バイオメディカル応用のための超疎水性高分子材料を製造します

本実験の全体的な目的は、生体医学用ポリマーのブレンドから生分解性繊維メッシュおよびナノまたはマイクロ粒子コーティングを作製し、共重合体ブレンドを変化させることでこれらの材料の濡れ性を調整することです。まず、開環重合によって機能化可能な共重合体を合成し、続いて炭化水素C 18鎖をグラフトさせることでこれを達成します。第二のステップとして、共重合体をポリカプロラクトンまたはラクチド-グリコリド共重合体とともに有機溶媒に溶解させ、その後、電界紡糸またはエレクトロスプレーを行うことで、それぞれ三次元マイクロファイバーメッシュまたはナノ・マイクロ粒子コーティングを作製します。

その後、繊維径、共重合体の組成、およびブレンド組成が表面の濡れ性にどのように影響し、超疎水性バイオマテリアルへと導くかを理解するために、メッシュおよびコーティングに対して接触角ゴニオメトリ測定を行います。前進接触角および後退接触角の測定結果から、エレクトロスピンブレンド中の共重合体濃度を高めることで、疎水性が向上することが示されます。この技術の応用範囲は化学療法などの状況にまで及びます。なぜなら、これらの材料は、封入された薬剤を徐放するための局所的な薬剤投与デポとして機能することができ、関連する薬剤放出はポリマー組成と表面粗さによって制御可能であるためです。

まず、付属のテキストプロトコルの指示に従い、実験に必要なモノマーを合成します。次に、シリコンオイルバスを140 °Cに予熱します。5-benzel oxy-1,3-dioxin-2-oneを2.1 gずつ2回量り取り、それぞれ別々の乾燥した100 mL丸底フラスコに加えます。

次に、5.7 gのDL-lactideを量り取り、これらのフラスコのうち1つのみに加えます。両方のフラスコにマグネチックスターラーバーを入れ、ゴム栓で密閉します。続いて、小さな梨地フラスコに240 mgのtin(II) 2-ethylhexanoateを量り取ります。

モノマーを含む両方のフラスコを、フラナマニホールドを用いて5分間窒素でパージし、次いで、5-ベンゾ-1,3-ジオキセピン-2-オンのみを含むフラスコに、窒素雰囲気下でε-カプロラクトンを4.24 mL加えます。微量の水分を除去するため、約300 mTorrの高真空を15分間適用し、3つのフラスコ内の雰囲気をすべて排気します。その後、フラスコ内を窒素で充填し、再び高真空を引きます。このサイクルを計3回繰り返します。

最後にパージし、窒素雰囲気とした後、モノマーフラスコを140 °Cのオイルバスに入れます。次に、窒素雰囲気下で、スズ触媒が入った梨形フラスコに500 µLの脱水トルエンを加え、触媒溶液を約100 µL、モノマー混合物に加えます。すべての固体が溶解した後、混合物を140 °Cで24時間以内に保持します。

次に、溶融したポリマーを室温まで冷却します。冷却後、ポリマーを50 millilitersのジクロロメタンに溶解させ、その後、溶液を200 millilitersの冷メタノール中に沈殿させます。上澄み液をデカンテーションで除き、残ったポリマーを高真空下で乾燥させます。

乾燥させたポリマーを、次回の使用まで-20°Cのフリーザーで保存します。次に、高圧水素化反応容器内で、約6gのポリマーを120mLのテトラヒドランにさらに溶解させます。その後、2gのパラジウム炭素触媒を加えます。

次に、水素化装置を用いて容器に水素を導入します。50 PSIで4時間、容器内を水素化してください。完了後、珪藻土の充填層を用いてパラジウムカーボン触媒をろ過して除去します。

次に、エバポレーターを用いてポリマーを約 50 milliliters まで濃縮します。残りの量を冷メタノール中で沈殿させます。続いて、上澄み液をデカンテーションで除き、残った量を高真空下で乾燥させ、乾燥したポリマーと 1.5 当量のステアリ酸を 500 milliliters の乾燥ジクロロメタンに溶解させます。

次に、2当量のDCCと4-ジメチルアミノピリジン3フレークを加えます。窒素雰囲気下、室温で混合物を24時間攪拌します。3回のろ過と濃縮を繰り返すことで、不溶物を除去します。

最後に、溶液を50 millilitersまで濃縮します。次に、濃縮したポリマーを175 millilitersの冷メタノール中で沈殿させ、ブーナー漏斗を用いてポリマーをろ過します。その後、ポリマーを高真空下で一晩乾燥させます。エレクトロスピンニングに使用する場合は、ポリカプロラクトンであればクロロホルムとメタノールの5:1混合溶液に、PLGAであればテトラヒドロフランとN,N-ジメチルホルムアミドの7:3混合溶液に、ポリマーを10から40%の濃度で一晩溶解させ、エレクトロスプレーに使用します。

クロロホルムなどの溶媒を用いて、2%から10%の範囲の低濃度でポリマー溶液を調製します。次に、18ゲージの針を装着したガラス製シリンジに溶液を約4.5 milliliters充填し、シリンジポンプにセットします。その後、溶液の吐出速度を毎時5 millilitersに設定します。

コレクタープレートをアルミホイルで覆い、外縁にマスキングテープを貼ってホイルを固定します。高電圧DC電源の配線をニードルチップに、接地線をコレクタードラムに接続します。まず、試行としてこれを行います。

広範囲をカバーするため、チップからコレクターまでの距離を15 centimetersに設定します。回転・平行移動コレクタードラムを45 RPMsで回転させます。次に、シリンジポンプを開始し、設定済みの高電圧電源をオンにします。

5 kVにおいて、必要に応じて電圧を調整し、適切なテイラーコーンを形成させます。シリンジポンプが停止したら、まず高電圧電源を切り、次にシリンジポンプと電動ドラムを停止させます。電界紡糸装置のエンクロージャーの換気は、その後少なくとも30分間継続させてください。

次に、収集したポリマーをドラムから取り出し、フード内で一晩置いて微量溶媒を蒸発させます。PGLAシートは室温で少なくとも2週間、ポリカプロラクトンシートは室温で最大2か月間保存可能です。メッシュまたはコーティング材を0.5 cm × 3 cmのストリップ状に切り出し、その薄いストリップを接触角測定装置のステージ上に配置します。

ゴニオメーターを用い、24Gの針を使用して5 µLの水滴を滴下し、材料表面に接触させます。さらに20〜25 µLの水をゆっくりと加え、液滴の画像を撮影します。これが前進水接触角に相当します。次に、液滴のプロファイルを同時に撮影しながら、同じ液滴をゆっくりと吸引します。

平均値を算出するため、複数の異なる表面箇所でこの操作を10回繰り返します。SEM観察により、エレクトロスパンメッシュは絡み合ったマイクロファイバーで構成されており、エレクトロスプレーコーティングはさまざまなサイズの粒子の集合体であることが明らかになりました。エレクトロスピンニングとエレクトロスプレーのブレンドにより、共重合ドーパミンの濃度が疎水性に影響することが示されました。

さらに、共重合体の組成は疎水性に影響し、ここに示すようにPG C 18の含有量が多いほど接触角が高くなります。浸漬させた電界紡糸メッシュの内部への濡れ広がりは、マイクロコンピューター断層撮影を用いることで、非破壊的に経時的に追跡することが可能です。上段の一連の画像では、純粋なポリカプロラクトンメッシュにおいて、1日目に水が材料内部に浸透し、急速に濡れている様子がわかります。

対照的に、30%P-C-L-P-G-C 18で処理したメッシュは、内部構造に空気が保持されたまま75日以上にわたって非濡れ状態を維持しました。これらの結果は、非濡れアプリケーションにおける超疎水性バルク材料の重要性を示しています。適切に計画を立てれば、このポリマー化学の手順は最短3〜4日で完了させることができます。

さらに、適切なエレクトロスピンニングまたはエレクトロスプレーのパラメータが決定すれば、目的とする材料の厚さに応じて、メッシュの作製および粒子のコーティングを1時間から3時間で完了させることができます。