Name: Fabricación superhidrófobas materiales poliméricos para aplicaciones biomédicas (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-08-28T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 22 s
Description: Aprende a fabricar mallas fibrosas biodegradables y recubrimientos superhidrófobos mediante electrohilado y electropulverización usando mezclas de polímeros biomédicos. Este método permite desarrollar sistemas de liberación controlada de fármacos.

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La financiación fue proporcionada en parte por BU y el NIH R01CA149561. Los autores desean agradecer al equipo de electrohilado/electropulverización, incluidos Stefan Yohe, Eric Falde, Joseph Hersey y Julia Wang, por sus útiles discusiones y contribuciones a la preparación y caracterización de biomateriales superhidrofóbicos.

Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.

Nuestro enfoque para la construcción de materiales superhidrófobas a partir de polímeros biomédicos combina la química de polímeros sintéticos con las técnicas de procesamiento de polímeros de electrospinning y electrospraying. Estas técnicas proporcionan ya sea fibras o partículas, respectivamente. Específicamente, policaprolactona y poli (-glycolide co lactide-) basado materiales superhydrophobic se preparan usando esta estrategia. Mediante la variación de la composición de copolímero hidrófobo, el por ciento...

Superficies superhidrófobas son generalmente clasificados como exhibiendo contacto con el agua desprende ángulos mayores de 150 ° con ángulo de histéresis bajo contacto. Estas superficies se fabrican mediante la introducción de alta rugosidad superficial sobre los materiales de baja energía superficial para establecer una interfaz de aire-líquido-sólido resultante que se resiste a mojar a 1-6. Dependiendo del método de fabricación, las superficies delgadas o de capas múltiples superhidrófobas, revestimientos de múltiples capas de sustrato superhidrófobas, o estructuras superhydrophobic incluso a granel se puede preparar. Esta repelencia al agua permanente o semi-permanente es una propiedad útil que se emplea para preparar superficies autolimpiables 7, 8, dispositivos de microfluidos superficies celulares / proteínas, 9,10 de arrastre de reducción de las superficies 11, y dispositivos de administración de fármacos anti-incrustantes 12- 15. Recientemente, materiales superhidrófobas estímulos-respuesta se describen en el que no se humedece a estado mojada se desencadena por la química, la físicaO señales ambientales (por ejemplo, luz, pH, temperatura, ultrasonido, y aplican potencial eléctrico / actual) 14,16-20, y estos materiales están encontrando su uso para aplicaciones adicionales 21-25. Las primeras superficies superhidrófobas sintéticos se prepararon mediante el tratamiento de superficies de materiales con methyldihalogenosilanes 26, y eran de un valor limitado para aplicaciones biomédicas, como los materiales utilizados no eran adecuados para su uso in vivo. Aquí se describe la preparación de la superficie y los materiales a granel superhydrophobic a partir de polímeros biocompatibles. Nuestro enfoque implica electrospinning electrospraying o una mezcla de polímero que contiene un poliéster biodegradable, biocompatible alifático como el componente principal, dopado con un copolímero hidrófobo compuesto por el poliéster y un poli (carbonato de glicerol) modificado estearato-27-30 de. Las técnicas de fabricación proporcionan la rugosidad superficial y la porosidad mejorada sobre y dentro de la fibers o las partículas, respectivamente, mientras que el uso de un dopante copolímero proporciona un polímero de baja energía superficial que se mezcla con el poliéster y puede ser de forma estable electrospun o a electrospray 27,31,32. Los poliésteres alifáticos biodegradables tales como poli (ácido láctico) (PLA), poli (ácido glicólico) (PGA), poli (ácido láctico co -glycolic ácido) (PLGA), y policaprolactona (PCL) son polímeros utilizados en dispositivos aprobados clínicamente- y prominente en la investigación de materiales biomédico debido a su no toxicidad, biodegradabilidad, y la facilidad de síntesis 33. PGA y PLGA debutaron en la clínica como suturas reabsorbibles en la década de 1960 y principios de 1970, respectivamente 34-37. Desde entonces, estos poli (hidroxiácidos) se han transformado en una variedad de otros factores de forma específica de la aplicación, tales como micro y nanopartículas 40,41 38,39, obleas / discos 42, mallas 27,43, espumas 44, y películas 45 </sup&gt;. Poliésteres alifáticos, así como otros polímeros de interés biomédico, se pueden electrospun para producir estructuras nano o malla de microfibra que poseen una elevada área superficial y porosidad, así como resistencia a la tracción. La Tabla 1 enumera la electrospun polímeros sintéticos para diversas aplicaciones biomédicas y sus correspondientes referencias. Electrospinning y electrospraying son técnicas rápidas y comercialmente escalables. Estas dos técnicas similares se basan en la aplicación de alta tensión (repulsión electrostática) para superar la tensión superficial de una solución de polímero / fundir en una configuración de bomba de jeringa en que se dirige hacia un blanco puesto a tierra 46,47. Cuando se utiliza esta técnica en combinación con polímeros de baja energía superficial (polímeros hidrófobos tales como poli (co caprolactone- monoestearato de glicerol)), el superhydrophobicity materiales exhiben resultante. Para ilustrar este enfoque general de procesamiento de materiales sintéticos ya la construcción de materiales superhydrophobic a partir de polímeros biomédicos, se describe la síntesis de polycaprolactone- superhidrofóbica y poli (-glycolide co lactide-) basados ​​en materiales como ejemplos representativos. La respectiva dopantes de copolímero de poli (co caprolactone- monoestearato de glicerol) y poli (co lactide- monoestearato de glicerol) se sintetizaron primero, luego se mezcla con policaprolactona y poli (-glycolide co lactide-), respectivamente, y finalmente electrospun o a electrospray. Los materiales resultantes se caracterizan por SEM de imagen y ángulo de contacto goniometría, y se ensayaron para in vitro e in vivo biocompatibilidad. Por último, la humectación a granel a través de mallas superhydrophobic tridimensionales se examinó utilizando microtomografía computarizada con contraste.

<table><tbody><tr><td>Aceite de silicona</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85409</td><td></td></tr><tr><td>Cis-2-Fenil-1,3-dioxan-5-ol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>13468</td><td></td></tr><tr><td>Bromuro de bencilo</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>B17905</td><td>Tóxico, lacrimador/irritante ocular, uso en campana de gases químicos</td></tr><tr><td>Hidróxido de potasio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>221473</td><td>corrosivo Evaporador</td></tr><tr><td>rotativo</td><td>Buchi</td><td>R-124</td><td></td></tr><tr><td>Bomba de alto vacío</td><td>Welch</td><td>8907</td><td></td></tr><tr><td>Nitrógeno, ultra alta pureza</td><td>Airgas</td><td>NI UHP300</td><td>Gas comprimido</td></tr><tr><td>Tetrahidrofurano, estabilizado con BHT</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>346000</td><td>Inflamable. Secado a través de columna de</td></tr><tr><td>diclorometano</td> XXX <td>Pharmaco-Aaper</td><td>313000</td><td>Inflamable, tóxico.</td></tr><tr><td>Embudo separador (1 L)</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-678-606</td><td></td></tr><tr><td>Sulfato de sodio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>239313</td><td></td></tr><tr><td>Etanol, absoluto</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>111USP200</td><td>Inflamable, tóxico.</td></tr><tr><td>Embudo Buchner</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB-966-F</td><td></td></tr><tr><td>Metanol</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>339000ACS</td><td>Inflamable, tóxico.</td></tr><tr><td>Ácido clorhídrico</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>320331</td><td>corrosivo. Diluido a 2N en agua destilada.</td></tr><tr><td>Cloroformiato de etilo, 97%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>185892 Tóxico, inflamable, nocivo para el medio ambiente</td></tr><tr><td>Trietilamina (anhidro)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>471283</td><td>Tóxico, inflamable, nocivo para el medio ambiente</td></tr><tr><td>Éter dietílico</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>373ANHACS</td><td>Altamente inflamable. Purificado a través de columna XXX.</td></tr><tr><td>3,6-Dimetil-1,4-dioxano-2,5-diona (D,L-lactida)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>303143</td><td></td></tr><tr><td>estaño (II) etilhexanoato</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S3252</td><td>Tóxico.</td></tr><tr><td>&epsilon;-caprolactona (97%)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>704067</td><td></td></tr><tr><td>Tolueno, anhidro</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>244511</td><td>Inflamable, tóxico.</td></tr><tr><td>Jeringa de vidrio</td><td>Hamilton Company</td><td>serie</td><td></td>1700</tr><tr><td>Cloroformo deuterado</td><td>Cambridge Isotopes Laboratories, Inc.</td><td>DLM-29-10</td><td>Tóxico</td></tr><tr><td>Instrumento de resonancia magnética nuclear</td><td>Varian</td><td>V400</td><td></td></tr><tr><td>Paladio sobre catalizador de carbono</td><td>Strem Chemicals, Inc.</td><td>46-1707</td><td></td></tr><tr><td>Unidad hidrogenadora</td><td>Parr</td><td>3911</td><td></td></tr><tr><td>Recipiente agitador hidrogenador</td><td>Parr</td><td>66CA</td><td></td></tr><tr><td>Hydrogen</td><td>Airgas</td><td>HY HP300</td><td>Altamente inflamable.</td></tr><tr><td>Tierra de diatomeas</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>22140</td><td></td></tr><tr><td>2H,2H,3H,3H-ácido perflurononanoico</td><td>Oakwood Products, Inc.</td><td>10519</td><td>Tóxico.</td></tr><tr><td>Ácido esteárico</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S4751</td><td></td></tr><tr><td>N,N'-diciclohexilcarbodiimida</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D80002</td><td>Tóxico, irritante.</td></tr><tr><td>4-(dimetilamino) piridina</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>107700</td><td>Tóxico.</td></tr><tr><td>Hexanes</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>359000ACS</td><td>Tóxico, inflamable.</td></tr><tr><td>Sistema de cromatografía de permeación en gel (GPC)</td><td>Rainin</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Columna GPC</td><td>Aguas</td><td>WAT044228</td><td></td></tr><tr><td>Calorímetro diferencial de barrido</td><td>TA Instruments</td><td>Q100</td><td></td></tr><tr><td>Chloroform</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>309000ACS</td><td>Tóxico.</td></tr><tr><td>N,N-dimetilformamida</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>227056</td><td>Tóxico, inflamable.</td></tr><tr><td>Policaprolactona, MW 70-90 kg/mol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>440744</td><td></td></tr><tr><td>Poli(lactida-co-glicólido), MW 136 kg/mol</td><td>Evonik Industries</td><td>LP-712</td><td></td></tr><tr><td>Jeringa de vidrio de 10 ml</td><td>Hamilton Company</td><td>81620</td><td></td></tr><tr><td>18 AWG aguja roma</td><td>BRICO Medical Supplies</td><td>BN1815</td><td></td></tr><tr><td>Caja de caja de electrospinner</td><td>Hecho a medida</td><td>N/A</td><td>Hecho de paneles acrílicos</td></tr><tr><td>Suministro de CC de alto voltaje</td><td>Glassman High Voltage, Inc.</td><td>PS/EL30R01.5</td><td>Altos voltajes, peligro de electrocución</td></tr><tr><td>Etapa lineal (de traducción)</td><td>Servo Systems Co.</td><td>LPS-12-20-0.2</td><td>Motor</td></tr><tr><td>programable opcional y fuente de alimentación</td><td>Intelligent Motion Systems, Inc.</td><td>MDrive23 Plus</td><td>Motor</td></tr> y <tr><td>fuente de alimentación de 24 V CC</td> opcionales <td>McMaster-Carr</td><td>6331K32</td><td>Opcional</td></tr><tr><td>Tambor colector de aluminio</td><td>Hecho a</td><td></td> medida <td>Bomba</td>de</tr><tr><td>jeringa</td> opcional <td>Fisher Scientific</td><td>78-0100I</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio óptico invertido</td><td>Olympus</td><td>IX70</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio electrónico de barrido</td><td>Carl Zeiss</td><td>Supra V55</td><td></td></tr><tr><td>Cinta conductora de cobre</td><td>3M</td><td>16072</td><td></td></tr><tr><td>Talones SEM de aluminio</td><td>Microscopía electrónica Sciences</td><td>75200</td><td></td></tr><tr><td>Goniómetro de ángulo de contacto</td><td>Kruss</td><td>DSA100</td><td></td></tr><tr><td>Propilenglicol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>W294004</td><td>Tóxico.</td></tr><tr><td>El etilenglicol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>324558</td><td>tóxico.</td></tr><tr><td>Ioxaglate</td><td>Guerbet</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Suero fetal bovino</td><td>Colección de cultivos tipo americano</td><td>30-2020</td><td></td></tr><tr><td>Instrumento de tomografía microcomputarizada</td><td>Scanco</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Software de análisis de imágenes (Analyze)</td><td>Mayo Clinic</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Comprobador de tracción</td><td>Instron</td><td>5848</td><td></td></tr><tr><td>Micrómetro</td><td>Multitoyo</td><td>293-340</td><td></td></tr><tr><td>Pinzas</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-648-17</td><td></td></tr></tbody></table>

fabricación superhidrófobas materiales poliméricos para aplicaciones biomédicas

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

Materiales superhidrófobas, con superficies que poseen estados no humedecida permanentes o metaestables, son de interés para un número de aplicaciones biomédicas e industriales. Aquí se describe cómo electrospinning electrospraying o una mezcla de polímeros que contiene un biodegradable, poliéster alifático biocompatible (por ejemplo, policaprolactona y poli (-glycolide co lactide-)), como el componente principal, dopado con un copolímero hidrófobo compuesto por el poliéster y una stearate- poli modificado (carbonato de glicerol) proporciona un biomaterial superhidrófoba. Las técnicas de fabricación de electrospinning o electrospraying proporcionan la rugosidad superficial y la porosidad mejorada sobre y dentro de las fibras o las partículas, respectivamente. El uso de un dopante copolímero de baja energía superficial que se mezcla con el poliéster y puede ser de forma estable electrospun o a electrospray proporciona estos materiales superhidrófobas. Parámetros importantes como el tamaño de la fibra, la composición dopante copolímero y / o concentration, y sus efectos sobre la humectabilidad se discuten. Esta combinación de la química de polímeros e ingeniería de procesos ofrece un enfoque versátil para desarrollar materiales específicos de la aplicación utilizando técnicas escalables, que probablemente generalizables a una clase más amplia de polímeros para una variedad de aplicaciones.

A través de una serie de transformaciones químicas, el monómero carbonato funcional 5-benciloxi-1,3-dioxan-2-ona se sintetiza como un sólido cristalino blanco (Figura 1A). 1 H NMR confirma la estructura (Figura 1B) y espectrometría de masas y análisis elemental confirma la composición. Este sólido se copolimeriza a continuación, ya sea con D, L -láctido o ε-caprolactona usando un anillo reacción de apertura de estaño catalizada a 140 ° C. Después de la purificación p...

Los materiales poliméricos superhidrofóbicos bidimensionales y tridimensionales se preparan mediante electrohilado o electropulverización de polímeros biodegradables mezclados con un polímero de menor energía superficial de composición similar.

Fabricación superhidrófobas materiales poliméricos para aplicaciones biomédicas

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial ...

El objetivo general del siguiente experimento consiste en fabricar mallas fibrosas biodegradables y recubrimientos de nanopartículas o micropartículas a partir de mezclas de polímeros biomédicos, y ajustar la capacidad de humectación de estos materiales mediante la variación de la mezcla de copolímeros. Esto se logra primero sintetizando copolímeros funcionales mediante una polimerización por apertura de anillo, y posteriormente injertando cadenas de hidrocarburo C18. En una segunda etapa, los copolímeros se disuelven junto con policaprolactona o lactida coglicósido en un disolvente orgánico, y posteriormente se electrohilan o electro pulverizan, obteniéndose respectivamente mallas tridimensionales de microfibras o recubrimientos de micropartículas y nanopartículas.Posteriormente, se realizan estudios de goniometría de ángulo de contacto sobre las mallas y recubrimientos para comprender cómo el diámetro de la fibra, la composición del copolímero y la composición de la mezcla afectan la capacidad de humectación superficial y conducen a biomateriales superhidrofóbicos. Los resultados muestran cómo la hidrofobicidad se incrementa al aumentar la concentración de copolímero en la mezcla

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Investigación

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Bioingeniería

Dos fluidos adyacentes que pasan a través de un canal microfluídico ranurado pueden ser dirigidos para formar una vainta alrededor de un núcleo de prepolímero; determinando así tanto la forma como la sección transversal. La polimerización fotoiniciada, como la química de tiol click, es muy adecuada para solidificar rápidamente el fluido central en una microfibra con tamaño y forma predeterminados.

Fabricación Microfluídica De Fibras Poliméricas Y Biohíbridas Con Tamaño y Forma Prediseñados

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