Gdańsk, 20.03.2015 Prof. dr hab. inż. Helena Janik Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Technologii Polimerów Narutowicza 11/12, 80-232 Gdańsk, tel.: 583472634; faks: 583472134 e-mail: helena.janik@pg.gda.pl RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Agnieszki Stępień pt.: Ocena wpływu mikroorganizmów na właściwości fizykochemiczne polieterouretanów. Praca przedstawiona do obrony na Wydziale Chemicznym Politechniki Rzeszowskiej. Promotor: dr hab. inż. Paweł Parzuchowski, prof. PW Recenzja wykonana na podstawie pisma Prodziekana ds. Nauki Wydziału Chemicznego Politechniki Rzeszowskiej, dr hab. inż. Wiktora Bukowskiego, prof. PRz z dnia 12 marca 2015 r. Wstęp Polieterouretany należą do poliuretanów segmentowych, które obok poliestrouretanów, poliestro-etero-uretanów czy poliuretanomoczników znajdują zastosowanie zarówno tradycyjne do produkcji materiałów o zastosowaniu technicznym jak i coraz częściej do otrzymywania materiałów biomedycznych takich a także materiałów wykorzystywanych do ochrony środowiska. Ilość odmian otrzymywanych segmentowych poliuretanów stale wzrasta, gdyż są to związki wielkocząsteczkowe należące do tzw. taylor-made polimerów, które można odpowiednio zaprojektować do określonych zastosowań poprzez dobór zróżnicowanych substratów (di- i wieloizocyjanianów alifatycznych lub aromatycznych, poliozyjanianów, oligoestrodioli, oligoeterodioli, oligoestroeterodioli, przedłużaczy łańcuchów, środków sieciujących), katalizatorów, sposobu technicznego przeprowadzania syntezy (jedno lub dwuetapowej w masie lub w roztworze), sposobu formowania (prasowanie, wtrysk, odlewanie, formowanie reaktywne), rodzaju obróbki termicznej, modyfikacji powierzchniowej i objętościowej. Dopuszczenie określonych produktów do ich użytkowania wymaga wielu żmudnych
badań w tym badań dotyczących zachowania się tych materiałów wobec mikroorganizmów i enzymów. Przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska mgr inż. Agnieszki Stępień obejmuje nurt aplikacyjno-poznawczy oceny wpływu mikroorganizmów i enzymów na właściwości fizykochemiczne wybranych polieterouretanów w różnych środowiskach. Ogólna charakterystyka rozprawy Przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska zawiera 155 stron tekstu (w tym 40 tabel oraz 53 rysunki), prezentującego doniesienia literaturowe oraz wyniki badań własnych. Praca zredagowana jest w sposób klasyczny. Składa się z części literaturowej (ok. 20% objętości) i części doświadczalnej. Zawiera także wykaz stosowanych skrótów, spis treści, wprowadzenie, streszczenie w języku polskim i angielskim oraz wykaz dorobku naukowego. Dorobek naukowy jest poprzedzony spisem literatury wykorzystanej w pracy do omówienia poszczególnych zagadnień. Zawiera on 151 pozycji. W części wprowadzającej zasygnalizowano różnorodność wielu odmian poliuretanów wynikającą ze składu chemicznego, budowy segmentowej i metod wytwarzania. W części literaturowej omówiono zagadnienia związane z biodegradacją poliuretanów w środowisku bakterii, grzybów i enzymów oraz przedstawiono zwięźle charakterystykę wybranych szczepów mikroorganizmów. W podsumowaniu literatury wykazano, że podatność poliuretanów na biodegradację zależy zarówno od ich struktury chemicznej jak i zastosowanego środowiska a ilość informacji naukowej jest przede wszystkim ograniczona do poliestrouretanów. Część literaturowa pracy jest zwięzła i zredagowana w sposób jasny i przejrzysty. Zawiera niezbędne informacje, dotyczące zasadności i sposobu przeprowadzonych badań. Edycja tekstu jest staranna (znaleziono zaledwie kilka tzw. literówek lub niejasnych konstrukcji gramatycznych zdania str. 9, 11, 12, 16, 18). Czytelnik może mieć niedosyt w pewnych miejscach (np. str. 26, 27) w stosunku do zbyt uproszczonego opisu próbek analizowanych przez innych badaczy, a mianowicie ograniczono się do podania tylko grupy poliuretanów (polieterouretan, poliwęglanouretan) a nie podano z jakich substratów je otrzymano.
Założenia i cel pracy są zawarte na stronie 33 i informują nas, że celem pracy jest ocena wpływu 3-ch rodzajów bakterii (Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas denitrificans i Bacillus subtilis), drozdży Yarrowia lipolytica oraz enzymów lipazy Candida rugosa, ureazy Canavalia eniformis i esterazy cholesterolowej Pseudomonas sp na właściwości fizykochemiczne polieterouretanów otrzymanych z aromatycznego i alifatycznego diizocyjanianu. Część eksperymentalna, poza standardowym opisem materiału badanego, odczynników stosowanych zawiera opisy procedur ekspozycji badanych polieteroureatnów na działanie mikroorganizmów i enzymów, opis metodyki badań z wykorzystaniem ATR-FTIR, spekrometrii mas z pirolizą, różnicowej kalorymetrii skaningowej, analizy termograwimetrycznej, skaningowego mikroskopu elektronowego, mikroskopii sił atomowych oraz analizy wagowej i oznaczania kąta zwilżania. W tej części brak jest miejsca wykonania badań. Interesuje mnie także, które eksperymenty Doktorantka przeprowadzała samodzielnie a które były wykonywane w Zespole lub na zlecenie. Wyniki badań i dyskusja zajmują większość pracy (od strony 41-135). Ocena pracy. Koncepcja i wykonanie Wyniki badań opisane w pracy wskazują, że pracę doktorską Pani mgr inż. Agnieszki Stępień można podzielić na dwie komplementarne części. Jedna część związana jest z badaniem próbek polieterouretanowych, handlowych o nazwie Tecothane (TT) a otrzymanych z diizocyjanianu aromatycznego MDI, oligoterodiolu PTHF i przedłużacza łańcuchów 1.4 BD. Druga część badań poświęcona jest próbkom polieterouretanu handlowego o nazwie Tecoflex (EG), otrzymanych z diizocyjanianu alifatycznego H12MDI, tegoż samego oligoeterodiolu i przedłużacza łańcuchów co w przypadku próbek o symbolu TT. Z takiego doboru próbek do badań wynika, że Doktorantka bada dwa typy próbek polieterouretanowych, różniących się w swojej budowie chemicznej rodzajem użytego do syntezy diizocyjanianu. Niedosyt w opisie próbek budzi brak informacji o ich postaci, a mianowicie wg producenta są to poliuretany termoplastyczne, a zatem dostępne są raczej w postaci granulatu a w pracy badane są folie o grubości 1 mm. W jaki sposób je przygotowano? Ponadto naliczyłam na stronie producenta około 20 odmian poliuretanów typu Tecoflex i podobnie ok. 20 odmian Tecothane, a zatem opis zamieszczony w pracy jest
niewystarczający. Drugi niedosyt to brak przynajmniej 3-ego typu próbek, a mianowicie takich otrzymanych z użyciem diizocyjanianu alifatycznego HMDI. Wówczas komplet tych badań miałby szersze znaczenie, gdyż to również HMDI jest istotnym diizocyjanianem w otrzymywania materiałów biomedycznych. W takim kontekście badań, czyli materiałów biomedycznych, wyniki nabierają większego znaczenia. Nie wiązałabym istoty badania z recyklingiem organicznym, gdyż dla PU opracowano wiele metod recyklingu materiałowego i chemicznego (poprzez np. glikolizę). Polemizowałabym z założeniami pracy, a mianowicie istotą założenia jest raczej oczekiwanie, że zróżnicowana struktura chemiczna diizocyjanianów powinna wpłynąć na stopień zmian właściwości fizykochemicznych badanych polieterouretanów w wybranych środowiskach do degradacji. Metodyka badań jest bardzo różnorodna, właściwa do postawionego zadania w pracy, a nawet w pewnych przypadkach nowatorska, gdyż w niewielu laboratoriach prowadzone są badania oceny biodegradacji z wykorzystaniem spektrometrii mas z pirolizą. Z pracy wynika, że właśnie z wykorzystaniem tej metody można otrzymać ciekawe wyniki do analizy wczesnych zmian strukturalnych po inkubacji w odpowiednim środowisku. W przypadku metody wagowej tak często stosowanej w badaniach biodegradacji eksperymentatorzy nie uwzględniają faktu, że biodegradacja może zachodzić poprzez mechanizm statystycznego pękania łańcucha i wówczas w początkowym etapie degradacji w środowisku mikroorganizmów nie zaobserwujemy zmian masy próbki, gdyż łańcuchy polimeru będą wystarczającej długości, aby stanowić zwarty materiał. Podobnie postąpiła w swej pracy Autorka rozprawy. A przecież dopiero analiza rozkładu mas cząsteczkowych może być tu pomocna. W pracy nie przeprowadzono tej analizy, gdyż próbki nie rozpuszczały się. Na ogół termoplasty poliuretanowe są rozpuszczalne na gorąco w kilku rozpuszczalnikach. Jakie zatem rozpuszczalniki testowano w pracy? W przypadku DSC nie podano na rys. kierunku przemian egzo/endo, z którego przebiegu krzywej wyznaczano Tg i dlaczego, nie podano szybkości chłodzenia a wynik przebiegu takiej analizy też zamieszczono (chyba zbędnie). Ponadto trudno jest w przypadku wielu PU stwierdzić na podstawie analizy DSC bardzo małej
naważki, czy jest to materiał amorficzny czy częściowo krystaliczny. Jeżeli próbka zawiera nieznaczną ilość segmentów sztywnych (np. 20%), które mają skłonność do krystalizacji, ale w niewielkim stopniu, wówczas entalpia topnienia będzie znikoma, ale próbka będzie częściowo krystaliczna. Rys. 4.IV raczej wskazuje, że jest ona w niewielkim stopniu krystaliczna; tym bardziej, że segmenty sztywne pochodzą od MDI i BD. Jest wiele prac w literaturze, świadczących o podatności do krystalizacji tego typu segmentów. Natomiast dla próbek EG bardzo trudno cokolwiek wywnioskować z rys. IV.5. Czy wszystkie przebiegi były podobne? A może lepiej pokazać tylko obszar przemian w powiększeniu i wtedy lepiej jest widoczna Tg. W przypadku analizy wyników badań AFM zamieszczono zbyt mało zdjęć w pracy oraz trudno się podjąć dyskusji nie znając sposobu przygotowania próbek do badań. Dodam tu, że zdjęcia są dobrej jakości, z czym bywa różnie w przypadku prezentowania wyników badań nad PU przez różne ośrodki. Ciekawe są też wyniki badań ATR-FTIR: tu zauważono wiele zmian w stosunku do próbki kontrolnej, ale chyba za mało je wyeksponowano we wnioskach końcowych. Przykładowo str. 74 - wzrost intensywności pasma C=O o 22% to już istotna zmiana. Warto w tym przypadku przeanalizować korelacje pomiędzy wynikami z różnych metod badawczych. Inne uwagi: Str. 36: brak podania stężenia etanolu (bardzo istotne) Str. 47: wzrost gęstości usieciowania?? Raczej wzrost oddziaływań międzycząsteczkowych, wiązania uretanowe?? Ugrupowania uretanowe Str. 45 i 69: dyskusyjny jest fakt interpretacji przemian w okolicy 100 o C. Tak się składa, że w przypadku segmentów sztywnych typu MDI-BD w tym obszarze literatura podaje także temp. zeszklenia segmentów sztywnych Wyniki badań wg mojej opinii są ciekawsze niż to podsumowuje Pani mgr, ale stanie się tak dla czytelnika, jeżeli bardziej kompleksowo byłyby one przeanalizowane. Obecnie są one zbyt uogólnione do wszystkich badanych środowisk podczas gdy byłoby istotne podkreślenie środowiska, w którym zachodzą największe zmiany w próbkach. Przykładowo na str. 70 opisano, że zaobserwowanie podwyższenia temp.
zeszklenia o 0,3-7,1 C dla próbek w 3-ch środowiskach. Podczas, gdy należało wyeksponować to środowisko, w którym zaszły w próbkach największe zmiany i prześledzić czy podobnie oba rodzaje PU się zachowują czy odmiennie. Taka analiza wyników badań znacznie podniosłaby wartość pracy. Reasumując stwierdzam, że pomimo wymienionych wyżej uwag, wyniki badań recenzowanej pracy doktorskiej stanowią obszerny materiał o charakterze naukowym i aplikacyjnym oraz korelują z koncepcją, celem i zakresem pracy. Są cenne, jeżeli uwzględnimy aspekt poznawczy w kierunku zastosowania badanych materiałów, jako materiały biomedyczne. W tym przypadku potrzebne są zarówno materiały podatne na biodegradację w określonym środowisku jak i stabilne w pełnym zakresie czasowym lub np. do kilku miesięcy. Interpretacja niektórych wyników badań byłaby cenniejsza po uzupełnienia dokładniejszego opisu materiałów badanych. Wniosek końcowy Praca doktorska przedstawiona przez Panią mgr inż. Agnieszkę Stępień świadczy o przygotowaniu jej do prowadzenia badań. Zakres przeprowadzonych eksperymentów jest szeroki a metodyka badań różnorodna i na dobrym poziomie. Tematyka pracy jest aktualna zarówno od strony naukowej, jaki i aplikacyjnej. Praca zredagowana jest w sposób poprawny, co świadczy o opanowaniu przez Autorkę zarówno opisu stanu wiedzy jak i techniki przeprowadzania prac eksperymentalnych z wykorzystaniem różnorodnych metod badawczych. Pracę, jako całość oceniam pozytywnie i stwierdzam, że spełnia ona wymagania dotyczące rozpraw doktorskich przewidzianych ustawą o stopniach i tytułach naukowych. Wnoszę o dopuszczenie jej do publicznej obrony na Wydziale Chemicznym Politechniki Rzeszowskiej. Helena Janik