Name: Realizzazione superidrofobiche Materiali Polimerici per applicazioni biomediche (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-08-28T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 22 s
Description: Scopri come realizzare materiali polimerici superidrofobici per applicazioni biomediche mediante elettrofilatura ed elettrospruzzatura di miscele di copolimeri biodegradabili. Questo metodo consente di controllare il rilascio di farmaci.

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Il finanziamento è stato fornito in parte dalla BU e dal NIH R01CA149561. Gli autori desiderano ringraziare il team di elettrofilatura/elettrospruzzatura tra cui Stefan Yohe, Eric Falde, Joseph Hersey e Julia Wang per le loro utili discussioni e contributi alla preparazione e alla caratterizzazione di biomateriali superidrofobici.

1. Synthesizing Functionalizable poli (1,3-glicerolo carbonate- co caprolattone) 29 e poli (1,3-glicerolo carbonate- co -lactide) 27,28. <ol><li> Sintesi monomero. <ol><li> Sciogliere cis -2-fenil-1,3-diossano-5-olo (50 g, 0,28 moli, 1 eq.) In 500 ml di tetraidrofurano anidro (THF) e mescolate in ghiaccio sotto azoto. Aggiungere idrossido di potassio (33,5 g, 0,84 mol, 3 eq.), Finemente tritato con un mortaio e pestello. Mettere pallone in bagno di ghiaccio. </li><li> Aggiungere 49,6 ml di benzil bromuro (71.32 g, 0,42 mol, 1,5 eq.) Goccia a goccia, agitando su ghiaccio. Lasciare la reazione a temperatura ambiente sotto agitazione per 24 ore, sotto azoto. </li><li> Aggiungere 150 ml di acqua per sciogliere idrossido di potassio e rimuovere il THF per evaporazione rotante distillata. </li><li> Estrarre il materiale rimanente con 200 ml di diclorometano (DCM) in un 1-L separatore imbuto. Ripetere l&#39;estrazione due volte. </li><li> Essiccare la fase organica su solfato di sodio. </li><li> Cristallizzareil prodotto aggiungendo 600 ml di etanolo assoluto alla soluzione, mescolando bene, e conservare una notte a -20 ° C. Il prodotto può essere conservato a -20 ° C per diversi giorni prima di eseguire i passi successivi. </li><li> Isolare prodotto sottovuoto filtrazione attraverso un imbuto Buchner e secca in alto vuoto. Il prodotto può essere conservato per diversi giorni prima di eseguire i passi successivi. Un rendimento tipico per questa fase è ~ 80%. </li><li> In un 1-L pallone a fondo tondo, sospendere il prodotto ottenuto nel passaggio 1.1.7. in metanolo (300 ml). Aggiungere 150 ml di acido cloridrico 2 N. Reflux a 80 ° C per 2 ore. </li><li> Evaporare solvente e posto sotto alto vuoto per 24 ore. La resa per questa fase è tipicamente&gt; 98%. </li><li> Sciogliere prodotto 1.1.9 in THF (650 ml) e portarlo in un pallone a fondo rotondo 2-L. Posizionare pallone su bagno di ghiaccio e mescolare sotto azoto. Aggiungere 22,4 ml di etile cloroformiato (25,6 g, 0,29 mol, 2 eq.) A pallone sotto azoto. </li><li> Aggiungere 32,8 ml di trietilammina (0,29 mol, 2 eq.) To imbuto. Mescolare con un uguale volume di THF. Posizionare imbuto sul pallone a fondo tondo e tenere sotto azoto. </li><li> Con vigorosa agitazione, dispensare accuratamente triethyamine / THF miscela goccia a goccia per il pallone a fondo tondo sul ghiaccio. ATTENZIONE: si tratta di una reazione esotermica. Per evitare un rapido aumento della temperatura, aggiungere la trietilammina / no più veloce di 1 goccia al secondo soluzione THF. Dopo aver aggiunto il volume totale, agitare la reazione per 4 ore, riscaldare a temperatura ambiente, o per 24 ore. </li><li> Filtrare il sale cloridrato di trietilammina utilizzando un imbuto Buchner. Si evapora il solvente mediante evaporatore rotante. </li><li> Aggiungere diclorometano (200 ml) al pallone e scaldate fino a quando il residuo è disciolto. Aggiungere 120 ml di etere etilico, mentre vorticoso. Conservare a -20 ° C durante la notte per cristallizzare il prodotto. </li><li> Filtro cristalli monomero e ri-cristallizzare prima polimerizzazione. Il prodotto monomero può essere conservato sigillato a temperatura ambiente per 2 settimane oa -206; C a tempo indeterminato. Confermare prodotto 1H NMR, spettrometria di massa e analisi elementare. Un rendimento tipico per questo passaggio finale nella sintesi monomero è compreso tra 40-60%. </li></ol></li><li> La copolimerizzazione di D, L-lattide / ε-caprolattone con 5-benzilossi-1,3-diossan-2-one. <ol><li> Silicone termico in bagno di olio a 140 ° C. </li><li> Misura 2,1 g di 5-benzilossi-1,3-diossan-2-one (preparato in 1.1) e inserirlo in un pallone a fondo rotondo da 100 ml secco. Se copolimerizzando D, L -lactide, misurare 5,7 g e aggiungere al pallone ora. Aggiungi un ancoretta magnetica e sigillare il pallone con un tappo di gomma. <ol><li> Anche misurare 240 mg (eccesso) di stagno (II) etilesanoato in un piccolo pallone a pera. Questa polimerizzazione comporta 20 mol% glicerolo composizione carbonato di monomero. Regolare le masse di monomeri per ottenere diverse composizioni monomeriche. </li></ol></li><li> Sciacquare entrambi i palloni con azoto su un collettore Schlenk per 5 minuti e aggiungere 4,24 ml di ε-caprolactono sotto azoto. Evacuare atmosfera fiaschi &#39;applicando alto vuoto (300 mTorr) per 15 minuti per eliminare l&#39;acqua traccia. </li><li> Ricaricare atmosfera i palloni &#39;con azoto; ripetere due volte questo ciclo. </li><li> Miscelare 500 ml di toluene secco con il catalizzatore di stagno sotto azoto. </li><li> Porre il pallone monomero nella C bagno d&#39;olio a 140 ° e aggiungere catalizzatore una volta che tutti i solidi siano fusi. Il volume totale di catalizzatore miscela erogata dovrebbe essere ~ 100 microlitri. Mantenere a 140 ° C per non più di 24 ore, poi raffreddare il polimero fuso a temperatura ambiente. Eseguire immediatamente o almeno 24 ore dopo i passaggi successivi. </li><li> Sciogliere il polimero in diclorometano (50 ml) e precipitare in metanolo freddo (200 ml). Decantare il surnatante e secco sotto alto vuoto. Le fasi successive possono essere eseguite immediatamente o in qualsiasi punto. Conservare polimeri nel congelatore fino a nuovo uso. Il tipico polimerizzazione rendimento / conversione è tra il 80-95%. </li><li> Eseguire 1H NMR per determinare i rapporti molari comonomero. Sciogliere polimero in cloroformio deuterato (CDCl 3) e integrare lo spostamento protonica benzilico del monomero carbonato a 4,58-4,68 ppm; confrontare questa area del picco con quella del picco di metilene a 2.3 ppm (PCL) e il picco a 5,2 ppm methyne (PLGA). </li></ol></li><li> Modifica dei polimeri: deprotezione e l&#39;innesto. <ol><li> Sciogliere polimero (g ~ 7) in 120 ml di tetraidrofurano (THF) in un recipiente di idrogenazione ad alta pressione. Pesare e aggiungere catalizzatore di palladio-carbonio (~ 2 g). </li><li> Aggiungere l&#39;idrogeno nel recipiente utilizzando un&#39;apparecchiatura di idrogenazione. Idrogenare a 50 psi per 4 ore. ATTENZIONE: l&#39;idrogeno è estremamente infiammabile. Chiedere l&#39;aiuto da parte di persone che hanno familiarità con questa procedura e sempre ispezionare le linee di alimentazione per eventuali perdite prima di effettuare questo esperimento. </li><li> Filtrare catalizzatore di palladio-carbonio con un letto impaccato di terra di diatomee. Concentrare il polimero ~ 50 ml sotto evaporazione rotante e precipitate in metanolo freddo. ATTENZIONE: le particelle di palladio asciutti possono prendere fuoco spontaneamente. Tenere un asciugamano bagnato vicina in caso di un flare-up per soffocando le fiamme. Aggiungere acqua il panello di filtrazione palladio / carbonio per tenerlo raggruppata e per impedire la sua accensione. Chiedere l&#39;aiuto da parte di persone che hanno familiarità con questa procedura. </li><li> Decantare il surnatante e secco sotto alto vuoto. Conferma conversione totale a idrossile libero osservando la scomparsa picco a 4,65 ppm (1H NMR in CDCl 3). Questi polimeri possono essere utilizzati immediatamente o salvati per un uso successivo. I rendimenti di questo passo sono&gt; 90%. </li><li> Sciogliere il polimero e l&#39;acido stearico (1,5 eq.) In 500 ml di diclorometano anidro (DCM). Aggiungere N, N&#39;-dicicloesilcarbodiimide (DCC, eq 2.0.) E 3 scaglie di 4-dimetilamminopiridina. Mescolare sotto azoto a temperatura ambiente per 24 ore. </li><li> Rimuovere N insolubile, N&#39;-dicyclohexylcarbourea attraverso una serie di filtrazioni e concentrazioni utilizzate. Alla fine, il concentratosoluzione a 50 ml. </li><li> Precipitare polimero in metanolo freddo (~ 175 ml) e decantare il surnatante. Essiccare il polimero sotto overnight alto vuoto. L&#39;utilizzo successivo di questi polimeri può essere effettuata in qualsiasi momento, ma mantenere polimeri nel congelatore per la conservazione a lungo termine. La resa per questo passaggio modifica finale è generalmente compreso tra 85-90%. </li></ol></li></ol> 2. Caratterizzare i copolimeri sintetizzati <ol><li> Pesare ~ 10 mg di polimero (registrare la massa reale) e aggiungere al piatto per campioni in alluminio, quindi ermeticamente sigillarlo. Piatto per campioni di carico e scarico di una (di riferimento) in padella calorimetro a scansione differenziale. </li><li> Programmare un rampa di temperatura e di raffreddamento (&quot;caldo / freddo / calore&quot;) ciclo: 1) il calore da 20 ° C a 225 ° C a 10 ° C / min, 2) freddo a -75 ° C a 5 ° C / min, 3) di calore a 225 ° C a 10 ° C / min. </li><li> Determinare il punto di fusione (Tm), cristallizzazione (&lt;em&gt; T c), e temperature di transizione vetrosa (Tg), e calore di fusione (d H f) dalle tracce termiche (se applicabile). </li><li> Sciogliere ogni copolimero sintetizzato in THF (1 mg / ml) e filtrata attraverso un filtro PTFE 0,02 micron. Iniettare la soluzione in un sistema di cromatografia a permeazione di gel e confrontare il tempo di ritenzione contro una serie di standard di polistirene. </li></ol> 3. Preparazione Soluzioni polimeriche per Electrospinning / electrospraying 27,31 <ol><li> Sciogliere polimero (s) al 10-40% in peso in un solvente adatto, come il cloroformio / metanolo (5: 1) per PCL o tetraidrofurano / N, N-dimetilformammide (7: 3) per PLGA, overnight. La massa di polimero richiesto per questo passaggio dipenderà dalle dimensioni della maglia desiderata. Nota: Ad esempio, per produrre un 10 cm x 10 cm maglia dello spessore di circa 300 micron, in genere richiesto 1 grammo. Vale la pena notare che la perdita di materialees possono verificarsi in successive fasi di questo protocollo, come ad esempio durante il trasferimento soluzione alla siringa (specialmente per soluzioni viscose), e da volumi morti presenti nel tubo connettore opzionale e l&#39;alloggiamento dell&#39;ago stesso, che ridurrà la resa del processo electrospinning . Queste riduzioni di resa può comportare fino al 20% la perdita di materiale, e si raccomanda di scalare fino 1,5 volte ad anticipare queste perdite, e anche le perdite connesse con l&#39;ottimizzazione dei parametri electrospinning quando eseguire questa procedura per la prima volta. <ol><li> Controllare le dimensioni fibra variando la concentrazione totale del polimero, con i più grandi fibre attesi da soluzioni più concentrate. Per un modesto aumento di idrofobicità, utilizzare il 10% (in massa totale del polimero) drogante superhydrophobic. Per i materiali estremamente idrofobici / superhydrophobic, utilizzare 30-50% drogante e / o ridurre la concentrazione totale di polimero (es., Ridurre la dimensione della fibra). Il lavoro successivo con queste soluzioni può essere perfoconfermate il giorno successivo o entro una settimana dopo. </li><li> Per electrospraying, preparare soluzioni a concentrazioni più basse (cioè, 2-10%) in un solvente adatto come cloroformio. Come elettrofilatura, modulare la dimensione delle particelle, variando la concentrazione del polimero. </li></ol></li><li> Soluzione polimerica Vortex per mescolare accuratamente. Consentire grosse bolle d&#39;aria a placarsi (5 min). </li><li> Soluzione di carico in una siringa di vetro. A seconda soluzione viscosità, può essere più facile rimuovere il pistone e versare la soluzione direttamente nella siringa. Un pezzo di inerti, tubi flessibili può essere di aiuto manovrabilità all&#39;interno della configurazione electrospinning. Capovolgere la siringa per spostare l&#39;aria attraverso il gruppo tubo / ago. </li></ol> 4. elettrofilatura / electrospraying Polymer Solutions <ol><li> Siringa carico sulla pompa a siringa, volume totale impostato (ad esempio, 4,5 ml) e la velocità (ad esempio, 5 ml / h) a cui erogare questa soluzione. </li><li> Coprire la piastra con un collettorestagnola luminum per facilitare la successiva rimozione e il trasporto. Fissare il foglio con nastro adesivo lungo i bordi esterni. </li><li> Fissare la DC (HVDC) alimentazione legare ad alta tensione a punta dell&#39;ago. La distanza di questo ago punta al collettore è una variabile importante da considerare in quanto 1) influenza il campo elettrico ad una data tensione, e 2) impatti l&#39;evaporazione di solvente e conseguente essiccamento di fibre durante la raccolta. <ol><li> Come primo tentativo, usare una distanza punta-collettore di 15 cm. ATTENZIONE: tensioni elevate e solventi infiammabili sono coinvolti in electrospinning / electrospraying. Fornire una ventilazione adeguata a gas di scarico al di fuori, e non toccare mai la siringa / ago o aprire la custodia fino a quando assolutamente certo la fornitura HVDC è spento. </li></ol></li><li> Se electrospinning / electrospraying una vasta area di copertura, attivare la rotazione e la traduzione tamburo collettore. In caso contrario, passare alla fase successiva. </li><li> Avviare la pompa a siringa. </li><li> Accendere e regolare l&#39;alta tensionefonte età per raggiungere un accettabile Taylor Cone. Se la soluzione sulla punta dell&#39;ago è cadente, aumentare la tensione. Se getti multipli stanno formando, ridurre la tensione. In aggiunta a queste regolazioni, potrebbe essere necessario regolare la distanza punta-collettore se le fibre / particelle appaiono bagnati o se la regolazione della tensione non adeguatamente risolvere un droplet trascina sulla punta dell&#39;ago. Nota: Per la risoluzione dei problemi dettagliate, vedere il completo processo di ottimizzazione electrospinning da Leach e collaboratori 47. Electrospraying generalmente coinvolgerà alte tensioni e le concentrazioni di soluzioni inferiori rispetto electrospinning. </li><li> Spegnere la sorgente ad alta tensione e poi la pompa a siringa e il tamburo motorizzato (se applicabile). Lasciare che il recinto electrospinning di continuare ventilazione per 30 min. </li><li> Rimuovere maglie / rivestimenti dal collettore. Consentire solventi traccia per evaporare in una cappa durante la notte. I materiali possono essere conservati a temperatura ambiente per almeno due settimane (PLGA) o duemesi (PCL). Passi 4,5-4,8 possono essere eseguite in qualsiasi ordine. </li></ol> 5. caratterizzante fibra e dimensione delle particelle da Light e microscopia elettronica a scansione <ol><li> La microscopia ottica <ol><li> Se producendo una mesh elettrofilate, tagliare e montare porzioni sottili su un vetrino. </li><li> Osservare diametro delle fibre, le caratteristiche dei nodi (blob o discrete), e la forma di fibre (ad esempio, in rilievo, piatte, diritto / ondulato). Fibre maglia elettrofilate ideali sono uniformi, dritto o ondulato, e senza tallone. </li></ol></li><li> Microscopia elettronica a scansione (SEM) <ol><li> Tagliare e montare mesh o superfici rivestite in alluminio stub SEM utilizzando nastro di rame conduttivo. Fibre elettrofilate e rivestimenti electrosprayed possono anche essere osservati al SEM depositando direttamente fibre / particelle sul nastro in anticipo. </li><li> Rivestire le maglie / rivestimenti con un sottile (~ 4 nm) strato di Au / Pd con rivestimento sputtering. </li><li> Stub di carico nella camera SEM e osservano a 1-2 keV. Una magnifica 250Xzione fornisce una valutazione topografica generale del materiale, mentre ingrandimenti maggiori rivelano caratteristiche delle fibre e delle particelle aggiuntivi come modelli gerarchici fibre estremamente superhydrophobic e interconnettività per i rivestimenti di particelle. </li></ol></li></ol> 6. Determinazione delle proprietà non-bagnanti <ol><li> Avanzando e sfuggente contatto con l&#39;acqua misure di angolo con il metodo variazione di volume <ol><li> Tagliare sottile (0,5 cm x 5 cm) strisce di maglia o materiale rivestito (se possibile) e posto sul palco di un goniometro angolo di contatto. </li><li> Cattura il profilo goccia acqua mentre dispensazione (da una siringa ago 24 AWG) sulla superficie del materiale. <ol><li> Per fare questo, iniziare con un approssimativo goccia 5-microlitri, e prendere contatto con la superficie del materiale. Continuare la gocciolina immagine, che rappresenta l&#39;angolo di contatto di avanzamento acqua da aggiungere lentamente il volume (20-25 ml) e catturare. La punta dell&#39;ago deve essere piccolo rispetto alla goccia, e THe lunghezza del capillare deve essere maggiore della gocciolina di ridurre la distorsione di forma di goccia. </li></ol></li><li> Ritirare questa stessa caduta e contemporaneamente catturare il suo profilo goccia. Ripetere posizioni superficiali distinti di diversi campioni di segnalare un valore medio, in genere, 10 misure di entrambe angoli di contatto che avanzano e retrocedono sono sufficienti a caratterizzare questi materiali. </li></ol></li><li> Determinare tensione critica superficiale dei materiali modificando liquidi sondaggio. <ol><li> Preparare soluzioni diverse in etanolo, glicole propilenico, o etilene glicole, come queste miscele hanno conosciuto tensioni superficiali 99-101. <ol><li> In alternativa, utilizzare solventi con diversi tensioni per la superficie esempio, l&#39;acqua (72 mN / m), glicerolo (64 mN / m), dimetil solfossido (44 mN / m), alcool benzilico (39 mN / m), 1,4 diossano (33 mN / m), 1-ottanolo (28 mN / m), e acetone (25 mN / m). È importante utilizzare solventi che non si dissolveranno i polimeri, come questi sarannoconfondere i risultati. Inoltre, è importante notare che, oltre alla tensione superficiale, questi liquidi hanno diverse viscosità, che possono influire misure di angolo di contatto ed è una limitazione di questa tecnica. </li><li> Misurare l&#39;angolo di contatto di queste soluzioni sondati sulla superficie del materiale. Plot angolo di contatto in funzione della tensione superficiale. </li></ol></li></ol></li></ol> 7. Individuare bagnatura di massa di 31 maglie <ol><li> Osservare infiltrazioni d&#39;acqua in mesh 3D con micro-tomografia computerizzata (μCT). <ol><li> Preparare una soluzione di 80 mg / ml di Ioxaglate (un agente di contrasto iodurato) in acqua. </li><li> Immergere maglie in queste soluzioni e incubare a 37 ° C; misurare periodicamente mezzo di contrasto (acqua) infiltrazione da μCT (18 micron 3 risoluzione voxel) utilizzando un tubo 70 kVp di tensione, corrente 114 μA, e un tempo di integrazione 300 msec. </li><li> Utilizzando il software di elaborazione delle immagini, misurare intens pixellità tutto lo spessore della rete, dove i pixel luminosi rappresentano infiltrazioni d&#39;acqua. Selezionare un valore di soglia di pixel (~ 1500) per le quali maggiore intensità rappresenta infiltrazioni d&#39;acqua. </li></ol></li></ol> 8. prova delle proprietà meccaniche di maglie <ol><li> Tagliare maglie a 1 cm x 7 cm e tra le prese di un apparecchio di prove di trazione. Misurare l&#39;esatta larghezza, lunghezza e spessore. </li><li> Eseguire un test rampa di estensione su tre campioni. Tracciare una curva di sollecitazione-deformazione utilizzando questi dati per determinare il modulo elastico, carico di rottura e l&#39;allungamento-at-break. </li></ol>

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Il nostro approccio alla costruzione di materiali superhydrophobic da polimeri biomedici combina chimica dei polimeri sintetici con le tecniche di lavorazione di polimeri di electrospinning e electrospraying. Queste tecniche forniscono sia fibre o particelle, rispettivamente. In particolare, policaprolattone e poli (lactide- co -glycolide) materiali a base superhydrophobic vengono preparati usando questa strategia. Variando la composizione del copolimero idrofobo, copolimero cento nella miscela polimerica final...

Superfici superidrofobiche sono generalmente classificati come espositrici contatto con l&#39;acqua apparente angoli superiori a 150 ° con un basso angolo di contatto isteresi. Queste superfici sono fabbricati introducendo elevata rugosità superficiale su materiali a bassa energia superficiale di stabilire un conseguente interfaccia aria-liquido-solido che resiste bagnare 1-6. A seconda del metodo di fabbricazione, superfici sottili o multistrato superhydrophobic, multistrato rivestimenti substrato superhydrophobic, o strutture superhydrophobic anche sfusi può essere preparato. Questo idrorepellenza permanente o semi-permanente è una proprietà utile che viene impiegato per la preparazione delle superfici autopulenti 7, dispositivi microfluidici 8, antivegetativa superfici cellule / proteine ​​9,10, superfici-trascinare la riduzione di 11, e dispositivi di somministrazione dei farmaci 12- 15. Recentemente, stimoli-responsive materiali superhydrophobic sono descritti in cui la non bagnato allo stato bagnato è attivata da chimici, fisici, O stimoli ambientali (ad esempio, la luce, pH, temperatura, ultrasuoni, e applicato il potenziale elettrico / corrente) 14,16-20, e questi materiali trovano impiego per applicazioni aggiuntive 21-25. Le prime superfici superhydrophobic sintetici sono stati preparati trattando le superfici di materiali con methyldihalogenosilanes 26, ed erano di valore limitato per applicazioni biomediche, come i materiali utilizzati non erano adatti per l&#39;uso in vivo. Qui si descrive la preparazione di superfici e materiali superhydrophobic rinfusa da polimeri biocompatibili. Il nostro approccio comporta electrospinning o electrospraying una miscela polimerica contenente un biodegradabile, biocompatibile poliestere alifatico come componente principale, drogato con un copolimero composto idrofobico del poliestere e un poli (carbonato di glicerolo) stearato modificato 27-30. Le tecniche di fabbricazione forniscono la rugosità superficiale maggiore e porosità acceso e all&#39;interno della FIBErs o particelle, rispettivamente, mentre l&#39;uso di un drogante copolimero fornisce un polimero a bassa energia superficiale che si fonde con il poliestere e può essere stabilmente elettrofilate o electrosprayed 27,31,32. Poliesteri alifatici biodegradabili come il poli (acido lattico) (PLA), poli (acido glicolico) (PGA), poli (lattico co acido acido -glycolic) (PLGA) e policaprolattone (PCL) sono polimeri utilizzati in dispositivi clinicamente approvati e prominente in materiali Ricerca Biomedica a causa della loro non-tossicità, biodegradabilità, e la facilità di sintesi 33. PGA e PLGA debuttato nella clinica come suture riassorbibili nel 1960 e 1970, rispettivamente primi anni 34-37. Da allora, questi poli (idrossiacidi) sono stati trasformati in una serie di altri fattori di forma per applicazioni specifiche, come ad esempio micro- e nanoparticelle 40,41 38,39, wafer / dischi 42, maglie 27,43, schiume 44, e 45 film </sup&gt;. Poliesteri alifatici, nonché altri polimeri di interesse biomedico, possono essere elettrofilate per produrre nano o maglie microfibra strutture che possiedono elevata area superficiale e porosità e resistenza alla trazione. Tabella 1 elenca i polimeri sintetici elettrofilate per varie applicazioni biomediche e loro corrispondenti riferimenti. Electrospinning e electrospraying sono tecniche rapide e commercialmente scalabili. Queste due tecniche simili si basano sull&#39;applicazione di alta tensione (repulsione elettrostatica) per superare la tensione superficiale di una soluzione polimerica / fondere in una configurazione pompa a siringa è diretto verso un bersaglio a terra 46,47. Quando questa tecnica viene utilizzata in combinazione con polimeri a bassa energia superficiale (polimeri idrofobi come poli (monostearato co caprolactone- -glycerol)), il conseguente superhydrophobicity materiali per mostre. Per illustrare questo approccio generale sintetico e trattamento dei materialialla costruzione di materiali superhydrophobic da polimeri biomedici, si descrive la sintesi di polycaprolactone- superhydrophobic e poli (lactide- co -glycolide) materiali basati su come esempi rappresentativi. Il rispettivo poli droganti copolimero (Monostearato co caprolactone- -glycerol) e poli (Monostearato co lactide- -glycerol) vengono prima sintetizzate, poi mescolato con policaprolattone e poli (lactide- co -glycolide), rispettivamente, e infine elettrofilate o electrosprayed. I materiali risultanti sono caratterizzati da SEM imaging e angolo di contatto goniometry, e testati in vitro e in vivo biocompatibilità. Infine, bagnatura massa attraverso tridimensionali maglie superhydrophobic viene esaminato con mdc tomografia microcomputed.

<table><tbody><tr><td>Olio siliconico</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85409</td><td></td></tr><tr><td>Cis-2-Phenil-1,3-diossan-5-olo</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>13468</td><td></td></tr><tr><td>Bromuro di benzile</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>B17905</td><td>Tossico, lacrimatore/irritante per gli occhi, uso in cappa chimica</td></tr><tr><td>Idrossido di potassio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>221473</td><td>Corrosivo</td></tr><tr><td>Evaporatore rotante</td><td>Buchi</td><td>R-124</td><td></td></tr><tr><td>Pompa per alto vuoto</td><td>Welch</td><td>8907</td><td></td></tr><tr><td>Azoto, purezza ultra elevata</td><td>Airgas</td><td>NI UHP300</td><td>Gas compresso</td></tr><tr><td>Tetraidrofurano, stabilizzato con BHT</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>346000</td><td>Infiammabile. Essiccato attraverso la colonna di XXX</td></tr><tr><td>diclorometano</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>313000</td><td>Infiammabile, tossico.</td></tr><tr><td>Imbuto separatore (1 L)</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-678-606</td><td></td></tr><tr><td>Solfato di sodio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>239313</td><td></td></tr><tr><td>Etanolo, assoluto</td><td>Farmaco-Aaper</td><td>111USP200</td><td>Infiammabile, tossico.</td></tr><tr><td>Imbuto Buchner</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB-966-F</td><td></td></tr><tr><td>Metanolo</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>339000ACS</td><td>Infiammabile, tossico.</td></tr><tr><td>Acido cloridrico</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>320331</td><td>corrosivo. Diluito a 2N in acqua distillata.</td></tr><tr><td>Cloroformiato di etile, 97%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>185892</td><td>Tossico, infiammabile, dannoso per l'ambiente</td></tr><tr><td>Trietilammina (anidra)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>471283</td><td>Tossico, infiammabile, dannoso per l'ambiente</td></tr><tr><td>Etere dietilico</td><td>Farmaco-Aaper</td><td>373ANHACS</td><td>Altamente infiammabile. Purificato attraverso la colonna XXX.</td></tr><tr><td>3,6-dimetil-1,4-diossano-2,5-dione (D,L-lattide)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>303143</td><td></td></tr><tr><td>Stagno (II) etilesanoato</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S3252</td><td>Tossico.</td></tr><tr><td>&epsilon;-caprolattone (97%)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>704067</td><td></td></tr><tr><td>Toluene, anidro</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>244511</td><td>Infiammabile, tossico.</td></tr><tr><td>Siringa di vetro</td><td>Hamilton Company</td> serie <td></td><td>1700</td></tr><tr><td>Cloroformio deuterato</td><td>Cambridge Isotopes Laboratories, Inc.</td><td>DLM-29-10</td><td>Strumento di</td></tr><tr><td>risonanza magnetica nucleare</td> tossico <td>Varian</td><td>V400</td><td></td></tr><tr><td>Palladio su catalizzatore di carbonio</td><td>Strem Chemicals, Inc.</td><td>46-1707</td><td></td></tr><tr><td>Unità idrogenatore</td><td>Parr</td><td>3911</td><td></td></tr><tr><td>Recipiente agitatore idrogeno</td><td>Parr</td><td>66CA</td><td></td></tr><tr><td>Idrogeno</td><td>Airgas</td><td>HY HP300</td><td>Altamente infiammabile.</td></tr><tr><td>Terra di diatomee</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>22140</td><td></td></tr><tr><td>2H,2H,3H,3H-acido perflurononanoico</td><td>Oakwood Products, Inc.</td><td>10519</td><td>Tossico.</td></tr><tr><td>Acido stearico</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S4751</td><td></td></tr><tr><td>N,N'-dicicloesilcarbodiimmide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D80002</td><td>Tossico, irritante.</td></tr><tr><td>4-(dimetilammino) piridina</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>107700</td><td>Tossico.</td></tr><tr><td>Hexanes</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>359000ACS</td><td>Tossico, infiammabile.</td></tr><tr><td>Sistema di cromatografia a permeazione di gel (GPC)</td><td>Colonna</td> GPC Rainin <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Acque</td><td>WAT044228</td><td></td></tr><tr><td>Calorimetro differenziale a scansione</td><td>Strumenti TA Q100</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cloroformio</td><td>Farmaco-Aaper</td><td>309000ACS</td><td>Tossico.</td></tr><tr><td>N,N-dimetilformammide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>227056</td><td>Tossico, infiammabile.</td></tr><tr><td>Policaprolattone, MW 70-90 kg/mol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>440744</td><td></td></tr><tr><td>Poli(lattide-co-glicolide), MW 136 kg/mol</td> Siringa in vetro <td>Evonik Industries</td><td>LP-712</td><td></td></tr><tr><td>10 ml</td><td>Hamilton Company</td><td>81620</td><td></td></tr><tr><td>Ago smussato da 18 AWG</td><td>BRICO Medical Supplies</td><td>BN1815</td><td></td></tr><tr><td>Scatola di custodia per elettrospinner</td><td>Costruito su misura</td><td>N/A</td><td>Realizzato in pannelli acrilici</td></tr><tr><td>Alimentazione CC ad alta tensione</td><td>Glassman High Voltage, Inc.</td><td>PS/EL30R01.5</td><td>Alte tensioni, pericolo di folgorazione</td></tr><tr><td>Stadio lineare (traslante)</td><td>Servo Systems Co.</td><td>LPS-12-20-0.2</td><td>Motore</td></tr><tr><td>programmabile opzionale e alimentatore</td><td>Intelligent Motion Systems, Inc.</td><td>MDrive23 Plus</td><td>Motore</td></tr><tr><td>e alimentatore 24V DC</td> opzionali <td>McMaster-Carr</td><td>6331K32</td><td>Opzionale</td></tr><tr><td>Tamburo di raccolta in alluminio</td><td></td><td></td> Pompa a siringa opzionale su misura <td></td></tr><tr><td></td><td>Fisher Scientific</td><td>78-0100I</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio ottico invertito</td><td>Olympus</td><td>IX70</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio elettronico a scansione</td><td>Carl Zeiss</td><td>Supra V55</td><td></td></tr><tr><td>Nastro di rame conduttivo</td><td>3M</td><td>16072</td><td></td></tr><tr><td>Alluminio SEM stub</td><td>Microscopia elettronica</td><td>Scienze 75200</td><td></td></tr><tr><td>Goniometro ad angolo di contatto</td><td>Kruss</td><td>DSA100</td><td></td></tr><tr><td>Glicole propilenico</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>W294004</td><td>Tossico.</td></tr><tr><td>Glicole etilenico</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>324558</td><td>tossico.</td></tr><tr><td>Ioxaglate</td><td>Guerbet</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Siero fetale bovino</td> American <td>Type Culture Collection</td><td>30-2020</td><td></td></tr><tr><td>Strumento di micro-tomografia computerizzata</td><td>Scanco</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Software di analisi delle immagini (Analizza)</td><td>Mayo Clinic</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tester di trazione</td><td>Instron</td><td>5848</td><td></td></tr><tr><td>Micrometro</td><td>Multitoyo</td><td>293-340</td><td></td></tr><tr><td>Calibri</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-648-17</td><td></td></tr></tbody></table>

realizzazione superidrofobiche materiali polimerici per applicazioni biomediche

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

Materiali superhydrophobic, con superfici possiedono stati non a contatto col permanenti o metastabili, sono di interesse per un numero di applicazioni biomediche e industriali. Qui si descrive come electrospinning o electrospraying una miscela polimerica contenente un biodegradabile, biocompatibile poliestere alifatico (ad esempio, policaprolattone e poli (-glycolide co lactide-)), come componente principale, drogato con un copolimero composto idrofobico del poliestere e un stearate- poli modificato (carbonato di glicerolo) offre un biomateriale superhydrophobic. Le tecniche di fabbricazione di electrospinning o electrospraying forniscono la rugosità superficiale e porosità maggiore su e all&#39;interno delle fibre o particelle, rispettivamente. L&#39;uso di un copolimero a bassa energia superficiale drogante che si fonde con il poliestere e può essere stabilmente elettrofilate o electrosprayed offre questi materiali superhydrophobic. Parametri importanti quali la dimensione delle fibre, composizione del copolimero drogante e / o concentration, ei loro effetti sulla bagnabilità sono discussi. Questa combinazione di chimica dei polimeri e di processo offre un approccio versatile per sviluppare materiali specifici dell&#39;applicazione utilizzando tecniche scalabili, che possono generalizzabile ad una classe più ampia di polimeri per una varietà di applicazioni.

Attraverso una serie di trasformazioni chimiche, il monomero funzionale carbonato di 5-benzilossi-1,3-diossan-2-one è sintetizzato come solido bianco cristallino (Figura 1A). 1 H NMR conferma la struttura (Figura 1B) e spettrometria di massa e analisi elementare confermare la composizione. Questo solido viene poi copolimerizzato sia con D, L o -lactide ε-caprolattone con una apertura di anello di reazione tin-catalizzata a 140 ° C. Dopo purificazione mediante precipi...

I materiali polimerici superidrofobici bidimensionali e tridimensionali sono preparati mediante elettrofilatura o elettrospruzzatura di polimeri biodegradabili miscelati con un polimero a bassa energia superficiale di composizione simile.

Realizzazione superidrofobiche Materiali Polimerici per applicazioni biomediche

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

L'obiettivo generale del seguente esperimento è la fabbricazione di reti fibrose biodegradabili e rivestimenti di nanoparticelle o microparticelle a partire da miscele di polimeri biomedici, nonché la modulazione dell'angolo di bagnabilità di questi materiali mediante la variazione della composizione della miscela di copolimeri. Questo risultato si ottiene innanzitutto sintetizzando copolimeri funzionalizzabili mediante polimerizzazione ad apertura di anello, per poi grefarvi catene idrocarburiche C18. In un secondo passaggio, i copolimeri vengono disciolti insieme al policaprolattone o al lattide-cog-glicocide in un solvente organico, quindi sottoposti a elettrofilatura o a elettrospruzzatura, ottenendo rispettivamente reti tridimensionali di microfibre o rivestimenti di nanoparticelle/microparticelle.Gli studi di goniometria dell'angolo di contatto vengono quindi eseguiti sulle maglie e sui rivestimenti al fine di comprendere in che modo il diametro della fibra, la composizione del copolimero e la composizione della miscela influenzano l'inalazione superficiale e portano a biomateriali superidrofobici. I risultati mostrano come l'idalicità venga potenziata aumentando la concentrazione di copolimero nella miscela elettrofilata, come determinato dagli studi sull'angolo di contatto dell'acqua in avanzamento e in ritirata. Le implicazioni di questa tecnica si estendono a situazioni come la chemioterapia, poiché questi materiali possono fungere da depositi locali per il rilascio di farmaci con rilascio prolungato di agenti intrappolati, il cui rilascio correlato è controllabile tramite la composizione del polimero e la rugosità superficiale.Per iniziare, sintetizzare il monomero necessario per l'esperimento seguendo le istruzioni riportate nel protocollo testuale allegato. Quindi preriscaldare un bagno di olio di silicone a 140 gradi Celsius. Pesare due porzioni distinte di 2,1 grammi ciascuna di cinque benzoil ossi uno tre dioxina, e aggiungerle a due diversi palloni da 100 millilitri asciutti e rotondi.Successivamente, pesare 5,7 grammi di DL-lattide e aggiungerli a uno solo di questi flaconi. Aggiungere una bacchetta magnetica ad entrambi i flaconi e sigillare i flaconi con tappi di gomma. Successivamente, pesare 240 milligrammi di tin(II) etilesanoato in un piccolo flacone a forma di pera.Svuotare entrambi i flaconi contenenti il monomero con azoto su un manifold laterale per cinque minuti, quindi aggiungere al flacone contenente solo cinque benzo ossi uno tre dioxina, due own, 4,24 millilitri di epsilon-caprolattone sotto atmosfera di azoto. Successivamente, evacuare l'atmosfera dei tre flaconi applicando un'alta vuoto di circa 300 millitorr per 15 minuti per rimuovere qualsiasi traccia di acqua. Ricaricare quindi l'atmosfera del flacone con azoto ed effettuare nuovamente una spinta a vuoto spinto. Ripetere questo ciclo per un totale di tre volte.Dopo aver effettuato l'ultimo spurgo e aver stabilizzato l'azoto, posizionare i flaconi del monomero nel bagno d'olio a 140 gradi Celsius. Successivamente, aggiungere 500 microlitri di toluene anidro al pallone a forma di pera contenente il catalizzatore di stagno, mentre sotto azoto, aggiungere circa 100 microlitri della soluzione catalitica alle miscele di monomero. Una volta che tutti i solidi si sono fusi, mantenere la miscela a 140 gradi Celsius per non più di 24 ore.Quindi raffreddare il polimero fuso fino a temperatura ambiente. Una volta raffreddato, sciogliere i polimeri in 50 millilitri di diclorometano e quindi precipitare la soluzione in 200 millilitri di metanolo freddo. Decantare il soprannatante e asciugare il polimero residuo sotto vuoto spinto.Conservare i polimeri essiccati nel congelatore a meno 20 gradi Celsius fino all'ulteriore utilizzo. Per un ulteriore scioglimento, aggiungere circa sei grammi del polimero in 120 millilitri di tetraedrano in un reattore per idrogenazione ad alta pressione. Quindi aggiungere due grammi di un catalizzatore al carbonio palladiato.Successivamente, aggiungere idrogeno al recipiente utilizzando un apparato di idrogenazione. Idrogenare il recipiente a 50 PSI per quattro ore. Al termine, filtrare il catalizzatore al carbonato di palladio utilizzando un letto impaccato di terra diatomacea.Quindi concentrare il polimero a circa 50 millilitri sotto rotazione in presenza di aberrazione. Precipitare il volume residuo in metanolo freddo. Successivamente, decantare il soprannatante, quindi essiccare il residuo sotto vuoto spinto, sciogliere il polimero essiccato insieme a 1,5 equivalenti di acido stearico in 500 millilitri di cloruro di metile anidro.Quindi aggiungere due equivalenti di DCC e tre cristalli di dimetilamino piridina. Mescolare la miscela sotto azoto a temperatura ambiente per 24 ore. Rimuovere il materiale insolubile mediante una serie di tre filtrazioni e concentrazioni ripetute.Alla fine, concentrare la soluzione fino a 50 millilitri. Infine, precipitare il polimero concentrato in 175 millilitri di metanolo freddo e filtrare il polimero utilizzando un imbuto di porcellana. Successivamente, essiccare il polimero sotto vuoto spinto per tutta la notte per l'elettrofilatura, oppure sciogliere il polimero per tutta la notte al 10-40% in una miscela cinque a uno di cloroformio e metanolo per il policaprolattone, oppure in una miscela sette a tre di tetraidrofurano e NN-dimetilformammide per il PLGA, per l'elettrospruzzatura.Preparare le soluzioni polimeriche a una concentrazione più bassa nell'intervallo dal 2 al 10% in un solvente come il cloroformio. Successivamente, caricare circa 4,5 millilitri della soluzione in una siringa di vetro dotata di un ago da 18 gauge e posizionare la siringa sulla pompa per siringa. Impostare quindi la velocità di somministrazione della soluzione a cinque millilitri all'ora.Coprire la piastra di raccolta con della carta stagnola e fissare la stagnola con del nastro adesivo lungo i bordi esterni. Collegare il cavo dell'alimentatore di tensione continua ad alta tensione alla punta dell'ago e la messa a terra al tamburo di raccolta. Come primo tentativo.Impostare la distanza tra la punta e il collettore a 15 centimetri per coprire un'area ampia. Accendere il tamburo collettore rotante e traslante a 45 giri al minuto. Quindi avviare la pompa a siringa e accendere la sorgente di alta tensione.A cinque kilovolt, regolare inizialmente la tensione, se necessario, per ottenere un cono di Taylor accettabile. Una volta che la pompa per siringa si arresta, spegnere la fonte di alta tensione, seguita dalla pompa per siringa e dal tamburo motorizzato. Lasciare che l'involucro di elettrofilatura continui a ventilare per almeno 30 minuti.Quindi rimuovere il polimero raccolto dal tamburo e lasciare evaporare i solventi residui sotto cappa per tutta la notte. Le lastre di PGLA possono essere conservate a temperatura ambiente per almeno due settimane, mentre le lastre di policaprolattone possono essere conservate a temperatura ambiente fino a due mesi. Tagliare strisce di materiale reticolato o rivestito di 0,5 centimetri per tre centimetri e posizionare la striscia sottile sulla piattaforma di un goniometro per angolo di contatto.Utilizzare quindi il goniometro per dispensare una goccia di cinque microlitri di acqua mediante un ago da 24 gauge e farla entrare in contatto con la superficie del materiale; continuare ad aggiungere lentamente altri 20-25 microlitri di acqua e acquisire l'immagine della goccia. Questo rappresenta l'angolo di contatto dinamico in avanzamento dell'acqua. Successivamente, ritirare lentamente la stessa goccia acquisendone contemporaneamente il profilo.Ripetere questo processo 10 volte in diverse posizioni superficiali distinte per riportare un valore medio. Le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) rivelano che le maglie ottenute per elettrofilatura sono il risultato di microfibre intrecciate e i rivestimenti ottenuti per elettrospruzzo costituiscono un insieme di particelle di dimensioni variabili. Le miscele ottenute per elettrofilatura ed elettrospruzzo mostrano che la concentrazione di dopamina nel copolimero influisce sull'idrofobicità.Inoltre, la composizione del copolimero influisce sull'idrofobicità, con un contenuto maggiore di PG C 18 che determina angoli di contatto più elevati; come mostrato qui, il bagnamento in massa di reti elettrofilate immerse può essere monitorato in modo non distruttivo nel tempo mediante microtomografia computerizzata. Nel primo insieme di immagini, la rete di policaprolattone pura si bagna rapidamente poiché l'acqua penetra nel materiale in massa già nel primo giorno.Al contrario, la maglia è rivestita con P-C-L-P-G-C 30% ed è rimasta non bagnata per oltre 75 giorni, con aria che permane all'interno della struttura volumetrica. Questi risultati illustrano l'importanza dei materiali superidrofobi in volumi per le loro applicazioni in contesti di non bagnabilità. Una volta acquisita padronanza, la procedura di chimica polimerica può essere eseguita in soli tre o quattro giorni con una pianificazione accurata.Inoltre, una volta identificati i parametri adeguati di elettrofilatura o elettrospruzzatura, la fabbricazione di reticoli e rivestimenti particellati può essere eseguita in uno a tre ore, a seconda dello spessore desiderato di questi materiali.

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Bioingegneria

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