Tıpta Polimerler Teach article

Tercüme eden: Tuğçe Kaymaz, Hikmet Geçkil (İnönü Üniversitesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü). Polimerler konusu çoğu kez kimya dersleriyle sınırlandırılır. Establish projesi bu maddeleri ve onların bazı tıbbi uygulamalarını araştırmak için bazı uygulamalı…

Polimerler geridönüşümlü
bebek bezleri gibi günlük
ürünlerde kullanılırlar

SCA Svenska Cellulosa
Aktiebolaget izniyle; resmin
kaynağı: Flickr

Polimerleri plastik, kaplama, kağıt olarak ve bebek bezleri ve şampuan gibi ürünlerde her gün kullanırız. Polimerler tekrarlanan yapısal birimlerden oluşan büyük moleküllerdir. Aşağıdaki etkinlikler öğrencilere maddelerin görebildiğimiz makroskopik dünyası ve göremediğimiz submikroskopik parçacıkları (atomlar ve moleküller) arasında bağlantı kurmalarına yardım etmek için geliştirildi. Öğrencilerin uygulamalı etkinlikleri gözlemlemelerine dayanarak, düşüncelerini geliştirmeye ve daha sonra yeni bağlamlarda denemeye cesaretlendirilmek için kullanılabilir.

Diyalize girmekte olan bir
hasta

Quecojones izniyle; resmin
kaynağı: Flickr

İlk etkinlikte 13-15 yaş arası öğrenciler sıvıların farklı türdeki polimer zarlardan geçişini incelerler (Çalışma kağıdı 1). Daha sonra tıpta membranların kullanımını anlayabilrler: insan böbreğinin çalışma biçimi ve onun işlevinin bir diyaliz makinesiyle nasıl yerine getrirlebileceği (Çalışma kağıdı 2). Diyaliz süresince, bazı moleküllerin niçin kandan uzaklaştırıldığı ve diğerlerinin uzaklaştırılmadığı anlaşılmaya odaklanılacaktır. Ayrıca öğrenciler osmozu anlamalarına yardım edecek, diyaliz sıvısı yerine su kullanıldığında ne olacağı hakkında tahminde bulunabilmelidirler.

İkinci etkinlikte 15-17 yaşları arasındaki öğrenciler polivinil klorür (PVC) membranlar oluşturacak ve onların fiziksel ve kimyasal davranışını inceleyecek ve daha sonra bir antibakteriyel PVC membranı oluşturup test edeceklerdir (Çalışma kağıdı 3). Bu etkinliğin uzantıları olarak öğrenciler farklı plastikleştiric maddelerle yapılan membranları inceleyebilir ya da farklı metalleri farklı miktarlarda içeren membranların antibakteriyel etkisini belirleyebilirler.

Üç çalışma kağıdı da Word ya da PDF formatında Science in School web sitesinden indirilebilir.w8.

Görünmez delikleri olan membranlar

Bu etkinlikte öğrencilerden atomların ve moleküllerin görünmeyen dünyasını düşünmeleri istenmektedir ve kendi etkinliğini anlayarak maddenin tanecikli yapısısını anlamayı geliştireceklerdir. Bu etkinlikler hem moleküllerin varlığını hem de farklı büyüklüklere sahip olduklarını göstermek için kullanılabilirler. Öğrenciler parçacıkların farklı tipteki membranlardan difüzyonunu inceleyip daha sonra böbrek ve diyalizinw1 önemi hakkında öğrendiklerini uygulayacaklar.

Peter Asquith’in izniyle; resmin
kaynağı: Flickr

Öğrenciler, elek kullanımının karışımları ayırmak için nasıl kullanıldığını zaten biliyorlar. Öğretmen farklı membranlarla öğrencilerin araştırmayı uygulamasından sonra, plastik membranları tanıtmak için gıdaların paketlenmesi bağlamını kullanabilir. Öğretmen sonuçların olası açıklamaları için bir tartışma ortamı yaratmalıdır. Gerekirse, farklı büyüklükteki parçacıklar ve farklı büyüklükte delikleri olan memranlar fikrinin gelişmesini teşvik edbilirsiniz.

Bu fikir çeşitli filmleri/membranları, örneğin; ucuz plastik poşetler, gıda paketlemesi ya da gıda torbaları kullanarak, iyot parçacıklarının farklı membranlardan geçişini incelemek içindir. Öğrenciler Tablo 1’de önerildiği gibi birkaç deney yapmalıdırlar. Öğretmen onların yeterince farklı sonuçlar elde ettiklerinden emin olmak için deneyleri önceden kendisi denemeldir.

Tüp numarası Membran
Tablo 1:’Deliklerin’ incelenmesi için olası membranlar
1 Membran yok
2 Reçel kavanozu kapağı
3 Plastik torba veya streç film
4 Lateks eldiven

Öğrenciler şunları öğrenmelidir:

  • Gözlemlerden sonuçları çizmeyi
  • Görünmez deliklerin varlığı ve parçacıkların hareketi olgusunu açıklamayı
  • Alternatif açıklamaları ayırt edip yaşıtlarıyla tartışmayı.

Öğrenci çalışma kağıdı 1: görünmez delikleri olan membranlar

Malzemeler

  • İyot çözeltisi (yaklaşık 0.05 M)
  • Nişasta çözeltisi (yaklaşık 0.12% w/v)
  • Farklı plastik filmlerin seçimi

Yöntem

İyot parçacıklarının farklı membranlardan geçişini inceleyiniz. Her membranın dışına küçük bir kese yapınız ve onu Şekil 1’de gösterildiği gibi nişasta çözeltisi bulunan bir tüpe yerleştiriniz. Her bir keseye biraz iyot çözeltisi dökünüz ve ne olduğunu gözlemleyiniz.

Şekil 1: Deneysel plan
Establish projesi izniyle
  1. Gözlemlerinizi Tablo 2’ye kaydediniz.
Tablo 2:Deneyinin sonuçları
    1 2 3 4
Başlangıçtaki renk Küçük kesedeki        
Tüpteki        
Sondaki renk Küçük kesedeki        
Tüpteki        
  1. Ne olduğunu açıklayabilir misiniz?
  2. Her tüpü (1-4) Şekil 2’deki şemalardan (A-D) birisiyle eşleştirebilir misiniz?
Şekil 2: Tüplerinizin her birine hangi durum karşılık gelmektedir?
Establish projesi izniyle
  1. Her tüpteki çözeltiler birbirinin tersi olsaydı: yani eğer başlangıçta tüpte daha küçük moleküllerin çözeltisi olsaydı ve membranda daha büyük moleküllerin çözeltisi olsaydı ne olurdu (Şekil 3)? Tahminlerinizi Tablo 3’e giriniz.
Şekil 3: Çözeltiler tersi olsaydı ne olurdu?
Establish projesi izniyle
Tablo 3:Çözeltiler tersi olduğunda beklentileriniz
    1 2 3 4

Başlangıçtaki renk

Küçük kesede

       

Tüpte

       

Sonuçtaki renk

Küçük kesede

       

Tüpte

       


Öğrenci çalışma kağıdı 2: böbrekler ve diyaliz

İnsan böbreği vücuttaki su dengesi ve üre, tuz ve suyun boşaltımı gibi iki önemli görevi olan ilginç bir organdır. Böbrekler her gün vücudun hala ihtiyaç duyduğu glikoz ve amino asitler gibi tüm besinlerle birlikte yeniden emilen 180 litre sıvıyı kan dışına süzer. Böbrekler süzdükleri 180 l sıvıdan vücuda toksik olan üre gibi atık ürünleri taşıyan yaklaşık 2 l idrar üretirler. İdrar daha sonra boşaltımdan önce mesanede depolanır.

Böbreğin çalışma şekli. Görüntüyü büyütmek için üzerini tıklayınız. Ekstra büyük versiyonu için burayı tıklayınız.
a) Böbreğin genel görünüşü. Süzme kılcal damarlarda basınç altında kanın ulaştığı 3 milyon nefronda gerçekleşir.

Piotr Michał Jaworski’nin izniyle; resmin kaynağı: Wikimedia Commons
b) Bir nefronun detaylı yapısı. Küçük moleküller ve su Bowman kapsülünün duvarlarında bulunan delikler vasıtasıyla kandan süzülür. Nefronun sonraki bölümlerinde vücudun ihtiyaç duyduğu moleküller yeniden emilir.
http://osmoregulation-apbio3.wikispaces.com izniyle
  1. Plazma proteinlerinin normalde kanın plazma çözeltisinde bulunmalarına karşın idrarda olmadıklarını nasıl açıklayabilirsiniz?
  2. Belirli yaralanma ya da hastalıkların bir sonucu olarak idrarda kan hücreleri görülür. Buna ne sebep olmuş olabilir?

Eğer bir kişinin böbreği çalışmıyorsa yaklaşık dört gün içinde ölüm olur. Çünkü üre birikir ve vücut su dengesi kontrolünü kaybeder. Kişinin hayatı diyaliz yardımıyla kurtarılabilir: bu genel olarak haftada üç kez hastanede bulunmayı gerektirir. Yaklaşık altı ile sekiz saat süren diyaliz boyunca kan hastanın vücudundan bir tüp içinde alınır ve diyaliz membranı adı verilen bir süzgece geçer. Özelleştirilmiş bir diyaliz çözeltisi membranın diğer tarafında dolaşır. Bu çözeltinin bileşimi ürenin kandan membran sayesinde diyaliz çözeltisine geçmesini sağlarken, glikoz ve amino asitleri geçirmez. Üreden arındırılmış kan daha sonra vücuda yeniden döndürülür.

  1. Alyuvar hücreleri ve plazma proteinleri diyaliz boyunca kandan niçin uzaklaştırılmazlar?
  2. Üre, glikoz ve amino asitler benzer büyüklükteki moleküllerdir. Üre diyaliz membranından geçerken glikoz ve amino asitler niçin geçmez?
  3. Diyaliz sıvısı olarak su kullanılsaydı ne olurdu?
  4. Diyaliz fazla tuzu uzaklaştırmak için nasıl kullanılabilir?

 

Gümüş(Ag) yüklenmesiyle
inhibisyon bölgesindeki farkı
gösteren gümüş emdirilmiş
PVC filmleri

James Chapman, Dublin City
Üniversitesi izniyle

Antibakteriyel PVC

Bu etkinlikte öğrenciler PVC membran yapıp plastikleştiricinin membranın fiziksel ve kimyasal özellikleri üzerindeki etkisini inceleyecekler (bu membranlar ilk etkinlikte de kullanılabilirler). Öğrenciler daha sonra gümüş parçacıkları içeren bir PVC yapıp bir gece inkübe ederek onun antibakteriyel özelliklerini test edeceklerdir.

Daha gelişmiş bir araştırma olarak öğrenciler membranlar farklı derişimlerde gümüş katarak ve gözlemledikleri inhibisyon bölgeleri üzerindeki derişim etkisini inceleyerek membranın antibakteriyel özelliğini daha iyi anlayabilirler. Tipik örnekler sağda gösterilmektedir.

Patojenik olmayan Escherichia coli Amerikan Doku Kültürü Koleksiyonu’ndan (ATCC)w2 elde edilebilir. Özellikle BAA 1427 bu deneyde kullanmak için uygun olan patojenik olmayan bir türdür.

 

Öğrenci çalışma kağıdı 3: antibakteriyel PVC sentezlenmesi ve incelenmesi

Polimer polivinil klorür (PVC) borularda, tabelalarda ve kaplamada kullanılan ucuz ve dayanıklı bir plastiktir. Plastikleştiriciler çoğu kez onu daha esnek ve işlenmesi daha kolay yapmak için eklenirler. Bu etkinlikte hem plastikleştirici ile hem de plastikleştirici olmadan bir PVC membranı yapacaksınız. Daha sonra onların fiziksel ve kimyasal özelliklerini karşılaştıracaksınız.

Antimikrobiyal membranlar birçok tıbbi teknolojide kullanılır ve nanopartiküller ya da gümüş mikropartikülleri veya diğer metallerin polimerlere katılmasıyla üretilirler. Oksijen (havadaki) ve su varlığında elementel gümüş parçacıkları hücre duvarlarını yıkabilen, hücre bölünmesini engelleyebilen ve bazı bakterilerde, virüslerde, alglerde ve mantarlarda w3, w4 metabolizmayı bozabilen gümüş iyonlarını (Ag2+) oluşturmak üzere tepkimeye girerler.

Malzemeler

  • Çözücü: oksolan(tetrahidrofuran,(CH2)4O)
  • PVC tozu
  • Dibütil sebasat ya da bir diğer plastikleştirici
  • Gümüş nitrat(AgNO3)
  • Trisodyum sitrat(Na3C6H5O7)
  • Agar besini
  • Bakteri kültürü (örneğin besin et suyu içindeki E.coli)
  • Isıtıcı tabla
  • Manyetik karıştırıcı
  • 75 ml’lik beherler
  • Cam altlık(örneğin beher, saat camı ya da lam)
  • Dereceli silindir
  • Pastör pipeti
  • Spatula
  • Petri kapları
  • İnokülasyon özeleri

Yöntem

Güvenlik notu: Tüm basamaklar çeker ocakta uygulanmalıdır. Tetrahidrofuran oldukça yanıcı ve buharı ciddi göz tahrişine neden olabilen bir sıvıdır. Ona sadece çeker ocağı altında dikkatlice dokununuz ve kullanırken gözlük takınız.

1) Plastikleştirici olmadan PVC yapımı

  1. Isıtıcı tabla ve manyetik karıştırıcıyı kullanarak 20 ml çözücü ısıtınız.
  2. Karıştırırken yavaşça 1.5g PVC tozu ekleyiniz.
  3. Yaklaşık 10 dk sonra çözelti daha koyu olmalıdır. Beheri ısıdan uzaklaştırınız.
  4. Manyetik karıştırıcıyı çıkarınız ve birkaç ml PVC çözeltisinden mümkün olduğunca eşit şekilde cam altlığın üzerine ince şekilde dökünüz (beherin içine ya da dışına veya lam ya da saat camı üzerine). İnce bir tabaka olduğundan emin olmak için çözelti hala sıcakken cam altlığı dikkatlice döndürünüz.
  5. Altlığı ve PVC’yi çözücücün buharlaşmasına izin vermek için çeker ocakta bırakınız; bu yaklaşık 15 dk almaktadır. PVC membran daha sonra cam altlıktan kolayca uzaklaştırılabilir.

2) Plastikleştirici ile PVC yapımı

Isıtılan çözücüye eklenen her biri farklı miktarda plastikleştiriciye sahip olan dört PVC membran daha yapmak için yukarıdaki basamakları tekrar ediniz. (Tablo 4’e bakınız).

Örnek no.

PVC (g)

Çözücü (ml)

Dibütil sebasat (ml)

Tablo 4:Farklı miktarlarda plastikleştiricisi olan PVC membranları oluşturma
1 1.5 20 0.5
2 1.5 20 1
3 1.5 20 2
4 1.5 20 3
  1. PVC membranınızın beş örneğini karşılaştırınız. Plastikleştiricinin plastik üzerinde ne gibi bir etkisi vardır?
  2. Plastiğe daha fazla plastikleştirici eklendiğinde ne olacağını düşünüyorsunuz?
  3. Aşağıdaki taramalı elektron mikroskopu(SEM) görüntülerine göre Soru 2’ye verdiğiniz cevap doğru mu?
  4. Bu membranlar bir önceki etkinlikte deliklerin bağıl boyutlarını incelemek üzere kullanılabilir (‘Görünmez delikleri olan membranlar’).
PVC’nin SEM görüntüleri: a) plastikleştirilmeyen, b) 0.5 ml plastikleştiricisi olan  ve c) 2 ml plastikleştiricisi olan
Establish projesi izniyle

3) Antibakteriyel PVC yapımı

Gümüş parçacıklar içeren PVC’nin hazırlanması membranda büyük deliklerin olmasını gerektirir. Bu yüzden plastikleştirici kullanırız. Gümüşün kendisi daha sonra sodyum sitrat kullanılarak indirgenen gümüş nitrat şeklinde eklenir.

  1. Isıtıcı tabla ve manyetik karıştırıcıyı kullanarak 20 ml çözücüyü ısıtınız.
  2. 2.5 ml plastikleştirici ekleyiniz, daha sonra yavaşça 1.5 g PVC tozu ekleyiniz.
  3. 2.5 ml 10 mM gümüş nitrat ekleyiniz ve 1-2 dk karıştırınız.
  4. İki 75 ml’lik beherler arasında çözeltiyi paylaştırınız. İçi çözelti ile kaplanan her beheri çabucak döndürünüz böylece beherin şeklini alan bir membran oluşturmuş olursunuz. Membranın suyu tutabiliyor olması gerektiğinden boşluklar olmadığından emin olunuz.
  5. Çözücünün buharlaşmasına izin vermek için beherleri çeker ocakta bırakınız, daha sonra dikkatli bir şekilde membranları kaldırınız (Bu oldukça zordur, iki tane yaparak başarı şansınızı arttırınız.)
  6. 5 mM sodyum sitrat çözeltisi hazırlayınız ve bunu beher şeklindeki membranlardan birine dikkatlice dökünüz. Çözelti gümüş nitratla tepkimeye girerek gümüş nano ya da mikropartikülleri oluşturarak beherin üzerinde tutulan membrandan geçmelidir.
  7. Membrandaki renk değişimini kaydediniz.
  8. Membranın çeker ocakta kurumasına izin veriniz. Karakteristik SEM görüntüleri (sağda) PVC membrana yayılan elementel gümüşün varlığını gösterir.

Hazırlanan membranların antibakteriyel özelliklerini daha sonra inceleyebilirsiniz.

  1. Bakteri kolonisi bulunan bir agar kabı hazırlayınız: agar besini bulunduran bir Petri kabına yaklaşık 100 µl bakteri kültüründen (örneğin besin et suyundaki E.koli)  koyunuz ve onu  kaba eşit şekilde yaymak için bir inokülasyon özesi kullanınız.
  2. Yaklaşık olarak 1 cm2 gümüş emdirilmiş PVC membranını kaba yerleştiriniz.
    Alternatif olarak bir kıyaslama sağlamak için üç parça PVC membranını gümüş uygulanmamış bir kaba yerleştiriniz.
  3. Kabı 37°C’de bir gece inkübe ediniz, daha sonra membranın her parçası etrafındaki inhibisyon bölgelerini ölçünüz.

Güvenlik notu: Tüm mikrobiyal çalışmalarda olduğu gibi her zaman steril araçlar kullanılmalıdır (ister bir otoklav veya düdüklü tencerede steril edilir ya da etanole batırılıp daha sonra ateşlenir). Membranı kesmek için kullandığınız makas da steril olmalıdır. Çapraz kontaminasyonu önlemek için inokülasyon özesini kullanmadan önce antibakteriyel losyon ile yıkayın.

Bu membranların antibakteriyel özelliği, metisiline dirençli Staphylococcus aureus (MRSA) ve E. coli gibi bakteri enfeksiyonlarının yanı sıra yaraların ve yanıkların tedavi edilmesini sağlamalrıdır.

  1. Antibakteriyel PVC membranları özellikle MRSA enfeksiyonlarının tedavisinde niçin yararlıdır?
  2. Antibakteriyel PVC membranların başka hangi uygulamalarını bulabilirsiniz?

Establish projesi

Bu etkinlikler (12-18 yaş arası) ortaokul öğrencileri için sorgulamaya dayalı fen bilgisi öğretiminin yaygın kullanımını teşvik etmek üzere AB tarafından finanse edilen bir proje olan Establish projesi tarafından geliştirilmekte olan öğretim birimleri arasındadır. 11 Avrupa ülkesinden 60’dan fazla ortağın olduğu bir grup Avrupa’daki sınıflarda öğretim birimlerinin kullanımını geliştirmek ve uyarlamak için beraber çalışıyor.

Bu makaledeki etkinlikler ‘Deliklerin keşfi’ adlı bir öğretici üniteden alınmıştır. Üniteler, basımın yapılacağı zaman ses kaydı olarak ve engelliler için geliştrilmiştir. Kozmetik, kitosan, adli bilim, fotokimya, yenilenebilir enerji ve tıbbi görüntüleme için ek üniteler planlanmaktadır. Daha fazla bilgi edinmek ve tamamlanan üniteleri indirmek için Establish web sitesini w5’ni ziyaret ediniz.

Tıpta nanoparçacıklar

Nanoparçacıkların yeni sağlık uygulamalarında kullanılması çok önemlidir. Nanoparçacıkların hücre ve dokular üzerindeki etkisinin anlaşılması güvenlik, güvenilir teşhis ve hastalıkların tedavisi için oldukça önem arz etmektedir. Birçok tıbbi nanoparçacık metallere ve Avrupa Sinkrotron Radyasyon Tesisi’ndeki (ESRF) w6 X ışını tekniklerine dayanmakta olup, soğukta muhafaza edilmiş bir hücre ile bir nanoparçacığın etkileşimini izlemek için uygundur (Lewis vd. , 2010).

ESRF Science in School’un editörü olan EIRO forumw7’un bir üyesidir.


 

Teşekkürler

Bu makalede tanımlanan etkinlikler Wilms vd. (2004; Çalışma kağıdı 1), Dublin City Üniversitesi’nden Alison Graham, İrlanda Cumhuriyeti (Çalışma kağıdı 2), ve Dublin City Üniversitesi’nden Laura Barron ve James Chapman (Çalışma kağıdı 3) tarafından verilen bilgiye dayanmaktadır.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Merlot Sağlık Bilimleri portalı yararlı bir diyaliz animasyonuna sahiptir. Bakınız: http://healthsciences.merlot.org/images/18loop.gif
  • w2 – ATCC kar amacı gütmeyen küresel bir biyokaynak merkezi ve biyolojik ürünler, teknik servisler ve eğitici programlar temin eden bir araştırma kuruluşudur. Bakınız: www.atcc.org
  • w3 – Gümüş nanoparçacıkalrı atık su arıtımındaki yararlı bakterileri öldürüyor olabilir. Science Daily. www.sciencedaily.com ya da http://tinyurl.com/4mq4pv direkt linkini kullanınız.
  • w4 – Gümüş nanoparçacıkların yüzey değişikliği ve onların canlı hücrelerle olan etkileşimleri. Nano Werk. www.nanowerk.com ya da http://tinyurl.com/68fojm9 direkt linkini kullanınız.
  • w5 – Establish projesi hakkında daha fazla bilgi edinmek ve tamamlanan üniteleri indirmek için (zamanla daha fazlası eklenecek), bakınız: http://establish-fp7.eu
  • w6 – Grenoble’deki uluslararası bir araştırma merkezinde, dünyanın her tarafından binlerce bilim insanına hizmet eden ESRF yüksek parlaklıktaki X- ışını ışınları üretmektedir. Bakınız: www.esrf.eu
  • w7 – EIROforum hakkında daha fazla bilgi edinmek için, bakınız: www.eiroforum.org
  • w8 – Bu etkinlik için çalışma kağıtları buradan Word ya da PDF formatında indirilebilir.

Review

Diyaliz membranının nasıl işlediğini hiç merak ettiniz mi? İstenmeyen ürünleri vücudunuzdan süzmek için plastikler kullanılabilirler mi? Antibakteriyel plastiklere ne dersiniz? Bu makale kanın süzülmesi ve yaraların tedavisi için kullanılan polimerlerin görevini ortaya koymaktadır.

Bu makalede daha küçük öğrenciler için tanımlanan deneyler, polimer bilimi ve polimerlerin diyalizde nasıl kullanıldıklarını anlamalarına yardımcı olacaktır. Daha büyük öğrenciler için olan etkinliklerde öğrencilerin kendileri PVC’sini yaparlar ve onun antibakteriyel özelliklerini araştırırlar.

Bu etkinlikler polimerleşme, osmoz, difüzyon ve boşaltım konularına değindiğinden, hem kimya hem de biyoloji derslerine uygun olacaktır. Polimerlerin, seçici geçirgen membranların ya da boşaltımın daha kapsamlı kullanımlarında nasıl işe yaradıkları tartışması takip edebilir.


Andrew Galea, Giovanni Curmi Post-Secondary School Naxxar, Malta




License

CC-BY-NC-SA