بولي أكريلاميد (PAM)

تطبيق بولي أكريلاميد (بام)

• طبقة طلاء الورق
• خط إنتاج هيدروجيل
• التخثر في معالجة المياه والصرف الصحي
• عامل ترسيب في صناعات مختلفة مثل صناعة قصب السكر ، وتنقية الأزهار النشطة ، وتنقية الأغذية والمشروبات
• العامل المتحكم في الطاقة الحركية في الفيضان
• مادة مضافة لتدفق الزيت بشكل أفضل في آبار النفط
• يساعد في التكسير الهيدروليكي والتحميض والعمليات الأخرى المتعلقة بالتعدين
• زيادة القوة
• طلاء مواد غير الورق والمنسوجات
• استخدامات البناء والتشييد الحضري لتوحيد التربة
• التطبيق في تحضير المواد اللاصقة
• تقليل التآكل وتحسين الخواص الفيزيائية للتربة
• البلاستيك والمواد المضافة
• صناعة التعدين لتنقية بعض المعادن مثل الألمنيوم

التحلل الكيميائي والضوئي لعديد أكريلاميد المستخدم في تنقية مياه الشرب

التحلل الكيميائي والضوئي لبولي أكريلاميد المستخدمة في معالجة مياه الشرب جامعة بيياو تشينج بجنوب فلوريدا اتبع هذا والعمل الإضافي في: جزء من الدراسات الأمريكية. ، “التحلل الكيميائي والمحلل للضوء من polyacrylamides المستخدمة في معالجة مياه الشرب” (2004). تخريج الأطروحات والأطروحات. تقدم لك كلية الدراسات العليا في سكولار كومنز هذه الرسالة مجانًا. تم قبول إدراجها في أطروحات وأطروحات الدراسات العليا بواسطة مسؤول Scholar Commons معتمد. لمزيد من المعلومات يرجى الاتصال

التحلل الكيميائي والضوئي لعديد أكريلاميد المستخدم في تنقية مياه الشرب

By Peiyao Cheng أطروحة مقدمة في الوفاء الجزئي بمتطلبات درجة الماجستير في قسم العلوم والسياسات البيئية ، كلية الآداب والعلوم ، جامعة جنوب فلوريدا. مدرس أول: أودري د. ليفين ، دكتوراه دونالد ديوك ، دكتوراه. عبد الملك د. تاريخ الموافقة: 12 نوفمبر 2004 الكلمات الرئيسية: بولي إلكتروليت ، مونومر أكريلاميد ، أكسدة ، إشعاع فوق بنفسجي ، أداء التلبد حقوق النشر 2004 ، بيياو تشينج

4.2.1 تلبد البوليمر بواسطة أكسدة الكلور أكسدة البوليمر بأكسدة البرمنجنات

32 النتائج والمناقشة حول التدمير الكيميائي لمخلفات طيف الأشعة فوق البنفسجية المؤكسد / امتصاص إجمالي بقايا الكربون العضوي أكريلاميد 6 بقايا النيتروجين غير طبيعية. المراجع 62 الملحق 67 الملحق أ: اختبار إجمالي المواد الصلبة 68 الملحق ب: اختبار الكلور 70 الملحق ج: اختبار البرمنجنات 71 الملحق د: اختبار مادة الأكريلاميد بواسطة GC-ECD 73 الملحق هـ: صحيفة بيانات سلامة المواد 76 والملحق و: المخططات 89 ii

6 قائمة الجداول الجدول 2.1 مسارات تحلل بولي أكريلاميد 8 الجدول 2.2 تحلل بولي أكريلاميد بسبب التعرض للكلور أو الأوزون 11 الجدول 2.3 العوامل التي تؤثر على أداء تلبد البوليمر اختبارات النيتروجين 28 الجدول 3.4 اختبارات بقايا الأكريلاميد 29 الجدول 4.1 الجدول 4.2 الجدول 4.3 مقارنة الكلور / / تقليل بقايا البرمنجنات بعد التفاعل مع ثلاث عينات PAM (N-3300 P و A-3333 P و C-3328 لـ C-435 ساعة) محتوى النيتروجين في ثلاثة Clarifloc PAM (N 3300 P ، A-3333 P و C-3280) قبل وبعد KMnO 4 (4 مجم / لتر و 6 مجم / لتر) وأكسدة الكلور (10 مجم / لتر و 15 مجم / لتر) لمدة ساعة 48 مقارنة أداء التلبد PAMs بولي أكريلاميد (PAM) قبل وبعد الأكسدة مع الكلور الحر (10 مجم / لتر) أو برمنجنات البوتاسيوم (4 مجم / لتر) 55 ثالثا

7 قائمة الأشكال الشكل 1.1 هيكل بولي أكريلاميد. (أ) PAM غير أيوني ؛ (ب) بوليمر أنيوني PAM. (ج) البوليمر المشترك الموجب للـ ACM و DADMAC 2 الشكل 2.1 هيكل الأكريلاميد 6 الشكل 2.2 التحلل المائي المعاد الحمضي لبولي أكريلاميد 9 الشكل 2.3 التحلل المائي القلوي لبولي أكريلاميد 9 الشكل 3.1 رسم تخطيطي لـ 3.1 الأكريلاميد بعد الأكسدة الشكل 21. 10 مجم / لتر Clarifloc C-3280 (جرعة من KMnO 4 × 6 مجم / لتر) 35 تقليل الكلور المتبقي بعد الأكسدة 10 مجم / لتر Clarifloc N 3300 P و A-3333 P و C-3280 (جرعة الكلور عند 15 مجم / لتر) 35 حركية لتقليل الكلور المتبقي في أول 40 دقيقة (جرعة الكلور عند 15 مجم / لتر) 36 الشكل 4.4 طيف الأشعة فوق البنفسجية من Clarifluk N-3300 P (10 مجم / لتر) 38 الشكل 4.5 طيف الأشعة فوق البنفسجية من Clarifluk A- 3333 P (10 مجم / لتر) 39 الشكل 4.6 طيف الأشعة فوق البنفسجية من Clarifloc C-3280 (10 مجم / لتر) 39 الشكل 4.7 الشكل 4.8 الشكل 4.9 يتغير امتصاص الأشعة فوق البنفسجية عند 195 نانومتر (تقاس على عينات PAM 5 سم). يتغير 10 مجم / لتر) عند التعرض لـ 2 مجم / لتر KMnO 4 40 لامتصاص الأشعة فوق البنفسجية عند 195 نانومتر (تقاس في خلية 5 سم) لعينات PAM (10 مجم / لتر). ل) عند التعرض لـ 5 ملجم / لتر من الكلور الحر.

8 الشكل 4.10 الشكل 4.11 الشكل 4.12 طيف الأشعة فوق البنفسجية لـ Clarifloc C-3280 (10 مجم / لتر) بعد إضافة 5 مجم / لتر من الكلور لمدة 30 دقيقة. ، A-3333 P و C-3280) بعد 5 ساعات من الأكسدة 44 تأثير جرعة KMnO 4 على محتوى الكربون المؤكسد لثلاثة PAMs (N 3300 P ، A-3333 P و C-3280) بعد 5 ساعات من الأكسدة 44 الشكل 4.13 الأكريلاميد المتبقي في 10 مجم / لتر C-3280 (مرجح بمعيار الأكريلاميد 10 ميكروغرام / لتر) 45 الشكل 4.14 الأكريلاميد المتبقي في 10 مجم / لتر C-3280 (بمعيار 10 ميكروجرام / لتر أكريلاميد) بعد التعرض لـ 15 مجم / الكلور لتر لمدة 30 دقيقة 46 الشكل 4.15 الأكريلاميد المتبقي في 10 مجم / لتر C-3280 (محدد بمعيار أكريلاميد 10 ميكروجرام / لتر) بعد التعرض لـ 6 مجم / لتر KMnO 4 لمدة 30 دقيقة. 46 الشكل 4.16 الشكل 4.17. في امتصاص الأشعة فوق البنفسجية عند 195 نانومتر (تقاس في خلية 5 سم) لثلاثة PAMs عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية 50 تأثير الأشعة فوق البنفسجية على محتوى TOC لثلاثة PAM s 50 مقارنة الأكريلاميد المتبقي عند 10 مجم / لتر C-3280 تحت ظروف مختلفة (التعرض للأشعة فوق البنفسجية والكلور والبرمنجنات ومجموعاتها) 52 مقارنة كمية الكلور المستهلكة أثناء أكسدة ثلاثة PAM (10 مجم / لتر) لتر) مع الكلور الحر فقط (15 مجم / لتر) والمزيج هو تتعرض للأشعة فوق البنفسجية لمدة 30 دقيقة. وتوليفة مع الأشعة فوق البنفسجية لمدة 30 دقيقة 54 فولت

الشكل F-1 الشكل F-2 الشكل F-3 الشكل F-4 الشكل F-5 الشكل F-6 الشكل F-7 الشكل F-8 الشكل F-9 الشكل F-10 الشكل F-11 الشكل F-12 التخفيض المتبقي من البرمنجنات عند التفاعل مع محاليل PAM 10 جزء في المليون (KMnO 4 بجرعة 6 جزء في المليون) 89 تقليل مخلفات البرمنجنات عند التفاعل مع محاليل PAM 10 جزء في المليون (KMnO 4 بجرعة 4 جزء في المليون) 89 تقليل بقايا البرمنجنات بعد إعادة تفاعل مع 1 جزء في المليون (KMnO 4 بجرعة 2 جزء في المليون) 90

تقليل الكلور المتبقي عند التفاعل مع 10 جزء في المليون من محلول PAM (Cl 2 بجرعة 10 جزء في المليون)

90 الحد من بقايا الكلور عند التفاعل مع 10 جزء في المليون من محاليل PAM (كلور 2 جزء في المليون بجرعة 95) الكلور المستهلك في 30 دقيقة لثلاثة من PAMs مع وبدون تأثيرات الأشعة فوق البنفسجية (جرعة Cl 2 عند 5 جزء في المليون) 91 مقارنة استهلاك الكلور المستهلك في 30 دقيقة لثلاثة PAMs مع وبدون تأثيرات UV (Cl 2 بجرعة 10 جزء في المليون) 92 مقارنة KMnO 4 المستهلكة في 30 دقيقة لثلاثة PAMs مع وبدون تأثيرات UV (KMnO 4 بجرعة 2 جزء في المليون) 92 خطر Compa لـ KMnO يتم استهلاك 4 في 30 دقيقة لثلاثة PAMs مع وبدون تأثيرات الأشعة فوق البنفسجية (KMnO 4 بجرعة 6 جزء في المليون) 93 مخطط كروماتوجرام من الأكريلاميد المتبقي عند 10 جزء في المليون C-3280 (بمعيار ACM 10 جزء في البليون) بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية 93 كروماتوجرام من مادة الأكريلاميد المتبقية في 10 جزء في المليون C-3280 (بمعيار ACM 10 جزء في البليون) بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية و 6 جزء في المليون من KMnO 4 لمدة 30 دقيقة و 94 كروماتوجرام من الأكريلاميد المتبقي في 10 جزء في المليون 10 جزء في المليون مع ACM3 القياسي) بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية و 15 جزء في المليون من الكلور من أجل 30 دقيقة و 94 السادس

10 قائمة الاختصارات Adam MeCl AWWA ACM CD CV DADMAC DBP EAD EPA Epi-DMA GC GH LD 50 MS MW MSDS NDMA NOM PAM PATA Py-GC Py-GC-MS SEC TOC UV WHO Ethanaminium N، NN – (1-oxo – 2-propenyl) أوكسي كلوريد جمعية أعمال المياه الأمريكية Acrylamide Crystal Violet Charge Density Diallyl Dimethylammonium Chloride تطهير المنتجات الثانوية كاشف التقاط الإلكترون وكالة حماية البيئة Epichlorohydrin-dimethylamine Gas Chromatate-dimethylamine Material Safety Sheet ، بولي أكريلاميد ، بولي أكريلاميد ، عامل سماكة ، الانحلال الحراري ، كروماتوغرافيا الغاز ، الانحلال الحراري ، كروماتوغرافيا الغاز ، قياس الطيف الكتلي ، حجم الاستبعاد ، الكروماتوغرافيا ، منظمة الصحة العالمية ، Ultra Organic

التحلل الكيميائي والضوئي للبولي أكريلاميد المستخدمة في معالجة مياه الشرب PEYAO CHENG

ملخص بولي أكريلاميد (PAMs)

هناك مجموعة من البوليمرات التي تتكون من مادة الأكريلاميد وحدها أو المبلمرة المشتركة مع مونومرات أخرى. تم استخدام PAMs في معالجة مياه الشرب كمواد ندفية أو مواد تخثر بأكبر حجم بين جميع أنواع البوليمرات. في عمليات معالجة مياه الشرب ، غالبًا ما تتعرض بولي أكريلاميد لمواد مؤكسدة (مثل الكلور والبرمنجنات) والأشعة فوق البنفسجية من أشعة الشمس أو المصادر الاصطناعية. الهدف من هذه الدراسة هو تقييم التحلل المحتمل لـ PAMs الناجم عن الأكسدة الكيميائية و / أو الأشعة فوق البنفسجية. تمت دراسة ثلاثة أنواع من منتجات PAM (غير الأيونية والكاتيونية والأنيونية) تحت أكسدة الكلور الحر والبرمنجنات والأشعة فوق البنفسجية وتأثيراتها المشتركة. تم العثور على PAM الكاتيوني ليكون أكثر البوليمر غير المستقر من بين الأنواع الثلاثة لعينات البوليمر التي تمت دراستها ، ومع ذلك ، لوحظ فقط تدهور طفيف. كان الأكريلاميد المتبقي في PAM C-3280 الموجب أعلى من القيمة الإرشادية الأمريكية ، كما أدى التعرض للكلور أو البرمنجنات إلى خفض مستويات الأكريلاميد جزئيًا. لا تحلل الأشعة فوق البنفسجية البوليمر بأكمله

محتوى وبقايا الأكريلاميد

، لكنها تسارعت من التدمير الناجم عن المواد الكيميائية. أدى التعرض للكلور أو البرمنجنات لمدة ساعة واحدة إلى انخفاض بنسبة 20-35٪ في أداء التلبد لكل عينة بوليمر. لم يؤد التعرض لوقت قصير (5 دقائق) إلى فقدان أداء التلبد لـ PAMs غير الأيونية والأنيونية. ومع ذلك ، بالنسبة إلى PAM الموجبة ، حتى التعرض قصير المدى للكلور أدى إلى فقدان أداء التلبد ٪ ، مما يشير إلى أن PAM الموجبة أكثر عرضة للأكسدة. التاسع

مقدمة في البوليمرات العضوية

لقد تم استخدامها في تنقية مياه الشرب لأكثر من 40 عامًا. في عام 1967 ، تم قبول أول بوليمر عضوي اصطناعي بالكامل من قبل خدمة الصحة العامة الأمريكية لمعالجة مياه الشرب (AWWA ، 2001). بعد 15 عامًا ، قُدر أن أكثر من نصف محطات معالجة المياه في الولايات المتحدة كانت تستخدم بوليمرًا واحدًا أو أكثر لتحسين كفاءة الترشيح (لجنة التخثر والترشيح AWWA ، 1982). على الرغم من وجود الآلاف من منتجات البوليمر التي تقبلها وكالة حماية البيئة ، يُعتقد أن عدد المركبات المرتبطة بهذه المنتجات أقل من 20 مركبًا ، حيث تمثل منتجات البولي أكريلاميد الحجم الأكبر (Hanson et al. ، 1983 ؛ Mangravite ، 1983). ). بولي أكريلاميدات (PAMs) هي عائلة من البوليمرات والبوليمرات المشتركة التي تختلف من حيث شكل المنتج ونوع الشحنة وكثافة الشحنة والوزن الجزيئي وخصائص أخرى. يتم بلمرتها بشكل عام بواسطة مادة الأكريلاميد (ACM) وحدها لتشكيل بوليمر غير أيوني ، مع حمض أكريليك أو أملاح حمض الأكريليك لتكوين بوليمر أنيوني ، أو مع مونومر كاتيوني (مثل DADMAC) لتكوين بوليمر كاتيوني. يمكن أيضًا تحضير Anionic PAMs عن طريق التحلل المائي القلوي لـ PAMs غير الأيوني. يظهر هيكل PAM وبعض البوليمرات المشتركة في الشكل 1.1 (مقتبس من Bolto ، 1995). 1

هيكل بولي أكريلاميد.

(أ) PAM غير أيوني ؛ (ب) بوليمر أنيوني PAM. (ج) الكاتيوني كوبوليمر ACM و DADMAC (مقتبس من Bolto ، 1995) تم استخدام PAMs في تطبيقات مختلفة مثل تخثر / تلبد مياه الشرب ومياه الصرف الصحي ، وتكييف التربة ، والزراعة ، واستعادة النفط والتطبيقات الطبية الحيوية. تركز هذه الرسالة على تطبيقها في معالجة مياه الشرب. في معالجة مياه الشرب ، تضاف PAMs عادةً أثناء التخثر أو التلبد لزعزعة استقرار الجسيمات والمواد العضوية الطبيعية (NOM) وتسهيل الإزالة عن طريق الترسيب أو الترشيح. غالبًا ما تستخدم PAMs الموجبة كمخثرات أولية لتعزيز التخثر والترسيب (أو الترشيح) للجسيمات سالبة الشحنة في المياه الطبيعية من خلال 2.

امتصاص وتحييد شحنة السطح

(ليترمان وبيرو ، 1990). عادةً ما يكون للـ PAMs غير الأيوني والأنيوني وزن جزيئي أعلى (أو سلسلة أطول) من PAM الموجبة. غالبًا ما يتم إضافتها بعد التخثر للمساعدة في ربط الجزيئات المشحونة إيجابياً لتكوين تكتلات أكبر من خلال آلية تسمى جسر البوليمر. في معالجة مياه الشرب ، إلى جانب الإلكتروليتات العضوية ، تُستخدم أيضًا مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية ، بما في ذلك المؤكسدات (مثل الكلور والأوزون والبرمنجنات وثاني أكسيد الكلور) والجير ومخثرات المعادن والفلوريد ومثبطات التآكل. في معالجة المياه السطحية ، غالبًا ما تضاف المواد المؤكسدة قبل التخثر (تسمى الأكسدة المسبقة) لمعالجة انخفاض المعادن والمركبات المرتبطة بالطعم والرائحة (ليفين وآخرون ، 2004). هناك قلق من أن تلك المؤكسدات المتبقية قد تتفاعل مع الإلكتروليتات العضوية المتعددة المضافة للتخثر / التلبد ، وقد تؤثر هذه التفاعلات سلبًا على أداء البوليمرات وتنتج سلائف من المنتجات الثانوية للتطهير (DBPs) Levine et al.، 2004). . في معظم الحالات ، تضاف المواد المؤكسدة بعد تنقية المياه لتطهيرها. عادة ما يتم الاحتفاظ بالمؤكسد المتبقي في المياه النهائية للتحكم في نمو البكتيريا في أنظمة التوزيع. في حالة وجود بوليمرات متبقية ، قد تحدث تفاعلات مع المؤكسدات المتبقية في نظام توزيع المياه ، مما قد ينتج عنه بعض المواد السامة (مثل مونومر الأكريلاميد) أو منتجات التطهير الثانوية. 3

تم تصميم هذه الدراسة لتوفير تقييم للتغيرات في بولي أكريلاميد ومونومرات الأكريلاميد أثناء معالجة المياه.

ويمكن أن توفر نتائج هذه الدراسة بيانات علمية قد تكون مفيدة في تقييم فعالية السياسة الحالية المتعلقة باستخدام بولي أكريلاميد. الأهداف المحددة لهذه الدراسة هي: 1) تقييم التحلل الكيميائي لبولي أكريلاميد الناجم عن الكلور والبرمنجنات ، بناءً على تقليل المؤكسدات المتبقية والتغيرات المحتملة في بولي أكريلاميد (إجمالي الكربون العضوي والطيف / امتصاص الأشعة فوق البنفسجية) وشوائبها (بقايا) أكريلاميد). والنيتروجين غير العضوي المتبقي) ؛ 2) التحلل الضوئي للبولي أكريلاميد عن طريق التعرض لأشعة الشمس الاصطناعية مع طيف الأشعة فوق البنفسجية ، بناءً على التغيرات في إجمالي الكربون العضوي ، وامتصاص الأشعة فوق البنفسجية وبقايا الأكريلاميد ، وأيضًا لتقييم تأثير الأشعة فوق البنفسجية على أكسدة الكلور / برمنجنات PAMs. 3) تقييم تأثير المؤكسدات (الكلور والبرمنجنات) على أداء التلبد لعديد أكريلاميدات ، بناءً على معدل الترسيب لملاط الكاولين. 4) تقديم اقتراحات حول اختيار واستخدام البوليمرات في معالجة مياه الشرب. 4

الخلفية يبحث هذا الفصل في خصائص مادة الأكريلاميد وبوليمراتها.

يقدم هذا الفصل نظرة عامة تسلط الضوء على الدراسات السابقة حول تحلل البوليمر الناتج عن التحلل الضوئي والمواد الكيميائية ، وتغيرات الأداء المرتبطة بتحلل البوليمر ، والتحليل الكيميائي لمونومرات البولي أكريلاميد (PAMs) والأكريلاميد (ACM). يستعرض القسم الأخير اللوائح الحالية على منتجات PAM. 1. الأكريلاميد والبولي أكريلاميد الأكريلاميد هو المونومر الرئيسي لبولي أكريلاميد. ومع ذلك ، فإن مادة الأكريلاميد والبولي أكريلاميد لها خصائص مختلفة تمامًا. يقدم هذا القسم الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للأكريلاميد والبولي أكريلاميد ، والتي تعتبر مهمة جدًا لفهم تحلل بولي أكريلاميد ومونومراتها. 1.1 أكريلاميد الأكريلاميد مادة صلبة بلورية بيضاء عديمة الرائحة قابلة للذوبان في الماء ومذيبات قطبية أخرى مثل الأسيتون والأسيتونتريل. يحتوي على مجموعتين وظيفيتين رئيسيتين ، مجموعة أميد ورابطة ثنائية كربون-كربون مزدوجة (الشكل 2.1) (Caufield et al. ، 2002). بسبب الرابطة المزدوجة التي تعاني من نقص الإلكترون ، فإن مادة الأكريلاميد تكون عرضة لمجموعة واسعة من التفاعلات ، مثل الإضافات النووية ، و Diels-Alder ، والتفاعلات الجذرية (MacWilliams ، 1973). CH 2 CH CO NH 2 الشكل 2.1 هيكل الأكريلاميد (مقتبس من Caufield et al. ، 2002) يمكن أن يكون الأكريلاميد شديد السمية.

يتم امتصاصه بسهولة عن طريق الابتلاع والاستنشاق عبر الجلد ثم يتم توزيعه على نطاق واسع في سوائل الجسم

(منظمة الصحة العالمية ، 1996). الجرعة المميتة عن طريق الفم 50 (الجرعة المميتة لنصف السكان) هي مجم / كجم من وزن الجسم للفئران و مجم / كجم من وزن الجسم للفئران (ليترمان وبيرو ، 1990). الجرعة المميتة 50 عن طريق الجلد في الجرذان هي 400 ملغم / كغم من وزن الجسم (منظمة الصحة العالمية ، 1996). مادة الأكريلاميد هي أيضًا سم عصبي تراكمي يمكن أن يتسبب في تلف الأعصاب من التعرض الفموي المزمن للإنسان والحيوان ، مع تأثيرات مثل التنميل والضعف في اليدين والقدمين (US EPA، 1999). كما تم توثيق مخاطر الإصابة بالسرطان لدى البشر وكذلك في دراسات الفئران. لذلك ، صنفت وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) مادة الأكريلاميد على أنها مادة ب 2 ، وهي مادة مسرطنة محتملة للإنسان (وكالة حماية البيئة الأمريكية ، 1984 و 1993). 1.2 بولي أكريلاميد بولي أكريلاميد يتم تحضيرها من خلال بلمرة شعاعية مجانية لمادة الأكريلاميد باستخدام مجموعة متنوعة من أنظمة البدء (مثل البيروكسيدات ، والكبريتات ، والأكسدة والاختزال والأزواج الكيميائية الضوئية) في المحاليل المائية أو المشتتات.

عادة ما تكون الخصائص الفيزيائية لكل منتج بولي أكريلاميد مختلفة.

على سبيل المثال ، يمكن أن يكون شكل PAMs صلبًا أو مستحلبًا أو محلولًا ، مع أوزان جزيئية تتراوح من آلاف إلى أكثر من ملايين الدالتونات. بولي أكريلاميد غير سام نسبيًا للإنسان أو الحيوانات أو الأسماك أو النباتات (سيبولد ، 1994 ؛ منظمة الصحة العالمية ، 1985). إن الجرعة المميتة 50 عن طريق الفم للجرذان أكبر من 5000 مجم / كجم من وزن الجسم وللأسماك أكبر من 100 مجم / كجم (صحيفة بيانات سلامة المواد في الملحق هـ). في حين أن تفاعل الأكريلاميد ينقصه الإلكترون بسبب الرابطة المزدوجة ، فإن البولي أكريلاميد يعتبر خاملًا نسبيًا بسبب عدم وجود الرابطة المزدوجة ، والتي يتم إزالتها بواسطة عملية البلمرة (MacWilliams ، 1973). ومع ذلك ، فإن بولي أكريلاميد عرضة لمجموعة متنوعة من عمليات التحلل اعتمادًا على طبيعة البوليمر والشوائب الموجودة والظروف التي تتعرض لها. على سبيل المثال ، يمكن أن تخضع مجموعة الأميد في بولي أكريلاميد للتحلل المائي والجفاف (Caulfield et al. ، 2002). بشكل عام ، تفاعلات التحلل لا رجعة فيها وتغير الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبوليمر. تعتبر المنتجات الثانوية المتحللة مصدر قلق أيضًا لأنها قد تساهم في السمية عن طريق إطلاق مونومرات الأكريلاميد أو تكوين منتجات ثانوية مطهرة (مثل ثلاثي الميثان) من الكلورة. 2. تحلل بولي أكريلاميد هناك خمسة مسارات تحلل رئيسية للبولي أكريلاميد: التحلل الحراري ، التحلل الضوئي ، البيولوجي ، الكيميائي والميكانيكي.

تم فحص آلية مسارات التحلل هذه بواسطة Caulfield et al.

(2002) وملخص في الجدول 2.1. التدهور الكيميائي والصورة هو محور هذه الأطروحة ويتم مناقشته هنا. الجدول 2.1 مسارات تحلل بولي أكريلاميد (Caufield et al. ، 2002). C حتى 300 درجة مئوية: تفاعل لا رجعة فيه لمجموعة الأميد الوظيفية ، إضافة O 2 أثناء التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية (الأكسدة الضوئية) ، التحلل المائي ذو القاعدة العالية القص ، التحميل الميكانيكي المباشر ، التحريك)> 300 درجة مئوية: التحلل الكيميائي للأميد الحر ، الانشطار المتسلسلالتحلل الجذري الرئيسي لانقسام الرابطة العشوائية (أي H 2 O 2، K 2 S 2 O 8) 2.1 التحلل الكيميائي لعديد أكريلاميد في معالجة المياه بولي أكريلاميد (PAM) ، يمكن استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية بالتوازي مع الإلكتروليتات المتعددة ، بما في ذلك تستخدم المؤكسدات (مثل الكلور والكلورامين والأوزون). برمنجنات ، بيروكسيد) ، مواد تخثر (مثل الشب ، كبريتات الحديدوز) ، كيماويات ضبط الأس الهيدروجيني (مثل الجير ، الصودا الكاوية ، رماد الصودا ، حمض الكبريتيك) ، الفلوريد ومثبطات التآكل لهذه المواد الكيميائية ، خاصة المؤكسدات قد تتفاعل مع بقايا الإلكتروليتات المتعددة في الماء و تؤدي إلى تدميرهم. يؤثر الرقم الهيدروجيني 8 أيضًا على معدل ومدى تحلل البوليمر (Soponkanaporn and Gehr ، 1989). في ظل الظروف الحمضية أو الأساسية ، تكون بولي أكريلاميد عرضة للتحلل المائي.

تفاعل التحلل الحمضي

يتضمن إضافة الماء إلى الأميد البروتوني المحبة للنيوكليوفيليا يليه التخلص من NH 3. لتكوين بقايا حمض الأكريليك ، تتم إزالة البروتون بعد ذلك بواسطة NH 2 – من بقايا حمض الأكريليك لتكوين أنيون كربوكسيل وأمونيا أكثر ثباتًا (Caulfield et al. ، 2002). يُعتقد أن مجموعة الأميد فقط من PAMs تتغير أثناء التحلل المائي الحمضي أو الأساسي ، بينما لم يلاحظ أي فقدان للوزن الجزيئي. الشكل 2.2 التحلل المائي الحمضي لبولي أكريلاميد (مقتبس من كولفيلد وآخرون ، 2002) الشكل 2.3 التحلل المائي القلوي لبولي أكريلاميد (مقتبس من كولفيلد وآخرون ، 2002) 9

22 تمت دراسة تحلل بولي أكريلاميد الناجم عن الكلور والأوزون على نطاق واسع. يتم عرض مقارنة نتائج البحث في الجدول 2.2. استخدم Soponkanaporn and Gehr (1987) كروماتوجرافيا استبعاد الحجم للتحقيق في تدهور بولي أكريلاميد الموجبة بواسطة الأوزون. تم الإبلاغ عن أن الوزن الجزيئي للبوليمرات انخفض من حوالي 6 ملايين إلى أقل من مليون بعد التعرض للأوزون لمدة 10 دقائق. تمت دراسة تحلل PAM الموجبة (1-100 مجم / لتر) من خلال التعرض لكل من الكلور (20 مجم / لتر) والأوزون (3 مجم / لتر) عند مستويات الأس الهيدروجيني من 3 إلى 9 (Gehr and Soponkanaporn ، 1990) . ). تم استخدام الماء المقطر المزدوج في جميع التجارب. أدى كل من بولي أكريلاميد (PAM) والكلور وأكسدة الأوزون إلى انخفاض الوزن الجزيئي للبوليمر ، دون خسارة كبيرة في إجمالي الكربون العضوي (TOC) والنيتروجين الكلي (TN). تم تأكيد هذه النتيجة من قبل ليفين وآخرون. (2004) الذي درس تحلل اثنين من بولي أكريلاميد ووجد أن الكلور له أقل تأثير على إجمالي الكربون العضوي. كما أصبح توليد المنتجات الثانوية السامة (مثل الأكريلاميد والكلوروفورم) أثناء تحلل البوليمر مصدر قلق إضافي ولكنه مهم. أظهرت الدراسات أن مونومرات الأكريلاميد لا يتم إنتاجها أثناء تحلل PAM بالكلور والأوزون. في الواقع ، أدت الأكسدة إلى انخفاض في تركيز الأكريلاميد المتبقي (Gehr and Soponkanaporn، 1990). تتوافق النتيجة مع نتائج Mallevialle et al. 10

الأوزون الأكريلاميد

وحده ودرس مادة الأكريلاميد في أنيوني PAM. تمت إزالة مونومرات الأكريلاميد بسرعة ، حيث كان معامل معدل التفاعل من الدرجة الأولى -0.14 / دقيقة. تم الكشف عن تكوين الكلوروفورم أثناء الكلورة وزاد التركيز مع زيادة تركيز المحلول الكهربائي وزمن الحضانة (Gehr and Soponkanaporn، 1990). أظهرت دراسة أخرى حول تكوين الكلوروفورم من PAM الموجبة أن معدل ومدى تفاعل البوليمر يزداد مع زيادة درجة الحموضة ودرجة الحرارة (Gehr and Soponkanaporn ، 1989). N-nitrosodimethyllamine (NDMA) هو مادة مسرطنة معروفة للحيوان مع LD 50 عن طريق الفم من 58 مجم / كجم للجرذان (ورقة بيانات سلامة المواد NDMA ، 2004). تم الإبلاغ عن شيخوخة محلول مخزون Epi-DMA (epichlorohydrin-dimethylamine) مما يؤدي إلى زيادة إنتاج NDMA خلال فترة 5 ساعات (Kohut and Andrews ، 2003). 2.2 التحلل الضوئي لبولي أكريلاميد يُعتقد أن التحلل الضوئي لبولي أكريلاميد عملية الجذور الحرة التي قد تؤدي إلى انشقاق العمود الفقري للبوليمر (انفصال السلسلة) ، والربط المتبادل ، وإدخال مجموعات وظيفية جديدة ، وتشكيل منتجات ذات وزن جزيئي مرتفع. ريدي وآخرون ، 1994 ؛ كولفيلد وآخرون ، 2002). درس كولفيلد وآخرون (2003) استقرار بولي أكريلاميد الخطي تحت ظروف الحرارة والإشعاع. تم العثور على PAMs لتكون مستقرة تحت مصابيح الفلورسنت ولم تطلق 12 قابلة للاكتشاف

سطح الأكريلاميد عند 95 درجة مئوية ، على الرغم من ملاحظة التحلل المائي لمجموعات أميد السلسلة الجانبية إلى مجموعات حمضية أثناء التحلل الحراري المائي.

تحت إشعاع الأشعة فوق البنفسجية عند 254 نانومتر ، تم إطلاق مستويات صغيرة من الأكريلاميد (بشكل عام أقل من 50 جزء في المليون من وحدات تكرار مونومر في البوليمر) ولوحظ انخفاض في اللزوجة. تم استنتاج أن مادة الأكريلاميد المنبعثة ناتجة عن انفصال السلسلة ، وليس فك ضغط سلسلة البوليمر. قام سميث وآخرون (1996 ، 1997) بالتحقيق في تحلل عامل تثخين بولي أكريلاميد (PATA) ، المصاغ بدون ومع مبيد الأعشاب غليفوسات (GH) ، في المياه المقطرة منزوعة الأيونات ، والمياه السطحية ، وعينات المياه الجوفية. في درجات حرارة المختبر الخاضعة للرقابة (4 و 25 و 37 درجة مئوية) وظروف الإضاءة (الطول الموجي بين 300 و 700 نانومتر) وفي البيئة الخارجية ، وجد أن وجود GH أو الأكريلاميد و / أو بولي أكريلاميد يحمي من التدهور. إنه يبطئ أو يسبب تحلل بولي أكريلاميد. بالنسبة إلى مادة الأكريلاميد ، اقترحوا أن GH قد يكون بمثابة حامل للون ، يمتص الإشعاع الضوئي وينقل الطاقة إلى بولي أكريلاميد ، وبالتالي يكسر روابط C-C في البوليمر. ومع ذلك ، فقد تم تحدي نتائجهم من قبل باحثين آخرين. أجرى Vers (1999) تجارب في ظل ظروف تدهور مماثلة لكنه وجد نتائج مختلفة من Smith. خلص فيرس إلى أن بولي أكريلاميد لا يمكن تقسيمه إلى مونومرات الأكريلاميد في وجود ضوء الشمس أو مبيد الأعشاب غليفوسات ، أو أي مزيج منهما. وذكر 13 حالة

26 أوجه القصور في الأساليب المستخدمة من قبل سميث وآخرون.

لتحليل مادة الأكريلاميد ، مثل الدقة الضعيفة بين مونومر الأكريلاميد وحمض الأكريليك ، وقد تكون أوجه القصور هذه قد ساهمت في نتائجها المضللة.

تساءل كاي شوميكر وآخرون (1998) أيضًا عن موثوقية النتائج السابقة حول قابلية تحلل بولي أكريلاميد في مونومرها بواسطة سميث وآخرون (1996 و 1997). أظهرت دراستهم أن الإشعاع فوق البنفسجي لمادة بولي أكريلاميد الأنيونية عالية الوزن الجزيئي يؤدي إلى انخفاض الوزن الجزيئي للبوليمر. ومع ذلك ، لم يكن هناك دليل على مادة الأكريلاميد لأن PAM المعالج بالأشعة فوق البنفسجية لم يكن قادرًا على دعم نمو البكتيريا (يمكن أن يعمل مونومر الأكريلاميد كمصدر وحيد للكربون للنمو البكتيري). تظهر نتائجهم أن مادة الأكريلاميد لا تتشكل أثناء تحلل بولي أكريلاميد تحت الأشعة فوق البنفسجية. كما تم تحدي نتائج Smith et al. (1996 و 1997) من قبل باحثين آخرين: Bologna et al. (1999) أنه إذا حدثت البلمرة بالفعل ، فإن تركيز الأكريلاميد المرصود سيكون أعلى بكثير من ذلك الذي ادعى سميث وآخرون (1996 ، 1997). كما تم اقتراح أن إعادة بناء الرابطة المزدوجة في مادة الأكريلاميد من PAMs ليست مجدية من الناحية الديناميكية الحرارية. باختصار ، من المقبول عمومًا أن تشعيع الأشعة فوق البنفسجية يمكن أن يؤدي إلى انخفاض الوزن الجزيئي لبولي أكريلاميد ، ومع ذلك ، لا يزال هناك خلاف حول إمكانية تحلل بولي أكريلاميد إلى مونومرات الأكريلاميد ، والتي ينبغي شرحها بمزيد من التفصيل. 14

27 3. أداء التلبد يمكن تقييم أداء المادة الندفية من حيث معدل ترسيب البولي أكريلاميد (PAM) ، والوضوح ، وحجم الرواسب ، أو استهلاك المواد الندفية ، والتي تتأثر بالتفاعل المعقد بين عدد من العوامل التي تم تلخيصها في الجدول 2.3. كان الجدول 2.3 العوامل التي تؤثر على أداء تلبد البوليمر (مقتبس من Owen et al.، 2002؛ Farrow and Swift، 1996) كثافة الشحنة ، الوزن الندف ، الشكل الوظيفي للجانب الديناميكي لقوة التحريك ومدته.حقق عدد من المؤلفين العلاقة بين أداء التلبد والخصائص الفيزيائية للكهرباء المتعددة ، وخاصة الوزن الجزيئي وكثافة الشحنة. بالنسبة إلى PAM الكاتيوني ، تم اقتراح معادلة الشحنة كآلية تلبد سائدة ، مما يعني أن زيادة كثافة شحنة البوليمر الموجب يؤدي إلى أداء أفضل للتلبد (Tiravanti et al. ، 1985 ؛ Mabire et al. ، 1983). ومع ذلك ، فقد تم تحدي استنتاجاتهم من قبل باحثين آخرين: Smith-Palmer et al. (1994) درس أداء التلبد لسلسلة من PAMs الموجبة باستخدام معدلات ترسيب الكاولين. كانت 15 سنة

وجد أن معدل الترسيب كان مرتبطًا عكسياً بكثافة الشحنة ، مما يشير إلى أن الجسر يمكن أن يلعب دورًا مهمًا في آلية التلبد.

تم دعم هذه النتيجة من قبل Gill and Harrington (1986) ، الذي استنتج أن كثافة الشحنة لم تكن عاملاً محددًا ، ولكن التجسير كان الآلية السائدة ، وأن الاختلافات في معدلات الترسيب يجب أن تكون بسبب الاختلافات الصغيرة في الوزن الجزيئي. عامل آخر تمت مناقشته هو شيخوخة محاليل PAM (بشكل عام على مدى أسابيع أو أشهر). لاحظ Shyluk and Stow (1969) أن الانخفاض في لزوجة محلول بولي أكريلاميد بمرور الوقت يمكن وصفه بأنه عملية من خطوتين ، مع انخفاض سريع أولي (حوالي 15 يومًا) متبوعًا بانخفاض بطيء وثابت. وأفادوا أيضًا أن الشيخوخة تقلل من قدرة البوليمر على تلبد معلق الكاولين. تُعزى تفسيرات آلية عملية الشيخوخة إلى تفكك البوليمر (Gardner et al. ، 1978) ، والتغيرات الهيكلية (Klein and Westerkamp ، 1981 ؛ Kulicke and Nieske ، 1981) ، ووجود الكائنات الحية الدقيقة أو الجذور الحرة (هاس). وماكدونالد). ، 1972). تتوفر بيانات محدودة حول تأثير المواد المؤكسدة على أداء التلبد لـ PAM. أفاد Gehr و Soponkanaporn (1990) أن الكلور قلل بشكل طفيف من كفاءة التلبد لـ PAM الموجبة في التعرض لمدة 10 دقائق ، وأن الأوزون قلل التركيز الفعال للبوليمر بشكل كبير في الدقائق القليلة الأولى ، وبعد ذلك ظل التركيز ثابتًا. 16

درس تأثير الكلور والبرمنجنات والأشعة فوق البنفسجية وتوليفاتها على كفاءة التلبد لبولي أكريلاميد غير الأيوني (PAM) بناءً على تعكر المياه النهائية واختبار زمن التصفية.

تم الإبلاغ عن أن التعرض للأشعة فوق البنفسجية لا يؤدي إلى تغير كبير في التعكر ، ولكن الكلور والبرمنجنات والكلور مع التعرض للأشعة فوق البنفسجية يؤدي جميعها إلى انخفاض الأداء كما تم قياسه بواسطة التعكر المتبقي. ومع ذلك ، أظهر اختبار الوقت إلى المرشح أن التعرض للأشعة فوق البنفسجية و / أو الكلور أو البرمنجنات أدى إلى تحسن في ترشيح المعلق ، مما يشير إلى أن الجسيمات الأكبر قد تتكون من تلبد البوليمر الذي ينتج عنه انسداد ومقاومة أقل. . ضد التدفق من خلاله. مرشح المسام 4. التحليل الكيميائي مهم لتحديد المصير النهائي للبوليمرات المستخدمة في معالجة المياه. تمت دراسة عدد من الأساليب لتتبع بقايا البوليمر في الماء. تتمثل إحدى الطرق في معايرة الغرويات مقابل إلكتروليت مشحون بشكل معاكس ، باستخدام الأصباغ (Wang and Schuster ، 1975 ؛ Parazak et al. ، 1987) أو المركبات الفلورية (Tanaka and Sakamoto ، 1993) كمؤشرات. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة ليست حساسة بشكل خاص ، مع حدود كشف منخفضة تتراوح من 0.5 إلى 1 مجم / لتر. الاختلاف في هذا بالنسبة للمواد الندفية الموجبة هو قياس الامتصاص عند 680 نانومتر بعد الإضافة التدريجية لمحلول قياسي لمركب o ، o-dihydroxyazo الذي يرتبط بالبوليمر 17.

30 (كيري وآخرون ، 1986). أبلغ Masadome (2003) أيضًا عن طريقة مماثلة باستخدام البنفسجي البلوري (CV) كمؤشر وقياس تغير الامتصاص عند 590 نانومتر بواسطة مقياس الطيف الضوئي التقليدي. طريقة أخرى مماثلة هي مراقبة التعكر عن طريق إضافة حمض التانيك لترسيب البوليمر (Attia and Rubio ، 1975). تم تطوير طرق أخرى لتوصيف البولي إلكتروليتات الاصطناعية. استخدم Goppers and Straub (1976) كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة للتمييز بين البوليمر والمونومر المتبقي المرتبط ببولي أكريلاميد الموجبة. تم استخدام كروماتوجرافيا استبعاد حجم البولي أكريلاميد (SEC) لتحديد الوزن الجزيئي وتوزيع الوزن الجزيئي للبوليمرات. لتحديد الكميات الصغيرة من بولي أكريلاميد المتحلل جزئيًا الأنيوني (Belzley ، 1985) ، والبولي أكريلاميد غير الأيوني المتبقي في حمأة الشب (Keenan et al. ، 1998) والبولي أكريلاميد الموجب عالي الوزن الجزيئي (Soponkanaporn ، 1991 و 178). . كما تم استخدام الرحلان الكهربائي للهلام كأداة لتحديد توزيع الوزن الجزيئي للكهرباء المتعددة الاصطناعية طويلة السلسلة (Smisek and Hoagland ، 1990). يُزعم أن الرحلان الكهربائي للهلام يتمتع بميزة الدقة العالية ونطاق الوزن الجزيئي الأوسع بكثير من SEC المائي ، مع حد حجم السلسلة العليا أعلى بكثير من الوزن الجزيئي لأي بوليمر صناعي ذي أهمية تجارية. عيب هذه الطريقة هو أنه يمكن استخدامها فقط للبوليمرات المشحونة ، بينما يمكن أيضًا تطبيق SEC على البوليمرات غير الأيونية. 18

كروماتوغرافيا غاز الانحلال الحراري (Py-GC)

أو كروماتوغرافيا الغاز – الانحلال الحراري – قياس الطيف الكتلي (Py-GC-MS) كان أسلوبًا مهمًا في تحديد البوليمرات التركيبية ، من حيث النوعية والكمية ، لأكثر من 30 عامًا. بالإضافة إلى تحديد المركب ، يُستخدم الانحلال الحراري أيضًا للكشف عن تم استخدام بنية البوليمرات المشتركة ودراسة انتظام البوليمرات المتجانسة (Wang ، 1999). استخدم Black et al (1966) Py-GC-MS بعد الفصل بواسطة SEC لتحليل بوليمر مشترك عالي الوزن الجزيئي وكثافة منخفضة الشحنة (CD) من مادة الأكريلاميد وأكريلات الصوديوم.

تحليل شوائب البوليمر مثل بقايا الأكريلاميد مهم جدًا أيضًا

تتضمن الطرق الحالية المستخدمة لتحليل مادة الأكريلاميد المتبقية تحليل كروماتوجرافي سائل عالي الأداء مع كاشف للأشعة فوق البنفسجية (Vers ، 1999) ، كروماتوغرافيا الغاز متبوعة بكاشف امتصاص الإلكترون (ECD) (Bologna et al. ، 1999) أو قياس الطيف الكتلي. (MS) هو (أوه). وآخرون ، 2003). 5. اللوائح الخاصة باستخدام بولي أكريلاميد في الوقت الحالي ، تتوفر مجموعة متنوعة من المحولات الكهربية المتعددة ، وقد تسبب وجود المونومرات غير المتفاعلة في إثارة القلق ، وخاصةً مادة الأكريلاميد ومونومرات الإبيكلوروهيدرين ، والتي تعتبر سامة للإنسان والحيوان. بسبب هذه المخاوف ، لا تسمح سويسرا واليابان باستخدام الإلكتروليتات المتعددة ، بما في ذلك بولي أكريلاميد ، في معالجة مياه الشرب (ليترمان وبرو ، 1990). وضعت دول أخرى ، مثل الولايات المتحدة والمملكة المتحدة ، حدودًا لمستويات وجرعات الملوثات. 19

في الولايات المتحدة ، عندما تُستخدم منتجات PAM في معالجة مياه الشرب ،

يجب ألا تتجاوز تركيبة المونومر وجرعته 0.05٪ (بوزن البوليمر النشط) من مونومر الأكريلاميد بجرعة 1 جزء في المليون (40 CFR) ، وهو ما يتوافق مع أقصى تركيز نظري قدره 0.5 ميكروغرام لكل لتر من المونومر في الماء. بالمقارنة مع الولايات المتحدة ، تمتلك المملكة المتحدة قيمًا إرشادية أكثر صرامة: لا يمكن أن تحتوي أي وحدة على أكثر من 0.02٪ من مونومر الأكريلاميد الحر بناءً على محتوى المكون النشط ، ويجب ألا تتجاوز الجرعة أبدًا 0.25 جزء في المليون في المتوسط. لا تتجاوز 0.50 جزء في المليون من المادة الفعالة المكونات. المكونات (BS EN 1407: 1998 و BS EN 1410: 1998). ومع ذلك ، فإن هذه اللوائح تركز فقط على جودة المنتجات نفسها بدلاً من جودة المياه النهائية. بمجرد دخول بولي أكريلاميد (PAM) إلى نظام مياه الشرب ، يمكن أن تخضع PAMs والمونومرات لتفاعلات مختلفة (كما هو موضح في الأقسام السابقة) ، مما قد يؤدي إلى زيادة أو نقصان في بقايا الأكريلاميد. لا تأخذ أي من هذه اللوائح في الاعتبار التغييرات المحتملة المتبقية في مادة ACM في أنظمة معالجة المياه وتوزيعها. بالإضافة إلى ذلك ، لا توجد إرشادات علمية لاختيار منتجات البوليمر في معالجة المياه. غالبًا ما يتم اختيار منتجات البولي إلكتروليت بشكل تجريبي على أساس الأداء والتكلفة على مستوى المقياس ، وعادة لا يتم النظر في التدهور المحتمل للبوليمرات أثناء التنقية والتوزيع. لذلك ، من الضروري تقييم تحلل البوليمرات في نظام معالجة المياه ، مما يساعد على اختيار واستخدام منتجات البوليمر في معالجة مياه الشرب. 20

33 الطرق والمواد يصف هذا الفصل الطرق التجريبية المستخدمة في هذا البحث. هناك ثلاثة أقسام رئيسية في هذا الفصل: التحليل الكيميائي لـ PAM ، والتحليل بالأشعة فوق البنفسجية لـ PAM ، واختبارات أداء التلبد. تم أيضًا تقييم التأثير المشترك للأشعة فوق البنفسجية والمؤكسدات الكيميائية على بقايا الأكريلاميد وبقايا المؤكسدات ، والتي تم تضمينها في القسمين الأولين. يظهر رسم تخطيطي للتصميم التجريبي بأكمله في الشكل 3.1. التحلل الكيميائي لـ PAM التحلل الكيميائي (المؤكسدات) بواسطة الأشعة فوق البنفسجية المدمجة مع مؤكسد TOC المتبقي ، طيف الأشعة فوق البنفسجية ACM أداء تلبد النيتروجين غير العضوي المتبقي الشكل 3.1 رسم تخطيطي للتصميم التجريبي 1. تم اختيار ثلاثة منتجات بولي أكريلاميد من بولي أكريلاميد لهذه الدراسة .

بحث بولي أكريلاميد (بام)

يتم توفير بعض خصائص البوليمرات ، مثل الاسم التجاري للبوليمر والشكل والوزن الجزيئي ونوع الشحنة وكثافة الشحن والمكونات الرئيسية ، من قبل الشركة المصنعة ، وهي مدرجة في الجدول 3.1. كانت البوليمرات الثلاثة المختارة في شكل مسحوق بسبب محتواها العالي من البوليمر النشط مقارنة بأشكال المستحلب أو المحلول. تختلف الخصائص الأخرى لهذه البوليمرات الثلاثة عن بعضها البعض. على سبيل المثال ، يحتوي أنيون A-3333 P على أعلى وزن جزيئي (MW) من مليون دالتون ، بينما يحتوي الكاتيون C-3280 على أقل ميغاواط من 4-6 ملايين دالتون. تمثل البوليمرات الثلاثة المختارة ثلاثة أنواع من PAM من حيث الشحنة والمكونات. قبل التجارب ، تم عمل 0.1٪ (على أساس إجمالي المواد الصلبة) من محاليل البوليمر. في هذه الدراسة ، كانت المصفوفة المائية المستخدمة عبارة عن مياه نانو نقية تم إنتاجها بواسطة نظام تنقية مياه مختبر ميليبور. قبل عمل محاليل المخزون ، تم تحديد المواد الصلبة الكلية للبوليمرات الثلاثة عن طريق تجفيف كمية معينة من البوليمر (على سبيل المثال ، 0.5 جم) في فرن عند درجة حرارة 105-110 درجة مئوية لمدة 3 ساعات وقياس الفرق في الوزن قبل التجفيف وبعده (الملحق أ) تم اختباره. ). تمت إذابة البوليمرات بعد ذلك في ماء دافئ (25-35 درجة مئوية) مع التقليب لتكوين محاليل مائية بنسبة 0.1٪ بناءً على إجمالي المواد الصلبة (على سبيل المثال ، بالنسبة إلى 90٪ من المواد الصلبة الكلية ، يذوب 1.11 جم من البوليمر في 1 لتر من الماء). تم تصنيع محاليل البوليمر التي تبلغ 10 ملغم / لتر من حلول 0.1٪ لإجراء مزيد من التجارب. على الرغم من أن المستويات المنخفضة من PAMs (عادة أقل من 1 مجم / لتر) تستخدم بشكل شائع في محطات معالجة المياه ، في هذه الدراسة ، تم اعتماد تركيز 10 مجم / لتر لمعظم التجارب بسبب الحساسية المنخفضة للطرق التحليلية. 22

35 الجدول 3.1 خصائص البوليمر (Polydyne Inc. ، 2004) اسم العلامة التجارية للبوليمر Clarifloc N-3300 P Clarifloc A-3333 P Clarifloc C-3280 شكل بوليمر مسحوق أبيض مسحوق أبيض مسحوق أبيض الوزن الجزيئي مسحوق أبيض مسحوق أبيض الوزن الجزيئي ، Daltons نوع مول شحنة 8٪ ، ~ 10 مليون محايد 0 12 ~ 16 مليون أنيوني 30٪ 4 ~ 6 مليون كاتيوني 55٪ مكون رئيسي من البوليمر المتجانس أكريلاميد من أكريلاميد وأكريلات الصوديوم كوبوليمر أكريلاميد وكوبوليمر آدم ميكل * * آدم ميكل: إيثانامينيوم N ، N -2- Nt 1-oxo-2-propenyl) أوكسي ، كلوريد. 2. الأكسدة الكيميائية لعديد أكريلاميد في هذه الدراسة ، تم استخدام نوعين من المؤكسدات الكيميائية ، الكلور الحر وبرمنجنات البوتاسيوم. تم تقييم تحلل منتجات PAM من خلال عدة اختبارات ، بما في ذلك تقييم بقايا الأكسدة ، طيف / امتصاص الأشعة فوق البنفسجية ، إجمالي الكربون العضوي (TOC) ، مخلفات الأكريلاميد ، وبقايا النيتروجين غير العضوي. تم استخدام التغييرات في بقايا المؤكسد كمؤشر غير مباشر لوجود ودرجة التفاعلات التي تحدث بين المؤكسدات والبوليمرات ، حيث يتطلب الاكتشاف المباشر لتغيرات بنية البوليمر تقنيات أكثر تقدمًا (مثل Py-GC-MS). تم استخدام اختبارات امتصاص الكربون العضوي الكلي والأشعة فوق البنفسجية / الطيف لتقييم التغيرات في محتوى البوليمر الكلي ، على سبيل المثال ، انخفاض مستوى الكربون العضوي الكلي يعني تحويل بعض الكربون العضوي إلى شكل غير عضوي.

يعد التعديل المتبقي لبولي أكريلاميد (PAM) في محلول البوليمر مصدر قلق كبير بسبب سميته.

بينما تم استخدام النيتروجين غير العضوي ، مثل الأمونيا- n ، كمؤشر لتحلل البوليمر المائي. وقد تم تحليل العينات في ثلاث نسخ. 2.1 اختبار الكلور الحر المتبقي المؤكسد تم تحضير ما يقرب من 1000 مجم / لتر من محلول مخزون الكلور من 6٪ مبيض تجاري وقارن تركيزه بالمحلول القياسي من ثيوسلفات الصوديوم N (Hach) وفقًا للطرق القياسية 4500-Cl G (الطرق القياسية لـ) تم توحيده. مسح المياه والصرف الصحي 1377). في هذه التجربة ، كانت جرعات الكلور 5 و 10 و 15 ملغم / لتر مثل الكلورين لتحقيق نسب كتلة الكلور إلى البوليمر 0.5 و 1.0 و 1.5. ترد شروط الاختبار التفصيلية في الجدول 3.2. الجدول 3.2 الشروط التجريبية لاختبارات بقايا المؤكسد ، جرعة البوليمر ، الاسم ملجم / لتر Cl 2 ، ملجم / لتر مؤكسد KMnO 4 ، ملجم / لتر زمن التعرض ، ساعات N-3300 P 10 5 ، 10 ، 15 2 ، 4 ، 6 5 A – 3333 ف 10 5 ، 10 ، 15 2 ، 4 ، 6 5 ج ، 10 ، 15 2 ، 4 ، 6 5 كمية 200 مل من كل محلول بوليمر 10 مجم / لتر في دورق زجاجي سعة 250 مل ويتم وضع كمية محددة من محلول مخزون الكلور إلى الدورق. تم غسل العبوات الزجاجية المستخدمة في هذه الدراسة بالحامض. تم سحب قسامة 20 مل فور الخلط لتقييم متبقي الكلور الأولي باستخدام طريقة معايرة اليود (الملحق ب). في هذه الطريقة ، يتم استخدام محلول قياسي من ثيوسلفات الصوديوم مع النشا 24

37 فهرس معايرة اليود الحر المنطلق من فائض يوديد البوتاسيوم بالكلور (الطرق القياسية لفحص المياه والمياه العادمة ، 1998). ثم تمت تغطية القارورة بسدادة زجاجية وختمها بورق الألمنيوم لتجنب التعرض المحتمل للأشعة فوق البنفسجية. تم وضع القارورة على شاكر ميكانيكي ورجها عند 200 دورة في الدقيقة لمدة 5 ساعات. في فترات زمنية معينة ، تم أخذ عينات 10 مل لاختبار الكلور المتبقي. بعد وقت تفاعل بولي أكريلاميد (PAM) لمدة 5 ساعات ، تم إيقاف التفاعل بإضافة 2-3 قطرات من محلول ثيوسلفات الصوديوم 0.1 مولار. تم استخدام وقت ملامس قدره 5 ساعات لموازنة التفاعلات إن أمكن. 2.2 تم إجراء اختبار لبرمنجنات البوتاسيوم المؤكسد المتبقي 1000 مجم / لتر من محلول KMnO 4 بوزن 0.1 مجم من مسحوق KMnO 4 (فيشر) وتم إذابته في 100 مل من الماء النانوي. كانت جرعات البرمنجنات المستخدمة لأكسدة محلول البوليمر 10 مجم / لتر 2 أو 4 أو 6 مجم / لتر مثل KMnO 4 (الجدول 3.2). الطريقة الموضحة في القسم السابق (أكسدة الكلور) تم إتباعها وتقييم تغير برمنجنات متبقية بمرور الوقت. تم تحديد تركيز برمنجنات البوتاسيوم مباشرة عن طريق قياس امتصاصه عند 525 نانومتر باستخدام مقياس الطيف الضوئي (HACH DR 4000U) ، لأن تركيزه يتناسب طرديًا مع الامتصاص المقاس عند 525 نانومتر. تم وصف الطريقة التفصيلية في الملحق ج 25

2.3 أطياف / امتصاص الكربون العضوي الكلي والأشعة فوق البنفسجية تم اختبار إجمالي الكربون العضوي (TOC) لمحاليل PAM (10 مجم / لتر) باستخدام محلل الكربون العضوي الكلي Sievers.

يعتمد قياس الكربون العضوي الكلي على تقدير كتلة ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن أكسدة المواد العضوية عن طريق اقتران الأشعة فوق البنفسجية وأكسدة بيرسلفات الأمونيوم في الظروف الحمضية (ليفين وآخرون ، 2004). لكل قياس ، تم وضع حوالي 30 مل من العينة في قارورة 40 مل 29 × 81 مم بغطاء لولبي مغطى بالتفلون ثم تم وضعها في جهاز أخذ العينات الأوتوماتيكي. تمت برمجة معلمات الاختبار باستخدام نظام كمبيوتر. لتقييم تأثير الأكسدة على محتوى الكربون العضوي لبولي أكريلاميد ، كان محتوى الكربون العضوي الكلي لثلاثة PAMs (10 مجم / لتر من محلول) قبل وبعد الأكسدة بالكلور عند 5 ، 10 ، 15 مجم / لتر وبرمنجنات البوتاسيوم عند 2 ، 4 تم اختباره. بولي أكريلاميد (بام) 6 مجم / لتر لمدة 5 ساعات. طريقة أخرى لقياس بقايا البوليمر هي امتصاص الأشعة فوق البنفسجية / الأطياف. تم مسح عينات البوليمر قبل وبعد الأكسدة بالكلور / البرمنجنات من 190 إلى 300 نانومتر باستخدام مقياس الطيف الضوئي UV / Vis (Hach DR 4000U). منذ أن أظهرت الدراسات المعملية السابقة أن بولي أكريلاميد تحقق أقصى امتصاص لها في حدود 190 نانومتر إلى 205 نانومتر. لذلك ، تم تعيين امتصاص محاليل PAM عند 195 نانومتر كمعيار لمقارنة تغيرات الامتصاص قبل وبعد تفاعلات الأكسدة. كان وقت التفاعل يصل إلى ساعة واحدة ، وهو قريب من وقت الاحتفاظ ببعض مرافق معالجة المياه. 26

2.4 تغيير بقايا الأكريلاميد

محتوى الأكريلاميد المتبقي لمحاليل PAM

تم اختباره باستخدام كروماتوجرافيا الغاز (GC) وكاشف امتصاص الإلكترون (ECD). تمت معالجة مادة الأكريلاميد الموجودة في العينات المائية بالبروم بماء البروم المشبع (فيشر) لتكوين 2،3-ديبروموبروبيوناميد ثم استخلاصها باستخدام أسيتات الإيثيل (فيشر) للتحويل إلى 2-بروبيناميد الأكثر ثباتًا. تم فصل 2-بروماميد على عمود شعري قطبي DBwax (بولي إيثيلين جلايكول) (30 م × 0.25 مم ، سمك فيلم 0.25 ميكرون) (J&W Scientific) ثم تم اكتشافه بواسطة كاشف ECD. الطريقة المفصلة موضحة في الملحق د. منذ أن أظهرت الدراسات السابقة أن PAM الموجبة أكثر حساسية للأكسدة ، تم تقييم التغيير المتبقي فقط لمحلول الأكريلاميد من PAM الموجب (10 مجم / لتر) في هذه الدراسة. تم تعريض المحلول إلى 15 مجم / لتر Cl أو 6 مجم / لتر KMnO 4 لمدة 30 دقيقة ، ثم تم قياس ACM المتبقي. كما تم دراسة التأثيرات المجمعة للأشعة فوق البنفسجية ، والتي سيتم شرحها في القسم الخاص بمخلفات النيتروجين غير العضوية. 4000U). لكل قياس ، تم اتباع إجراءات التحليل المقدمة من قبل بائع الأداة (Hach). تمت أكسدة 100 مل من محلول بوليمر 10 مجم / لتر باستخدام 10 ، 15 مجم / لتر كلور أو برمنجنات عند 4 و 27

تم اختبار 40 مجم / لتر 6 لمدة ساعة واحدة ، ثم تم اختبار NH3 -N و NO2 -N و NO 3 -N ، وتمت مقارنة بولي أكريلاميد (PAM) مع نتائج المجموعة الضابطة (بدون إضافة مادة مؤكسدة في المحاليل البوليمر) تمت مقارنته.

تم تلخيص طرق اختبار النيتروجين غير العضوي في الجدول 3.3. الأساليب التحليلية الأخرى المستخدمة في البحث معروضة في الملاحق ، معدلة من الطرق القياسية أو من مصادر أخرى. الجدول 3.3 طرق اختبارات النيتروجين غير العضوي (Hach DR4000 Spectrophotometer Manual ، 2001) طريقة المعلمة للكشف عن تداخلات حد الأداة إجمالي NH 3 -N DR4000U مطياف HACH 0.09 جزء في المليون ، NO -NO-2 ، M ، NO ، NO ، M3 – 2 – N DR4000U HACH Spectrophotometer ppm Pb 2+، Fe 2+، Fe 3+، NO – 3 ، مؤكسد قوي ومخفض NO – 3 -N DR4000U HACH مقياس الطيف الضوئي 0.01 جزء في المليون Ca، Cl -، Fe 2+، Fe +، NO – 2 ، درجة الحموضة ، عوامل مؤكسدة ومختزلة قوية 3. التحلل الضوئي لبولي أكريلاميد تم استخدام مصباح أشعة الشمس مع طيف الأشعة فوق البنفسجية لدراسة التحلل الضوئي لعديد أكريلاميد. تم تعريض عينات البوليمر لضوء الأشعة فوق البنفسجية وتم تقييم تدهور pf PAM بناءً على التجارب الموضحة في الأقسام التالية. كانت شدة الأشعة فوق البنفسجية المطبقة لهذه التجربة حوالي 7 ميغا واط / سم 2 ، حيث كانت قريبة من شدة الأشعة فوق البنفسجية في ضوء الشمس الحقيقي عند الظهيرة خلال الفترة التي أجريت فيها التجربة (مايو 2004). تم تطبيق وقت تعرض قدره 30 دقيقة لأن أوقات التعرض الأطول قد تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة محاليل البوليمر ومعدلات تبخر أسرع. لقياس الحجم المفقود بسبب التبخر ، تم تعريض 50 مل من محلول البوليمر العامل لنفس الضوء لمدة 30 دقيقة وتم قياس الحجم باستخدام أسطوانة مدرجة. تم تصحيح نتائج الدراسات اللاحقة بالنسبة المئوية للتبخر المفقود.

3.1 تغييرات البوليمر التي تسببها الأشعة فوق البنفسجية

تم تقييم تأثير الأشعة فوق البنفسجية على محتوى PAM TOC وطيف الأشعة فوق البنفسجية. الطرق مماثلة لتلك الموصوفة في القسم الثاني. 3.2 تعديل مخلفات الأكريلاميد بواسطة الأشعة فوق البنفسجية والدمج مع المؤكسدات تعرض محلول من 10 مجم / لتر كاتيوني PAM (C-3280) للأشعة فوق البنفسجية لمدة 30 دقيقة و / أو مع المؤكسدات (الكلور و / أو البرمنجنات). تم اختباره بحثًا عن بقايا الأكريلاميد. تم تلخيص الظروف التجريبية باستخدام GC-ECD في الجدول 3.4. الجدول 3.4 اختبارات بقايا الأكريلاميد اسم البوليمر البوليمر الجرعة الكلور فوق البنفسجي مدة التعرض لبرمنجنات البوتاسيوم C ملجم / لتر 30 دقيقة C ملجم / لتر X 30 دقيقة C ملجم / لتر X 15 ملجم / لتر 30 دقيقة C ملجم / لتر X 6 ملجم / لتر 30 الحد الأدنى C ملجم / لتر X 15 ملجم / لتر 6 ملجم / لتر 30 دقيقة 3.3 بقايا مؤكسد من مزيج الأشعة فوق البنفسجية مع الكلور / برمنجنات هذه التجربة بحثت في تأثير الأشعة فوق البنفسجية على أكسدة الكلور / البرمنجنات لمحاليل PAM. 10 مجم / لتر بام 29

محلول يتعرض للأشعة فوق البنفسجية

تم وضع كمية معينة من محلول الكلور (أو برمنجنات) لتحقيق المتبقي الأولي من 5 أو 10 أو 15 مجم / لتر مثل Cl 2 (أو 2 ، 4 ، 6 مجم / لتر). KMnO 4 لأكسدة البرمنجنات). تم أخذ عينات 10 مل كل 10 دقائق وتم اختبار بقايا الكلور (أو بقايا برمنجنات) حتى نهاية التفاعل. تمت مقارنة تقليل المؤكسدات المتبقية في 30 دقيقة مع اختزالها في 30 دقيقة دون تدخل الأشعة فوق البنفسجية. 4. أداء التلبد في هذه التجربة ، تم تقييم أداء التلبد لـ PAMs المحددة ، قبل وبعد الأكسدة ، ومقارنتها على أساس معدل الترسيب من ملاط ​​الكاولين 1.5٪. تم تعديل طريقة اختبار معدل الترسيب من خلال دراسة Smith-Palmer et al. (1994). لكل مجموعة من اختبارات التلبد ، تم تقليب 15 جم من الكاولين (فيشر) مع 890 مل من الماء النانوي و 10 مل من محلول الملح لمدة ساعة واحدة على الأقل. يحتوي محلول الملح على كلوريد الصوديوم M (فيشر) وكلوريد الكالسيوم M (فيشر) وكلوريد الماغنسيوم M (فيشر). تم بعد ذلك توزيع ملاط ​​الكاولين بكميات 30 مل ثلاث مرات (90 مل إجمالاً) في أسطوانة مدرجة سعة 100 مل. بعد ذلك ، تمت إضافة كمية معينة من محلول البوليمر إلى الأسطوانة ووصل حجمها إلى 100 مل. تم قلب الأسطوانة لمدة 5 دقائق من الخلط ، ثم تم قياس مسافة الاستقرار (سم) في 3 دقائق وتم حساب متوسط ​​سرعة الاستقرار (سم / دقيقة). قبل اختبار أداء التلبد للبوليمرات ، 30

تحديد خصائص اللزوجة المرنة للمواد الهلامية بولي أكريلاميد

توصيف الخصائص اللزجة للمواد الهلامية بولي أكريلاميد A تقرير مشروع تأهيل رئيسي: مقدم إلى كلية Worcester Polytechnic Institute في الوفاء الجزئي بمتطلبات درجة بكالوريوس العلوم بواسطة Zachary Gautreau 1، Peterpan، Jeremy، Jeremy، P. Thongpradit 1 1 قسم الهندسة الطبية الحيوية ، معهد Worcester Polytechnic 2 قسم الفيزياء ، معهد Worcester Polytechnic التاريخ: 27 أبريل ، Polyacrylamide 2. المرونة اللزجة 3. خلية الثقافة البروفيسور Kristen Billiar 1 ، مستشار رئيسي البروفيسور. نانسي بورنهام

2 جدول المحتويات 1. مقدمة معلومات أساسية المسافة البادئة للكرة هلام بولي أكريلاميد ، مجهر القوة الذرية ، وميكانيكا تلامس هيرتز ، اختبار الشد أحادي المحور والمرن اللزج ، منهج التصميم اللزج والمرن. الفحص المجهري للقوة الذرية ، اختبار الشد أحادي المحور ، اختبار الريولوجيا ، المناقشة ، التوصيات المستقبلية ، المراجع ، المرفقات ، مخطط المقارنة اثنين في اثنين ، بروتوكول كرة المسافة البادئة بولي أكريلاميد ، TATOMIC LOXYEN

3 جدول الأشكال الشكل 1: التركيب الكيميائي لمونومر الأكريلاميد الشكل 2: مزيج من النماذج الهيرتزية لطرف مخروطي AFM الشكل 3: مخطط للعينة تحت التوتر الشكل 4: اختبار استرخاء الإجهاد الشكل 5: الشكل 6: الشكل 6: المستهدف الشكل 7: طريقة بلمرة اللوح الزجاجي. الشكل 8: ورقة هلام بولي أكريلاميد .13: عينة بولي أكريلاميد مع شريط فيلكرو الشكل 14: قطعتان إضافيتان من الفيلكرو بفتحات الشكل 15: موضع تحميل صحيح الشكل 16: عرض الكاميرا الشكل 17: مقياس قوة Bohlin Gemini الشكل 18 : رسم تخطيطي للأنظمة الريولوجية الشكل 19: مسح التردد الشكل 20: ضغط الدفع

على الرغم من استخدامه الشائع في دراسات زراعة الخلايا ، فإن الخصائص الميكانيكية لهلام بولي أكريلاميد غير واضحة.

تم استخدام مجهر القوة الذرية والاختبار أحادي المحور والريولوجيا والمسافة البادئة الكروية للوصف الكامل لهذا الجل. كان مدى معامل المرونة kpa و kpa لتركيز الهلام بنسبة 5٪ / 0.025٪ و 8٪ / 0.08٪ على التوالي ، ونسبة بواسون 0.45. يجب أن يُظهر البحث المستقبلي الذي يستخدم بولي أكريلاميد كركيزة ثقافة الخلية كيف يتم تمييز الهلام والاعتراف بعدم اليقين في قيم الصلابة.

8 1. مقدمة أثبت البولي أكريلاميد أنه وسيلة شائعة للتحقيق في استجابة الخلايا المستنبتة لتصلب محيطها. نشأ الاهتمام ببولي أكريلاميد من توافقه الحيوي الذي تم اختباره وخصائصه الميكانيكية القابلة للضبط. الركائز مطلوبة لتقنيات زراعة الخلايا لتقليد بدقة الظروف الطبيعية للأنسجة البيولوجية ، ومن المعروف أن المواد الهلامية بولي أكريلاميد لديها القدرة على التحضير بخصائص ميكانيكية متطابقة للأنسجة الرخوة والعادية والمرضية. ومع ذلك ، فإن إمكانات بولي أكريلاميد كركيزة ثقافة الخلية للدراسات في المختبر يعوقها حاليًا عدم اليقين في قيم الصلابة المحددة.

من خلال دراسة الخصائص الميكانيكية للمواد الهلامية بولي أكريلاميد ، من المأمول إنشاء مجموعة واسعة من قيم الصلابة الثابتة لتركيزين من الهلام.

حتى الآن ، تم إجراء بحث علمي محدود يهدف إلى تفصيل المعلمات الميكانيكية المختلفة التي يشترك فيها بولي أكريلاميد مع الأنسجة الرخوة الطبيعية. في محاولة لتحديد قيم الصلابة النسبية لتركيزات مختلفة من بولي أكريلاميد ، سجل الدكتور يو لي وانج وزملاؤه مجموعة من قيم الصلابة مشابهة جدًا للأنسجة الرخوة الأصلية التي تم الحصول عليها من خلال الاختبارات الميكانيكية (وانج وآخرون ، 2002 ). ومع ذلك ، تم تصنيف نتائج الدكتور وانج المنشورة مؤخرًا على أنها خاطئة إلى حد ما من قبل مجموعة بحثية بقيادة الدكتور دينيس ديشر في جامعة بنسلفانيا باستخدام طريقة اختبار بديلة (إنجلر وآخرون ، 2004). إن امتداد هذه النتائج ، والنتائج الواردة في هذا التقرير ، لها آثار عملية على دراسة التفاعلات الخلوية على ركيزة بولي أكريلاميد. من المعروف أن تفاعلات الركيزة الخلوية تؤثر على الخصائص الخلوية المختلفة مثل معدل الانتشار ومسارات التمايز والهجرة والالتصاق وإعادة تشكيل المصفوفة. يمكن أن يعزى تأثير الركيزة على هذه الخصائص إلى حد كبير إلى خواصها الميكانيكية

ملكيات.

تتوافق المتطلبات الميكانيكية للركيزة مع نوع الخلية المحدد. لذلك ، فإن القيم غير المعروفة لصلابة تركيز بولي أكريلاميد تحد من عمق إمكانيات البحث إلى حد كبير. الهدف الرئيسي من هذا المشروع هو العثور على أرقام موثوقة تحدد الخصائص الميكانيكية لبولي أكريلاميد على نطاق واسع من التركيزات. باستخدام التقنيات الأربعة ، من المأمول أن يتم إجراء تقييم شامل لموثوقية التقنية ومزاياها وقدراتها ، مما يسمح باستنتاج شامل. يتم تحديد الخصائص المرنة من خلال الاختبارات التجريبية المصممة لمجهر القوة الذرية (AFM) ، والمسافة البادئة للكرة ، والريولوجيا الديناميكية والتوتر أحادي المحور. بعد مقدمة موجزة لقضايا الخلفية ذات الصلة ، تناقش هذه الورقة الإجراءات التجريبية ونتائج كل تقنية. ستتم مقارنة هذه التقنيات وتحليلها لتوفير نطاق من قيم الصلابة المقبولة لتركيزات محددة من المواد الهلامية بولي أكريلاميد. نتائج هذه الدراسة لديها القدرة على تحديد معيار لتكوين ركائز هلام بولي أكريلاميد المستخدمة في زراعة الخلايا. 9

معلومات أساسية عن المواد الهلامية بولي أكريلاميد

أظهرت الدراسات السابقة أن الخلايا تتفاعل بشكل مختلف عند زراعتها على ركائز بصلابة ميكانيكية مختلفة. تؤثر التفاعلات الميكانيكية بين الخلية والركيزة على عدد من السلوكيات الخلوية (Benningo et al. ، 2002). من السهل تحضير جل بولي أكريلاميد ، ويعتقد العديد من الخبراء أنه يوفر ركيزة مناسبة لنمو الخلايا لأنه يمكن صنعه لتقليد الخصائص الميكانيكية للأنسجة الطبيعية عن كثب. حقق الباحثون نجاحًا كبيرًا في ربط الخلايا بركائز جل بولي أكريلاميد. ومع ذلك ، فقد ثبت أنه من الصعب إجراء تقييم دقيق للاستجابات الخلوية الناتجة عن الخواص الميكانيكية للركيزة ، حيث لا يوجد معيار واضح لتحديد خصائصها الميكانيكية. حاول الدكتور يو لي وانج وزملاؤه تحديد خصائص المواد الهلامية متعددة الأكريلاميد باستخدام تقنية تثليم الكرة. بالإضافة إلى ذلك ، قام الدكتور دينيس ديشر وزملاؤه بتقييم المقارنة بين قيم الصلابة الميكانيكية للعديد من ركائز الهلام الطبيعي والبولي أكريلاميد باستخدام AFM (إنجلر ، 2004). تم الحصول على نتائج مقنعة تظهر أوجه التشابه بين عدة أنواع من الركائز. من أجل محاكاة البيئة وهيكل الأنسجة الرخوة الطبيعية ، ينتج الباحثون مواد هلامية بولي أكريلاميد صناعية بخصائص مشابهة للأنسجة البشرية الصحية والمرضية. تتشكل هذه المواد الهلامية عن طريق إذابة مادة الأكريلاميد والمونومر المترابط N ، N’-methylenebisacrylamide (مكرر). يمكن رؤية التركيب الكيميائي لمونومر الأكريلاميد في الشكل 1.

التركيب الكيميائي لمونومر مادة الأكريلاميد

بلمرة هلام بولي أكريلاميد هو تفاعل محفز الجذور الحرة وينتج عنه سلاسل طويلة مرتبطة بروابط تساهمية. عادة ما يتم تصنيع المواد الهلامية بولي أكريلاميد بين لوحين زجاجيين لأن الأكسجين يعمل ككاشف للجذور الحرة ويمنع البلمرة ([الدليل] ، 2005).

هناك العديد من المزايا بخلاف تصنيعها البسيط لاستخدام المواد الهلامية بولي أكريلاميد كهيكل لدراسة الخواص الميكانيكية على المستوى المجهري. يمكن التلاعب بالخصائص الميكانيكية بسهولة عن طريق تغيير تركيز مادة الأكريلاميد والبيساكرلميد دون التسبب في أي تغيير في الخواص الكيميائية للجيل.

نظرًا لطبيعتها المرنة اللينة ، توفر المواد الهلامية بولي أكريلاميد نموذجًا أكثر واقعية للأنسجة الفسيولوجية من السطح الزجاجي أو البلاستيكي. مادة الهلام هذه لها خصائص بصرية تسمح للباحثين بإجراء تصوير عالي الدقة للتحليل الهيكلي. بالإضافة إلى ذلك ، تضمنت بعض الدراسات تنفيذ حبات الفلورسنت في المواد الهلامية لمزيد من تحليل الخواص الميكانيكية بدقة قريبة من 2 ميكرومتر (Benningo et al. ، 2002).

يمكن الحصول على مجموعة كبيرة من قيم الصلابة ببساطة عن طريق الحفاظ على تركيز إجمالي مادة الأكريلاميد ثابتًا مع تغيير تركيز ارتباط بيساكريلاميد المتشابك. أظهرت الأبحاث السابقة أن التركيزات المنخفضة جدًا من بيساكريلاميد تسبب تكسير سطح الهلام وقد لا يتبلمر الجل.

أظهر وانج وزملاؤه سابقًا أن خليط جل أكريلاميد / بيساكريلاميد بنسبة 5-8٪ عبارة عن سقالة مناسبة لقياس قوى شد الخلية (Engler et al. ، 2002). بنفس أهمية

للتركيز الكلي لمكونات الهلام ، والحفاظ على السماكة المناسبة.

لا يمكن حساب سمك الجل من حجم المحلول المستخدم. السماكة الفعلية للهلام أكبر بأربع مرات من القيمة المحسوبة. ويرجع ذلك إلى استجابة الجل للتغيرات في درجة الحرارة والأسمولية والترطيب. لذلك ، من المهم مراقبة جو الاختبار والحفاظ باستمرار على ظروف الاختبار المناسبة عند العمل مع المواد الهلامية بولي أكريلاميد.

تصف الأقسام التالية مبادئ وتقنيات التوصيف الميكانيكي والمطاطي اللزج للمواد الهلامية بولي أكريلاميد. تعتبر المسافة البادئة للكرة ، والفحص المجهري للقوة الذرية ، والمسافة البادئة لميكانيكا التلامس Hertz طرقًا قياسية لتحديد قيم صلابة المواد اللينة نظرًا لمنهجيتها البسيطة. المبادئ الأساسية.

باتباع مبادئ ميكانيكا هيرتز ، يمكن تحديد قيمة الصلابة باستخدام هذه التقنية البسيطة. استخدم الدكتور يو لي وانج من كلية الطب UMass هذه الطريقة لبولي أكريلاميد (بيلهام ووانغ ، 1997). نُشرت نتائج هذه التجربة في نهاية المطاف في ورقة بحثية عام 2002 حيث تم تقديم المنهجية (Engler ، 2002). في هذا البحث ، تم استخدام طرق بحث مماثلة مع تغييرات طفيفة.

سيتم تحليل الثغرات التي لوحظت في طريقة البحث السابقة من أجل مزيد من تقييم فعالية الأساليب. توفر ميكانيكا هيرتز الأساس والنظرية الرياضية وراء المسافة البادئة للكرة. تتطلب جميع مشاكل ميكانيكا هيرتز عدة افتراضات للتحليل الرياضي.

الافتراضات التي تم أخذها في الاعتبار في هذا البحث هي كما يلي (Emil ، 2002): عند نقطة الاتصال ، يمكن وصف شكل كل من أسطح التلامس بواسطة متعدد الحدود متجانسة من الدرجة الثانية في متغيرين. كلا السطحين أملس بشكل مثالي.

إجهاد التلامس وتشوه المعادلات التفاضلية للإجهاد والانفعال للأجسام المتجانسة ،

متجانسة ومرنة في التوازن. يختفي الضغط على مسافة كبيرة من منطقة التلامس. تكون مكونات الإجهاد المماسي صفراً على كلا السطحين داخل وخارج منطقة التلامس. مكونات الضغط العادية على كلا السطحين خارج منطقة التلامس هي صفر. الضغط المتكامل على منطقة التلامس يساوي القوة التي تدفع الجسمين معًا. المسافة بين جسمين هي صفر في الداخل ولكنها محدودة خارج منطقة الاتصال. في حالة عدم وجود قوة خارجية ، تتدهور منطقة التلامس إلى نقطة معينة. بعد هذه الافتراضات ، يؤدي الاشتقاق الرياضي إلى معادلة التغطية المستخدمة لتحديد قيمة صلابة السرير.

يمكن العثور على اشتقاق المعادلة الأصلية في الملحق 10.3 (Wang et al. ، 2002): 2 (ν) 31 Ps E = (N / m2). المعادلة d R حيث E هي معامل يونغ ، ν هي نسبة الانبعاث s ، Ps هي القوة المطبقة على الكرة ، d هو انخفاض الكرة المقاس ، و R هو نصف قطر الكرة. تم إجراء المزيد من التحقيقات المتقدمة والمحلية في وقت لاحق باستخدام مجهر القوة الذرية على بولي أكريلاميد. على غرار المسافة البادئة للكرة ، يتم خفض مسبار AFM على العينة ويتم قياس عمق المسافة البادئة. ومع ذلك ، يعمل AFM على نطاق أصغر بكثير.

يتم إنزال الكابول ، بما في ذلك المسافة البادئة المخروطية عند الطرف ، على العينة ثم ينحني الكابول. يتم توجيه الليزر إلى طرف الكابول ثم ينحرف إلى الصمام الثنائي الضوئي. يرتبط موضع الليزر على الثنائي الضوئي بانحراف الكابول ، مما يسمح بالقياس الدقيق. يعد الدكتور دينيس ديشر من جامعة بنسلفانيا باحثًا بارزًا يستخدم AFM في دراساته حول ركائز الخلايا (Discher et al. ، 2004). خلق

14 تبسيط عملية الحصول على البيانات من AFM على سطح متوافق لا يزال قيد التنفيذ. تم وصف التقنية الحالية في تقرير صادر عن Margo Frey من معهد Worcester Polytechnic (Frey et al. ، 2005). يتبع طرف AFM المخروطي كلا من النماذج الهرتزية المخروطية والكروية. يعمل الطرف مثل الكرة ويخضع للمعادلة 2 حتى عمق مسافة بادئة معينة.

بعد ذلك ، يتبع النموذج الهرتزى للمخروط: 2 2Pc (1 v) E = ، المعادلة 2 2 d π tanθ مع θ يساوي طرف نصف الزاوية s ، والذي يتم قياسه باستخدام خطوة مقضب لدالة خطوة موصوفة في AFM سيكون المنهجية. الشكل 2: تكوين النماذج الهيرتزية لطرف AFM المخروطي لـ AFM تم استخدام المعادلات التالية لحساب النماذج الهرتزية. النموذج الهرتزى للطرف الكروي موضح أدناه: 14

(3/2) الفوسفور = دينار بحريني. المعادلة 3 يتم تحديد الكمية ب بالمعادلة التالية:

ب 4 3 E (1 ν) R / nm (3 / (1/2) 2) = * * (nn) ، المعادلة 4 2 حيث R هو نصف قطر الحافة ، و هي نسبة بواسون. تقيس كل من تقنيات المسافة البادئة للكرة و AFM الخصائص المحلية للمادة. يصف القسمان التاليان مبادئ الطريقتين المستخدمتين في هذا البحث للحصول على الخصائص السائبة لجيل بولي أكريلاميد.

من المأمول أن يؤدي الجمع بين القياسات على كلا المقياسين إلى توفير فهم كامل لهذه المادة المعقدة. اختبار الشد والمرونة أحادي المحور لاستكمال قياسات المسافة البادئة للكرة المحلية وقياسات AFM ، سيحصل اختبار الشد أحادي المحور على الخصائص السائبة لهلام بولي أكريلاميد.

اختبار الشد أحادي المحور هو قياس ميكانيكي مباشر يراقب سلوك مادة تحت التوتر في اتجاه واحد. معلمتان مهمتان لهذه التقنية هما مقدار القوة لكل وحدة مساحة واستجابة استطالة المادة تحت قوة معروفة.

تسمح هذه النتائج المجمعة بإنشاء منحنى الإجهاد والانفعال ومعامل يونغ المحسوب لتحديد صلابة المادة. يمكن العثور على الضغط المطبق على مادة بقسمة القوة على المنطقة الأولية للعينة التي يتم تطبيق القوة عليها. يتم تعريف الإجهاد (σ) ، الموجود في المعادلة 5 ، على أنه مقدار القوة لكل وحدة مساحة: = القوة σ. المعادلة 5 من المنطقة الأولية

أثناء تطبيق الضغط ، تخضع العينة للتوتر المحوري والانكماش الجانبي.

يوضح الشكل 3 مخططًا لعينة تحت حمل شد أثناء اختبار أحادي المحور. الشكل 3: رسم تخطيطي للعينة المعرضة للتوتر المحوري والانكماش العرضي أثناء اختبار الشد أحادي المحور.

تحدد كمية الإجهاد تشوه الجسم عندما يتعرض للإجهاد. تُعرَّف السلالة الهندسية بأنها التغيير في الطول مقسومًا على طوله الأولي. يتم تمثيل المعادلة الأساسية بالحرف اليوناني ε (إبسيلون) الموضح في المعادلة 6: ε = الطول. المعادلة 6 يظهر الطول الأولي من الشكل 3 ، صغير نسبيًا ، أو إجهاد محوري هندسي ، على النحو التالي: CC = ‘C ε. المعادلة 7 كان هناك العديد من الباحثين في الماضي الذين درسوا خصائص المواد الهلامية بولي أكريلاميد باستخدام تقنية الإطالة أحادية المحور (Pelham and Wang، 1997). نظرًا للخصائص الفيزيائية للجيل ، كانت إحدى المشاكل الشائعة في اختبار الشد هي قبضته.

تم تطوير تصميمات مختلفة للقبضة في محاولة لمنع العينة من الانزلاق والتمزق أثناء اختبار الشد. استخدمت إحدى المجموعات البحثية مشابك الورق كطريقة للربط بهلام بولي أكريلاميد. استخدمت هذه التقنية وزن المشابك لتطبيق قوة شد مقدارها 16

الانجذاب إلى عينة الهلام (بيلهام ووانغ ، 1997).

طورت مجموعة أخرى بقيادة Wong طريقة تتضمن ربط قطع من الطبقة الشفافة بالغراء بكلا طرفي عينة الهلام وتطبيق الأوزان المعروفة باستخدام الأسلاك النحاسية (Wong، 2003). بينما لم تتم مناقشة قيم الإجهاد القصوى على نطاق واسع من الأبحاث السابقة ، فمن المهم الحفاظ على إجهاد النسبة المئوية ضمن نطاق استجابة الخلية. أظهرت دراسة إجهاد الخلية أجراها إنجلر أن الحد الأقصى للإجهاد الذي تنتجه خلية واحدة هو حوالي 15-25٪ (إنجلر ، 2004).

استخدم الباحثون معادلات الإجهاد والانفعال كما هو مذكور أعلاه لإيجاد معامل المرونة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تحديد نسبة بواسون باستخدام طريقة الاختبار هذه عن طريق حساب التشوه في السلالات العرضية والمحورية. تعتمد التقنيات الثلاثة الأخرى في هذا المشروع المشاركة في هذا البحث على نسبة بواسون الدقيقة لحساب معامل المرونة.

استخدم الباحثون نسبة بواسون في نطاق معين بدلاً من رقم محدد محدد: وجد فريق بحث إنجلر نسبة بواسون في نطاق 1 ، بينما اعتبرت مجموعة الدكتور وانج قيمة 0.3 (إنجلر ، 2004). تم الحصول على هذه القيم من مجموعة واسعة من الدراسات حول سلوك التورم للمواد الهلامية بولي أكريلاميد في عام 1980 (جيزلر ، 1980).

بالإضافة إلى قياس نسبة بواسون ومعامل يونغ ، يمكن استخدام تقنية الشد أحادي المحور لتحديد سلوك المواد اللزجة. وللتحقق من السلوك اللزج المرن لجيل بولي أكريلاميد ، تم استخدام معدلات إجهاد مختلفة وطريقة استرخاء الإجهاد مع اختبارات الشد. يسمح الجهاز المستخدم لهذه التقنية بتغيير معدل الإجهاد ، في حين أن الباحثين السابقين لم يحققوا في سلوك الهلام تحت معدلات الإجهاد المختلفة. من المتوقع أن تزداد قيم الصلابة للمواد اللزجة المرنة مع زيادة معدل الإجهاد وتنخفض بمرور الوقت أثناء اختبار استرخاء الإجهاد. يوضح الشكل 4 معظم الخصائص السلوكية بين المواد المرنة والمطاطية اللزجة.

وقت التوتر

الشكل 4: اختبار استرخاء الإجهاد: أ) المادة مرنة في الغالب لأن الضغط ثابت ب) تتصرف المادة مثل سائل مرن لزج مع مقدار متناقص باستمرار من الإجهاد. من أجل إجراء تحليل كامل لخاصية اللزوجة المرنة لبولي أكريلاميد ، تم التحقيق في نظرية أخرى عن اللزوجة المرنة باختبار ديناميكي بما في ذلك الحركة التوافقية. المفاهيم المقدمة لها تطبيقات محددة في تقنية اختبار الريولوجيا المستخدمة في هذا البحث.

كما ذكرنا سابقًا ، تُظهر المواد شبه الصلبة أو اللزجة المرنة خصائص سائلة وصلبة اعتمادًا على درجة الحرارة والضغط والضغط المطبق بمرور الوقت (Goodwin ، 2000). يمكن استخدام مقياس الانسياب الديناميكي لتحديد خصائص اللزوجة المرنة لبولي أكريلاميد عن طريق حساب معامل القص المعقد تحت تشوه القص التذبذب منخفض التردد.

تُظهر المواد الهلامية بولي أكريلاميد سلوكًا لزجًا مرنًا بسبب شبكتها ثلاثية الأبعاد المتشابكة ولديها القدرة على تخزين الطاقة وكذلك التدفق عند تعرضها لتشوهات صغيرة. يطبق مقياس الانسياب عزم دوران تذبذب متناسق على عينة هلام بولي أكريلاميد وهو قادر على قياس حركات الخرج لحساب اللزوجة المرنة 18.

بصريا ، مفهوم إجهاد القص المطبق

ويظهر التشوه الناتج أو إجهاد القص. τ γ δ G * G δ G τ = إجهاد القص (Pa) γ = إجهاد القص G = معامل التخزين (Pa) G = معامل الخسارة (Pa) δ = زاوية الطور (rad) G * = معامل معقد الشكل 5: هذا يعرض التخطيطي اللزج المرن موجتين جيبيتين خارج الطور ، أحدهما يمثل إجهاد القص والآخر إجهاد القص الناتج.

يحدد معامل التخزين (G) كمية الطاقة المرنة في النظام ، بينما معامل الفقد (G) هو الطاقة الميكانيكية المفقودة بسبب القوى اللزجة. يتم قياس الاستجابة المرنة لجيل معين بواسطة معامل التخزين (G) ، وهو مقياس لقدرة الجل على تخزين الطاقة المرنة التي يمكن استعادتها في النهاية.

القياس الثاني ، المعروف بمعامل الفقد (G) ، يحدد كمية الطاقة الميكانيكية المفقودة كحرارة بسبب القوى اللزجة التي تعمل على الهلام. أخيرًا ، تمثل نسبة G / G ظل زاوية الطور بين الإجهاد والقص أثناء القص التذبذب (Grattoni ، 2001). تحدد زاوية الطور درجة مرونة اللزوجة لمادة معينة.

المواد المرنة لها زوايا طور قريبة من 0 (إجهاد القص في الطور مع إجهاد القص المطبق) والمواد اللزجة لها زوايا طور تبلغ حوالي 90 (إجهاد القص خارج الطور تمامًا مع إجهاد القص المطبق). يُعرف المعامل المركب (G *) باسم معامل المرونة اللزج أو المعامل المعقد ويتم الحصول عليه من نسبة الإجهاد إلى الإجهاد. تحدد هذه القيمة المقاومة الكلية للقص التذبذب. 19

بالنسبة لمادة مرنة خطية ، يمكن تحويل قياس معامل القص المأخوذ بمقياس ريومتر إلى قيمة معامل مرن باستخدام المعادلة التالية:

ه 2 (1 + ν) * ع =. المعادلة 8 هي قيمة G * المستخدمة في حسابات المعامل المعقدة المذكورة سابقًا. كما تمت مناقشته في القسم الخاص بالتوتر أحادي المحور ، فإن نسبة بواسون () هي النسبة السلبية للإجهاد الجانبي إلى الإجهاد أحادي المحور تحت التحميل المحوري. يتم الحصول على حساب نسبة بواسون من الاختبار أحادي المحور للمواد الهلامية بولي أكريلاميد. استخدم الباحثون مجموعة متنوعة من التقنيات الريولوجية لتحديد الخصائص المرنة اللزجة للمواد الهلامية بولي أكريلاميد.

استخدم بتلر وآخرون (1998) حبات مغناطيسية حديدية صغيرة داخل الهلام لتقدير خصائصه الريولوجية. تم قياس الدوران الزاوي للخرز عندما تم تدوير الخرز الممغنط بواسطة مجال مغناطيسي خارجي. أفاد بتلر وآخرون أنه من الصعب تفسير معامل اللزوجة والمرونة للمادة من المعلمات المحددة. تتضمن الأبحاث الأخرى استخدام علم الأحياء الدقيقة لوصف خصائص المواد الهلامية بولي أكريلاميد. استخدم داسجوبتا وزملاؤه مجسات مدمجة في الوسط لتقدير الخواص المرنة اللزجة المحلية.

أظهر هذا البحث أن تشتت الضوء شبه المرن ، والتحليل الطيفي للموجة المنتشرة ، وتقنيات تتبع الجسيمات القائمة على الفيديو ، نجحت في قياس خصائص المواد الهلامية بولي أكريلاميد (Dasgupta ، 2005). من الصعب مقارنة النتائج التي حصلت عليها مجموعة داسجوبتا البحثية لأنها استخدمت تركيزات مختلفة تمامًا من مونومر الأكريلاميد و bisacrylamide crosslinker لصنع عينات البولي أكريلاميد الخاصة بهم. ومن المثير للاهتمام ، أن المجموعة وجدت أن علم الريولوجيا الدقيقة وتقنيات ريولوجيا الكتلة تؤدي إلى تغييرات مماثلة في المعامل المرنة واللزجة. أيضًا على المستوى المحلي ، Schnurr et al. لقد استخدموا تقنية قياس التداخل بالليزر لقياس 20 خرزة

في الركيزة بولي أكريلاميد

كان الحد من هذه التقنية هو أنها لا تستطيع توفير دقة مكانية وزمنية واضحة على المستوى المحلي ولا يمكنها قياس عدد كبير من الخرزات في وقت واحد (Dasgupta ، 2005). نظرًا لعدم توفر المعدات ، يمكن استخدام العديد من تقنيات علم الريش الدقيق والخرز المذكورة أعلاه في هذا البحث. يصف فصل Rheometric Methodology بمزيد من التفصيل اختبار التأرجح الديناميكي الذي تم إجراؤه لهذا المشروع. من المهم ملاحظة الاختلاف في مقياس الخواص المقاسة للمواد الهلامية بولي أكريلاميد.

نهج المشروع كان هذا المشروع فريدًا من حيث عدم وجود كائنات مادية لتصميمها والتحقق من صحتها.

تطلب هذا العمل تصميم طريقة لوصف خصائص اللزوجة المرنة للمواد الهلامية بولي أكريلاميد. في محاولة لفهم خصائص المواد الهلامية بولي أكريلاميد بشكل كامل ، كان لا بد من اتباع عملية تصميم استراتيجية.

لدراسة الخواص الميكانيكية للمواد الهلامية بولي أكريلاميد ، كان من الضروري اختيار طرق القياس التي تحدد الخصائص على النطاق الكلي والجزئي.

يتمثل نهج هذا المشروع البحثي في ​​استخدام مجموعة متنوعة من أنظمة القياس لإيجاد قابلية التكاثر والاتساق في الخواص الميكانيكية للمواد الهلامية بولي أكريلاميد.

اقترب الفريق من البيان الرئيسي لمشروع العميل من خلال طرح عدة أسئلة لتحديد أهداف العميل وقيوده ووظائفه بوضوح. تم تحليل الأبحاث السابقة التي اشتملت على المواد الهلامية بولي أكريلاميد بدقة وكشفت أنه لا يوجد الكثير من العمل على الخصائص اللزجة المرنة للمادة.

استخدم الفريق أدوات إدارة المشروع للمساعدة في استنتاج أنه كان من الضروري اتباع تقنيات متعددة لتلبية احتياجات العميل. علاوة على ذلك ، قرر الفريق معالجة المشكلة من مقاييس أحجام مختلفة.

إمكانية المقارنة بسهولة مع القيم المنشورة والتقييم الكامل للمحتويات. من البحث في الخلفية ، وقيود الميزانية ، وتوافر الماكينة ، قرر الفريق استخدام أربع تقنيات: المسافة البادئة للكرة ، والفحص المجهري للقوة الذرية (AFM) ، واختبار الشد أحادي المحور ، وعلم الريولوجيا. تم إجراء ثلاث تقنيات للكرة البادئة ، AFM ، واختبار الشد أحادي المحور في الحرم الجامعي WPI.

ومع ذلك ، استخدم الفريق مقياس ريومتر في Malvern Instruments في ساوثبورو ، ماساتشوستس. توفر تقنيات المسافة البادئة للكرة و AFM قيم الصلابة على النطاق المحلي ، بينما يقيس اختبار الشد أحادي المحور وطرق قياس الانسياب خصائص الكتلة. باستخدام هذه التقنيات الأربعة ، كان الفريق يأمل في تسليط الضوء على بعض من 22 تقنية

قضية مثيرة للجدل تتعلق بقيم الصلابة وتوفر فهمًا أفضل لخصائص الهلام على مستويات متعددة

4. التصميم من أجل الصياغة الصحيحة للطريقة التجريبية لهذا المشروع ، عملية التصميم الموضحة في الكتاب المدرسي ، التصميم الهندسي:

تم اتباع مقدمة قائمة على المشروع حددها Dym and Little (Dym et al. ، 2004). سيصف القسم التالي العملية العامة المستخدمة لتصميم هيكل هذا المشروع. تفصل الجهود المبذولة لتطوير تصميم تجريبي جديد عملية تصميم هذا المشروع عن عملية التصميم النموذجية التي تتضمن تطوير جهاز مادي.

قدمت العديد من جلسات مقابلة العملاء تحليلاً أوليًا لأهداف المشروع والقيود. في محاولة للحصول على خصائص لزجة مرنة موثوقة من المواد الهلامية بولي أكريلاميد ، تم تحديد الأهداف التالية من مقابلات العملاء: إنشاء خصائص مرنة لزج موثوق ، والبقاء ضمن ميزانية المشروع ، وعدم الإضرار بالمستخدم ، ويجب أن يكون سهل الاستخدام.

بعد عملية المقابلة ، تم تطوير قائمة أكثر تحديدًا بالمتطلبات لإدراجها في شجرة الأهداف ومخطط المقارنة الزوجي. يمكن رؤية الشجرة المستهدفة في الشكل 6 ، بينما يمكن العثور على مخطط المقارنة الزوجي في الملحق. من خلال هذه الأدوات ، أصبح من الواضح أن التركيز الرئيسي للمشروع هو إيجاد نتائج قابلة للتكرار بين تقنيات القياس الفردية.

الحصول على خصائص اللزوجة المرنة الموثوقة للمواد الهلامية بولي أكريلاميد غير المكلفة والآمنة سهولة الاستخدام تحليل الأخطاء تعظيم نطاق التردد

بالنسبة للقياس الانسيابي و AFM ، قم بتعظيم عدد التركيزات المختبرة بين نطاق kpa ، قم بتعظيم عدد العينات التي تم اختبارها من كل توافر تركيز E: شجرة الهدف: ساعدت أداة التصميم هذه الفريق على تحديد أولويات أهداف المشروع الإجمالية.

كان الهدف النهائي من هذا البحث هو الحصول على خصائص مرنة لزجة موثوقة لهلام بولي أكريلاميد. تم إرسال مخطط مقارنة زوجي (PCC) إلى جميع العملاء ، بما في ذلك الدكتور Billiard ، والدكتور Burnham ، و Angie Trum ، و Margo Frey. تم تحديد هؤلاء المستفيدين كأصحاب مصلحة رئيسيين من البحوث ذات الصلة ، لذلك كان من المهم تحديد مخاوفهم. لإجراء مقارنة ، قمنا أيضًا بملء فريق البحث في PCC. سمح PCC للعميل والفريق بتقييم مستوى أهمية أهداف المشروع.

يعمل مخطط PCC كوسيط اتصال آخر بين العميل والفريق لتقييم ومقارنة مستوى الفهم. الأرقام 1 أو 0.5 أو 0 هي نقاط تستخدم لترتيب مستوى أهمية الهدف. يشير حجم الدرجة إلى مستوى الأهمية. إذا شعر أن الهدف على المحور ص أكثر أهمية من الهدف على المحور س ، فإن الرسم البياني يعمل عن طريق وضع رقم 1 في المربع.

إذا شعر أن الهدف أكثر أهمية على المحور x ، يكون الرقم 0. إذا شعر أن كلاهما متساوي في الأهمية ، فعليه وضع الرقم 0.5 في المربع الأبيض. أشارت ردود عملائنا وفريقنا إلى أن الحصول على قيم قابلة للتكرار كان أولوية قصوى. الحد الأقصى لعدد التركيزات والعينات التي اعتقد الفريق في البداية أنها أكبر من 25

باستخدام مخطط PCC هذا ، تم إثبات خطأ الحالة الجسيم.

ساعد مخطط PCC هذا الفريق بشكل كبير في عملية التصميم لتحقيق نتائج قيّمة ومرضية لعملائهم. يتم تلخيص نتائج هذه العملية أدناه. تم تحديد النتائج النهائية من قبل العملاء ، والغرض الرئيسي من البحث هو ضمان الموثوقية الشاملة لتقنيات الاختبار المتبعة في هذا البحث. بعد هذه الأهمية ، تم تعظيم معلمات الاختبار (مثل نطاق التردد). كان الهدف الأساسي الثالث الذي حدده العملاء هو زيادة عدد الاختبارات التي يتم إجراؤها من أجل توليد كمية كبيرة من البيانات للتحليل. بعد مراجعة هذه الوثائق ، كان على فريق البحث تغيير الغرض الأصلي من العمل. تميز هذا باختلاف طفيف في الإدراك بين العملاء والباحثين. في البداية ، كان هدف الفريق هو جمع أكبر قدر ممكن من البيانات على نطاق واسع من تركيزات بولي أكريلاميد. مع تقدم المشروع ، ضاق نطاق المشروع ووجد أن البيانات الخاصة بتركيزين محددين من بولي أكريلاميد جل كانت أكثر أهمية من غيرها (8.0٪ أكريلاميد / 0.08٪ محلول بيساكريلاميد و 5.0٪ أكريلاميد / 0.025٪ محلول بيساكريلاميد). يأمل). اقترح العملاء أن هذه التركيزات مهمة لأنها غالبًا ما تستخدم في أبحاث زراعة الخلايا. يستخدم الدكتور بيليار هذين التركيزين على نطاق واسع في مختبره. يمثل 5٪ / 0.025٪ نسيجًا طبيعيًا صحيًا ، بينما يمثل 8٪ / 0.08٪ نسيجًا مريضًا أو ليفيًا. باستخدام عملية التصميم ، تمكن الفريق من توضيح أهمية تعظيم عدد العينات بين هذين التركيزين المحددين. أخيرًا ، لم يسمح اختبار عدد أصغر من العينات الفردية لتركيزات متعددة للمجموعة بعمل نتائج نهائية. كل تقنية يتم اختيارها لها مزاياها وعيوبها. قام الفريق بتقييم إيجابيات وسلبيات كل طريقة على النحو الوارد في الملحق ، بالإضافة إلى تحديد 26.

هدف المشروع في المراحل الأولى من عملية التصميم ، كان على الفريق أن يقرر الطريقة الأنسب لقياس الخصائص اللزجة المرنة للمواد الهلامية بولي أكريلاميد.

تم ذكر العديد من الأدوات لقياس خصائص اللزوجة المرنة في الأدبيات ، لكنها غير مناسبة لأسباب مختلفة ، بما في ذلك توافر المعدات والميزانية المحدودة. بينما كان مقياس اللزوجة متاحًا في حرم WPI ، إلا أنه لم يكن مناسبًا لقياس القياسات المطلوبة للمواد الهلامية بولي أكريلاميد. يستخدم مقياس اللزوجة مغزلًا لتطبيق القص أحادي الاتجاه على العينة ويقتصر على العينات اللزجة أو السائلة. على غرار مقياس اللزوجة ، أثبت قياس الانسياب الشعري أنه طريقة اختبار غير مناسبة لأن العينة يجب أن تحتوي على عنصر تدفق من أجل تقديم نتائج دقيقة. العديد من الطرق الأخرى التي تم استخدامها لتوصيف الخصائص اللزجة المرنة للمواد الشبيهة بالهلام تشمل القياس الدقيق لمصائد الليزر ، وقياس الالتواء المغناطيسي الخلوي ، والقياس الخطي مع الإثارة الكهرضغطية ، ومرونة الموجات فوق الصوتية أحادية الأبعاد. توفر جميع التقنيات المذكورة أعلاه بيانات مثيرة للاهتمام ولكن لا يمكن استخدامها في هذا المشروع لأن المعدات لم تكن متاحة بسهولة. يوضح الجدول أدناه القيود الموجودة لكل أسلوب. قيود الطريقة التجريبية معدات القياس الدقيق المصيدة بالليزر غير متوفرة ، تكلفة معدات قياس الالتواء المغناطيسي الخلوي غير متوفرة ، تكلفة معدات قياس الانسيابية للتنقل الكهربائي الانضغاطي الخطي غير متوفرة ، تكلفة تدفق الموجات فوق الصوتية 1D ، تكلفة الجر 1D ضرورية ، المعدات مطلوبة . حدود الأساليب البديلة: ساعدت أداة التصميم هذه في الحد من التقنيات التجريبية الممكنة. 27

يقيس الميكرومتر المصيد بالليزر الخصائص الميكانيكية المحلية باستخدام مصيدة ليزر تعمل بالأشعة تحت الحمراء وماسحة ضوئية جلفانية (Velegol ، 2001).

يستخدم قياس الالتواء المغناطيسي الخلوي مجالًا مغناطيسيًا لتدوير حبيبات مغناطيسية صغيرة في الهلام ويقيس الدوران الزاوي لعزم الدوران المطبق لتمكين حساب معلمات محددة (بتلر ، 1998). يعد قياس الانسياب الخطي المحفز كهرضغطية مفيدًا لأنه يستخدم ناتئًا لتطبيق إجهاد القص المتذبذب على عينة الهلام في بيئة رطبة (بارسونز ، 2002). أخيرًا ، تتضمن طريقة مرونة الموجات فوق الصوتية إعدادًا معقدًا لمحول الطاقة يقوم بضغط أحادي المحور على عينة الاختبار (Chen ، 1996). أخيرًا ، تم تحديد أن الطرق الأربعة لمجهر القوة الذرية ، والمسافة البادئة الكروية ، والتوتر أحادي المحور ، وعلم الريولوجيا هي الأنسب. سوف يسلط فصل المنهجية أدناه هذا التقرير الضوء على مزايا كل من هذه التقنيات الأربع. لإنجاز مهام المشروع ، أنشأ الفريق مخططًا صرفيًا لإظهار الطرق الممكنة للحصول على جميع المعلومات اللازمة لما يجب أن ينجزه المشروع. يستخدم الرسم البياني المورفولوجي لمساعدة الفريق على تقييم طرق توصيف خصائص المواد الهلامية بولي أكريلاميد من خلال عرض الأداء ومتوسطات المشروع. تحدد الوظائف ما يجب أن يفعله المشروع ، بينما توضح الأدوات الطرق الممكنة التي يمكن للفريق من خلالها تحقيق وظائف معينة. 28

وظيفة أداة قياس الشد الانسيابي لمسافة المسافة البادئة للكرة AFM ممكنة للحصول على نسبة التوتر أحادي المحور من Poisson

تقنية الضغط أحادي المحور ، تحديد قابلية التكاثر ، تقنية حجم الكرة لتقنية المسافة البادئة للكرة ، أنواع الصفائح بين المقاييس ، أنواع الألواح لقياس الانسيابية ، أنواع تقنيات الحلقة ، نتائج التحليل المحلي ، نتائج مقارنة AFM والمسافة البادئة للكرة ، مقارنة الريولوجيا و اختبار الشد أحادي المحور ، وتحديد نطاق قيم الصلابة الموثوقة للتركيز المحدد استخدم نتائج موثوقة محددة من AFM ، وعلم الريولوجيا ، والمسافة البادئة للكرة ، وتقنيات اختبار الشد أحادي المحور لتقييم مدى الصلابة لتركيز معين. الجدول 2: الرسم البياني المورفولوجي يحدد الوسائل الممكنة لتلبية أداء المشروع. بعد استخدام عملية التصميم هذه ، قررنا استخدام أربع تقنيات: المسافة البادئة للكرة ، AFM ، اختبار الشد أحادي المحور ، وعلم الريولوجيا. كل هذه التقنيات قادرة على تحديد معامل يونغ للمواد الهلامية بولي أكريلاميد ، ولكل منها مزاياها الفريدة. على سبيل المثال ، طريقة اختبار الشد أحادية المحور قادرة على قياس قيمة نسبة بواسون ، في حين أن المسافة البادئة للكرة وتقنيات AFM قادرة على قياس الخصائص على النطاق المحلي. في النهاية ، خلصنا إلى أن عملائنا مهتمون بإيجاد تقنية موثوقة أكثر من تعظيم نطاق التركيزات المختبرة. 29

المنهجية يهدف الفصل التالي إلى تفصيل الطرق التجريبية لأساليب الاختبار الأربعة المستخدمة في هذا البحث لتحديد الخواص الميكانيكية لجيل بولي أكريلاميد.

يتم وصف كل تقنية على حدة ، مع تحديد الإعدادات المطلوبة ، والخطوات المتخذة لجمع البيانات ، والحسابات المستخدمة لتوليد النتائج. تم القضاء على مصادر التباين من خلال التحكم في الظروف البيئية (درجة الحرارة ، والرطوبة ، وترطيب الهلام) في محاولة للحفاظ على الاتساق لتحليل النتائج. تم اتباعه لضمان تركيز جل موحد طوال العملية التجريبية.

تتكون المواد الهلامية متعددة الأكريلاميد المستخدمة في هذا البحث من محاليل مخزون من مادة الأكريلاميد و N، N’-methylenebisacrylamide.

تم الحصول على كلا المحلين من Bio-Rad وتم تخفيفه بالماء المقطر و 1 M Hepes (pH 8.5) لتركيزات مناسبة: 40٪ وزن / حجم للأكريلاميد و 2٪ وزن / حجم للبيساكرلميد. بعد تحضير محلول مخلوط جيدًا وفقًا للبروتوكول الموضح في الملحق 10.2 ، يجب إزالة الغاز من الخليط لضمان البلمرة الكافية. أخيرًا ، يضاف 10٪ من بيرسلفات الأمونيوم و TEMED (N ، N ، N ، N-tetramethylethylenediamine) إلى المحلول للحث على البلمرة. بعد صب المواد الهلامية بالطريقة المناسبة ، والتي تمت مناقشتها بمزيد من التفصيل في قسم المنهجية في هذا التقرير ، تم تخزين المواد الهلامية عند 4 درجات مئوية في 50 M Hepes (Wang et al. ، 2002). كان المقصود من البروتوكول الأصلي تصنيع المواد الهلامية بسمك 70 ميكرومتر المطلوبة لـ AFM.

لذلك ، كانت التعديلات الطفيفة في خطوة البلمرة للبروتوكول ضرورية لكل تقنية على حدة. ثلاث تقنيات للمسافة البادئة للكرة ، واختبار الشد أحادي المحور و 30

تتطلب الريولوجيا مواد هلامية أكثر سمكًا.

البروتوكول الذي قدمه وانغ وآخرون. اقترح أن يتم سكب المواد الهلامية بين شريحة زجاجية نشطة وغطاء زجاجي. يعد تفريغ المحلول وتغطية الهلام أثناء البلمرة أمرًا ضروريًا لأن الأكسجين يعمل ككاشف للجذور الحرة ويمنع البلمرة. تؤدي البلمرة غير الكافية إلى خواص ميكانيكية غير متسقة وغير دقيقة أثناء الاختبار. في محاولة للقضاء على مصادر الخطأ التجريبية ، تم إكمال بلمرة المواد الهلامية بين لوحين زجاجيين بمحلول كبير من محلول الأكريلاميد / مكرر. تتطلب الغرفة لوحين زجاجيين متوازيين ، سدادات مطاطية ، بارافيلم وهلام الاغاروز. تم وضع فاصلين مطاطيين بين الألواح الزجاجية وتم ختم الجزء السفلي بهلام الاغاروز بنسبة 1٪ وبارافيلم لمنع المحاليل من التسرب خارج الغرفة. تم استخدام مقاطع الموثق لإغلاق وختم الشرائح الزجاجية ضد الفواصل المطاطية وهلام الاغاروز. بدلاً من صنع 5 مل من المحلول التقليدي ، تطلب نظام التبلور الجديد 180 مل من المحلول. يمكن رؤية أبعاد الفجوة بين اللوحين الزجاجيين في الشكل 7. الشكل 7: طريقة بلمرة اللوح الزجاجي: فواصل المطاط على الجانبين وهلام الاغاروز في الجزء السفلي منعت الحل من التسرب.

لضمان الخلط الجيد للمحلول ، تم وضع محلول الأكريلاميد على لوح تقليب لمدة خمس دقائق قبل التفريغ.

علاوة على ذلك ، بعد التفريغ ، تم تقليب المحلول مرة أخرى وإضافة بيرسلفات الأمونيوم و TEMED. تم سكب المحلول بسرعة في الفجوة بين الألواح الزجاجية واتركه حتى يصلب لمدة ساعة واحدة بسبب الزيادة في حجم الهلام. تم بعد ذلك قطع ورقة هلام بولي أكريلاميد الناتجة ، كما هو موضح في الشكل 8 ، بالمقص إلى عينات جل أصغر. الشكل 8: ورقة هلام بولي أكريلاميد: تسمح الورقة الكبيرة بعمل عينات متعددة في نفس الظروف مع سماكة عينة متساوية. من أجل تلبية المتطلبات المحددة للتقنيات الأربعة ، تم إجراء تعديلات طفيفة على البروتوكول المذكور أعلاه. تغطي منهجية التقنية أدناه هذه التغييرات المحددة والأسباب الكامنة وراءها. تم إجراء أي تعديل في البروتوكول أعلاه بعناية حتى لا يؤثر على الخصائص الكلية للهلام الذي تم اختباره المسافة البادئة للكرة كان الغرض من اختبار المسافة البادئة للكرة هو تقييم تأثير قطر الكرة على قيم الصلابة النسبية. هذا النهج مستمد من الفجوة التي لوحظت في البحث الذي أجراه الدكتور وانج. تم الحصول على هذا التغيير بإجراء تجارب على ثلاث كرات فولاذية بأقطار مختلفة (0.64 مم ، 1 مم و 2 مم في القطر). تمت تسوية جميع المكونات الأخرى (الكثافة ومواد التلميع) للكرات لإزالة المتغيرات التجريبية.

تم استخدام مجهر مقلوب مع ميكرومتر متصل لإنشاء مسافات مختلفة في اتجاه z.

تم صنع جلان بولي أكريلاميد بتركيزات مختلفة في وقت واحد للقضاء على جميع الاختلافات التجريبية الممكنة (ظروف الغرفة والوقت المسموح به لإزالة الغاز والبلمرة). مباشرة بعد وقت البلمرة ، تم غمر كل هلام بمحلول HEPES 50 ملي مولار للحفاظ على الترطيب لتورم بولي أكريلاميد المستمر. يوفر القسم 5.1 بروتوكولًا مفصلاً لإعداد بولي أكريلاميد. يتضمن أحد التعديلات جعل سمك الجل 1.75 مم بدلاً من 3.45 مم لاستيعاب قيود المجهر. تطلبت التجربة إزالة محلول HEPES العازل من أجل القضاء على الحاجة إلى تضمين متغيرات الطفو في حسابات القوة المطبقة. تمت إزالة محلول العازلة المحيط فقط من الجل المختبَر بحيث يظل الجلان الآخران مبتلان. تم تنفيذ هذه الخطوة عن طريق السماح لجميع المحلول بالتصريف بحرية من سطح الهلام لتوفير ظروف اختبار مرضية عندما لا يكون هناك فيلم سائل مرئي على السطح. بدءًا من كرة 0.64 مم ، تم إجراء عشرة قياسات على المواد الهلامية من كل تركيز (0.025.5٪ و 0.08.8٪). عندما يتم أخذ 10 قياسات على الجل الأول ، يتم وضعه مرة أخرى في 50 ملي HEPES بينما يتم اختبار الجل التالي. أخيرًا ، تم استخدام كل عينة جل مع كل من الكرات الثلاث. لم يتم فهم تأثيرات تجفيف الهلام بشكل كامل ، ولهذا السبب تم الحفاظ على الثبات طوال التجربة للقضاء على هذا العامل. بسبب التباين العالي مع القياس اليدوي لنقاط الاتصال ، تم إجراء قياسات متعددة. كان الهدف هو تحديد المسافة التي كان الجزء السفلي من الكرة من السطح العلوي للهلام في نطاق ثابت من أكثر من 20 موقعًا مختلفًا في 33.

هلام

في البداية ، تم اعتبار هذه العملية على أنها المسافة من السطح العلوي للجيل إلى النقطة التي لم يعد فيها مرئيًا عند تحريك النقطة المحورية أكثر في الهلام. بعد التقييم ، وجد أن هذه الطريقة لا توفر قياسًا دقيقًا لقاع الكرة. بدلاً من ذلك ، كان القياس الذي تم إجراؤه متعلقًا بانحراف الضوء عبر الهلام وحول الكرة على سطح الهلام. لحل هذه المشكلة ، تم تطبيق طريقة قياس جديدة. في البداية ، تم تركيزه فوق سطح الهلام وضبط الميكرومتر على الصفر.

تم ذلك عن طريق تركيز العدسة على العيوب السطحية للجيل. يمكن أن يفسر هذا الجزء من القياس الكثير من التباين في قيم المسافة البادئة المقاسة ، حيث يمكن للجسيمات الموجودة على سطح الهلام أن تتداخل مع فهم موضع سطح الهلام. كان من المهم أن يكون قياس السطح على بعد قطر واحد على الأقل من الحافة الخارجية للكرة للسماح للهلام بالالتصاق بسطح الكرة. كان مركز الكرة هو القياس الثاني لتحديد الوضع الرأسي لنصف قطر الكرة. تم تحديد المركز على أنه النقطة التي يكون فيها شعاع الضوء الدائري المثالي ذو الشدة الأكبر حول الحافة المرئية للكرة.

من خلال تحريك العدسة لأعلى أو لأسفل قليلاً ، كان هناك تغيير واضح في الضوء المركّز ، مما يجعل هذا القياس ثابتًا إلى حد ما وضروري لمراعاة نطاق التركيز. يشمل هذا النطاق الانحراف المعياري الذي يتم ملاحظته في النتائج التي تم الحصول عليها ونتيجة للتغييرات التي أجرتها العين البشرية. كان هذا النطاق في الأصل 40 ميكرومتر ولكن تم تخفيضه إلى حوالي 20 ميكرومتر من خلال اختبارات مكثفة. تم حساب المسافة البادئة بالمعادلة التالية ، حيث Ms هو الموضع الرأسي لسطح الهلام المقاس ، R هو نصف القطر المعروف للكرة ، و Mc يساوي 34.