پایان نامه ارشد با عنوان سنتز و شناسایی کمپلکس  Ho-POSS با کاربرد در پوشش‌دهی در ابزار پزشکی

پ‍ژوهشکده علوم

سنتز و شناسایی کمپلکس  Ho-POSS با کاربرد در پوشش‌دهی در ابزار پزشکی

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته علوم و تکنولوژی پلیمر

 

فهرست

 

فصل اول : مقدمه ۱

۱-۱     شیمی درمانی ۱

۱-۲     رادیوتراپی ۳

۱-۳     مزایا و معایب رادیودرمانی و براکی تراپی ۵

۱-۴     پرتوزایی و سازو کار تبدیل عناصر رادیواکتیو ۶

۱-۵     منابع انرژی مورد استفاده در براکی تراپی ۸

۱-۶     براکی تراپی با کمپلکس هلمیوم ۹

۱-۷     ضرورت انتخاب لیگاند مناسب برای فلز هلمیوم در کاربرد براکی تراپی ۱۰

۱-۷-۱  پلی هدرال الیگومریک سیلسسکوی اکسان (POSS) 10

1-8     نانوکامپوزیتهای POSS 12

1-9     شیمی فلزات لانتانید ۱۴

۱-۱۰  کمپلکسهایی با لیگاند POSS 17

فصل دوم : مروری بر مطالعات انجام شده ۱۸

۲-۱     شیمی سیلسسکویی اکسان ۱۸

۲-۲     سنتز کمپلکس Ho-POSS  با استفاده از الکوکسید، آمینی و آلکیل فلزی (روش اول) ۲۲

۲-۳     سنتز کمپلکس فلز-POSS  در حضور ترکیب آمینی ۲۵

۲-۴     واکنشهای جانبی در روش استفاده از آمین برای کمپلکس فلز-POSS 28

2-5     سنتز کمپلکس فلز- POSS با استفاده از لیتیم بیس( تری متیل سایلیل آمید) (روش سوم ) ۲۸

۲-۶     کمپلکسفلزات گروه f با POSS 30

فصل سوم : بخش تجربی ۳۶

۳-۱     مواد ۳۶

۳-۲     سنتز POSS-Ho 37

3-2-1        سنتز کمپلکس ۱ با استفاده از آلکوکسید فلزی ۳۸

۳-۲-۲        سنتز کمپلکس۲ (استفاده از نمک کلرید هلمیوم در حضور باز لویس آمینی) ۳۹

۳-۲-۳        سنتز کمپلکس۳ (استفاده از هلمیوم کلراید در حضور لیتیم تری متیل سایلیل آمید) ۳۹

۳-۳           سنتز پلی یورتان ۴۰

۳-۴            شناسایی ها ۴۰

۳-۴-۱        سانتریفوژ ۴۰

۳-۴-۲        گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC) 40

3-4-3        خشک کن انجمادی ۴۱

۳-۴-۴        میکروسکوپی نوری ۴۱

۳-۴-۵        طیف بینی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) 41

3-4-6        تجزیه گرما وزن سنجی(TGA) 42

3-4-5        بازتاب ضعیف شده کل – آزمون طیف سنجی زیر قرمز سطح (ATR-FTIR) 42

3-4-6        EDX 43

3-4-7        NMR 43

3-4-8        طیف سنجی نور فرابنفش(UV) 43

3-4-9        کروماتوگرافی لایه نازک ۴۴

۳-۴-۱۰      طیف سنجی فلورسانس ۴۴

۳-۴-۱۱      فتولومینسانس(PL) 45

3-5           بررسی زیست سازگاری ۴۵

فصل چهارم : نتایج و بحث ۴۶

۴-۱          آماده سازی مواد اولیه ۴۶

۴-۱-۱        طیف بینی  FTIR ازPOSS خالص ۴۶

۴-۱-۲        خشک کردن هلمیوم نیترات ۴۷

۴-۱-۳        ATR 53

4-2             سنتز کمپلکس ۵۴

۴-۲-۱        نتایج سنتز کمپلکس به روش اول (کمپلکس۱) ۵۵

۴-۳           روشهای خالص سازی کمپلکس POSS-Ho 56

4-3-1        EDX 57

4-4           آنالیز کمپلکس ۱ ۵۸

۴-۴-۱        آنالیز کمپلکس ۱ توسط FTIR 58

4-4-1        شناسایی کمپلکس ۱ توسط طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته (NMR) 61

4-5           کمپلکس سنتز شده در حضور آمین (کمپلکس۲) ۷۳

۴-۵-۱        شناسایی کمپلکس ۲ با روش FTIR 73

4-6            شناسایی کمپلکس۳ ۷۴

۴-۶-۱        شناسایی کمپلکس ۳ به روش FTIR 76

4-6-2        EDX مربوط به کمپلکس ۳ ۷۹

۴-۶-۳        شناسایی کمپلکس ۳ به روش طیف سنجیNMR 79

4-6-4        بررسی رفتار حرارتی کمپلکس با آزمون TGA 81

4-7           بررسی رفتار کمپلکس در محدودهیUV-Vis 83

4-7-1        کروماتوگرافی لایه نازک (TLC) 84

4-7-2        طیف سنجی UV 85

4-7-3        طیف سنجی فلورسانس (فلوریمتری ) ۸۷

۴-۷-۴        فتولومینسانس ۸۹

۴-۸     زیست سازگاری کمپلکس ۹۲

۴-۹     بررسی امکان تشکیل مایسل های POSS در حلال های مورد استفاده در واکنش ۹۳

۴-۱۰   شناسایی پلی یورتان با FTIR 94

4-10-1      TGA پلی یورتان ۹۷

۴-۱۰-۲      بررسی خواص مکانیکی و حرارتی پلی یورتان به روش DSC 98

4-10-3      بررسی تاثیر استفاده از POSS برای پخش هلمیوم در بستر پلی‌یورتان ۹۹

فصل پنجم: نتیجه‌گیری ۱۰۰

 

 

 

 

 

فهرست اشکال

 

شکل۱-۱٫ نمونه­ای از دستگاه رادیو تراپی……………………………………………………………………………..۳

شکل۱- ۲ کاتترهای مورد استفاده در براکی تراپی …………………………………………………………………۵

شکل۱-۳ . ساختار POSS با گروه­های R متصل…………………………………………….. ……………………۱۱

شکل۱-۴ ترکیب ویژگی­های مواد معدنی با پلیمرها برای حصول خواص مطلوب……………………….۱۲

شکل۱-۵  انواع روش­های وارد کردن POSS در داخل بستر پلیمر……………………………………………۱۳

شکل۱-۶  ساختار­های مختلف POSS…………………………………………………………………………………14

شکل۱-۷ آزمایشگاه مدرن بررسی شیمی لانتانید ها و عناصر واسطه………………………………………….۱۵

شکل ۱-۸ روند تغییرات شعاع اتمی ,نقطه جوش و آنتالپی تبخیر عناصر لانتانیدی………………………..۱۵

شکل ۱-۹ بررسی پایداری کمپلکس چند لیگاند مختلف برای فلزات لانتانیدی…………………………..۱۷

شکل ۲-۱ : تمام عناصر واکنش داده شده با POSS با قفس ناقص……………………………………………..۱۸

شکل ۲-۲ روش­های  مختلف سنتز کمپلکس فلز-POSS……………………………………………………….19

شکل۲-۳: مثال­هایی از سیلسسکویی­اکسان با گروه های سیلانول…………………………………………….۲۰

شکل۲-.۴ نمایش شماتیک اتصال­ گروههای سیلانول-فلز در قفس POSS  ………………………………۲۱

شکل۲-۵:تشکیل اوربیتال­های مولکولی در تشکیل کمپلکس فلز- POSS…………………………………21

شکل ‎۱‑۶: واکنش اپوکسیداسیون………………………………………………………………………………………۲۲

شکل۲-۷ : کمپلکس POSS Mg – ،……………………………………………………………………………………۲۳

شکل ‎۱‑۸ : شماتیکی از سنتز کمپلکس   Zr-POSS……………………………………………………………….24

شکل ‎۱۲-۹: کمپلکس W-POSS سنتز شده توسط فهر……………………………………………………………۲۴

شکل۲-۱۰ : کمپلکس­های Ti-POSS با استفاده از مشتق الکوکسید تیتانیم………………………………..۲۵

شکل۲-۱۱: نمونه­ای ازسنتز کمپلکس­آلومنیوم  با لیگاند POSS در حضور تری­اتیلن آمین………………………..۲۵

شکل ۲-۱۲: شمایی از سنتز کمپلکس   V-POSS در حضور تری اتیل آمین………………………………………۲۶

شکل ‎۱‑۱۳: شماتیک سنتز کمپلکس Zr-POSS…………………………………………………………………..26

شکل۲-۱۴ : تشکیل کمپلکس Fe-POSS در حضور آمین……………………………………………………….۲۷

شکل۲-۱۵: سنتز کمپلکس های  آلومنیوم و مس  با POSS……………………………………………………..27

شکل ‎۱‑۱۶:  واکنش جانبی که در واکنش تشکیل متالاسیلسسکویی­اکسان انجام می­شود……………۲۸

شکل ۲-۱۷ : سنتز کمپلکس­ منگنز – POSS توسط ادلمان………………………………………………………۲۹

شکل ۲-۱۸: تهیه­ی کمپلکس Ti- POSS با روش اول  در حضور الکل و آمین………………………….۳۰

شکل ۲-۱۹ : کمپلکس Yb-POSS    ……………………………………………………………………………………۳۱

شکل ۲-۲۰ : تشکیل کمپلکس N-POSS در حضور ایزوپروپانول……………………………………………۳۲

شکل ۲-۲۱ : سنتز کمپلکس تعدادی از فلزات که با استفاده از حد واسط Li-POSS  ………………….۳۳

شکل ۲-۲۲ : شمایی از تشکیل کمپلکس Er-POSS    …………………………………………………………….۳۴

شکل۲-۲۳ : تهیه­ی کمپلکس Nd, Pr, Er و Ho  با لیگاند دی سیلوکسان دی ال………………………..۳۴

شکل۴-۱   طیف FTIR  لیگاند  POSSتری­سیلانولی…………………………………………………………………………..۴۷

شکل۴-۲:ترموگرام TGA نمک هلمیوم کلرید شش آبه…………………………………………………………۴۹

شکل۴-۳ نمودار TGA مربوط به HoNit اولیه بدون اعمال ایزوترم گرمایشی در فرآیند تست TGA…………50

شکل۴-۴ : منحنی TGA مربوط به نمونه­های HoNit    …………………………………………………………….۵۱

شکل ۴-۵ منحنی­های TGA مربوط به نمونه­های “خشک شده”……………………………………………….۵۲

شکل ۴-۶ :طیف­های ATR-FTIR مربوط به هلمیوم نیترات    ………………………………………………..۵۴

شکل ۴-۷ : ساختارHo6(C3H7O)17(NO3)…………………………………………………………………………………………..55

شکل ۴-۸ :شماتیک لیگاند POSS تری ال (۱) و کمپلکس سنتز شده (۲)………………………………………………………۵۶

شکل ۴-۹ : نتایج EDX از باقی مانده مرحله­ی انجام واکنش هلمیوم نیترات با سدیم پروپانوات…………………………….۵۸

شکل۴-۱۰: طیف FTIR…………………………………………………………………………………………………………………………60

شکل۴-۱۱: طیف EDX کمپلکس POSS-Ho حاصل از سنتز کمپلکس۱……………………………………………………….۶۱

شکل۴-۱۲ :نمایش شماتیک لیگاند POSS تری­ال (۱) و پیش بینی کمپلکس۲……………………………………۶۲

شکل۴-۱۳: طیف H-NMR لیگاند POSS………………………………………………………………………………………………………….62

شکل ۴-۱۴: طیف H-NMR کمپلکس Ho-POSS……………………………………………………………………………………………63

شکل ۴-۱۵ :طیف C-NMR لیگاند POSS تری­ال…………………………………………………………………………………………..۶۵

شکل ۴-۱۶: طیف C-NMR کمپلکس Ho-POSS ………………………………………………………………………………..65

شکل ۴-۱۷: طیف Si-NMR لیگاند POSS تری­ال. ……………………………………………………………………………….۶۶

شکل ۴-۱۸: طیف Si-NMR کمپلکس Ho-POSS. ………………………………………………………………………………………66

شکل۴‑۱۹:تخمین نرم­افزار ChemDraw برای H-NMR مربوط به POSS خالص……………………………..۶۸

شکل ۴-۲۰:تخمین نرم­افزار Chem Draw برای C-NMR مربوط به POSS خالص…………………………..۶۸

شکل ۴‑۲۱:تخمین نرم­افزار ChemDraw برای H-NMR …………………………………………………………………………..69

شکل ۴‑۲۲:تخمین نرم­افزار ChemDraw برای C-NMR …………………………………………………………………………….70

شکل ۴‑۲۳:تخمین نرم­افزار ChemDraw برای H-NMR ………………………………………………………………………………71

شکل ۴‑۲۴:تخمین نرم­افزار ChemDraw برای C-NMR …………………………………………………………………………..72

شکل ۴-۲۶: طیف FTIR مربوط به کمپلکس ۲……………………………………………………………………………………………۷۴

شکل ۴-۲۷: ساختار شیمیایی لیتیم بیس متیل سایلیل آمید……………………………………………………………………………………….۷۴

شکل ۴-۲۸: تشکیل دیمر POSS در حضور لیتیم بیس (تری متیل سایلیل ) آمید………………………………….۷۵

شکل ۴-۲۹: نمایش شماتیک واکنش POSS با HoCl3………………………………………………………………………………..75

شکل ۴-۳۰:FTIRمربوط به حد واسط واکنش POSS با لیتیم بیس(تری متیل سایلیل )آمید …………………………………..۷۷

شکل ۴-۳۱ : EDX کمپلکس ۳…………………………………………………………………………………………………………………….۷۹

شکل ۴-۳۲ طیف NMR مربوط به کمپلکس Ho-POSS به روش استفاده از لیتیم بیس (تری متیل سایلیل آمید)…….۸۰

شکل ۴-۳۳: ترموگرام مربوط به POSS……………………………………………………………………………………………………………….82

شکل ۴- ۳۴ ترموگرام مربوط به کمپلکس Ho-POSS………………………………………………………………………………………..83

شکل ۴-۳۵ میزان جذب درطیف بینی UV برای چهار غلظت مشخص از کمپلکس ۳……………………………………………..۸۶

شکل۴-۳۶ : طیف طیف سنجی فلورسانس هگزان…………………………………………………………………………………………………۸۸

شکل۴-۳۷ : طیف طیف سنجی فلورسانس کمپلکس۳…………………………………………………………………………………………..۸۸

شکل ۴-۳۸ طیف فتولومینسانس لیزر مورد استفاده (بالا) و POSS (پایین) …………………………………………………………۹۱

شکل ۴-۳۹ طیف فتولومینسانس کمپلکس POSS-Ho………………………………………………………………………………..91

شکل ۴-۴۰: :ترازهای انرژی Ho+3  ،]۹۵[……………………………………………………………………………………………………۹۲

شکل ۴-۴۱ :تصاویر کشت سلولی ……………………………………………………………………………………………………………………۹۳

شکل۴‑۴۲: ساختار­های اسفرولیتی POSS حاصل از محلول POSS ……………………………………………………..94

شکل ۴-۴۳: FTIR پلی­کاپرولاکتون ۱۲۵۰(سایت Aldrich) ……………………………………………………………………………..95

شکل ۴-۴۴ : واکنش ایزوسیانات با پلی‌کاپرولاکتون و تشکیل پیش­پلیمر……………………………………………..۹۵

شکل ۴-۴۵: FTIRمربوط به سننز پلی یورتان……………………………………………………………………………………………۹۷

شکل ۴-۴۶: ترموگرام TGA حاصل از پلی­یورتان- اوره با زنجیره افزاینده بوتان دی­آمین………………………………………۹۸

شکل ۴-۴۷ ترموگرام DSC……………………………………………………………………………………………………………………….99

شکل۴–۴۸: تصویر   نقشه‌ی EDX پخش عنصر سیلسیم…………………………………………………………………………..۹۹

 

فهرست جداول

 

 

جدول ۱-۱ شعاع اتمی و شعاع یونی لانتانیدها……………………………………………………………………………………………………۱۶

جدول۱-۲ ویژگی­های لایه ظرفیت عناصر واسط……………………………………………………………………………………………….۱۶

جدول ۴-۱ : طول موج ­های شاخص در طیف FTIR حاصل از POSS خالص…………………………………………………….۴۷

جدول۴-۲ : کاهش وزن هلمیوم نیترات در آزمون TGAدر دماهای مختلف………………………………………………………….۵۳

جدول ۴-۳ : نتیجه آنالیز EDX (واکنش هلمیوم نیترات با سدیم پروپانوات) ……………………………………………………………۵۸

جدول۴-۴: نتایج EDX روش اول پیشنهادی فهر سنتز شده است. ………………………………………………………………………..۶۱

جدول ۴-۵: جذب­های مشاهده شده در ناحیه طیفی FTIR…………………………………………………………………………………..78

جدول ۴-۶:  نتایج EDX مربوط به کمپلکس ۳………………………………………………………………………………………………….۷۹

جدول ۴-۷ : نتایج حاصل از کابینت UV………………………………………………………………………………………………………….84

جدول۴-۸: نتایج بدست آمده از طیف سنجی UV …………………………………………………………………………………………….85

جدول۴-۹ نتایج طیف سنجی فلورسانس …………………………………………………………………………………………………………۸۹

 

 

چکیده :

امروزه سرطان یکی از دغدغه­هایمهم دنیای پزشکی است که  تا کنون درمان قطعی برای آن یافت نشده . پرتودرمانی از روش­هایی است که برای کنترل و کاهش عوارض سرطان مورد استفاده قرار می­گیرد. براکی تراپی یکی از این روش­های پرتودرمانی است که در آن منبع پرتو با روش­های متعددی در نزدیکی بافت سرطانی قرار داده می­شود. معمولا فلزاتی مثل  ایتریم، رنیم ، هلمیوم و نافلزاتی مانند فسفر پس  از فعال شدن با پرتو نوترونی به عنوان منبع پرتو برای این کاربرد مورد استفاده قرار می­گیرد. در سال­های اخیر ایزوتوپ رادیواکتیو هلمیوم به­دلیل نیمه عمر کوتاه و دارا بودن ویژگی­های مورد نیاز برای براکی­تراپی از جمله میزان بهینه انرژی ساطع شده توسط پرتو، برای کاربرد براکی­تراپی بسیارمورد توجه قرار گرفته است. یکی از این گونه تکنیک­ها، قرار دادن منبع پرتو در یک بستر پلیمری است (تهیه کامپوزیت پلیمری). با این حال، معمولا فلز هلمیوم (به عنوان منبع تابش)  به ­شکل اکسید فلز ، نمک­های فلز یا حتی به ­شکل پودر فلز  مورد استفاده قرار می­گیرد. این ترکیبات معدنی بدلیل اختلاف انرژی سطحی نسبتا زیاد با بسترهای پلیمری ، به خوبی در آن  توزیع نمی شوند . به همین دلیل، تلاش شد تا با سنتز یک کمپلکس حجیم از فلز هلمیوم با یک لیگاند مناسب بر این مشکل غلبه شود. انتظار می رود انتخاب لیگاند مناسب دارای استخلاف­های آلی ، به بهبود پخش و نوعی گیر افتادن کمپلکس  حاوی فلز در بستر پلیمر کمک ­کند . در این پژوهش، از  لیگاند پلی­هدرال الیگومریک سیلسسکویی­اکسان – تری ال  (POSS) با ساختار قفس ناقص برای تشکیل کمپلکس با فلز هلمیوم، استفاده شد.لیگاند حجیم  POSS با فرمول عمومی Rn Sin O1.5n ، قفسی سیلیکونی است و گروه­های  آلی R  متصل به سیلسیم در گوشه­های قفس سیلیکونی به این لیگاند خاصیت هیبریدی آلی- معدنی می­بخشد. دارا بودن این ویژگی به توزیع بهتر کمپلکس در بستر پلیمر کمک می‌کند. بعلاوه، این لیگاند با زیست سازگاری شناخته شده وقفس سیلیکونی می­تواند  بطور همزمان زیست­سازگاری سیستم برکی تراپی و مقاومت آن  در برابر اشعه را افزایش دهد.تا کنون کمپلکس شدن POSS با فلزات مختلف جدول تناوبی ( فلزات گروه­های اصلی ، فلزات واسطه و فلزات نادر )  گزارش شده است. با این حال، گزارشی درباره سنتزکمپلکس آن با فلز هلمیوم در دست نیست. در این پژوهش، از سه روش شناخته شده برای سنتز کمپلکس Ho-POSS استفاده شده  است. در روش اول برای سنتز کمپلکس  Ho-POSS، با استفاده از سدیم پروپانوات و نمک هلمیوم نیترات، کمپلکس هلمیوم پروپانوات سنتز شده و در ادامه با اضافه شدن POSS  جابجایی لیگاند انجام شد . نتایج FTIR , EDX انجام سنتز را تایید کرد.  با این حال نتایج NMR نشان می­داد که POSS با تمام ظرفیت خود وارد واکنش نشده است. در روش دوم،  سنتز کمپلکس Ho-POSS  در حضور تری اتیل آمین(به عنوان باز لوییس) و در حلال THF انجام گرفت و نتایج طیف سنجی FTIR  نشان داد که این روش برای سنتز Ho-POSS مناسب نیست. در روش سوم برای سنتز کمپلکس Ho-POSS ، از لیتیم بیس( تری متیل سایلیل آمید) استفاده شد. نتایج طیف سنجی FTIR محصول، درستی سنتز این حدواسط را تایید کرد. برای شناسایی کمپلکس نهایی از FTIR ،NMR  و EDX استفاده شد و رفتار حرارتی آن­ با استفاده از روش TGA مطالعه شد. نتایج آمده از آزمون­های ذکر شده، تشکیل کمپلکس را تایید کرد. با استفاده از دستگاه­های طیف­سنجی فلورسانس و فتولومینسانس قابلیت نشر کمپلکس با تهییج طول موج نور UV بیشتر مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از طیف­سنجی فلورسانس با نور تهییج کننده nm330 ، نشری  را در طول موج nm470 نشان داد. این نشر در دستگاه فتولومینسانس دقیقا در طول موجnm 470  تایید شد. در طیف سنجی UV-Vis جابجایی قرمز از طول موجnm 221 به nm269  مشاهده شد. این تغییرات، ناشی از تغییر در ساختار POSS و تشکیل ساختار جدید است. در نهایت می­توان گفت این روش سنتز، بازده ی بالاتری  نسبت به دو سنتز قبل در اختیار قرار داد.درنهایت، کامپوزیت کمپلکس (wt% 5 ) با پلی یورتان بر پایه پلی کاپرولاکتون،  هگزا متیلن دی ایزوسیانات و ۱و۴-بوتان دی ال تهیه و برای آزمون سمیت سلولی ارسال شد. نتیجه آزمون نشان داد که این کمپلکس سمیت سلولی نشان نمی دهد.