ispod ova dva
sloja nalazi se kožni sloj debljine 50-100 nm koji je čvrtso povezan sa unutrašnjim
materijalom od koga se samo može odvojiti procesom brzog zamrzavanja i odmrzavanja.
Krajnji spoljašnji sloj je opisan kao lipidni i njegova uloga je prenošenje feromona i
prepoznavanje pola i vrste, ali i zaštita od mikroorganizama i uslova životne sredine i ovaj
sloj ne utiče na mehaničke osobine samog vlakna. Sledeći sloj je gliko-omotač, koji je
povezan sa unutrašnjošću vlakna, štiti ga od mikroorganizama, utiče na kontrakciono stanje
samog vlakna, deluje kao lubrikant i povećava gipkost vlakna.
18
Ispod gliko-sloja nalazi se kožni sloj koji ima višestruku ulogu: štiti od oštećenja fizičkim
i hemijskim agensima, doprinosi plastičnosti vlakna i omogućava mehaničku podršku
ograničavajući material u srži. Srž je naredni sloj koji se sastoji od spindroina.
Slika 5. Poprečni presek zateznog vlakna N. Clavipes
Srž vlakna sadrži dva glavna proteina-spindroina (MaSp1 i MaSp2 koje produkuje
vrsta Nephila Clavipes i ADF-3 i ADF-4 koji produkuje Araneus diadematus) koji imaju
visoku molekularnu težinu, 200-350 kDa, sastoje od glicina, alanina i prolina i kovalentno su
vezani cisteinskim mostovima na svojim krajevima i podležu daljoj oligomineralizaciji usled
njihovih repetitivnih regiona. Struktura spindrona se sastoji od dugih repetitivnih sekvenci
koji sa obe strane imaju nerepetitivne konzervisane amino (N-) i karboksilne (C-) terminalne
domene [17].
Ponavljanja su formirana tandemski uređenim sekvencionalnim blokovima od
približno 150-500 AK u dužini koje ili predstavljaju osnovne jedinice ponavljanja ili mogu
biti podeljeni u kraća uređena ponavljanja i motive repetitivnih aminokiselina.
Dva glavna proteina koji čine centralni filament (kod vlakana koja pletu N. claviceps
pauci) su nehomogeno distribuirani zbog razlike u primarnoj sekvenci aminokiselina ova dva
proteina.
MaSp1 je distribuiran više ili manje homogeno kroz sredinu vlakna u obliku konopaca
formirajući kristale β-ploče i ojačan je MaSp2 matriksom sa produženim strukturama koja liče
na ostrva u srži vlakna za koje se veruje da služe za absorbciju trajne promene usled
deformiteta, poboljšavajući elastičnost vlakana (Slika 6). MaSp2 se sastoji od poli-alaninskih
domena, ali obično imaju veći sadržaj prolinskih rezidua u odnosu na MaSp1, što se odražava
na činjenicu da GGX motivi zamenjeni GPGXX motivima.
19
Ovi kratki motivi su grupisani u uređene ponavljajuće sekvence koje sadrže 20-40
rezidua gde se glicinom bogati domeni završavaju polialaninskim domenima. Mobilnost
proteinske kičme i aminokiselinskih bočnih lanaca u vlaknima pauka korelira sa sadržajem
prolina.
Varijacije mehaničkih osobina MA vlakana kod različitih vrsta mogu postojati usled
različitog odnosa MaSp1 i MaSp2 što se može proceniti na osnovu procentualne
zastupljenosti prolina u vlaknu. Prolin je prisutan samo u repetitivnim motivima MaSp2 i nije
pronađen u značajnim količinama u MaSp1, tako da koncentracija prolina zavisi od
MaSp2/MaSp1 odnosa, što utiče na elastičnost i superkontraciju zateznih vlakana paukova
[18,19].
U pogledu osobina paukovih vlakana veoma je važna njihova rastvorljivost u vodi kao
i faktori koji na nju utiču. Na rastvorljivost proteina u vodi utiču: joni, organski rastvarači,
polimeri ili surfaktanti.
Slika 6. Model strukture paukovog vlakna: nekoliko β ploča (kristalni domeni) povezane ne-β
strukturama (nekristalni domeni) formiraju jedan fibrilni segment. Mnogi od ovih segmenata su
međusobno povezani tako da čine pojedinačni fibril duž ose vlakna [17].
2.3.3. Proces formiranja vlakana
MA žlezda može se podeliti u 4 zone: zona repa koja je odgovorna za sintezu i
sekreciju proteina paukove mreže, lumen (kesa) koji služi za akumulaciju proteina, kanal za
poravnanje vlakana i izlaz za finalnu produkciju vlakana (Slika 7). Unutar kanala koji je u
obliku S i koji prati lumen, proteini se nalaze u tečnom stanju. Kanal se sastoji iz 3 pod-
kanala. U prvom delu kanala, proteini su postavljeni normalno na osu kutikule, a međusobno
su paralelni. U drugom delu kanala, molekuli su savijeni kako bi bila moguća formacija
20
slojevitih diskova koji su sastavljeni od ampifilnih štapićastih molekula. U trećem delu se
izbacuje proteinski sadržaj, formirajući konus.
Tada se tečni rastvor prevodi u čvrste niti koje su okružene vodom i tada dolazi do
formiranja β-ploče. Na zadnjem delu MA žlezde nalazi se zalistak koji služi kao stega za
kontrolisanje skeletnih vlakana i kao pumpa za izbacivanje vlakana.
Tokom prolaska proteina kroz kanal, različiti hemijski i fizički stimulusi uređuju
proteine u vlakna. Aktivnost H+ pumpe raste duž kanala, pri čemu se pH smanjuje od 7.2 do
6.3. Smanjenje pH se povezuje sa promenama u jonizacionom stanju rezidua bočnih lanaca
pozicioniranih u N- i C
- krajevima spindroina. Prolaskom rastvora proteina kroz kanal i
povećanjem kiselosti, dolazi do agregacije. U kanalu se vrši i razmena jona, natrijumovi i
hloridni jona prisutni u lumenu zamenjuju se kosmotropskim kalijumom i fosfatima tokom
prolaska kroz kanal potencirajući samouređivanje u vlakna [15,16].
Kako proteini putuju iz lumena duž kanala, podležu elongaciji i poravnanju podstičući
hidrofobne i vodonične vezujuće interakcije. Ovome sledi poravnanje proteina u rastvoru
rezultujući slaganje u regione bogate β-pločama rezultujući čvršćim i jačim vlaknom, pri
čemu se smanjuje elastičnost (elastičnost je obrnuto proporcionalna količini β-regiona).
Slika 7. Ilustracija žlezde pauka, podeljena u četiri dela.
2.3.4. Vlakna paukove mreže kao biomaterijal
Zbog svojih izuzetnih mehaničkih osobina i biokompatibilnosti, paukova mreže se
može koristiti i imati primenu u različitim granama: biomedicini, tkivnom inženjeringu,
biomonitoringu itd.
Paukova mreža kao biomaterijal ima ogroman broj prednosti kao što su: dobre
mehaničke osobine, otpornost na enzimsko cepanje, dobra permeabilnost kiseonika i lekova
zbog čega se paučina koristi u biomedicini, kao material sa sporom razgradivošću u svrhe
podrške i transfera sa kalupa na tkivo u razvoju. Ovaj materijal je takođe stabilan u različitim
temperatnim intervalima i vlažnosti.
21
Pored dobrih mehaničkih osobina, ovaj materijal ima i nedostatke naročito one koji su
vezanu za njegovu upotrebu u biomedicini.
Vlakna jednog pauka mogu pokazati promenjivost u mehaničkim performansama, a
razlike mogu biti prisutni čak i u okviru jednog vlakna, što izaziva problem kada se prirodna
vlakna koriste kao mehanička podrška. Ovaj problem se može rešiti ukoliko se umesno
jednog vlakna koristi veći broj istih.
Osim u obliku vlakana, paukova mreža se može procesuirati i u druge vrste materijala,
npr. pene, filmove, mikrosfere, kapsule, itd. koji mogu biti znatno napredniji u poređenju sa
ostalim tipovima prirodnih ili sintetskih razgradivih vlakana, filmova ili pena. Vlakna i
filmovi se pripremaju iz rastvornih proteina a nakon rastvaranja u visoko koncentrovanim
solima litijuma ili kalcijum nitrata.
Kada se jednom rastvore, proteini se mogu dijalizovati, liofilizovati i resolubilizovati u
organskim rastvaračima kao što su heksafluoroizopropanol ili voda, u ograničenom
vremenskom periodu, u zavisnosti od koncentracije. Određeni materijali kao što su kolagen,
hidroksiapatit se zbog nekih svojih loših karakteristika mogu zameniti kalupima baziranim na
paukovoj mreži.
2.3.4.1. Biomaterijali na bazi paukove mreže
Regenerisana vlakna su uniformna vlakna se obrazuju tako što se najpre vrši
uzorkovanje paukove mreže, zatim njeno rastvaranje u odgovaraućem rastvaraču, a nakon
toga se vlakno propušta kroz otvor određenih dimenzija i tako se dobijaju vlakna sa unifornim
osobinama spremna da se koriste biomedicini i tehnologiji. Rekombinantna vlakna se mogu
dalje prevesti do oblika filma ili hidrogela [20].
Filmovi imaju veliku primenu u medicini. Iz rastvora sintetskih proteina skeletnih
vlakana baštenskog pauka Araneus diadematus- ADF-3 i ADF-4 u heksafluoroizopropanolu
(HFIP), izliveni su filmovi čija je rastvorljivost u vodi kontrolisana različitim tehnikama
(Slika 8) [21].
22
Slika 8. Film napravljen od rekombinantnih vlakana paučine iz rastvora HFIP [21].
Paukova mreža se može koristiti za oblaganje biomaterijala u cilju poboljšanja
njegovih svojstava. Moguće je modifikovati (smanjiti ili povećati) adheziju ćelija na
biomedicinske implante, a takođe postoje dokazi o poboljšanju antibakterijskih svojstava
materijala.
Proteini paukove mreže se mogu koristiti u cilju zamene trajnih implanata
privremenim sa rekonstruktivnim i regenerišućim osobinama sa mogućnošću usmeravanja
potpune restauracije normalne strukture i funkcije tkiva. Ovim se podrazumeva da se implant
vremenom razgradi. Paukova svila može podržavati rast različitih tipova ćelija in vitro (Slika
9) i potencijalno se može koristiti kao materijal u regenerativnoj medicini uz pažljiv odabir
matriksa, takođe ova vlakna su pogodna za tkivni inženjering zbog osobina kao što su: visoko
varijabilna morfologija, dobre fizičke i mehaničke osobine i biokompatibilnost[22].
Slika 9. Adhezija ćelija na trodimenzionalnom matriksu proteina paučine [22].
23
Proizvodnja šavova u hirurgiji. Da bi se paukova mreža koristila u ove svrhe mora
da ima određene karakteristike: čvrstoću, snažan čvor (jačina se meri snagom koja je potrebna
da prouzrokuje popuštanje čvora), elastičnost (sposobnost da se prilagodi trenutnom
stadijumu zarastanja rana), memorija (promena krutosti tokom vremena-što je bolji šav, manja
je memorija), degradabilnost (sposobnost da se metaboliše od strane domaćina nakon izvršene
funkcije), tkivna reaktivnost (neophodno je da ne izaziva iritaciju), neinfektivnost (odsustvo
infekcije) (Slika 10) [23].
Slika 10. SEM fotografije vlakana pauka kao i pletenih šavova [24].
Nosači lekova. Rekombinantni proteini paukovih vlakana mogu se procesovati u
submikročestice prosečnog dijametra 200-400 nm, koje su korisne za transport lekova
rastvorljivih i nerastvorljivih u vodi. Najviše proučavan protein je ADF4 (C16),
rekombinantni protein skeletnog vlakna pauka krstaša Araneus diadematus. Konsenzus
sekvenca (GSSAAAAAAAASGPGGYGPENQGPSGPGGYGPGGP) je glavni ponavljajući
niz u prirodnom proteinu ADF-4 i ponavlja se 16 puta u veštačkom proteinu ADF (C16).
Pored čestica, ovaj protein može se koristiti i za izradu hidrogelova, filmova, pena, kapsula i
vlakana.Ove mikročestice ispitivane su kao nosači lekova (Slika 11). Proteini paukove mreže
dobijenih rekombinantnom tehnologijom iz Araneus diadematus pauka eADF4(C16) su
koloidno stabilni u rastvoru. Određenim postupcima, moguće je kontrolisati preuzimanje i
oslobađanje u vodi rastvorljivih supstanci kao što je rodamin B.
24
Slika 11. Čestice napravljene od eADF4 (C16) rekombinantnog proteina [26].
2.4. Titan(IV)-oksid
Titan(IV)-oksid je materijal koji sve više dobija na značaju zbog svoje raznovrsne
primene. Zbog postojanja tri različite kristalne modifikacije: rutil, anataz i brucit, titan(IV)-
oksid se odlikuje bitno različitim svojstvima koja zavise od kristalne strukture. Veličina
njegovog zrna se kreće od nanometarskih do mikrometarskih dimenzija što, takođe,
omogućava raznovrsnu primenu.
Titan(IV)-oksid se proizvodi u obliku praha, filma i oblikovanih komada (pistila,
ekstrudata). Ovaj keramički materijal se nekada koristio isključivo u oblasti boja i pigmenata
kao sredstava za beljenje. Primena je proširena 1972. god., kada su japanski naučnici A.
Fujishima i K. Honda otkrili mogućnost fotooksidacije vode pomoću elektrode na bazi
titan(IV)-oksida, prilikom čega dolazi do razvoja upotrebe ovog oksida za prečišćavanje voda
i vazduha, kao i za samo-čišćenje i dezinfekciju materijala i komponenti u čiji sastav ulazi.
Danas se titan(IV)-oksid sve više primenjuje u proizvodnji savremenih optičkih, elektronskih
mikrokomponenti, senzorskih uređaja, itd. a istražuju se i mogućnosti primene u oblasti
magnetnih materijala i u medicini za lečenje tumora [27].
25
2.4.1. Struktura titan(IV)-oksida
Titan(IV)-oksid (TiO2) se u prirodi javlja u obliku tri kristalne faze: anataz, rutil i
brucit. Anataz i rutil imaju tetragonalnu, dok brucit ima ortorombičnu kristalnu strukturu.
Njihove jedinične ćelije su predstavljene na Slici 1. Rutil je najzastupljenija i u
termodinamičkom smislu najstabilnija faza TiO2, dok anataz i brucit predstavljaju
metastabilne faze TiO2 i u rutil mogu preći na povišenim temperaturama [27,28].
Slika 12. Jedinične ćelije a) anataz, b) rutil i c) brukit. Sive i ljubičaste sfere predstavljaju atome
kiseonika odnosno titana, respektivno
Sve tri kristalne faze se sastoje od TiO6 oktaedara, gde je svaki Ti4+
jon okružen sa šest
O2-
jona i međusobno se razlikuju po načinu pakovanja oktaedara (Slika 13.). Kod anataza
svaki oktaedar deli četiri ivice sa susednim oktaedrima formirajući cik-cak lanac (Slika 13.
a)). Kod rutila, svaki TiO6 oktaedar deli rogljeve (kiseonične atome) i dve ivice sa susednim
oktaedrima formirajući linearni lanac (Slika 13. b)), dok kod brucita svaki oktaedar deli i ivice
i rogljeve sa susednim oktaedrima, formirajući na taj način ortorombičnu strukturu (Slika 13.
c)) [27].
26
Slika 13. Kristalne forme TiO2: a) anataz, b) rutil i c) brucit
Na stabilnost određene kristalne faze TiO2 veliki uticaj ima i veličina čestica. Smatra
se da je anataz najstabilnija faza za čestice veličine ispod 11 nm, dok je rutil najstabilnija
kristalna faza za čestice veličine iznad 35 nm. Za čestice veličine između 11 i 35 nm
najstabilnijom kristalnom fazom smatra se brucit [29].
Ono što je karakteristično za titan(IV)-oksid je mogućnost faznih različitih
transformacija prilikom zagrevanja. Najčešće se vrši sledeća fazna trasformacija: zagrevanjem
nekristalnog (amorfnog) titan(IV)-oksida na temperaturi od 420°C dolazi do formiranja anataz
kristalne faze, anataz u rutil prelazi u temperaturnom intervalu od 550-700°C . Fazni prelazi
su dosta kompleksi i zavise od velikog broja faktora kao što su: korišćeni prekursori,
primenjena metoda sinteze, fizičko-hemijski parametri sinteze, veličina čestica, brzina
zagrevanja, atmosfera u kojoj se ona vrši, itd. Fazne transformacije se razlikuju i u zavisnosti
od oblika u kojem se TiO2 nalazi (prah, oblikovan komad ili film).
2.4.2. TiO2 kao nanomaterijal
TiO2 se kao nanostrukturni materijal dobija u vidu praha i filmova. Jedinstvene osobine
ovog materijala, posledica su smanjenja veličine izgrađivačkih jedinica ili dimenzionalnosti
sistema, kao i velikog broja kontakata između kristalita i/ili defekata rešetke. Mala veličina
zrna omogućava prelazak elektrona iz valentne zone u provodnu i utiče na povećanje brzine
nastanka para elektron/šupljina (e-/h
+).
27
Tako nastali par prelazi malu dužinu puta iz unutrašnjosti do površine nanozrna, pa je
ovih parova na površini više što znatno poboljšava poluprovodničke osobine. Kod TiO2,
postoji kritična veličina zrna ispod koje dominira (nepoželjna) rekombinacija para e-/h
+. Da bi
se izbegla rekombinacija i produžilo vreme života jednog ili oba nosioca naelektrisanja
moguće je primeniti dopiranje jonima prelaznih metala [30].
2.4.3. Titan(IV)-oksid kao poluprovodnik
Po definiciji, poluprovodnici su materijali koji slabo provode struju, ali imaju osobine
koje omogućavaju raznovrsnu primenu (optika, elektronika, fotokataliza, senzori, itd). Ove
specifične osobine poluprovodnika posledica su strukture elektronskih zona, njihove
popunjenosti elektronima, koncentracije i vrste nosilaca naelektrisanja, mogućnosti
modifikacije dopantima [31,32]
Prema zonalnoj teoriji, elektroni u atomu su raspoređeni u energetskim zonama –
valentnoj i provodnoj. U valentnoj zoni su orbitale popunjene sparenim elektronima, a u
provodnoj su energetski nivoi prazni. Između valentne i provodne nalazi se zabranjena zona
(energetska barijera), koju čine energetski nivoi koje elektroni ne mogu da imaju. Kod
poluprovodnika na temperaturi 0 K, na sredini zabranjene zone nalazi se najviši energetski
nivo koji je popunjen elektronima – Fermijev nivo (EF) [33].
Slika 14. Zaposednutost energetskih stanja za provodnik i poluprovodnik koji imaju isti Fermijev nivo
28
Struju provode samo elektroni iz provodne i valentne zone. Kada elektroni iz valentne
zone prime energiju oni prelaze na više energetske nivoe ili u provodnu zonu. Za to je
potrebno dovesti dovoljno energije kako bi savladali energetsku barijeru. U
poluprovodnicima, elektroni ovu energiju mogu dobiti pomoću termičke energije (kod čistih)
ili dodatkom primesa (kod dopiranih poluprovodnika).
Po odlasku elektrona, u valentnoj zoni zaostaju pozitivno naelektrisane šupljine. One
učestvuju u provođenju električne energije kao nosioci pozitivnog naelektrisanja.
Dodatkom primesa, unose se novi energetski nivoi, čime se povećava udeo elektrona
koji imaju dovoljnu energiju za prelazak u provodnu zonu. Tako se povećava broj nosilaca
naelektrisanja u valentnoj i provodnoj zoni i raste provodljivost. Dopanti mogu biti joni većeg
ili manjeg naelektrisanja od Ti4+
. Dodavanjem petovalentnih primesa (donori: Nb, W) u TiO2
ostaje jedan elektron koji je slabo vezan za svoj atom. Njegova energija nalazi se u delu
zabranjene zone, ispod provodne zone, pa već na sobnoj temperaturi može preći u provodnu
zonu. Energetski nivo ovakvih primesa naziva se donorski nivo, ED. Poluprovodnici u kojima
su elektroni većinski nosioci naelektrisanja su poluprovodnici n-tipa (Slika 15. a)). Unošenje
trovalentnog jona (akceptori: La, Cr, Fe) u rešetku TiO2 dovodi do nedostatka jedne od četiri
veze oko primesnog atoma. Ona se može popuniti elektronom jednog od susednih atoma
poluprovodnika, pri čemu nastaje šupljina u valentnoj zoni koja postaje slobodan nosilac
naelektrisanja. Energetski nivo ovih primesa (akceptorski nivo, EA) nalazi se u blizini
provodne zone i već na sobnoj temperaturi elektron ima dovoljnu energiju za ovaj prelaz.
Ovde su šupljine glavni nosioci naelektrisanja i to je poluprovodnik p-tipa (Slika 15. b)).
Slika 15. Zaposednutost energetskih stanja kod dopiranih poluprovodnika:
a) za poluprovodnike n-tipa; b) za poluprovodnike p-tipa
29
2.4.4. Titan(IV)-oksid kao fotokatalizator
Poslednjih decenija se kao potencijalni fotokatalizator na bazi poluprovodnika, dosta
istražuje anataz kao jedna od kristalnih modifikacija TiO2. Uslove koje bi jedan dobar
fotokatalizator trebalo da ispuni su sledeći:
1. dobro poklapanje apsorpcionog spektra sa sunčevim spektrom,
2. kompatibilnost sa različitim supstratima,
3. stabilna i neprekidna fotokatalitička aktivnost,
4. velika konverziona efikasnost i visoki kvantni prinos,
5. niska cena
Kod fotokatalize, poluprovodnički materijal odnosno elektroni iz njegove valentne
zone primaju enegriju od fotona i prelaze u provodnu zonu, ostavljajući praznine u valentnoj
zoni koje mogu reagovati sa molekulima zagađivača u raznim oksido-redukcionim
reakcijama.
Uz pomoć UV zračenja mogu se pobuditi elektroni valentne zone titan(IV)-oksida
prilikom čega oni prelaze u provodnu zonu. Tako nastaje par elektron/šupljina koji difunduje
do površine čestice gde učestvuje u oksido-redukcionim reakcijama. Da bi došlo do prelaska
elektrona u provodnu zonu mora mu se saopšti energija veća od energije zabranjene zone.
Nastanak para e-/h
+ pomoću UV zračenja se može predstaviti jednačinom:
TiO2 h TiO2 (e- + h
+)
Dakle, pod uticajem energije fotona na površini zrna anataza nastaje elektron u
provodnoj zoni e-(TiO2) i šupljina u valentnoj zoni h
+(TiO2).
30
Slika 16. Dijagram energetskog procepa (nastanak elektrona (e-) i šupljina (h
+)) ozračivanjem površine
poluprovodnika pomoću UV zračenja
Vreme postojanja razdvojenih naelektrisanja, tj. vreme života elektrona i šupljina je vrlo
važno za fotokatalitičku aktivnost i treba da bude što duže, u suprotnom moguće je odvijanje
rekombinacije naelektrisanja i gubitka katalitičke aktivnosti. Do rekombinacije može doći i na
površini i u unutrašnjosti čestice.
Prednosti nanostrukturnog anataz TiO2 u poređenju sa standardnim su:
1. veća katalitička aktivnost, zbog manjeg zrna i veće specifične površine, kao i zbog većih
defekata na površini,
2. sporija rekombinacija para elektron/šupljina,
3. veći kvantni prinos.
Prednosti anataza (TiO2) u odnosu na druge moguće fotokatalizatore (npr. ZnO, ZnS,
WO3) su inertnost, otpornost na uslove ekspoatacije, niska cena i redoks potecijal para
H2O/OH- koji se nalazi unutar domena zabranjene zone [34].
31
2.5. Instrumentalne metode analize
Instrumentalne metode koriste se za detekciju i merenje karakterističnog signala koji
će se koristiti za kvalitativnu i kvantitativnu analizu uzorka. Karakteristični signal zavisi od
interakcije molekula/atoma sa elektromagnetnim zračenjem, fizičko-hemijskih osobina,
odnosa mase i naelektrisanja, kao i termičkih karakteristika. Instrumentalne metode se dela
na: optičke, elektrohemijske i separacione.
Optičke metode su zasnovane na interakciji elektromagnetnog zračenja i molekula ili
atoma uzorka. Mikroskop (grčki: micron = mali i scopos = ciljanje) je instrument za
posmatranje predmeta koji su isuviše mali da bi se mogli videti golim okom. Nauka koja se
bavi istraživanjem malih predmeta primenom ovakvih instrumenata naziva se mikroskopija.
Dijametar većine životinjskih ćelija se kreće između 10 i 30 µm što je nekoliko puta manje od
najmanje čestice vidljive golim okom. Zato su za ispitivanja ćelija prvenstveno neophodni
mikroskopi. Postoje različite vrste mikroskopa koji se mogu podeliti u dve osnovne grupe:
svetlosne i elektronske mikroskope. Tipovi mikroskopa: svetlosni, fluorescentni, fazno-
kontrastni i elektronski [35].
Pretpostavlja se da je prvi mikroskop napravio Zaharije Jensen još 1590. godine,
postavljajući dva sočiva na međusobnu udaljenost. Otkriće nevidljivog sveta pripada
Holanđaninu Antoni van Levenhuku (1632-1723), koji je opisao „animalikule” kao okrugle,
štapićaste i spiralne forme pošto ih je video mikroskopom sopstvene konstrukcije, 1676.
godine. Njegova sočiva uvećavala su do 250 puta. Smatra se prvim istraživačem protozoa,
ljudskih spermatozoida, bakterija i eritrocita. Nakon smrti svetu je ostavio 247 mikroskopa,
od kojih je 7 i danas u upotrebi, ali ne i tajnu pravljenja sočiva. Do toga su budući naučnici
morali da dođu sami. U 19. veku Karl Zeis sa svojim saradnikom Ernestom Abeom usavršava
i rešava nedostatke tadašnjeg složenog mikroskopa te postiže veliku moć razdvajanja (0,5
µm) [35].
32
2.5.1. Optički mikroskopi
Najuobičajeniji tip mikroskopa, ujedno i prvi koji je pronađen je optički ili svetlosni
mikroskop. Na njemu je moguće analizirati trajne histološke preparate, pojedinačne žive i
nežive ćelije. Vidljivost svetlosnog mikroskopa zavisi od kvaliteta sočiva, talasne dužine
upotrebljene svetlosti, kao i od medijuma kroz koji svetlost prolazi od preparata do objektiva.
Sa svetlosnim mikroskopom, u najboljem slučaju, moguće je razlikovati dve različite
strukture na rastojanju od 0,2 µm, odnosno rezolucija je 0,2 µm [35].
Fluorescentni mikroskop je vrsta svetlosnog mikroskopa koji se koristi za detekciju
različitih molekula, najviše specifičnih proteina u ćelijama i tkivima. Obeležavanje se vrši
fluorescentnim bojama, a objekat se osvetljava iz izvora svetlosti preko filtera koji propuštaju
svetlost samo jedne talasne dužine što omogućava da se vidi fluoresciranje odgovarajuće boje
vezane za molekule.
Na taj način moguće je pratiti mesto sinteze pojedinih molekula i njihov transport do
drugih ćelija i mesta delovanja.
Fazno-kontrasni miktroskopi se koriste za ispitivanje živih ćelija čije bi se strukture
oštetile prilikom fiksiranja, seciranja i bojenja preparata koji se posmatraju pod mikroskopom.
Ovi mikroskopi imaju sistem sočiva tako podešen da povećava kontrast živih neobojenih
ćelija. Na fazno-kontrastnom mikroskopu sa tamnim poljem svetlosni zraci padaju sa strane i
samo rasuta svetlost ulazi u objektiv, a ćelije se vide kao osvetljeni objekti na tamnoj podlozi.
Ovi mikroskopi su pogodni za analizu kretanja i deobe delija.
2.5.2. Elektronska optika
Elektronska optika je grana nauke koja proučava kretanje slobodnih čestica (elektrona,
protona) u električnim i magnetnim poljima. Naziv elektronska optika izveden je iz činjenice
da su zakoni koji opisuju kretanje elektrona u takvim poljima formalno jednaki zakonima koji
„upravljaju” zracima svetlosti u optički nehomogenom sistemu.
Staze elektrona, predstavljene materijalnim tačkama, mogu se opisati normalama na
elektronske talase čija amplituda određuje statističku gustinu elektrona, upravo kao što
amplituda svetlosnog talasa određuju gustinu kvanta svetlosti, fotona. Proučavanje kretanja
elektrona na osnovu njihove talasne prirode zove se elektronska talasna optika.
33
Ona opisuje pojave difrakcije i interferencije snopova elektrona analogne istim
pojavama kod svetlosti i rendgenskih zraka. U elektronskoj optici upotrebljavaju se osno-
simetrična polja koja odgovaraju osno-simetričnim optičkim sistemima, sočivima. Primenjuje
se kod stvaranja fokusiranih snopova elektrona visokog intenziteta (u elektronskom topu) te
njihovog usmeravanja i stvaranja elektronske slike predmeta pomodu električnih i magnetnih
polja u nizu važnih naučnih i tehničkih instrumenata kao što su katodni osciloskopi, TV
kamere, katodne cevi, elektronski mikroskopi, skenirajući elektronski mikroskopi, elektronski
mikroanalizatori. Tako npr. elektronski mikroskopi omogućavaju vizuelno ispitivanje detalja
objekta isuviše sitnih da bi se mogli razlikovati običnim optičkim mikroskopom, uz
proučavanje strukturnih i drugih karakteristika objekta, procenta, raspodele pojedinih
konstituenata od kojih se objekat sastoji.
2.5.3. Kretanje elektrona u električnom i magnetnom polju
Usmeravanje snopa elektrona u vakuumu vrši se pomoću električnog i magnetnog
polja, a takva polja se proizvode postavljanjem elektroda, električnih struja ili magneta oko
evakuisanog prostora u kome se nalazi snop elektrona, kao i usled prisustva drugih
naelektrisanih čestica unutar tog prostora. Kako na naelektrisanu česticu koja se kreće
istovremeno deluju električno i magnetno polje, rezultujuća sila F biće:
BVeEeF
e – algebarski izraz naboja čestice, E - jačina električnog polja, V - brzina naboja, B - gustina
toka magnetnog polja [35].
2.5.4. Elektronska sočiva
Elektronska sočiva su sistemi elektroda određene simetrije sa električnim ili
magnetnim poljem ili sa njihovom kombinacijom, a deluju na snop elektrona slično kao što
optička sočiva deluju na zrak svetlosti. Elektronska sočiva se primenjuju za stvaranje oštro
fokusiranih snopova elektrona, kao u katodnom osciloskopu ili za dobijanje elektronskih
slika, kao u TV kameri, elektronskom mikroskopu. Svako električno ili magnetno polje koje
ima osu simetrije može stvoriti ili realnu ili virtuelnu elektronsku sliku predmeta. Predmet ili
sam emituje elektrone ili transmituje elektrone iz nekog drugog izvora elektrona. Prema tome,
osno-simetrično električno ili magnetno polje analogno je sfernim optičkim sočivima.
34
Međutim, elektronska sočiva razlikuju se od optičkih u tome što se indeks loma unutar
električnog sočiva kontinuirano menja (tj. brzina elektrona se stalno menja po iznosu i smeru
kad on prolazi kroz sočivo). Osim toga, u prisustvu magnetnog polja indeks loma zavisi ne
samo od položaja elektrona u prostoru već i od smera kretanja elektrona. Zato i nije moguće
oblikovati elektronska sočiva potpuno proizvoljno. Elektronska sočiva koja imaju samo
električno polje zovu se elektrostatička, a ona koja imaju samo magnetno polje su magnetna
sočiva. Elektrostatičko sočivo čini električno polje sa osnom simetrijom i ono deluje na snop
elektrona jednake brzine poput staklenog sočiva na snop monohromatske svetlosti. Osno-
simetrična sočiva obično nastaju uz kružne otvore na elektrodama ili između dva valjka (sa
zajedničkom osom) na pogodnim, različitim potencijalima. Dvopotencijalna ili inverziona
sočiva nemaju polja ni u prostoru predmeta ni u prostoru slike, ali su oba prostora na
različitom potencijalu. Elektrode takvih sočiva izrađene su posebnom preciznošću od
visokopoliranog nerđajudeg čelika. Ako je potencijal u nekoj tački unutar jednopotencijalnog
sočiva niži od potencijala izvora elektrona sočivo predstavlja elektronsko ogledalo. Ono može
biti divergentno i stvarati virtuelnu sliku ili konvergentno i stvarati realnu sliku što zavisi od
položaja u sočivu one ekvipotencijalne ploče od koje se odbijaju elektroni.
Magnetska sočiva predstavljaju magnetno polje sa osnom simetrijom, koje može
stvarati konvergentne snopove nabijenih čestica jednake brzine, odnosno stvarati slike
predmeta stavljenih u takve snopove. Ona se upotrebljavaju kao kondenzatori, objektivi i
projekciona sočiva u magnetnom elektronskom mikroskopu. Prava slika predmeta u
elektronskom sočivu postiže se samo za snopove uz samu optičku osu sočiva.
Zato moraju biti ispunjeni sledeći uslovi: predmet i slika trebaju biti mali, divergencija
zraka elektrona koji učestvuju u stvaranju slike treba da je mala, brzina elektrona jednolika,
gustina elektrona u svim tačkama staze elektrona mala, tako da se njihovo uzajamno odbijanje
može zanemariti. Osim toga sočiva moraju biti tačno izrađena, optičke ose uzastopnih sočiva
moraju se idealno podudarati, a visoki vakuum u uređaju stalno održavati.
Kako se ne mogu izbedi snopovi udaljeniji odnose sočiva neizbežne su aberacije tipa
sferne i hromatske aberacije. One smanjuju mod razlučivanja i kvalitet slike u elektronsko-
optičkim sistemima kakav je elektronski mikroskop. Detalji objekta koji se posmatra se ne
mogu raspoznati ako su manji od talasne dužine osvetljavajudeg snopa – zbog pojave
difrakcije i interferencije.
35
2.5.5. Skenirajući elektronski mikroskop (SEM)
Osnove rada skenirajućeg elektronskog mikroskopa sastoje se od skeniranja površine
ispitivanog uzorka vrlo precizno fokusiranim snopom elektrona. Uzorak se nalazi na nosaču u
komori mikroskopa, a izvor elektrona je katoda smeštena u emisionoj komori. Elektroni se
ubrzavaju na putu između katode i anode koje se nalaze pod visokim naponom. Elektroni se
dalje fokusiraju i usmeravaju pomoću magnetskih sočiva na površinu uzorka.
Slika 17. Šema osnovnih elemenata SEM-a
Komora i kolona elektronskog mikroskopa za vreme rada nalaze se pod niskim ili
visokim vakuumom. Prilikom kontakta elektrona sa površinom uzorka, događaju se razni
efekti koje koristimo za dobijanje slike i vršenje analize u SEM-u.
36
2.5.5.1. Osnovni tipovi detektora
Skenirajući elektronski mikroskop može koristiti tri osnovna tipa detektora:
-BSE (engl. Scondary Electron) - detektor sekundarnih elektrona,
-BSE (engl. Back Scatter Electron) - detektor povratnog raspršenja,
-EDS (engl. Energy Disperssive Spectrometer) - energijsko disperzivni spektrometar.
Slika 18. Prikaz tri osnovna tipa detektora
Prilikom sudara sa atomskim jezgrom atoma koji gradi uzorak, elektron iz
elektronskog snopa mikroskopa se može odbiti nazad. Takve odbijene elektrone nazivamo
elektroni povratnog raspršenja ili BSE (engl. Back Scatter Electron). Njih detektujemo
pomoću BSE (engl. Back Scatter Electron) detektora povratnog raspršenja. BSE pokazuje
uzorak u nijansama sive boje koje odgovaraju atomskim težinama atoma koji izgrađuju
uzorak. BSE detektor koristi se za proučavanje razlika u hemijskom sastavu uzoraka, a ujedno
smanjuje efekte izazvane nakupljanjem elektrona na površini uzorka (nabijanje).
Drugi važan efekt koji se događa u trenutku sudara elektrona iz snopa i uzorka je
izbijanje elektrona iz elektronskog omotača atoma iz uzorka. Te izbijene elektrone nazivamo
sekundarni elektroni ili SE (engl. Secondary Electrons). SE detektor prikazuje površinu
uzorka u velikoj rezoluciji, pa je posebno pogodan za proučavanje morfologije.
Kod izbijanja elektrona iz elektronskog omotača atoma, ostaje prazno tzv. vakantno
mesto, koje se popuni elektronom iz druge elektronske ljuske više energije.
37
Prilikom tog skoka elektrona emituje se jedan kvant energije ili X-zraka. Energija ovako
nastalog zračenja karakteristična je za svaki hemijski element. Ovu vrstu zračenja detektuje
treća vrsta detektora, EDS detektor (engl. Energy Disperssive Spectrometer). Ovaj detektor
služi za određivanje hemijskog sastava uzorka na temelju X zraka koje emituje uzorak pod
elektronskim snopom mikroskopa.
2.5.5.2. Komora za uzorke
Na Slici 19. je prikazana unutrašnjost komore za uzorke u kojoj je moguće analizirati
uzorke veličine do 20 x 8 cm. Uzorak koji se nalazi u komori je kuglični ležaj preseka 5-6 cm.
Slika 19. Unutrašnjost komore skenirajućeg elektronskog mikroskopa
Uzorak je fiksiran na nosač lepljivom bakarnom trakom bez prethodnih priprema i
obrada, a obzirom da je materijal čelik koji je provodan, nije bilo potrebno prethodno
naparavanjem zlatom ili ugljenikom.
Nosač uzorka se može pomerati u 5 različitih pravaca, odnosno moguće je pomeranje
uzorka napred-nazad, levo-desno, gore-dole, kao i rotiranje i naginjanje na neku stranu.
Kombinacijom rotacije i naginjanja uzorka, neki objekat je moguće posmatrati i analizirati iz
različitih projekcija [35-37].
38
2.5.5.3. Prednosti i nedostaci SEM-a
Prednosti SEM-a su:
1. Rezolucija - sposobnost da se "vide" veoma mali objekti;
2. Dubina polja - sposobnost da objekti različite "visine" na uzorkovnoj površini ostanu u
fokusu;
3. Mikroanaliza - sposobnost da se analizira sastav uzorka;
4. Jednostavan je za upotrebu;
5. Većina aplikacija zahteva minimalnu pripremu uzorka;
6. Daje podatke u digitalnom obliku što je od velike važnosti za prenos i manipulaciju
podataka.
Nedostaci SEM-a su:
1. Uzorci moraju biti čvrsti i moraju stati u mikroskopsku komoru;
2. Uzorak mora biti stabilan u vakuumu. Tečni uzorci i materijali koji sadrže vodu ne mogu se
ispitivati u konvencionalnom SEM-u. Za to se koriste specijalizovani SEM-ovi. Praškasti
uzorci, moraju se fiksirati na supstrat držača tako da ne zagade SEM komoru; Materijali koji
nisu pokretni moraju se montirati na pokretni uzorak i prevući tankim filmom kao npr. Au, Pt,
Pd...;
3. EDS detektori na SEM-u ne mogu detektovati lake elemente (H, He i Li);
4. Potrebna je posebna obuka za upravljanje SEM-om;
5. SEM se mora postaviti u prostoriju u kojoj je nema električnog i magnetnog delovanja, ni
uticaja vibracija;
6. Mali rizik od izlaganja radijaciji;
7. SEM je vrlo skup.
39
2.5.5.4. Primena SEM-a
Skenirajući elektronski mikroskop je idealan uređaj za snimanje prelomnih površina
svih vrsta materijala (metali, tekstili, prirodni materijali itd.). Njegovom primenom uspešno
ulazimo u svet bio-, nano- i mikrotehnologije. Kod SEM-a je moguća i analiza hemijskog
sastava prelomne površine registrovanjem rendgenskog zračenja prelomne površine.
Najčešća primena SEM-a:
1. Područje tekstilne industije - istraživanje vlakana i tekstilnih materijala;
2. Forenzika-balistička analiza gde se utvrđuju i morfološki oblik i hemijski sastav svake
pojedine analizirane GSR čestice (GSR čestica - mikroskopske čestice koje nastaju isključivo
kod pucanja i sadrže tri hemijska elementa Ba, Sb i Pb);
3. Mašinstvo - fraktografija (analizom prelomne površine, pokušava se utvrditi uzrok loma);
4. Biologija,
5. Medicina i stomatologija - posmatranje sveta bakterija i virusa, makromolekula i mnogih
pojedinosti strukture organizma.
6. Različite geološke discipline (mineralogija, petrologija, kristalografija, paleontologija);
7. Fizika;
8. Hemija;
9. Elektrotehnika;
10. Industrija stakla, keramike i porculana;
11. Prehrambena industrija;
12. Arheologija i zaštita spomenika kulture itd.
2.5.5.5. Priprema uzorka
Uzorke za SEM analizu treba najpre očistiti od čestica prašine, vlakana papira,
nevezanih ili slabo vezanih čestica u uzorku, zamašćenih delova, otisaka prstiju i slično. Oni
se čiste u laboratoriji, uglavnom se uranjaju u etanol i nekoliko minuta drže u ultrazvučnoj
kadi, a zatim se suše pod običnom lampom. Nakon čišćenja uzorci ne smeju biti dodirivani
golim rukama, tj. obavezno je korišćenje rukavica.
40
Čišćenje uzoraka je neophodno da ne bi došlo do kontaminacije mikroskopa
zamašćenim delovima ili nevezanim česticama sa uzorka, obzirom na to da mikroskop radi u
visokom vakuumu koji može "usisati" nevezane čestice ili uzrokovati isparavanje masnoće.
Imajući u vidu da se analiza materijala izvodi pod elektronskim snopom, ispitivani
uzorak mora biti provodljiv, kako ne bi došlo do zagrevanja i naelektrisanja uzorka. Kako
većina nevodenih materijala ne provodi struju, uzorak je potrebno prethodno napariti, tj.
prekriti tankim slojem (15-20 nm) vodenog materijala. Naparavanje uzoraka zlatom i/ili
paladijumom se češće koristi kada je potrebno dobiti SEM snimak na nepoliranim
(neobrađenim) uzorcima, obzirom na to da zlato ili paladijum daju bolji kontrast slike, bolje
se ističu nagibi, pore i druge morfološke karakteristike uzorka. Naparavanje uzoraka
ugljenikom uglavnom se koristi za polirane površine, kada gotovo ne postoji morfologija
uzorka, a ispitivanje se izvodi u svrhu hemijske analize [36,37].
Praškasti i sitnozrni materijali se obično nanose na aluminijski nosač debljine 1 cm, preko
kojeg je zalepljena dvostruka lepljiva grafitna traka (provodni materijal). Pojedine praškaste
materijale ili koloidne čestice moguće je naneti iz rastvora, tako što se nanese kap rastvora
direktno na odabrani nosač (npr. staklo) i ostavi nekoliko minuta da rastvarač ispari pod
lampom [36,37].
Slika 20. Uređaj za naparavanje uzoraka
SEM metoda je uglavnom nedestruktivna. Do delimične promene na površini uzorka
može doći prilikom naparavanja uzorka provodnim hemijskim elementima, obzirom da ovaj
provodni električni sloj nije moguće u potpunosti ukloniti sa neravnih površina nakon analize.
U slučaju kada nije dozvoljena bilo kakva promena na nekom materijalu (npr. arheološki
predmeti, nakit, uzorci koji će biti dalje ispitivani drugim metodama i slično), takav uzorak je
moguće analizirati u niskom vakuumu bez prethodnog naparavanja. Uzorci koji nisu stabilni u
visokom vakuumu (npr. meka biološka tkiva) takođe mogu biti analizirani zahvaljujući
mogućnosti rada mikroskopa u uslovima niskog vakuuma.
41
Za pouzdanu kvantitativnu hemijsku analizu neophodno je dobijanje visoko poliranih
površina uzoraka, što podrazumjeva delomično razaranje materijala.
2.5.6. Difrakciona analiza x-zraka (XRD)
2.5.6.1. Otkriće
Otkriće X–zraka se smatra važnim datumom u razvoju fizike. To je događaj kojim se
pored ostalih označava prelaz iz doba klasične u savremenu fiziku. Kako su do tada bile
nepoznate osobine (npr. vrednost talasne dužine) ovih zraka, označeni su nepoznatom "X".
Kasnije se dokazalo da talasna dužina ovih zraka pripada spektru talasnih dužina
elektromagnetnog zračenja. Prema klasičnoj teoriji elektromagnetno zračenje nastaje
ubrzavanjem ili usporavanjem kretanja naelektrisanih čestica. Kad se elektroni, koji se kreću
velikim brzinama, naglo zaustave prilikom sudara sa čvrstim telom, stvara se naročito
prodorna radijacija, mnogo prodornija od vidljive svetlosti. Tu radijaciju je otkrio K. W.
Röndgen 1895. godine izučavajući pojave pražnjenja u katodnoj cevi i nazvao ih je X–
zracima (mi ih u njegovu čast danas nazivamo rendgenskim zracima) [40].
Slika 21. Prva slika rengenskih zraka snimljena 1896. godine
Kada je Rendgen pokrio katodnu cev crnom hartijom i vršio eksperimente u
zatamljenoj prostoriji, primetio je na jednom delu stola jaku zelenu svetlost. Rendgen je prvo
pomislio da su katodni zraci uzrok tog svetlucanja, ali se ubrzo uverio da je uzrok sasvim
drugi. Da bi ispitao otkud nastaje svetlucanje, načinio je jedan fluorescentni zastor, pa je
između njega i katodne cevi postavljao razne predmete. Zastor je svetleo bez obzira na to da li
je Rendgen stavljao knjige, metalne ploče ili druge predmete ispred njega.
42
Tek kada je stavio olovnu ploču, svetlucanje je nestalo. Kada je jednom prilikom
stavio svoju ruku, zapazio je iznenađujući fenomen, kosti njegove ruke mogle su se tačno
videti na zastoru.
Ubrzo zatim je zastor zamenio fotografskom pločom, a umesto ruke ispred ploče je
stavljao različite predmete. Na razvijenim fotografskim pločama su se pojavile konture
predmeta. Tako je došao do zaključka da sva tela propuštaju zrake, ali različito. Prodornost
zraka kod iste debljine sloja zavisi od gustine materijala.
Eksperimenti sa različitim materijalima u obliku prizmi ne pokazuju nikakvo
prelamanje X-zraka, čime se i objašnjava da se ovi zraci ne mogu fokusirati pomoću staklenih
sočiva. Kada je osetljivi sloj fotografske ploče, koja je prethodno zaštićena crnom hartijom od
svetlosti, pokrio sjajnim listićima platine, olova, cinka i aluminijuma u rasporedu zvezde tako
da je manji deo ploče bio nepokriven i stakleni deo ploče okrenuo prema x-zracima, zapazio
je da je fotografska ploča posle razvijanja bila više crna na mestima pokrivenim platinom i
olovom, a još izraženije crna na mestu cinka. To dokazuje da ovi metali reflektuju X-zrake.
Takođe je dokazao da X-zraci ne skreću u prisustvu magnetnog ili električnog polja.
Proučavajući X-zrake pomoću optičkih rešetki nije zapazio pojavu difrakcije i interferencije
zbog, što se kasnije pokazalo, malih talasnih dužina ovih zraka. Danas se X–zraci proizvode u
vakuum cevi sa naponom od 30 do 150 kV [40,41].
2.5.6.2. Opšte karakteristike rendgenskih zraka
X–zraci se obično proizvode u gasnim ili termoelektronskim cevima. Cev za dobijanje
X-zraka sadrži dve elektrode (katodu – K i anodu ili antikatodu – A). Katoda se greje da bi se
pospešilo dobijanje elektrona termoemisijom. Cev je priključena na visok napon da bi se
elektroni koji se oslobađaju sa katode ubrzali na svom putu ka anodi i tako postigli veću
energiju. U cevi se mora ostvariti nizak pritisak (vakuum) da gasovi ne bi ometali prolazak
elektrona od katode ka anodi. Anoda ima površinu nagnutu pod uglom od 45o prema pravcu
kretanja elektrona.
Ta nagnuta površina služi za zaustavljanje elektrona odnosno kao izvor X–zraka. Zbog
stalnog „bombardovanja“ elektronima dolazi do zagrevanja anode. Pri tome se samo oko 1%
energije snopa elektrona pretvara u energiju X–zračenja, a ostalo u toplotu.
43
Generalni problem kod stvaranja X–zraka je hlađenje anode. Hlađenje se može postići
na više načina: strujanjem vode kroz šuplju anodu, ukoliko učestalo prekidamo stvaranje X–
zraka da bi se ona putem vazduha ohladila, ukoliko anodu načinimo u obliku diska koji se vrti
(tako bi dobilo da elektroni uvek udare o drugo mesto i ne bi toliko brzo zagrevala) i slično.
Kod gasnih cevi unutrašnji pritisak gasa iznosi oko 0,001 mbar, a razlika potencijala
između katode i anode je obično reda 30 – 50 kV [40,41]. Na slici 22. je principijalno
predstavljena rendgenska (gasna) cev za dobijanje X–zraka. Elektroni izbijeni iz katode i
ubrzani u električnom polju, udaraju u anodu i u procesu njihovog usporavanja dolazi do
emisije X-zraka. Katoda je obično takvog oblika (konkavna) da bi se katodni zraci (elektroni)
fokusirali na antikatodu. X–zraci se od antikatode prostiru na sve strane.
Slika 22. Prikaz gasne cevi
Kod termoelektonske ili Kulidžove rendgenske cevi koristi se usijana katoda, koja
emituje elektrone (termoelektronska emisija), Slika 23. U Kulidžovoj cevi se takođe ostvaruje
nizak pritisak da bi se sprečilo ometanje kretanja elektrona.
Katoda je načinjena od spiralnog metalnog vlakna koji se može usijati posebnim
malim električnim izvorom. Usijana katoda vrši termojonsku emisiju, odnosno oslobađa
elektrone koji se ubrzavaju snažnim električnim poljem između katode i anode, koja se pravi
od različitih materijala kako bi dobili različite talasne dužine karakterističnog X- zračenja.
Električno polje se između katode i anode održava pomoću električnog napona reda
10-1000 kV [40,41]. Oko katode se obično postavlja metalni cilindar ili katoda (W) koja
deluje električnim silama na elektrone jer je vezan na mali negativni potencijal. Na taj način
se elektroni, koji bi se inače kretali divergentno, usmeravaju ka jednoj tački anode. Usled
visokog napona eletroni dobijaju veoma velike brzine sa kojima padaju na anodu, a iz mesta
pada zrače X–zraci. Intenzitet izračenih X–zraka se podešava usijanjem katode.
44
Ukoliko se katoda zagreje na višu temperaturu, broj oslobođenih elektrona je veći, te
je veći i intenzitet dobijenih X–zraka. Uopšteno, Kulidžove cevi su mnogo stabilnije od
gasnih, jer mogu da rade pri većem naponu.
Slika 23. Prikaz Kulidžove cevi
Novi tip cevi za X–zrake je razvijen 1941. godine, on se naziva betatron. U njemu se
elektroni ubrzavaju indukovanim električnim poljem koje se stvara od vremenski
promenljivog magnetnog polja. Mnogi betatroni rade sa krajnjim energijama elektrona od oko
100 MeV, tako da se dobijaju veoma prodorni X–zraci male talasne dužine. Ovi zraci se
koriste za nuklearne eksperimente [40,41].
Možemo da razlikujemo meke X–zrake (sa talasnim dužinama oko 100 Å) i tvrde X–
zrake (sa manjim talasnim dužinama oko 1 Å = 10-10 m) u zavisnosti od vrednosti napona
(pri nižim vrednostima napona dobijamo mekše) [39].
45
2.5.6.3. Osobine x–zraka
Pod osobinama X–zraka podrazumevamo:
1. refleksiju i refrakciju X–zraka
2. prolaženje X–zraka kroz materiju:
a) apsorpcija X–zraka
b) rasejavanje X–zraka
3. Difrakcija
Onovni efekti koje X-zraci mogu izazvati u interakciji sa materijom su:
1. fotohemijski (kada zrak padne na materiju izaziva u njoj hemijsku reakciju; prefiks foto
upućuje na to da se radi o procesima koji nastaju u interakciji fotona i materije)
2. fosforescencija i fluorescencija (Luminescencija je termin koji označava emisiju svetlosti
ne na osnovu energije termičkog kretanja uz pretvaranje energije nekog drugog porekla u
svetlosnu. Na osnovu dužine poluživota stanja, luminescenciju delimo na fosforescenciju i
fluorescenciju. Kod fluorescencije dužina trajanja po prestanku rada izvora je reda veličine
10-8
s dok je kod fosforescencije od 10-4
s do nekoliko minuta).
3. jonizacioni efekti (izbijanje elektrona iz atoma anode, pri čemu se anoda jonizuje i postaje
pozitivno naelektrisana).
2.5.6.4. Difrakcija x–zraka
Kao što je napred rečeno, X–zraci pripadaju spektru elektromagnetnih talasa i time
poseduju dualnu prirodu. 1899. godine izvedeni su prvi eksperimenti difrakcije X–zraka na
uskom razrezu širine od nekoliko desetih delova nm [40,41].
Ovi eksperimenti su vrlo teško izvodljivi, zbog male talasne dužine X–zraka prorez mora
biti veoma uzak (reda veličine talasne dužine, tj. 0,01 – 0,1 nm, što je nekoliko hiljada puta
manje od talasne dužine vidljive svetlosti).
Laue je prvi, 1912. godine, došao na ideju da bi se atomi ili molekuli u kristalnoj rešetci
mogli upotrebiti za difrakciju talasa sa tako malim talasnim dužinama kao što su X–zraci.
46
Koristeći se Laueovom sugestijom, Fridrig i Kniping su 1912. godine izveli difrakciju
X–zraka na monokristalu ZnS. Uzan snop X–zraka prolazio je kroz tanak kristal ZnS iza koga
je bila postavljena fotoploča. Difrakciona slika koja je dobijena na fotoploči imala je
centralnu mrlju, koja potiče od neskrenutih X–zraka i seriju difrakcionih mrlja raspoređenih
oko te centralne mrlje. Očigledno je da je najveći deo snopa X–zraka prošao kroz kristal bez
difrakcije, a manji deo pretrpeo skretanje po određenim zakonitostima, s obzirom da su
difrakcione mrlje bile simetrično raspoređene oko centralne mrlje. Ovim je potvrđeno da X–
zraci imaju malu talasnu dužinu i da kristali imaju uređenu strukturu [41].
Posle pionirskog rada Lauea sa difrakcijom na monokristalima, došlo je do naglog
razvoja ovog naučnog pravca, najviše zahvaljujući fizičarima William H. Bragg i William L.
Bragg, ocu i sinu. Poseban doprinos je dao sin Lawrence sa teorijskim objašnjenjem
nastajanja difrakcionih mrlja svodeći ovu pojavu na refleksiju X-zraka sa kristalnih ravni i
njihovu interferenciju, čime je tri Laueova uslova difrakcije objedinio u jedan. Prema njemu u
kristalu se mogu definisati različiti skupovi kristalnih ravni koje obrazuje veliki broj atoma.
Na slici je predstavljena dvodimenziona slika nizova atoma, gde sami možemo definisati
veliki broj kristalnih ravni povlačenjem linija kroz neke čvorove (atome).
Slika 23. Prikaz dvodimenzione slike nizova atoma
Snop X-zraka pada pod određenim uglom θ na jedan od različitih skupova ravni sa
međusobnim rastojanjem d.
Slika 24.. Prikaz refleksije X-zraka
47
Prema zakonu refleksije, ovi zraci se odbijaju pod uglom koji je jednak upadnom.
Dva zraka koji padaju na prvi i drugi sloj, odbijaju se i potom interferiraju. Sa Slike 24. je
očigledno da drugi zrak prelazi duži put. Ta razlika u putu iznosi abc = 2d sinθ . Da bi
došlo do pozitivne interferencije, odnosno nastajanja difrakcione mrlje, ova razlika mora
biti jednaka celobrojnom umnošku talasne dužine abc = nλ .
Kombinacijom poslednja dva izraza dobijamo uslov za difrakciju X-zraka:
nλ = 2d sinθ
gde je: n – ceo broj i ujedno označava red refleksije (spektra). Ovaj izraz je u čast ocu i
sinu nazvan Bragovom formulom.
Kada je n = 1, razlika u putanji između talasa koji su reflektovani od bilo koje dve
susedne atomske ravni je jedna talasna dužina. Za ovaj slučaj je λ = 2d sinθ1, i nastali
refleks nazivamo refleksom prvog reda. Za n = 2 jednačina je 2λ = 2d sinθ2, a to je
refleksija drugog reda za istu talasnu dužinu ali pri uglu θ2 koji je veći od θ1 [41].
Slika 25. Prikaz izbora ravni
2.5.6.6. Difrakcija na kristalnom prahu
Veliki broj supstanci oko nas se javlja u kristalnom obliku. Kako je građa kristala
svojstvena svakoj materiji u kristalnom stanju, tako je i difrakciona slika svojstvena toj
materiji. Stoga, primenom određenih tehnika snimanja difrakcione slike, možemo uraditi
kako kvalitativnu (odrediti o kojoj materiji se radi) tako i kvantitativnu analizu (odrediti
udeo različitih materija u nekoj smeši),a moguće je i određivanje kristalne strukture
jedinjenja.
48
Veliki broj materijala, kao što su metali, grafit, kuhinjska so i slično imaju polikristalnu
strukturu, tj. sačinjava ih ogroman broj malih monokristala, koje nazivamo kristalitima, koji
su proizvoljno orijentisani u prostoru. Takvo stanje u kristalografiji se naziva kristalni prah
(ili polikristal), takvi materijali se mogu izučavati pomoću metoda koje se nazivaju metodama
praha.
Ako se kroz tanak sloj kristalnog praha propusti uzan snop monohromatskih X–
zraka, tada će se u opštem slučaju, odnosno u odsustvu privilegovanog pravca, zbog
potpune haotičnosti u orijenraciji kristalita u uzorku uvek naći i kristaliti koji u odnosu na
upadno zračenje leže pod uglom koji zadovoljava Bragov uslov za refleksiju: nλ = 2d sinθ
[41].
Pri tome reflektovani zraci idu duž obvojnice konusa čiji je ugao otvora 4θ, pošto
reflektovani zraci uvek skreću od prvobitnog pravca za ugao 2θ.
Ukoliko se iza uzorka, normalno na pravac upadnog snopa, stavi film, zraci koji
pripadaju jednom konusu ostavljaju na filmu tragove eksponiranja u obliku kružnog
prstena sa centrom u mrlji od nedifraktovanog X-zračenja i svaki prsten odgovara
određenom skupu paralelnih atomskih ravni (d) i određenom redu refleksije (n).
Preparat se pravi u vidu uskog valjka, koji za vreme snimanja refleksija (difrekcije)
lagano rotira oko svoje ose, kako bi što veći broj kristalita učestvovao u refleksiji i kako bi
dobili kvalitetniji snimak.
Slika 26. Princip rada difraktometra za prah
49
3. Eksperimentalni deo
50
3.1. Metodološki pristup eksperimentalnoj proceduri, predmet i
ciljevi
Predmet ovog master rada je sinteza/priprema kompozita (ovde je u razvoju) iz
biomaterijala (organske faze) - paukove mreže (SS) i neorganske komponente - TiO2, koji se
sintetiše modifikacijom poznate metode sinteze nanostrukturnih materijala, zatim ispitivanje
strukturnih i morfoloških svojstava dobijenog (kompozitnog) materijala/kompozitne smeše,
kao značajnih fizičko-hemijskih karakteristika finalno dobijenog kompozita/kompozitne
smeše - materijala, te ispitivanje njegove aktivnosti u test reakciji fotokatalitičke konverzije
organske boje kristal violet (KV) tokom vremena uz korišćenje UV tretmana, pri različitim
primenjenim energijama zračenja. Strukturna svojstva sintetisanog kompozita/kompozitne
smeše tipa TiO2-SS-T određivana su primenom X-zračne difrakcione metode (XRD), a
morfološka upotrebom Skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM). Pomenute metode
fizičko-hemijske karakterizacije kompozita/kompozitne smeše mogu dati podatke o strukturi
potencijalno (foto)katalitički i antimikrobno aktivnog kompozitnog materijala/smeše tipa:
neorganska faza-organska faza (o prisustvu pojedinih kristalnih faza koje mogu biti i
(foto)katalitički aktivne, njihovom udelu i veličini kristalita/zrna), kao i morfologiji reljefa
površine materijala. Karakteristike pomenutog materijala mogu imati značajan uticaj na
finalne katalitičke performanse u test reakciji. Status fizičko-hemijskih svojstava dizajniranog
i sintetisanog kompozita (u razvoju) tipa TiO2-SS-T, kao i optimizacija odabranih procesnih
parametara mogu biti od značaja za postavljanje i realizaciju istraživanja na temu primene
ovog novog kompozitnog materijala/kompozitne smeše u fotokatalizi i zelenoj hemiji za
tretmane - prečišćavanje tečne i gasovite faze (vode i vazduha). Postojanje titan(IV)-oksida u
kompozitu/kompozitnoj smeši na paukovoj mreži može da obezbedi povoljnu antimikrobnu
aktivnost kompozitnog materijala, zbog čega bi se on mogao daje ispitivati i primenjivati u
(bio)medicini i/ili stomatologiji.
51
3.2. Sinteza kompozitnog materijala/(smeše) tipa TiO2-SS-T
Titan(IV)-oksid je dobijen modifikovanom metodom kontrolisane hidrolize alkoksida,
tokom sinteze je vršena i simultana tzv. vlažna i suva impregnacija (vlakana) paukove mreže.
Kao prekursor za titan(IV)-oksid je korišćen titan(IV)-izopropoksid. Tokom procesa sinteze,
pH vrednost rastvora podešena i održavana na 12-13 dodavanjem 1M rastvora NaOH. Nakon
taloženja titan(IV)-hidroksida, izvršena je filtracija taloga, a potom ispiranje destilovanom
vodom i izopropanolom, te sušenje i aktivacija na različitim temperaturama: 25, 110, 190 i
450 °C tokom 3 h. Temperature od 25 i 110 °C su izabrane jer odgovaraju radnim uslovima,
kao i standardnoj temperaturi za sušenje materijala, pri kojoj se ne očekuje narušavanje
strukture biomaterijala – vlakana paukove mreže. Na temperaturi od 190 °C se raskidaju slabe
vodonične veze proteina iz vlakana paukove mreže, te je ova temperatura odabrana kao jedna
od mogućih graničnih za dobijanje materijala željene strukture, koji bi mogao imati izvesna
fizičko-hemijska svojstva i aktivnosti. Temperatura od 450 °C je izabrana u cilju postizanja
odgovarajuće kristalne strukture titan(IV)-oksida, te dobijanja kompozitne smeše i/ili
(pre)pokrivanja vlakana paukove mreže titan(IV)-oksidom.
3.3. Ispitivanje strukture kompozitnog materijala/(smeše) tipa
TiO2-SS-T
Ispitivanje strukturnih svojstava podrazumeva određivanje kristalne strukture materijala,
u ovom slučaju, kompozita/kompozitne smeše tipa TiO2-SS-T. Podaci o kristalnoj strukturi
ovog materijala ukazuju na prisustvo pojedinih, konkretnih kristalnih faza. Kristalna struktura
određivana je metodom difrakcije X-zraka (XRD) na instrumentu Philips APD-1700
difraktometru, koji radi sa bakarnom antikatodom i monohromatorom na 40 kV i 55 mA.
Upotrebom navedene metode i odgovarajućih jednačina za izračunavanje, određuju se udeli
konkretnih, pojedinačnih kristalnih faza kompozitnog/(kompozitne smeše) materijala; a u
konkretnom slučaju, postojanje i/ili odsustvo anataza, rutila i brucita.
52
3.4. Ispitivanje morfologije kompozitnog materijala/(smeše) tipa
TiO2-SS-T
Skenirajuća elektronska mikroskopija je metoda koja je upotrebljena za ispitivanje
morfologije (reljefa) površine i stepena aglomeracije sintetisanog kompozitnog
materijala/(kompozitne smeše) tipa TiO2-SS-T. Korišćen je instrument-elektronski mikroskop
SEM JOEL JSM-6460 LV. Primenjena su uvećanja od 2.00 do 80.00 k; stepen razdvajanja: 5
nm. Upotrebljene brzine snimanja su: 3 i super-fina brzina, 4.
3.5. Ispitivanje/testiranje kompozitnog materijala/(smeše) tipa
TiO2-SS-T u fotokatalizi
Izvedena je test reakcija ispitivanja potencijalne fotokatalitičke aktivnosti sintetisanog
kompozitnog materijala/(kompozitne smeše) tipa TiO2-SS-T uz primenu UV zračenja
određenog intenziteta i talasne dužine; ispitivana je mogućnost fotokatalitičke konverzije
odabrane organske boje kristal violet.
Test adsorpcije organske boje KV na površini kompozitnog materijala/kompozitne smeše,
u mraku, prethodio je fotokatalitičkom ispitivanju/testiranju u cilju razgraničenja procesa
potencijalne adsorpcije model polutanta od fotokatalitičkog procesa. Fotokatalitički proces
izveden je u UV reaktoru uz korišćenje UV zračenja talasne dužine 254 nm, intenziteta
zračenja 730 µW•cm-2
kada su uključene 2 UV lampe i 1950 µW•cm-2
kod upotrebe 10 UV
lampi, te primenom različitog broja UV lampi (2 i 10), radne snage od 28 do 280 W, radi
konverzije organske boje KV inicijalne koncentracije 0,01 mmol/dm3 do manje štetnih ili
potpuno benignih jedinjenja. U cilju praćenja promene koncentracije KV boje tokom vremena
fotokatalitičkog procesa, korišćen je UV/VIS spektrofotometar, tipa Schimadzu Co.
53
4. Rezultati i diskusija
54
4.1. Fizičko-hemijska karakterizacija materijala
4.1.1. Strukturna svojstva
Na osnovu snimljenih X-zračnih difraktograma dobijenog materijala tipa titan(IV)-
oksid/paukova mreža (TiO2 – SS) (Slika 4.1. a)-c)), može se uočiti da je materijal (uglavnom)
amorfan, tačnije da ne postoje difrakcioni pikovi/ravni koje potiču od titan(IV)-oksida, kada
je pripremljeni materijal (TiO2 - SS) termijski tretiran u intervalu temperatura od 25 do 190
°C. Difrakcioni pikovi/makimumi koji se javljaju na/pri vrednosti Bragg-ovog ugla oko 22 °
ukazuju na prisustvo-komponentu paukove mreže. Navedeno se može objasniti činjenicom da
su primenjene niske temperature termijskih tretmana, te verovatno zbog toga nije došlo do
formiranja kristalnih faza titan(IV)-oksida. Sa druge strane, može se predpostaviti da
eventualno može nastati veoma mala količina kristalne faze titan(IV)-oksida, kada se
materijal tretira na najvišoj temperaturi u intervalu navedenih temperatura, te ista nije mogla
biti detektovana X-zračnom difrakcijom (tzv. “XRD amorfna faza”).
Slika 4.1. X-zračni difraktogrami: a) TiO2-SS-25; b) TiO2-SS-110; c) TiO2-SS-190
a)
b)
c)
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
100
200
300
400
Inte
nsity (
a.u
.)
2()
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
100
200
300
Inte
nsity (
a.u
.)
2()
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
50
100
150
200
250
300
Inte
nsi
ty (
a.u
.)
2()
55
Primenom termijskog tretmana na temperaturi od 450 °C, dobijen je titan(IV)-oksid
određene kristalne strukture na površini paukove mreže bez narušavanja strukture vlakana
biomaterijala, verovatno u kompozitnoj smeši, jer bi u suprotnom, organska faza mogla biti
razgrađena na temperaturi od 450 °C (Slika 4.2. d). Radi poređenja fizičko-hemijskih
svojstava originalnog titan(IV)-oksida i kompozitnog materijala/kompozitne smeše tipa TiO2
– SS, izvršena je sinteza odgovarajućeg nemodifikovanog oksida, koji je termijski tretiran na
istoj temperaturi (Slika 4.2. e).
d)
e)
Slika 4.2. X-zračni difraktogrami: d) TiO2-SS-450; e) TiO2-450 (JCPDS 84-1286)
Na X-zračnim difraktogramima prikazanim na Slici 4.2. se mogu uočiti difrakcioni
pikovi/ravni određenih Miller-ovih indeksa, koji odgovaraju anataz kristalnoj fazi TiO2.
Očigledno je da je u kristalnoj strukturi ovako dobijenog titan(IV)-oksida i materijala tipa
TiO2-SS-450, isključivo prisutna anataz kristalna faza (zapreminski udeo 100%), što dalje
može da implicira mogućnost upotrebe ovih materijala kao obećavajućih fotokatalizatora u
procesima prečišćavanja tečne i gasovite faze. Detektovani X-zračni difrakcioni pikovi kod
nanostrukturnog TiO2/nanopraha na bazi titan(IV)-oksida su nešto širi, što potvrđuje
postojanje kristalita vema malih dimenzija na nano-skali (Slika 4.2. e)). Primenom Scherrer-
ove jednačine je izračunato da veličina kristalita anataza iznosi do 20 nm. Na osnovu
dobijenih rezultata o kristalnoj strukturi materijala tipa TiO2-SS-450, te prisustvu anataz
kristalne faze titan(IV)-oksida, kao i o veličini kristalita do tzv. granične vrednosti, može se
očekivati da se kompozitni material/kompozitna smeša TiO2-SS-450, kao i titan(IV)-oksid,
može primenjivati i testirati kao (efikasan) potencijalni fotokatalizator.
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
0
100
200
300
400
(11
2)
(10
3)
(11
8)
(21
1)
(10
5)
(20
0)
(00
4)
Inte
nsity (
a.u
.)
2()
(10
1)
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
0
200
400
600
(21
5)
(22
0)
(11
6)
(11
8)
(21
1)
(10
5)(20
0)
(11
2)
(10
3) (0
04
)
(10
1)
Inte
nsity (
a.u
.)
2()
56
4.1.2. Morfološka svojstva
Na Slici 4.3., prikazan je reljef površine materijala tipa TiO2-SS-T nakon tretmana na
različitim temperaturama, snimljen SEM metodom, uz korišćenje različitih uvećanja (od 2.00
do 80.00 k).
a1)
a2)
b1)
b2)
c1)
c2)
d)
Slika 4.3. SEM mikrografi materijala pri različitim uvećanjima:
a1-a2) TiO2-SS-25;
b1-b2) TiO2-SS-110; c1-c2) TiO2-SS-190; d) TiO2-SS-450
57
Sa Slike 4.3. sa SEM mikrografa se vidi da je paukova mreža pokrivena slojem
titan(IV)-oksida. Kompozitna smeša/(kompozit) titan(IV)-oksid/biomaterijal-paukova mreža
je dobijen potpunim pokrivanjem paukove mreže nanočesticama, nanostrukturnog titan(IV)-
oksida, termijski tretiranog na temperaturi od 450 °C (Slika 4.3. d), pri čemu se ne zapažaju
varijacije u debljini prevlake, kao ni naprsline na materijalu/kompozitnoj smeši. Uočava se
veliki broj primarnih čestica titan(IV)-oksida dijametra do 20 nm, što je u saglasnosti sa
rezultatima dobijenim primenom XRD instrumentalne tehnike. Sa druge strane kod uzoraka
kompozita/kompozitne smeše tipa TiO2-SS-T, termijski tretiranih na temperaturama od 110 i
190 °C (Slika 4.3. b1-2) i c1-2)), nije uočena potpuna pokrivenost vlakana paukove mreže,
kao ni homogenost u distribuciji čestica po veličini. Kod materijala TiO2-SS-25, osušenog na
sobnoj temperaturi, uočava se najnepravilnija i najnepotpunija pokrivenost vlakana paukove
mreže, kao i veoma krupne čestice na površini (Slika 4.3. a1-a2)).
Snimljeni i prikazani SEM mikrografi kompozitnog materijala/kompozitne smeše
TiO2-SS-450 ukazuju na činjenicu da je sintetisan materijal, koji se karakteriše homogenom
pokrivenošću vlakana paukove mreže i tipičnim sferičnim česticama titan(IV)-oksida
dimenzija zrna do 20 nm, te se očekuje moguća fotokatalitička efikasnost ovog kompozitnog
materijala/kompozitne smeše u test reakciji konverzije odabrane organske boje, kristal violet
(KV) u model rastvorima u cilju prečišćavanja tečne faze. Postojanje titan(IV)-oksida u
kompozitu/kompozitnoj smeši na paukovoj mreži može da se testira i u domenu antimikrobne
aktivnosti.
4.2. Primena – testiranje kompozita/kompozitne smeše
TiO2-SS-450 u fotokatalizi
Na grafičkom prikazu 4.4., predstavljene su krive fotokatalitičke konverzije KV boje
tokom vremena UV tretmana, pri različitim primenjenim energijama zračenja. Radni uslovi
fotokatalitičkog procesa su: masa kompozitnog materijala/kompozitne smeše: 45 mg;
inicijalna koncentracija KV boje – model polutanta: 0,01 mmol/dm3; talasna dužina
upotrebljenog UV zračenja: 254 nm; snaga UV zračenja: 28 i 280 W.
58
Slika 4.4. Promena koncentracije KV boje tokom vremena UV tretmana u fotokatalitičkom procesu
pri različitim energijama UV zračenja
Na osnovu rezultata prikazanih na Slici 4.4., sledi da bi primena
kompozita/kompozitne smeše tipa TiO2-SS-450 mogla dati obećavajući proces u fotokatalizi
u smislu efikasnog procesa konverzije odabrane organske boje iz model vodenog rastvora.
Očigledno je da je efikasniji proces fotokatalitičke konverzije KV boje ukoliko se primeni
veća snaga/energija UV zračenja, koncentracija KV boje se redukuje do
obezbojenja/(koncentracija približno 0 mmol/dm3) za samo 15 min tretmana, iako sa
ekonomske tačke gledišta ovaj proces ne mora da bude rentabilan (utrošak energije).
4.3. Primena – antimikrobna svojstva kompozita/kompozitne
smeše TiO2-SS-450
Izvršeno je kvalitativno - preliminarno testiranje antimikrobne aktivnosti
kompozita/kompozitne smeše tipa TiO2-SS-450 prema odabranim gram-pozitivnim i gram-
negativnim sojevima bakterija (standardnim metodama), kada je registrovana redukcija
ispitivanih bakterijskih vrsta (Staphylococcus aureus i Escherichia coli) tokom kontaktiranja
sa uzorcima kompozitnog materijala/kompozitne smeše titan(IV)-oksid – paukova mreža.
Napomena: Odabrani i prikazani rezultati određivanja strukture i morfologije (novog) kompozitnog
materijala/kompozitne smeše (TiO2-SS-T) su prikazani u manjoj rezoluciji i u redukovanom formatu da bi mogli
biti korišćeni za pripremu i štampu budućih naučno-istraživačkih publikacija.
59
5. Zaključak
60
Na osnovu prikazanih i diskutovanih rezultata eksperimenata, mogu se izvući sledeći
zaključci:
- kompozit/(kompozitna smeša) u razvoju – materijal tipa titan(IV)-oksid/paukova
mreža može se dobiti relativno jednostavnom procedurom, primenom i modifikacijom
poznatih metoda za sintezu nanostrukturnih materijala;
- kompozit/kompozitna smeša koji/koja je ovde istraživan/-a i razvijan/-a – materijal
tipa titan(IV)-oksid/paukova mreža je tretiran termijskim tretmanima na različitim
temperaturama, te je praćen uticaj temperature na sintezu i aktivaciju materijala;
nakon primene temperature od 450 °C, dobijena je željena kristalna struktura
titan(IV)-oksida na vlaknima paukove mreže (verovatno izvesni tip kompozitne
smeše);
- postignuta je homogena pokrivenost vlakana paukove mreže sintetisanim oksidom sa
uniformnom distribucijom čestica po veličini, bez pojave naprslina; nakon primene
termijskog tretmana na 450 °C, dobijeno je isključivo prisustvo kristalne faze anataz
titan(IV)-oksida, što je impliciralo mogućnost primene materijala kao potencijalnog
fotokatalizatora;
- materijal tipa titan(IV)-oksid/paukova mreža se verovatno može efikasno primenjivati
u fotokatalitičkim tretmanima za prečišćavanje voda, tj. za potpunu ili delimičnu
konverziju (odabranih) organskih boja do manje štetnih jedinjenja ili potpuno benignih
po životnu sredinu;
- (novi) kompozitni materijal/kompozitna smeša tipa titan(IV)-oksid/paukova mreža
koji je u razvoju ima/pokazuje antimikrobna svojstva, utiče na redukciju
(broja/koncentracije) odabranih gram-pozitivnih i gram-negativnih bakterijskih sojeva;
- dalja istraživanja će biti razvijena/sprovedena u smeru dobijanja realnog kompozitnog
materijala, biće izvršena kompletna fizičko-hemijska karakterizacija tog materijala i
testirana primena u biomedicini i/ili regenerativnoj medicini.
61
6. Literatura
62
[1] I. Balać, B. Bugarski, I. Ćosić, M. Dramićanin, D. Đorđević, N. Filipović, N.
Ignjatović, Đ. Janaćković, M. Kojić, V. Manojlović, Z. Marković, B. Obradović, I. Pajić
Lijaković, M. Pavlović, M. Plavšić, V. Ranković, B. Stojanović, V. Trajković, D. Uskoković,
P. Uskoković, D. Veljković, I. Vlastelica, G. Vunjak Novaković, Biomaterijali, Beograd,
2010.
[2] S. Weiner, P. Dove, “An overview of biomineralization processes and the problem of the
vital effect’’, Reviews in mineralogy and geochemistry 54 (2003) 1-29.
[3] J.G. Hardy, T.R. Scheibel, “Composite materials based on silk proteins’’, Progress in
Polymer Science 35 (2010) 1093-1115.
[4] J.G. Hardy, L.M. Romer, T.R. Scheibel, “Polymeric materials based on silk proteins’’,
Polymer 49 (2008) 4309-4327.
[5] A. Sponner, W. Vater, S. Monajembashi, E. Unger, F. Grosse, K. Weisshart,
“Composition and hierarchial organisation of a spider silk’’, PloS One 2 (10) (2007) e998.
[6] A. Rising, “Controlled assembly: A prerequisite for the use of recombinant spider silk in
regenerative medicine?“, Acta Biomater 10 (2014) 1627-1631.
[7] V. Kearns, A.C. Crawford, P.V. Hatton, “Silk-based biomaterials for tissue engineering,
Topics in tissue engineering’’, N. Ashammakhi, R.R.F. Chiellini, Eds., Biomaterials and
Tissue Engineering Group, Finland, 2007, Vol. 4, pp. 1-19.
[8] V. Kearns, A.C. Crawford, P.V. Hatton, “Silk-based biomaterials for tissue engineering,
Topics in tissue engineering’’, N. Ashammakhi, R.R.F. Chiellini, Eds., Biomaterials and
Tissue Engineering Group, Finland, 2007, Vol. 4, pp. 1-19.
[9] J. Bai, T. Ma, W. Chu, R. Wang, L. Silva, C. Michael, J.C. Chiao, M. Chiao, Regenerated
spider silk as a new biomaterial for MEMS", Biomed. Microdevices 8 (4) (2006) 317-323.
[10] M.S. Zafar, K.H. Al-Samadani, “Potential use of natural silk for bio-dental application’’,
Journal of Taibah University Medical Sciences 9 (3) (2014) 171-177.
[11] P.C. Sahoo, F. Kausar, J.H. Lee, J.I. Han, ’’Facile fabrication of silver nanoparticle
embedded CaCO3 microspheres via microalgae-templated CO2 biomineralization: Application
in antimicrobial paint development’’, RSC Adv. 4 (2014) 32562-32569.
[12] L. Huang, H. Wang, C.Y. Hayashi, B. Tian, D. Zhao, Y. Yan, “Single-strand spider silk
templating the formation of hierarchialy ordered hollow mesoporus silica fibers’’, J. Mater.
Chem, 13 (2003) 666-668.
[13] L. Yang, M. Hedhammar, T. Blom, K. Leifer, J. Johansson, P Habibovic, C.A.
Blitterswijk,‘’Biomimetic calcium phosphate coatings on recombinant spider silk fibres’’,
Biomed Mater. 5 (4) (2010) 045002, doi: 10.1088/1748-6041/5/4/045002.
[14] M. Hedhammar, H. Bramfeldt, T. Baris, M. Widhe, G. Askarieh, K. Nordling, S. Aulock,
J. Johansson, “Sterilized recombinant spider silk fibers of low pyrogenicity’’,
Biomacromolecules, 11 (4) (2010) 953-959.
63
[15] J.G. Hardy, L.M. Romer, T.R. Scheibel, ’’Polymeric materials based on silk proteins’’,
Polymer 49 (2008) 4309-4327.
[16] C. Vierra, Y. Hsia, E. Gnesa, S. Tang, F. Jeffery ‘’Spider Silk Composites and
Applications, Metal’’, Ceramic and Polymeric Composites for Various Uses, (2011) Dr. John
Cuppoletti (Ed.), ISBN: 978-953-307-353-8, InTech, Available from:
http://www.intechopen.com/books/metal-ceramic-and-polymericcomposites-for-various
uses/spider-silk-composites-and-applications
[17] O. Tokareva, M. Jacobsen, M. Buehler, J. Wong, D.L. Kaplan, “Structure-function-
property-design interplay in biopolymers: Spider silk’’, Acta Biomaterialia 10 (2014) 1612-
1626.
[18] M.S. Creager, J.E. Jenkins, L.A. Thagard-Yeaman, A.E. Brooks, J.A. Jones, R. V. Lewis,
G.P. Holland, J.L. Yarger, “Solid-state NMR comparison of various spiders’ dragline silk
fiber’’, Biomacromolecules 11 (8) (2010) 2039-2043.
[19] N. Du, X.Y. Liu, J. Narayanan, L. Li, M. L. M. Lim, D. Li, “Design of superior Spider
Silk: From Nanostructure to Mechanical Properties”, Biophysical Journal Volume 91 (2006)
4528-4535.
[20] Bai J, Ma T, Chu W, Wang R, Silva L, Michal C, Chiao JC, Chiao M. Regenerated
spider silk as a new biomaterial for MEMS, Biomed Microdevices 8 (2006) 317-323.
[21] Huemmerich D, Slotta U, Scheibel T. Processing and modification of films made from
recombinant spider silk proteins. Appl. Phys. A. 82 (2006) 219-222.
[22] Agapov II, Pustovalova OL, Moisenovich MM, Bogush VG, Sokolova OS, Sevastyanov
VI, et al. Three-dimensional scaffold made from recombinant spider silk protein for tissue
engineering. Dokl Biochem Biophys 426 (2009) 127–130.
[23] Altman G H, Diaz F, Jakuba C, Calabro T, Horan RL, Chen J, Lu H. Richmond J,
Kaplam DL. Silk-based biomaterials. Biomaterials 24 (2003) 401-416.
[24] Hennecke K, Redeker J, Kuhbier JW, Strauss S, Allmeling C, Kasper C, Reimers
K, Vogt PM. Bundles of spider silk, braided into sutures, resist basic cyclic tests: potential use
for flexor tendon repair. PLoS One. 2013; 8[4]:61100. doi: 10.1371/journal.pone.0061100.
[25] Lammel A, Schwab M, Hofer M, Winter G, Scheibel T. Recombinant spider silk
particles as drug delivery vehicles. Biomaterials 32 (2011) 2233-2240.
[26] Blum C, Scheibel T. Control of Drug Loading and Release Properties of Spider Silk Sub-
Microparticles. BioNanoSci 2 (2012) 67-74.
[27] A. Khataee, G. Ali Mansoori, Nanostructured Titanium Dioxide Materials, World
Scientific, 2012.
[28] H. Zhang, J. F. Banfield, J. Phys. Chem. B 104 (2000) 3481-3487.
[29] U. Diebold, Surf. Sci. Rep. 48 (2003) 53-229.
64
[30] www.physik.uni-rostock.de/GK567/manuela/manuela.html
[31] W.D. Callister,Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons. Inc., NY, 2003.
[32] J.F. Shackelford, Introduction To Material Science For Engineers, Macmillan Publishing
Company, NY, 1988.
[33] M.M. Maletin, Diplomski rad, Tehnološki fakultet, Novi Sad, 2004.
[34] Aleksandra Zarubica, Hemija i tehnologija materijala, Prirodno-matematički fakultet,
Niš, 2015.
[35] V. Jokanović, ‘’Instrumentalne metode, ključ za razumevanje nanotehnologija i
nanomedicine’’, Inženjerska Akademija Srbije i INN ‘’Vinča’’, Beograd, 2014.
[36] K.C.A. Smith, C.W.Oatley, ‘’The scanning electron microscope and its fields of
application’’, British J. App. Phys. 6 (1955) 391.
[37] C.E. Jeffree, N.D. Read, ‘’Ambient- and Low- temperature scanning electron
microscopy’’ In J.L. Hall, C.R. Hawes, Electron Microscopy of Plant Cells, London:
Academic Press, 1991.
[38] J.I. Goldsten, D.E. Newbury, P. Echlin, D.C. Joy, A.D. Roming, C.E. Lymanm C. Fiori,
E. Lifshin, Scanning Electron Microscopy and X-ray analysis’’, 2nd ed.Plenum Press, New
York, 1992.
[39] N. Kato, ‘’The flow of X-rays and materials waves in ideally perfect single crystals’’,
Acta Crystallographica 11 (1958) 885 - 887.
[40] Lj. Karanović ‘’Primenjena kristalografija’’, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 1996.
[41] Lj. Karanović, D. Poleti, ‘’Rendgenska strukturna analiza’’, Zavod za udžbenike i
nastavna sredstva, Beograd, 2003.
65
7. Biografija
66
Miljana Rubežić rođena je 24.05.1993. god. u Zaječaru. Osnovnu školu „Desanka
Maksimović‟, kao i srednju Medicinsku školu - smer Farmaceutski tehničar u Zaječaru
završila je sa odličnim uspehom i za svoj rad i trud bila je nagrađena Vukovim diplomama.
Osnovne akademske studije na Prirodno-matematičkom fakultetu Univerziteta u Nišu,
Departmana za hemiju, upisala je školske 2012/13. godine. Studije je završila u roku. Školske
2015/16. godine upisala je Master akademske studije, smer Primenjena hemija, modul
Primenjena hemja na Departmanu za hemiju Prirodno-matematičkog fakulteta, Univerziteta u
Nišu.
67
Редни број, РБР:
Идентификациони број, ИБР:
Тип документације, ТД: Монографска
Тип записа, ТЗ: текстуални / графички
Врста рада, ВР: Мастер рад
Аутор, АУ: Миљана Рубежић
Ментор, МН: Александра Зарубица
Наслов рада, НР: Синтеза и физичко-хемијска карактеризација (нових) материјала/композита на одабраним
биоматеријалима
Језик публикације, ЈП: Српски
Језик извода, ЈИ: Енглески
Земља публиковања, ЗП: Србија
Уже географско подручје,
УГП:
Србија
Година, ГО: 2017
Издавач, ИЗ: ауторски репринт
Место и адреса, МА: Ниш, Вишеградска 33
Физички опис рада, ФО: 69 страна / 7 поглавља / 30 слика и графика / 41 цитата
Научна област, НО: Хемија
Научна дисциплина, НД: Примењена и/или индустријска хемија
Предметна одредница/Кључне
речи, ПО:
Биоматеријал, Композит, Материјал, Паукова мрежа, Титан(IV)-оксид, Фотокатализа
УДК 542.06 : (595.44 + 661.882)
Чува се, ЧУ: Библиотека
Важна напомена, ВН: Рад је рађен у Лабораторијама Природно-математичког факултета у Нишу.
Извод, ИЗ: Паукова мрежа има повољна/добра механичка својства, еластичност и жилавост и може се
користити као основа/(template) за добијање (наноструктурних) материјала/композита, који
се могу (на)широко примењивати у биомедицини, регенеративној медицини, у
стоматологији, потом у примењеној хемији и зеленој хемији. Извршена је
припрема/(синтеза) (наноструктурног) материјала на бази титан(IV)-оксида/паукове мреже
одговарајућом методом синтезе. Добијени материјал/(композит) је термијскi третиран на
температурама у интервалу од 25 до 450 °C. Микроструктура материјала, састав кристалних
фаза је одређена применом X-зрачне дифракције. Морфологија површине материјала, као и
поједине фазе на површини материјала су детектоване применом Скенирајуће електронске
микроскопије (СЕМ). Материјал је тестиран као потенцијални катализатор у процесу
пречишћавања воде; извршена су и прелиминарна тестирања антимикробних својстава
синтетисаног материјала типа: титан(IV)-оксид/паукова мрежа.
Датум прихватања теме, ДП:
Датум одбране, ДО:
Чланови комисије
ије, КО:
П
ре
дс
ед
ни
к:
Ч
ла
н:
Ч
ла
н,
ме
нт
ор
:
Образац Q4.09.13 - Издање 1
68
Accession number, ANO:
Identification number, INO:
Document type, DT: Monograph
Type of record, TR: textual/graphic
Contents code, CC: University degree thesis
Author, AU: Miljana Rubezic
Mentor, MN: Aleksandra Zarubica
Title, TI: Synthesis and physico-chemical characterization of (new) materials/composites onto
selected biomaterials
Language of text, LT: Serbian
Language of abstract, LA: English
Country of publication, CP: Serbia
Locality of publication, LP: Serbia
Publication year, PY: 2017
Publisher, PB: author's reprint
Publication place, PP: Nis, Visegradska 33
Physical description, PD:
(chapters/pages/ref./tables/pictures/graphs/a
ppendixes)
69 pages / 7 chapters / 30 graphs. and pictures / 41 refs.
Scientific field, SF: Chemistry
Scientific discipline, SD: Applied and/or industrial chemistry
Subject/Key words, S/KW: Biomaterial, Composite, Material, Spider silk, Titania, Photocatalysis
UDC 542.06 : (595.44 + 661.882)
Holding data, HD: Library
Note, N: Performed in the Laboratories of Faculty of Science and Mathematics in Nis.
Abstract, AB: Spider silk is characterized by good mechanical properties, elasticity and tenacity and can
be used as template for processing nanostructured materials/composites that may be
applied in biomedicine, regenerative medicine and dentistry, and finally in applied and
green chemistry. Nanostructured material based on titania/spider silk is prepared by using
the appropriate method of preparation. The obtained composed material is thermally
treated at temperatures in interval from 25 to 450 °C. Microstructure of the material and
crystal phases composition/volume fractions are determined using XRD analysis. Surface
morphology of material as well as selected phases are detected using SEM. The obtained
composite material is tested as potential catalyst in process of water purification;
preliminary testing of antimicrobial features of the obtained material (titania-SS-T) are
also realized.
Accepted by the Scientific Board on, ASB:
Defended on, DE:
Defended Board, DB:
President:
Member:
Member,
Mentor:
Obrazac Q4.09.13 - Izdanje 1
69
![SLIKOVNA DG V BIOMEDICINI PETCT.ppt [Read-Only]lbf.ijs.si/Biofizika/SlikovneTehnike/Slikovna dg v biomedicini... · 3 Rb-82 72 sec klorid perfuzija srčne mišice prikaz nevroendokrinih](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/5a788c2c7f8b9a8c428d1223/slikovna-dg-v-biomedicini-petctppt-read-onlylbfijssibiofizikaslikovnetehnikeslikovna.jpg)
