Titanyum Dioksit (TiO2): Özellikleri, Üretimi ve Uygulamaları

Son zamanlarda, fotodinamik tedavi (PDT) alanında önemli bir ilerleme gözlemlenmiştir. Bu, yeni fotosensitizör ajanların keşfi ve onların daha iyi bir şekilde teslim edilmesini araştırmayı içermektedir.

Özellikle dikkat çeken bir yöntem, boyaların ve nanopartiküllerin birleşimidir. Bu yöntem, fotosensitizörün seçiciliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda tedavinin genel etkinliğini de artırabilir. Kullanılan çeşitli maddeler arasında, Titanyum Dioksit (TiO2) öne çıkar. Çeşitli özellikleri, suyun arıtılmasından ilaç teslim sistemleri olarak hizmet etmeye kadar bir dizi uygulamada kullanılmasını sağlar. Bu tür son teknoloji uygulamaları için en yüksek kalitede Titanyum Dioksit nanopartiküllerini ve diğer nano malzemeleri Nanografi'nin geniş ürün yelpazesinde bulabilirsiniz.

Giriş

Son olarak bahsedilen, ancak olağanüstü bir kategori olan metalik ve metal oksit nanopartiküllerine, örneğin ZnO, Au, Fe2O3, TiO2, özel bir dikkat gösterilmelidir. Birçok çalışma, nanopartiküllerin tıpta kullanılmasının mevcut tedavilerin etkinliğini önemli ölçüde artırabileceğini göstermiştir. İlaçları nanopartiküllerle birleştirmek, onların hastalıklı dokularda seçici birikimlerini ve hücre zarlarından geçme yeteneklerini artırabilir. İlaçların seçiciliğini artırmak, modern tıp için büyük bir zorluktur. Bu hedef, artan seçicilik ve azaltılmış toksisiteye sahip terapötik sistemlere odaklanan araştırmalarla, daha yüksek terapötik verimlilikle birlikte gerçekleştirilebilir.

Titanyum Dioksit (TiO2) Nedir? 

Titanyum dioksit (TiO2), titanyum ve oksijen atomlarından oluşan, rutil ve ilmenit gibi minerallerden elde edilen doğal, beyaz bir pigmenttir. Parlak beyaz rengi, toksik olmayışı, kararlılığı ve yüksek kırılma indeksi ile tanınır. Bu anahtar özellikler, onu boyalar, güneş kremleri, kozmetik ürünler ve gıda boyaları gibi ürünlerde tercih edilen bir madde yapar. Ek olarak, ultraviyole (UV) ışığını yansıtma kabiliyeti, onu zararlı UV ışınlarına karşı koruma sağladığı için güneş kremlerinde aranan bir bileşen haline getirir.

Titanyum Dioksit (TiO2) Özellikleri

• Yüksek opaklık: TiO2, yüksek örtücülüğe sahip olup, boyalarda, plastiklerde ve kağıtlarda beyazlık ve parlaklık sağlar.
• UV koruma: Güneş kremleri ve cilt bakım ürünlerinde UV ışınlarını emerek cildi korur.
• Fotokatalitik özellikler: Hava ve su arıtımında kirletici maddeleri parçalama yeteneğine sahiptir.
• Kimyasal kararlılık: Asitlere, bazlara ve deniz suyuna karşı dayanıklıdır.Titanyum Dioksitin Formları 

Titanyum Dioksit (TiO2) Formları

Titanium dioksit fotokatalizörü, kararlılık, toksik olmayış, biyouyumluluk, optik ve elektriksel özellikler gibi ilginç özelliklerinden dolayı bilinen ve iyi araştırılmış bir fotokatalizördür. Esas olarak üç farklı formda bulunur: anataz, rutil ve brookit. Yapıları Şekil 1'de gösterilmiştir. 

Anataz: Bu form, tetragonal bir kristal yapısına sahiptir. Anataz, TiO₂'nin fotokatalitik uygulamalarında sıkça kullanılır çünkü yüksek fotokatalitik aktiviteye sahiptir. Doğada rutil formundan daha az yaygın olarak bulunsa da, nanoteknoloji ve bazı endüstriyel uygulamalarda anataz formu tercih edilir. Ayrıca, anatazın optik özellikleri ve yüzey reaktivitesi, çeşitli bilimsel ve teknolojik uygulamalar için onu ilginç kılar.

Rutil: Bu form tetragonal bir kristal yapısına sahiptir ve doğada en yaygın olarak bulunan TiO₂ formudur. Optik özellikleri nedeniyle, genellikle güneş kremleri ve diğer kozmetik ürünlerde kullanılır. Rutile, anataza göre daha yüksek bir kırılma indeksine ve daha düşük bir fotokatalitik aktiviteye sahiptir.

Brookit: Ortorombik bir kristal yapısına sahiptir. Ancak brookit, anataz ve rutil formuna kıyasla daha az yaygındır ve genellikle endüstriyel ve ticari uygulamalarda kullanılmaz. Fakat bilimsel araştırmalar için ilginç olabilir.

Şekil 1: Tio2'nin farklı formları.

Nanoteknolojinin son gelişmeleri, nano boyutlu titanyum dioksit fotokatalizörler gibi nanomalzemelerin, suda organik ve inorganik kirleticilerin fotodegradasyonunda yüksek aktiviteye sahip olabileceğini kanıtlamıştır. Fotokatalizin, organik kirleticilerin normal sıcaklık ve basınç koşulları altında zararsız maddeye tamamen parçalanabileceği için yakında atık suların arıtılmasında en etkili yöntemlerden biri olarak tanınacağına inanılmaktadır.

Kirleticileri, herbisitler, karboksilik asitler ve alkolleri tamamen karbon dioksite, suya ve basit minerallere parçalama kapasitesine sahiptir. Çok etkili olması için belirli özelliklere sahip olmalıdır, örneğin uygun parçacık boyutu, şekil, kristallilik ve anataz ile rutil oranı. Bu nedenle, çoğu araştırmacı, çevresel iyileştirme veya ilgi alanlarındaki diğer uygulamalar için uygun özelliklere sahip parçacıklar elde etmek için farklı yöntemleri kullanmaya çalışmaktadır. Birçok çalışma, özellikle titanyum dioksit nanotüpleri (TNT'ler) performansının, titanyum oksidin nanopartikül formlarına kıyasla fotovoltaiklerde ve fotokatalizde arttığını kanıtlamıştır. Son zamanlarda, farklı niteliklere sahip TNT demetleri ve dizileri, şablon yardımlı, sol-jel, hidrotermal, elektro-anodizasyon, kimyasal buhar biriktirme ve fiziksel buhar biriktirme gibi çeşitli tekniklerle sentezlenmiştir.

Titanyum dioksit nanopartiküllerini hazırlamak için diğer çeşitli teknikler de bulunmaktadır ve bunlar arasında ters miseller, sol-jel süreci, metal organik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD), gaz fazı (aerosol) sentezi, tuzlardan hidroksitlerin çökeltilmesiyle ıslak kimyasal sentez, mikroemülsiyon aracılı yöntemler ve elektrokimyasal sentez bulunmaktadır. Bu yöntemler, sol-jel, biriktirme yöntemleri, sonochemical ve mikrodalga destekli yöntemler, hidro/solvotermal yöntemler ve oksidasyon yöntemleri olmak üzere beş genel gruba ayrılabilir.

Tablo 1: Titanyum dioksitin anataz ve rutil fazının bazı yapısal ve fiziksel özelliklerini göstermektedir .

Titanyum Oksit (TiO2) Sentez Yöntemleri

Birikme Yöntemleri 

Bu yöntemlerde, buhar halindeki materyaller yoğunlaşarak katı fazlı bir materyal oluşturur. Süreç genellikle bir vakum odasında gerçekleştirilir. Eğer kimyasal bir reaksiyon meydana gelirse bu kimyasal buhar biriktirme (CVD) olarak adlandırılır, reaksiyon oluşmazsa fiziksel buhar biriktirme (PVD) olarak adlandırılır. CVD'ye örnekler arasında elektrostatik sprey hidrolizi, difüzyon alev pirolizi, termal plazma pirolizi, ultrasonik sprey pirolizi, lazer indüklenen piroliz ve ultrasonik destekli hidroliz bulunmaktadır. Titanyum tetraisopropokside (TTIP) pirolizi ile 30 nm'den daha küçük tane boyutlu TiO2 filmleri ve 10 nm'den daha küçük boyutta TiO2 nanopartikülleri bir helyum/oksijen atmosferinde sentezlendi. Termal plazma sentezi ve sprey piroliz birkaç çalışmada kullanılmıştır ancak bunlar karmaşık, sermaye ve enerji yoğun yöntemlerdir ve tozun özelliklerini kontrol etmek kolay değildir.

• Elektroforetik Biriktirme 
• Sprey Piroliz 

Oksidasyon Yöntemleri 

Bu yöntemler, oksidanlar veya anodizasyon kullanılarak titanyum metalinin oksidasyonunu içerir. Titanyum levhanın 0,5% hidrojen florür içerisinde 10 ve 20 V arasında bir gerilim altında anodizasyonu, uygulanan gerilimi değiştirerek çapı kontrol edilen hizalı TiO2 nanotüplerinin oluşumuna yol açar.

Sonochemical ve Mikro-Dalga Destekli Yöntemler 

Sonochemical yöntemi, ultrasonik radyasyon altında saf su veya etanol/su karışımında titanyum tetraisopropoksid (TTIP) hidrolizi ile yüksek fotoaktif TiO2 nanopartiküllerini üretmek için uygulanmıştır. Sonochemi, sıvı bir ortam içerisinde kabarcıkların oluşumu, büyümesi ve çökmesinden kaynaklanır. Kavitasyonun çökmesi ile ısı (~5000 K) ve yüksek basınçlar (~1000 atm) üretilir.

Mikro-dalga destekli yöntemlerde, 0.3 ile 300 GHz arasında frekanslara ve 1 mm ile 1 m arasında dalga boylarına sahip olan mikrodalgalar kullanılır. Zhu ve Chen'e [36] göre, mikrodalga ısıtma, dipolar polarizasyon ve iyonik iletim olmak üzere iki ana mekanizma ile ilgilidir. Polar moleküller veya ileten iyonlar gibi mobil elektrik yükleri içeren her türlü materyal genellikle mikrodalgalarla ısıtılır.

Sol-Jel Yöntemi

Sol-jel süreci, eşit boyutta ince, küresel tozlar üretir ve genellikle TiO2 malzemelerini sentezlemek için kullanılmıştır. Bu, genellikle titanyum (IV) alkoksitlerin asit-katalizli adımıyla gerçekleşir. Sol-jel sürecinin en cazip özelliklerinden biri, elde edilen malzemenin istenilen şekillere, örneğin lif, film ve monodisperse toz gibi şekillere getirilme olasılığıdır.

Şekil 2: Sol-jel yönteminin şematik gösterimi.

Şablon Tabanlı Yöntemler 

Şablon destekli sentez, nano yapıları üretmek için kolay, maliyet etkili ve son derece çok yönlü bir yaklaşımdır. Mikro gözenekli veya nano gözenekli materyaller şablon olarak kullanıldığında, bir materyali şablonun nano kanalları içerisinde saklayarak bir boyutlu (1D) nano yapılar entegre edilebilir. Michailowski ve arkadaşları, anodik alüminyum oksit kullanarak Ti(Oi-Pr)4'ün termal bozunma işlemi ile TiO2 nanotüp sentezini gösterdi. Benzer şekilde, Liang ve arkadaşları, atomik tabaka birikimi ile TiO2 nanotüp sentezini ortaya koydular. Anodik alüminyum oksit şablon olarak kullanıldı ve atomik tabaka birikimi için TiCl4 öncül madde olarak kullanıldı.

Titanyum Dioksit (TiO2) Kullanım Alanları

Titanyum dioksit (TiO2), sadece ilaç teslimat sistemlerinin ötesinde, tıp ve ilgili alanlarda geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. İşte çeşitli uygulamalarının bir özeti:

Boya

-Titanyum dioksit, boyalarda en yaygın kullanılan beyaz pigmenttir. Yüksek opaklık kapasitesi sayesinde boyaların daha örtücü olmasını sağlar. Hem su bazlı hem de solvent bazlı boyalarda kullanılabilir.

Kozmetik

-Titanium dioksit (TiO2), kozmetik sektöründe yaygın olarak kullanılan inorganik bir bileşiktir. Özellikle güneş koruyucu formülasyonlarda ultraviyole (UV) ışınlarını engelleyici özelliği sayesinde tercih edilir.

-TiO2'nin yüksek kırılma indeksi, UV ışınlarına karşı yüksek yansıtıcı ve saçılım gücüne sahip olmasını sağlar, bu da cilt üzerinde etkili bir koruma tabakası oluşturmasına yardımcı olur. Ayrıca, makyaj ürünlerinde, özellikle fondötenlerde ve pudralarda beyaz pigment olarak da kullanılır. Ancak, nano ölçekteki partiküllerin potansiyel sağlık etkileri üzerine yapılan araştırmalar nedeniyle, kozmetikte kullanılan TiO2'nin boyutu ve formülasyonu konusunda dikkatli olunması gerekmektedir.

Diş Hekimliği

-Titanyum dioksit, diş kişisel bakımını ve diş beyazlatmayı geliştiren foto-kimyasal aktivitesi nedeniyle diş macununda ve diş beyazlatma ürünlerinde kullanılır.

-Dentine uyarıcılara tepki olarak maruz kalan keskin ağrı ile karakterize edilen diş aşırı duyarlılığının tedavisinde uygulanır.

Farmasötik Bilimler

-Titanyum dioksit, tablet üretiminde farmasötik yardımcı madde olarak kullanılır.

-TiO2 nanopartiküller, tehlikeli kimyasal ve farmasötik kirleticileri ortadan kaldırmak için katalitik sistemler olarak hareket edebilir.

-İlaçların acı tadını maskeleyebilir, ilaçların genel tadını geliştirebilir.

Su Arıtma

-TiO2 nanopartiküller maliyet etkilidir ve korozyona dirençlidir, bu da onları atıksu arıtma için uygun hale getirir.

-Su yüzeyinin iyileştirilmesi için kullanılabilirler; suyun içerisindeki ağır metalleri önceden yoğunlaştırarak ve çıkararak.

Bor nitrür nanoplakaların da su arıtma için kullanıldığını biliyo muydunuz? Öğrenmek için blog yazımızı okuyun.

Çevresel İyileştirme

-TiO2 nanopartiküller, kirleticilerin bozunmasında nanokatalizörler olarak işlev görebilir, örneğin metil turuncu gibi boyar maddelerin bozunması.

Araştırmacılar, kapalı alanlardaki kirleticileri, özellikle sigara dumanını uzaklaştırmak için TiO2 emdirilmiş titanyum ağ filtreler kullanmışlardır.

Gıda Endüstrisi

-Titanyum dioksit beyaz renkte soslar, şekerlemeler, süt içermeyen krema ve peynir gibi gıda ürünlerinde kullanılır.

-Gıdalarda kremsi ürünlere beyazlık kazandırır ve şekerleme ürünlerinde renkler için bir engel görevi görür.

Öte yandan grafenin, gıda endüstrisi dahil kullanıldığı 60 diğer alanı da öğrenmek için, en çok okunan blog sayfamızı ziyaret edebilirsiniz.

Fotodinamik Tedavi

-TiO2 nanopartiküller, mükemmel foto-kimyasal özelliklere ve yüksek biyouyumluluğa sahip olup fotodinamik tedavi için uygundur.

-Işığa maruz kaldığında reaktif oksijen türleri üretebilirler, bu da yakındaki dokularda hücre ölümüne yol açar.

-Doğru terapötik uygulamalar için absorpsiyon bantlarını kaydırmak amacıyla doping ve fonksiyonelleştirme gibi modifikasyonlar yapılabilir.

-PEG zincirinin fonksiyonelleştirilmesi gibi stratejiler, fizyolojik pH'ta yoğunlaşmayı azaltabilir, böylece tutarlı dozaj ve klinik etkileri garanti edebilir.

TiO2 nanopartiküllerinin çeşitli uygulamalarda vaat edici özellikler gösterdiğine dikkat edilmelidir; ancak, vücuttaki davranışları ve potansiyel toksisiteleri medikal ve terapötik bağlamlarda güvenli ve etkili kullanımını sağlamak için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyar.

Titanyum dioksitin kanser tedavisindeki rolünü öğrenmek için, blog yazımızı okuyun.

Sonuç

Sonuç olarak, titanyum dioksit (TiO2) nanopartikülleri, fotodinamik tedavi ve su arıtma gibi alanlarda büyük bir potansiyele sahiptir. Geniş çapta erişilebilir ve maliyet-etkin olmalarına rağmen, medikal uygulamalardaki potansiyellerini tam anlamıyla kullanmak zorluklarla karşılaşmaktadır. UV ışık aktivasyonu ihtiyacı gibi eksiklikleri ele almak kritik öneme sahiptir. TiO2'yi yukarı dönüşüm nanopartikülleriyle birleştirme ve yüzey aktif maddeler kullanma gibi stratejileri entegre ederek kullanımlarını optimize edebiliriz. Bununla birlikte, medikal uygulamalarında daha derinlemesine inerken TiO2'nin davranışını ve potansiyel toksisitesini anlamak hayati öneme sahiptir.

Araştırma ve projelerinizi desteklemek için Nanografi, yüksek kaliteli titanyum dioksit ürünlerini size sunmaya devam ediyor.

Kaynakça

Atık Sular için Bor Nitrür Nanoplakalar - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved February 7, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blog/atik-sular-icin-bor-nitrur-nanoplakalar/

Banerjee, K., & Thiagarajan, P. (2015). A Review of Titanium Di Oxide Nanoparticles - Synthesis, Applications and Toxicity Concerns. Nanoscience &Nanotechnology-Asia, 4(2), 132–143. doi: 10.2174/2210681204666141117234425

De Matteis, V., Cannavale, A., & Ayr, U. (2020). Titanium Dioxide in Chromogenic Devices: Synthesis, Toxicological Issues, and Fabrication Methods. Applied Sciences 2020, Vol. 10, Page 8896, 10(24), 8896. https://doi.org/10.3390/APP10248896

Different forms titanium dioxide [1]. | Download Scientific Diagram. (n.d.). Retrieved February 7, 2024, from https://www.researchgate.net/figure/Different-forms-titanium-dioxide-1_fig1_326015773

Grafen İçin 60 Farklı Kullanım Alanı - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved February 7, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/grafen-icin-60-farkli-kullanim-alani/

Hollingsworth, L. R., Conduff, J. H., Balzer, C. J., Tran, S. K., Hamid, W., & Rakes, L. E. (2015). Synthesis and Toxicity of Lipid-Coated-Titanium Oxide Nanoparticles. Journal of Undergraduate Materials Research, 5(0). doi: 10.21061/jumr.v5i0.1533

Kanser Tedavisinde Titanyum Dioksit Nanoparçacıklarının Uygulanması - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved February 7, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/kanser-tedavisinde-titanyum-dioksit-nanoparacklarnn-uygulanmas-9aebe6/

Nyamukamba, P., Okoh, O., Mungondori, H., Taziwa, R., & Zinya, S. (2018). Synthetic Methods for Titanium Dioxide Nanoparticles: A Review. Titanium Dioxide - Material for a Sustainable Environment. doi: 10.5772/intechopen.75425

Peng, T., Zhao, D., Dai, K., Shi, W., & Hirao, K. (2005). Synthesis of Titanium Dioxide Nanoparticles with Mesoporous Anatase Wall and High Photocatalytic Activity. The Journal of Physical Chemistry B, 109(11), 4947–4952. doi: 10.1021/jp044771r

Waghmode, M. S., Gunjal, A. B., Mulla, J. A., Patil, N. N., & Nawani, N. N. (2019). Studies on the titanium dioxide nanoparticles: biosynthesis, applications and remediation. SN Applied Sciences, 1(4). doi: 10.1007/s42452-019-0337-3

Ziental, D., Czarczynska-Goslinska, B., Mlynarczyk, D. T., Glowacka-Sobotta, A., Stanisz, B., Goslinski, T., & Sobotta, L. (2020). Titanium Dioxide Nanoparticles – Prospects and Applications in Medicine. doi: 10.20944/preprints202002.0271.v1