Abstract
Superhydrophoben Materialien mit Oberflächen besitzen dauerhafte oder metastabilen nicht medien Staaten von Interesse sind für eine Reihe von biomedizinischen und industriellen Anwendungen. Hier beschreiben wir, wie das Elektrospinnen oder Elektrosprühen einer Polymermischung, die ein biologisch abbaubares, biokompatibles aliphatische Polyester (beispielsweise Polycaprolacton und Poly (lactid-co -glycolide)), als die Hauptkomponente, die mit einem hydrophoben Copolymer des Polyesters und einer stearate- zusammen dotierten Poly (Glycerincarbonat) bietet einen superhydrophoben Biomaterial. Die Herstellungstechniken, Elektrospinnen oder Elektrosprühen bieten die erhöhte Oberflächenrauhigkeit und Porosität auf und in den Fasern oder den Partikeln auf. Die Verwendung einer niedrigen Oberflächenenergie Copolymer Dotierstoff, die mit der Polyester-Mischungen und stabil elektrostatisch oder durch Elektrosprühen werden verleiht diesen superhydrophoben Materialien. Wichtige Parameter wie Fasergröße Copolymer Dotierstoff Zusammensetzung und / oder Concentration, und ihre Wirkung auf die Benetzbarkeit diskutiert. Diese Kombination aus der Polymerchemie und der Verfahrenstechnik bietet einen vielseitigen Ansatz für anwendungsspezifische Materialien unter Verwendung skalierbarer Techniken, die wahrscheinlich generalizable einer breiteren Klasse von Polymeren für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwickeln.
Introduction
Superhydrophoben Oberflächen sind allgemein als scheinbare Wasserkontakt aufweist kategorisiert Winkeln von mehr als 150 ° mit dem niedrigen Kontaktwinkelhysterese. Diese Flächen sind durch die Einführung von hohen Oberflächenrauhigkeit auf niedrige Oberflächenenergie Materialien, um eine sich ergebende Luft-Flüssigkeit-Feststoff-Schnittstelle, die Benetzungs 1-6 wider etablieren hergestellt. Je nach Herstellungsverfahren, dünne oder mehrschichtig superhydrophoben Oberflächen mehrschichtigen superhydrophoben Substratbeschichtungen oder auch Schütt superhydrophoben Strukturen hergestellt werden können. Diese permanenten oder semi-permanenten Wasserabweisung ist eine nützliche Eigenschaft, die verwendet wird, um selbstreinigende Oberflächen 7, Mikrofluidik-Vorrichtungen 8, Antifouling-Zelle / Proteinoberflächen 9,10, widerstandsreduzierenden Flächen 11 und Arzneimittelabgabevorrichtungen vorzubereiten 12- 15. In letzter Zeit werden stimuliresponsive superhydrophoben Materialien beschrieben, in dem die zu benetzten Zustand nicht medien durch chemische ausgelöst, körperlicheOder Umweltreize (zB Licht, pH-Wert, Temperatur, Ultraschall und angelegte elektrische Potential / Strom) 14,16-20, und diese Materialien finden Verwendung für zusätzliche Anwendungen 21-25.
Die ersten synthetischen superhydrophoben Oberflächen wurden durch Behandlung von Materialoberflächen mit methyldihalogenosilanes 26 vorbereitet, und waren nur von begrenztem Wert für biomedizinische Anwendungen, da die verwendeten Materialien sind nicht geeignet für die Verwendung in vivo. Wir beschreiben hier die Herstellung von Oberflächen- und Volumen superhydrophoben Materialien aus biokompatiblen Polymeren. Unser Ansatz bringt Elektrospinnen oder Elektrosprühen einer Polymermischung, die ein biologisch abbaubares, biokompatibles aliphatischen Polyester als Hauptkomponente, mit einem hydrophoben Copolymer des Polyesters und ein Stearat-modifizierten Poly (Glycerincarbonat) 27-30 zusammengesetzt dotiert. Die Herstellungstechniken bieten die erhöhte Oberflächenrauhigkeit und Porosität auf und in der fibeRS oder die Partikel, die jeweils, während die Verwendung eines Copolymers Dotierstoff ein Polymer mit niedriger Oberflächenenergie, die mit der Polyester-Mischungen und stabil elektrostatisch oder durch Elektrosprühen 27,31,32 werden.
Aliphatische biologisch abbaubare Polyester wie Poly (milchsäure) (PLA), Poly (glykolsäure) (PGA), Poly (Milchsäure co -glycolic Säure) (PLGA) und Polycaprolacton (PCL) sind Polymere, in klinisch zugelassenen Vorrichtungen verwendet und prominente in der biomedizinischen Forschung Materialien aufgrund ihrer Nicht-Toxizität, biologische Abbaubarkeit und der Leichtigkeit der Synthese 33. PGA und PLGA debütierte in der Klinik als bioresorbierbares Nahtmaterial in den 1960er und frühen 1970er Jahren, jeweils 34-37. Seitdem sind diese Poly (hydroxysäuren) in eine Vielzahl von weiteren anwendungsspezifischen Formfaktoren verarbeitet worden sind, wie Mikro- und Nanopartikeln 40,41 38,39, Plättchen / Scheiben 42 kämmt 27,43 Schäume 44 und Lagen 45
Aliphatische Polyester, wie auch andere Polymere von biomedizinischem Interesse kann elektrogesponnen werden, Nano- oder Mikrofasergitterstrukturen, die eine hohe Oberfläche und Porosität als auch Zugfestigkeit herzustellen. In Tabelle 1 sind die elektrogesponnenen synthetischen Polymeren für verschiedene biomedizinische Anwendungen und ihre entsprechenden Referenzen. Elektrospinnen und Elektrospray sind schnelle und kommerziell skalierbaren Techniken. Diese zwei ähnliche Techniken beruhen auf Anlegen einer hohen Spannung (elektrostatische Abstoßung), die Oberflächenspannung einer Polymerlösung zu überwinden / Schmelze in einer Spritzenpumpe Setup während sie in Richtung einer geerdeten Ziel 46,47 gerichtet ist. Wenn diese Technik im Zusammenhang mit Polymeren geringer Oberflächenenergie verwendet werden (hydrophobe Polymere, wie Poly (Caprolacton- co-glycerin-monostearat)) wurde die resultierende Materialien zeigen Superhydrophobizität.
Um dieses allgemeine Synthese und Materialbearbeitung zu veranschaulichen Ansatzzur Konstruktion superhydrophoben Materialien von biomedizinischen Polymeren beschreiben wir die Synthese der superhydrophoben polycaprolactone- und Poly (lactid-co -glycolide) -basierte Materialien als repräsentative Beispiele. Das jeweilige Copolymer Dotierstoffe Poly (Caprolacton- co-glycerin-monostearat) und Poly (lactid-co-glycerin-monostearat) zuerst synthetisiert, dann mit Polycaprolacton und Poly (lactid-co -glycolide) verbunden sind, und schließlich elektrostatisch oder durch Elektrosprühen. Die resultierenden Materialien werden von REM-Aufnahmen und der Kontaktwinkel goniometry charakterisiert und für die in vitro und in vivo Biokompatibilität getestet. Schließlich wird makroskopischen Benetzungs durch dreidimensionale superhydrophoben Maschen mit verbessertem Kontrast microcomputed Tomographie untersucht.
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Protocol
1. Synthesizing funktionalisierbaren Poly (1,3-glycerol Karbonat- co-Caprolacton) 29 und Poly (1,3-glycerol Karbonat- co-Lactid) 27,28.
- Monomer-Synthese.
- Aufzulösen cis -2-Phenyl-1,3-dioxan-5-ol (50 g, 0,28 mol, 1 Äq.) In 500 ml trockenem Tetrahydrofuran (THF) gegeben und auf Eis unter Stickstoff. Gib Kaliumhydroxid (33,5 g, 0,84 mol, 3 eq.), Fein mit einem Mörser und Pistill zerkleinert. Zeigen Kolben im Eisbad.
- In 49,6 ml Benzylbromid (71,32 g, 0,42 mol, 1,5 Äqu.) Tropfenweise unter Rühren auf Eis. Die Reaktion kann sich auf Raumtemperatur unter Rühren 24 h unter Stickstoff erwärmt.
- In 150 ml destilliertem Wasser, um Kaliumhydroxid zu lösen und entfernen Sie das THF durch Rotationsverdampfung.
- Extrahieren des verbleibenden Materials mit 200 ml Dichlormethan (DCM) in einen 1 l-Scheidetrichter überführt. Wiederholen Sie zweimal die Extraktion.
- Trocknet die organische Phase über Natriumsulfat.
- Kristallisierendas Produkt durch Zugabe von 600 ml absolutem Ethanol zu der Lösung, gut mischen und über Nacht Lagerung bei -20 ° C. Das Produkt bei -20 ° C für mehrere Tage vor dem Ausführen nachfolgender Schritte gespeichert werden.
- Das Produkt wird isoliert durch Vakuumfiltration durch einen Büchner-Trichter und trocken Hochvakuum. Das Produkt kann für mehrere Tage vor dem Ausführen nachfolgender Schritte gespeichert werden. Eine typische Ausbeute bei diesem Schritt beträgt ~ 80%.
- In einem 1-l-Rundkolben, die Aussetzung der in Schritt 1.1.7 erhaltene Produkt. in Methanol (300 ml). Zugabe von 150 ml 2 N Salzsäure. Rückfluss bei 80 ° C für 2 Std.
- Verdampfen Lösungsmittel und legen Sie im Hochvakuum 24 Stunden lang. Die Ausbeute für diesen Schritt ist in der Regel> 98%.
- Aufzulösen Produkt aus 1.1.9 in THF (650 ml) werden in einem 2 l Rundkolben. Zeigen Kolben auf einem Eisbad und unter Rühren unter Stickstoff. In 22,4 ml Ethylchlorformiat (25,6 g, 0,29 mol, 2 Äquiv.) Unter Stickstoffkolben.
- In 32,8 ml Triethylamin (0,29 Mol, 2 Äq.) To einen Zugabetrichter. Vermischen sich mit einem gleichen Volumen THF. Zeigen Zugabetrichter auf Rundkolben und halten unter Stickstoff.
- Unter starkem Rühren vorsichtig verzichten triethyamine / THF-Gemisch tropfenweise zu dem Rundkolben auf Eis. ACHTUNG: Dies ist eine exotherme Reaktion. Um eine schnelle Temperaturerhöhung zu vermeiden, fügen Sie die Triethylamin / THF-Lösung nicht schneller als 1 Tropfen pro Sekunde. Nach dem Hinzufügen der volle Lautstärke, die Reaktion wird für 4 Stunden, Aufwärmen auf Raumtemperatur oder 24 Stunden lang.
- Filtern die Triethylaminhydrochloridsalz unter Verwendung eines Büchner-Trichter. Dampfe das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer.
- In Dichlormethan (200 ml) in den Kolben und erhitzt vorsichtig, bis der Rückstand aufgelöst. In 120 ml Diethylether unter Schwenken. Lagerung bei -20 ° C über Nacht, um ein Produkt zu kristallisieren.
- Filter Monomer Kristallen und re-kristallisieren, bevor die Polymerisation. Das monomere Produkt kann bei Raumtemperatur gelagert für mindestens 2 Wochen bei -20 abzudichtenden6; C auf unbestimmte Zeit. Bestätigen Sie Produkt durch 1 H-NMR, Massenspektrometrie und Elementaranalyse. Eine typische Ausbeute für diesen letzten Schritt in der Monomersynthese zwischen 40-60%.
- Copolymerisation von D, L-Lactid / ε-Caprolacton mit 5-Benzyloxy-1,3-dioxan-2-on.
- Wärme Silikonölbad auf 140ºC.
- Maßnahme 2.1 g von 5-Benzyloxy-1,3-Dioxan-2-on (in 1.1) hergestellt und es zu einem trockenen 100-ml-Rundkolben hinzuzufügen. Wenn Copolymerisation D, L-Lactid, abmessen 5,7 g, und fügen Sie in den Kolben jetzt. Fügen Sie einen Magnetrührstab und den Kolben mit einem Gummistopfen verschließen.
- Auch messen 240 mg (ein Überschuß) von Zinn (II) ethylhexanoat in einer kleinen birnenförmigen Kolben. Diese Polymerisation wird in einer 20 Mol-% Glycerincarbonat Monomerzusammensetzung führen. Passen Sie die Massen von Monomeren zu unterschiedlichen Monomerzusammensetzungen zu erreichen.
- Spülen Sie beide Kolben mit Stickstoff auf einem Schlenk-Verteiler für 5 Minuten und fügen Sie 4,24 ml ε-caprolacTon unter Stickstoff. Evakuieren Flaschen "Atmosphäre durch die Anwendung im Hochvakuum (300 mTorr) für 15 Minuten, um Spuren von Wasser zu entfernen.
- Laden Sie den Kolben "Atmosphäre mit Stickstoff; noch zweimal wiederholen diesen Zyklus.
- Mischen Sie 500 ul trockenem Toluol mit dem Zinn-Katalysator unter Stickstoff.
- Legen Sie die Monomer-Kolben in der 140 ° C-Ölbad und fügen Katalysator einmal alle Feststoffe geschmolzen sind. Das Gesamtvolumen der Katalysatormischung geliefert sollte ~ 100 & mgr; l sein. Halten bei 140 ° C für nicht mehr als 24 Stunden, kühlen dann das geschmolzene Polymer auf Raumtemperatur. Führen Sie die nachfolgenden Schritte sofort oder mindestens 24 Stunden später.
- Auflösen des Polymers in Dichlormethan (50 ml) und fällt in kaltem Methanol (200 ml). Dekantieren und trocken im Hochvakuum. Die nachfolgenden Schritte können sofort oder zu einem beliebigen Zeitpunkt durchgeführt werden. Öffnungspolymere im Gefrierschrank bis zur weiteren Verwendung. Die typische Polymerisationsausbeute / Umsatz beträgt zwischen 80-95%.
- Führen Sie 1H-NMR-Analyse, um die Co-Monomer-Molverhältnissen zu bestimmen. Aufzulösen Polymers in deuteriertem Chloroform (CDCl 3) und die Integration der benzylischen Protonen Verschiebung des Carbonatmonomeren bei 4,58 bis 4,68 ppm; Vergleichen dieses Peakfläche mit der des Methylenpeaks bei 2,3 ppm (PCL) und Methin-Peak bei 5,2 ppm (PLGA).
- Polymermodifikation: Entfernung der Schutzgruppen und Transplantation.
- Polymer aufzulösen (~ 7 g) in 120 ml Tetrahydrofuran (THF) in einem Hochdruck-Hydrierung Gefäßes. Wiegen und fügen Palladium-Kohlenstoff-Katalysator (~ 2 g).
- Hinzufügen von Wasserstoff zu dem Gefäß mit einer Hydrierapparatur. Hydrieren bei 50 psi für 4 Stunden. ACHTUNG: Wasserstoffgas ist hochentzündlich. Suchen Sie Unterstützung von Personen, die mit diesem Verfahren vertraut und immer überprüfen Sie die Versorgungsleitungen für mögliche Lecks, bevor Sie diesen Versuch.
- Herauszufiltern, Palladium-Kohlenstoff-Katalysator mit einem Festbett aus Kieselgur. Konzentrieren Sie sich das Polymer auf ~ 50 ml unter Rotationsverdampfung und Precipitate in kaltem Methanol. ACHTUNG: Dry Palladiumpartikel können sich selbst entzünden. Halten Sie ein nasses Handtuch in der Nähe im Falle eines Flare-up zum Ersticken der Flammen. Fügen Sie Wasser in die Palladium / Kohle-Filterkuchen zu halten, verklumpt und auf seine Zündtemperatur zu verhindern. Suchen Sie Unterstützung von Personen, die mit diesem Verfahren vertraut.
- Überstand dekantieren und trocken im Hochvakuum. Bestätigen Gesamt Umstellung auf freien Hydroxylgruppen mit der Feststellung des Spitzen Verschwinden bei 4,65 ppm (1 H-NMR in CDCl 3). Diese Polymere können sofort verwendet oder zur späteren Verwendung gespeichert werden. Die Renditen für diesen Schritt sind> 90%.
- Auflösen des Polymers und Stearinsäure (1,5 Äq.) In 500 ml trockenem Dichlormethan (DCM). Hinzufügen N, N'-Dicyclohexylcarbodiimid (DCC, 2,0 Äqu.) Und 3 Flocken von 4-Dimethylaminopyridin. Rühren Sie unter Stickstoff bei Raumtemperatur für 24 Stunden.
- Entfernen unlöslichen N, N'-dicyclohexylcarbourea durch eine Reihe von wiederholten Filtrationen und Konzentrationen. Am Ende konzentriert man dasLösung auf 50 ml.
- Auszufällen Polymer in kaltem Methanol (~ 175 ml) und Dekantieren des Überstandes. Trocknen des Polymers unter Hochvakuum über Nacht. Die anschließende Verwendung dieser Polymere kann jederzeit durchgeführt werden, aber halten Polymere in den Gefrierschrank für langfristige Lagerung. Die Ausbeute für diesen letzten Modifikationsschritt liegt im allgemeinen zwischen 85-90%.
2. Charakterisierung der synthetisierten Copolymere
- Man wiegt ~ 10 mg Polymer (Rekord die tatsächliche Masse) und in den Aluminium-Probenschale, dann hermetisch abdichten. Probenschale Last und eine unbelasteten (Referenz) pan in die Differentialscanning-Kalorimeter.
- Programm eine Temperaturrampe und Kühlen ("Heizen / Kühlen / Heizen") Zyklus: 1) Wärme von 20 ° C bis 225 ° C bei 10 ° C / min, 2) kühl bis -75 ° C bei 5 ° C / min, 3) Erhitzen auf 225ºC bei 10ºC / min.
- Bestimmen Sie Schmelzpunkt (T m), Kristallisation (<em> T c) und Glasübergangstemperaturen (Tg) und die Schmelzwärme (& Dgr; H f) von den Thermalspuren (falls zutreffend).
- Aufzulösen jedes synthetisierten Copolymers in THF (1 mg / ml) und filtriert durch ein 0,02 um-PTFE-Filter. Injizieren Sie die Lösung in eine Gelpermeationschromatographie System und vergleichen Retentionszeit gegen eine Reihe von Polystyrol-Standards.
3. Vorbereitung Polymer Solutions für Elektrospinnen / Elektrosprühen 27,31
- Aufzulösen Polymer (e) von 10-40 Gew% in einem geeigneten Lösungsmittel, wie Chloroform / Methanol (5: 1) für PCL oder Tetrahydrofuran / N, N-Dimethylformamid (7: 3) für PLGA, über Nacht. Die Masse des Polymers für diesen Schritt erforderlich ist, von den Abmessungen der gewünschten Maschen abhängen.
Hinweis: Um beispielsweise eine 10 cm x 10 cm Maschenweite von ungefähr 300 Mikrometer Dicke herzustellen, werden 1 g der Regel erforderlich. Es ist erwähnenswert, dass die Materialverlustes kann in den nachfolgenden Schritten des Protokolls, wie beispielsweise bei der Lösungstransfer an der Spritze (insbesondere für viskose Lösungen), und aus in der optionalen Anschlussrohr und dem Nadelgehäuse selbst vorhanden Totvolumen, was die Ausbeute an dem Elektrospinnverfahren reduziert auftreten . Diese Verringerung der Ausbeute kann in bis zu 20% Materialverlust zur Folge haben, und es wird empfohlen, eine Skalierung auf bis 1,5-fache, um diese Verluste zu antizipieren, und auch jene Verluste, die mit der Optimierung der Elektrospinnparameter, wenn versucht wird dieses Verfahren zum ersten Mal verbunden.- Steuern Fasergröße durch Variieren der Gesamtpolymerkonzentration, mit größeren Fasern aus konzentriertere Lösungen zu erwarten. Für eine geringe Verbesserung der Hydrophobie, verwenden 10% (bezogen auf das Gesamtpolymermasse) superhydrophoben Dotierungs. Für extrem hydrophob / superhydrophoben Materialien verwenden 30-50% Dotierungsmittel und / oder Verringerung der Gesamtpolymerkonzentration (dh., Reduzieren Faserdurchmesser). Nachfolgende Arbeiten mit diesen Lösungen können perfo werdenRMED am nächsten Tag oder in einer Woche danach.
- Für Elektrosprühen, werden die Lösungen bei niedrigeren Konzentrationen (dh 2-10%) in einem geeigneten Lösungsmittel, wie Chloroform. Wie Elektrospinnen, zu modulieren Partikelgröße durch Variation der Polymerkonzentration.
- Vortex Polymerlösung zu mischen. Ermöglichen große Luftblasen zu sinken (5 min).
- Last Lösung in eine Glasspritze. Je nach Viskosität der Lösung, kann es am einfachsten sein, um den Kolben zu entfernen und gießen Sie die Lösung direkt in die Spritze. Ein Stück inerten, flexiblen Schlauch kann Manövrierbarkeit innerhalb des Elektro Setup zu unterstützen. Kehren Sie die Spritze, um Luft durch den Schlauch / Nadelanordnung zu verschieben.
4. Elektrospinnen / Elektrosprühen Polymer Solutions
- Last Spritze auf Spritzenpumpe gesetzt Gesamtvolumen (zB 4,5 ml) und die Rate (zum Beispiel 5 ml / h), bei dem, um diese Lösung zu verzichten.
- Decken Sie die Kollektorplatte mit einemluminum Folie auf nachfolgende Entfernung und den Transport zu erleichtern. Befestigen Sie die Folie mit Klebeband entlang der Außenkanten.
- Bringen Sie die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Ader an Nadelspitze. Der Abstand dieser Nadelspitze mit dem Kollektor ist eine wichtige Variable zu prüfen, weil sie 1) wirkt sich das elektrische Feld bei einer gegebenen Spannung und 2) wirkt sich auf die Verdampfung des Lösungsmittels und damit Trocknung der Fasern bei deren Gewinnung.
- Als ein erster Versuch, mit einem Tip-Kollektor-Abstand von 15 cm. ACHTUNG: Hochspannung und brennbare Lösungsmittel werden in Elektro / Elektrospray beteiligt. Für ausreichende Belüftung sorgen, außerhalb Auspuff, und nie die Spritze / Nadel zu berühren oder öffnen Sie das Gehäuse, bis absolut sicher die HVDC Versorgung ausgeschaltet ist.
- Wenn das Elektro / Elektrosprühen einen großen Bereich der Abdeckung, schalten Sie Drehen und Verschieben Sammeltrommel. Andernfalls fahren Sie mit dem nächsten Schritt.
- Starten Sie die Spritzenpumpe.
- Schalten Sie auf und stellen Sie die HochvoltAlter Quelle, um eine akzeptable Taylor-Kegel zu erzielen. Wenn die Lösung an der Nadelspitze durchhängt, Erhöhung der Spannung. Wenn mehrere Düsen bilden, verringern Sie die Spannung. Zusätzlich zu diesen Anpassungen kann es notwendig sein, die Spitze-zu-Kollektor-Strecke anzupassen, wenn die Fasern / Partikel naß oder Einstellung der Spannung wird ein Ziehen Tröpfchen an der Nadelspitze nicht angemessen lösen angezeigt.
Hinweis: Ausführliche Fehlerbehebung finden Sie im umfassenden Elektrooptimierungsprozess von Leach und Mitarbeiter 47. Elektrospray wird in der Regel mit höheren Spannungen und geringer Lösungskonzentrationen, als Elektrospinnen. - Schalten Sie die Hochspannungsquelle und die Spritzenpumpe und motorisierte Trommel (falls zutreffend). Lassen Sie das Elektrogehäuse weiterhin Lüftungs 30 min.
- Entfernen Maschen / Beschichtungen von Sammler. Erlauben Spur Lösungsmittel, die in eine Haube über Nacht verdampfen. Materialien können bei Raumtemperatur für mindestens zwei Wochen (PLGA) oder zwei gelagert werdenMonaten (PCL). Schritte 4,5-4,8 können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden.
5. Charakterisierung von Faser- und Partikelgröße von Licht und Rasterelektronenmikroskopie
- Lichtmikroskopie
- Wenn Herstellen eines elektro mesh, schneiden und montieren dünnen Teile davon auf einem Glasträger.
- Beachten Faserdurchmesser, Knoteneigenschaften (Blobs oder diskrete) und Faserform (dh Perlen, flache, gerade / wellenförmig). Ideal elektroMaschenFasern sind gleichmäßige, gerade oder gewellt, und Perlenfrei.
- Rasterelektronenmikroskopie (SEM)
- Schneiden und montieren Maschen oder beschichteten Oberflächen auf Aluminium SEM Stubs mit leitfähigen Kupferband. Elektrospinnfasern und Elektrospray-Beschichtungen können auch durch SEM durch direktes Abscheiden von Fasern / Teilchen auf das Band im voraus einzuhalten.
- Coat die Maschen / Beschichtungen mit einer dünnen (ca. 4 nm) Schicht aus Au / Pd durch Sputterbeschichtung.
- Last Stubs in SEM Kammer und beobachten bei 1-2 keV. Ein 250X magnification bietet einen allgemeinen topographischen Beurteilung des Materials, während höhere Vergrößerungen zeigen zusätzliche Faser und Partikel Funktionen wie hierarchische Muster für extrem superhydrophoben Fasern und Interkonnektivität für die Partikelbeschichtungen.
6. Bestimmung Nicht-Benetzungseigenschaften
- Vorlauf- und Rückwasserkontaktwinkelmessungen mit dem Lautstärkevariationsverfahren
- Schneiden Sie dünn (0,5 cm x 5 cm) Streifen aus Mesh oder beschichtetes Material (wenn möglich) und auf der Bühne eines Kontaktwinkel-Goniometer.
- Nehmen Sie das Profil Wassertropfen unter Verzicht es (aus einer 24 AWG Spritzennadel) auf der Materialoberfläche.
- Um dies zu tun, starten Sie mit einer ungefähren 5-ul Tropfen, und Kontakt mit der Oberfläche des Materials. Fahren Sie mit dem Tropfenbild, das die fortWasserKontaktWinkel stellt langsam Volumen (20-25 ul) und erfassen. Die Nadelspitze sollte klein sein verglichen mit dem Tropfen und The Kapillarlänge sollte größer als die Tröpfchen zu einer Verzerrung der Tropfenform zu minimieren.
- Zurückzutreten diese gleiche Tropfen, während gleichzeitig die Erfassung ihrer Ausfallprofil. Wiederholen Sie auf diskrete Oberflächenstellen von mehreren Proben zu berichten, ein Mittelwert-Typischerweise werden 10 Messungen beider Vorwärts- und Rückwärtskontaktwinkel ausreicht, um diese Materialien zu charakterisieren.
- Bestimmen Sie kritische Oberflächenspannung von Materialien durch Änderung Sondieren Flüssigkeiten.
- Die Lösungen unterschiedlicher Ethanol, Propylenglykol oder Ethylenglykol-Gehalt, da diese Mischungen haben Oberflächenspannungen von 99 bis 101 bekannt.
- Alternativ können die Lösungsmittel mit unterschiedlichen Oberflächenspannungen, beispielsweise Wasser (72 mN / m), Glycerin (64 mN / m), Dimethylsulfoxid (44 mN / m), Benzylalkohol (39 mN / m), 1,4- Dioxan (33 mN / m), 1-Octanol (28 mN / m), und Aceton (25 mN / m). Ist es wichtig, Lösungsmittel, die die Polymere nicht auflöst, zu verwenden, da dieseverwirren Ergebnisse. Zusätzlich ist es wichtig zu beachten, dass neben der Oberflächenspannung haben diese Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskositäten, die Kontaktwinkelmessung auswirken können, und ist eine Beschränkung dieses Verfahrens.
- Messung des Kontaktwinkels dieser Lösungen auf der Materialoberfläche untersucht. Plot-Kontaktwinkel als Funktion der Oberflächenspannung.
- Die Lösungen unterschiedlicher Ethanol, Propylenglykol oder Ethylenglykol-Gehalt, da diese Mischungen haben Oberflächenspannungen von 99 bis 101 bekannt.
7. Erkennen Schüttbenetzung Meshes 31
- Beachten Sie das Eindringen von Wasser in 3D-Netze unter Verwendung von Mikro-Computertomographie (μCT).
- Bereiten Sie eine 80 mg / ml Lösung von Ioxaglat (ein jodhaltiger Kontrastmittel) in Wasser.
- Tauchen Maschen in diesen Lösungen und bei 37 ° C; in regelmäßigen Abständen zu messen Kontrastmittel (Wasser) Infiltration durch μCT (18 & mgr; m 3 Voxelauflösung) unter Verwendung eines 70 kVP Röhrenspannung, 114 & mgr; A Strom und ein 300 ms Integrationszeit.
- Verwenden von Bildverarbeitungssoftware, messen pixel intenskeit in der gesamten Dicke des Gewebes, in dem helle Pixel repräsentieren das Eindringen von Wasser. Wählen Sie einen Pixel Schwellenwert (~ 1500), für die höhere Intensität stellt das Eindringen von Wasser.
8. Prüfen der mechanischen Eigenschaften von Maschen
- Cut Maschen zu 1 cm x 7 cm und zwischen den Griffen einer Zugprüfmaschine. Messen Sie die genaue Breite, Länge und Dicke.
- Führen Sie eine Rampe Test der Erweiterung auf drei Proben. Es wird eine Spannungs-Dehnungskurve unter Verwendung dieser Daten, um den Elastizitätsmodul, die Reißfestigkeit und Dehnung bei Bruch zu bestimmen.
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Representative Results
Durch eine Reihe von chemischen Umwandlungen wird die funktionelle Carbonatmonomer 5-benzyloxy-1,3-Dioxan-2-on als einen weißen kristallinen Feststoff (1A) synthetisiert. 1 H-NMR bestätigt die Struktur (1B) und Massenspektrometrie und Elementaranalyse bestätigt die Zusammensetzung. Dieser Feststoff wird dann entweder mit D, L-Lactid oder ε-Caprolacton mit einem Zinn-katalysierte Ringöffnungsreaktion bei 140 ° C copolymerisiert. Nach Reinigung durch Fällung wird die Polymerzusammensetzung unter Verwendung von 1 H-NMR-Analyse durch Integration der benzylischen Protonen chemische Verschiebung bei 4,58-4,68 ppm und die Methylen charakteristischen Peak von Caprolacton oder Methin Peak von Lactid (2,3 bzw. 5,2 ppm) bestimmt. Selektive Entfernung der Benzyl-Schutzgruppe durch Pd / C-katalysierte Hydrogenolyse erreicht. Vollständige Entfernung der Schutzgruppe mit der Feststellung des Verschwindens der Benzyl Peak im 1 H-NMR-Spektren bestätigt. Nachtrießend Pfropfen von Stearinsäure auf das freie Hydroxyl-Gruppe macht die endgültigen Copolymeren hydrophob. Diese Copolymere sind weiße Feststoffe bei Raumtemperatur (1C), und sie geeignet ist, in Filmen, elektrogesponnenen Netze und Elektrospray-Beschichtungen (1D) verarbeitet werden.
Die Copolymerzusammensetzung (dh Lactid / Caprolacton zu Glycerincarbonat) durch Variieren der entsprechenden Monomer-Zufuhrverhältnissen eingestellt. Variieren der Zusammensetzung liefert ein Mittel, um Copolymere mit einer Reihe von thermischen und / oder mechanischen Eigenschaften zu synthetisieren. Beispielsweise durch thermische Analyse unter Verwendung von Differentialscanningkalorimetrie (DSC) zeigt, dass die PLA-PGC 18 enthaltende Polymere 10, 20, 30 oder 40 Mol-% PGC 18 Monomer allmählich kristallin mit erhöhter PGC Mol-% sein. Die thermischen Eigenschaften der PCL-PGC 18 und PLA-PGC 18-Copolymere sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Das Poly (Glycerin-monostearat) -basierte Copolymere haben niedrigere Oberflächenenergie als die entsprechenden PCL oder PLGA Kollegen, wie unter Verwendung von Kontaktwinkelmessungen auf glatten gegossenen Folien (2A) bestimmt. Während PCL besitzt eine Vorschubwasserkontaktwinkel von 84 °, der Kontaktwinkel für die PCL-PGC 18 (80:20) beträgt ~ 120 °. Ebenso PLGA besitzt einen Kontaktwinkel von 71 °, während PLA-PGC 18 (90:10) und PLA-PGC 18 (60:40) zeigen fortschreitende Kontaktwinkel von 99 ° und 105 °. Mischen PCL oder PLGA mit ihren entsprechenden Copolymeren Dotiermittel ergibt Kontaktwinkel Werte zwischen denen für reine Polymere und Copolymere erhalten werden, und bietet ein einfaches Mittel zum Abstimmen Hydrophobizität (2B). In diesem Fall werden sowohl Copolymer Dotierstoffkonzentration (dh 10% oder 30% Gewicht / Gewicht) und Copolymer-Zusammensetzung (dh PLA-PGC 18 (90:10) oder PLA-PGC 18 (60: 40) Arten) beeinflussen Hydrophobie, mit größerer PGC 18 Gehalt ergibt höhere Kontaktwinkel.
Dotieren der synthetisierten Copolymere in eine Lösung von PCL oder PLGA und anschließend das Elektrospinnen der Mischungen erzielt faserige Maschen mit abstimmbarer Hydrophobizität. 3A veranschaulicht, wie Dotierung in 30% PCL-PGC 18 oder PLA-PGC 18 Gänge kämmt, von hydrophob zu superhydrophoben. Superhydrophobie ist als eine scheinbare Wasserkontaktwinkel von ≥ 150 ° mit einem geringen Kontaktwinkel auf Hysterese definiert als die Differenz zwischen Vorlauf- und Rücklauf Wasserkontaktwinkelmessungen bestimmt. Die erhöhte Oberflächenrauhigkeit von elektro Maschen erhöht auch die scheinbare Wasserkontaktwinkel dieser Materialien im Vergleich zu Filmen zu glätten. Benetzbarkeit wird durch Variieren der Konzentration des Copolymers Dotierstoff abgestimmt. Beispielsweise greift elektro reinen PCL mit ~ 7 & mgr; m Durchmesser Fasern besitzen eine scheinbare Kontakt angle von 123 °, während Maschen mit 10, 30 und 50% (wt / wt) dotiert PCL-PGC 18 weisen scheinbare Kontaktwinkel von 143 °, 150 ° und 160 ° bei vergleichbaren Faserdurchmesser, bzw. (3B). Benetzbarkeit wird auch von der Wahl des Copolymers Dotierstoffart gesteuert. In diesem Fall kämmt 6,5-7,5 & mgr; m Faser PLGA mit 30% PLA-PGC 18 (90:10) oder 30% PLA-PGC 18 (60:40) weisen scheinbare Kontaktwinkel von 133 ° oder 154 °, bzw. (dotiert Figur 3C). Verändern (das heißt, die Verringerung) der Fasergröße erhöht auch die Hydrophobizität unabhängig von Dotierstoff Auswahl und / oder der Konzentration. Diese Abhängigkeit der scheinbare Kontaktwinkel an der Faserdurchmesser für PCL und PLGA in 3D gezeigt. Ähnlich wie bei Elektrospinnen, Elektrosprühen PCL und PCL-dotierten Beschichtungen auch Kontaktwinkel, die mit Doping-Prozentsatz zu erhöhen, und eine noch höhere Kontaktwinkel angezeigt werden als die durch Elektrospinnen erhalten werden,mit dieser Technik (3E) erreicht. Durch Sondieren der Netzoberfläche mit unterschiedlichen Flüssigkeiten (die unterschiedliche Oberflächenspannungen aufweisen) und Melden der Kontaktwinkel ist, eine kritische Oberflächenspannungswert, bei dem die Maschen schnell benetzt wird bestimmt. 3F ist eine modifizierte Zisman Kurve, die die kritische Oberflächenspannung Untersuchungen für PLGA kämmt mit 30% PLA-PGC 18 (60:40) und PCL kämmt mit 30% PCL-PGC 18 dotiert.
Die REM-Aufnahmen zeigt, dass die Maschen sind das Ergebnis aus verschlungenen Mikrofasern. Diese Technik ist auch nützlich zur Bestimmung der Faser- oder Partikelgröße, Homogenität und Interkonnektivität. 4A zeigt PCL + 30% PCL-PGC 18 kämmt mit Faserdurchmessern von 1-2 um und 4-5 um, während 4B zeigt PLGA + 10 % PLA-PGC 18 Maschen unterschiedlicher Fasergröße von ~ 3 um bis ~ 7 um. Elektrogesprüht Beschichtungen aus PCL und PCL + 50% PCL-PGC 18 sind in 4C dargestellt, wobei Elektrospray-Beschichtungen aus PCL + 30% PCL-PGC 18 von unterschiedlicher Teilchengröße sind in Figur 4D dargestellt.
Superhydrophoben PCL- und PLGA-basierte Netze sind nicht zytotoxisch zu NIH / 3T3-Fibroblasten (5A) und sind gut verträglich in C57BL / 6-Mäuse, mit bescheidenen faserigen Kapselung. Im Vergleich zu nicht porösen Filmen (nicht gezeigt) kämmt, zeigen ein höheres Maß an zellulärer Infiltration (dh Makrophagen) nach 4 Wochen Implantations (5B-E) 27. Während die cytocompatibility / Biokompatibilität superhydrophoben Maschen ähnelt nicht superhydrophoben Maschen kann die in vitro Leistung superhydrophoben Maschen legene Arzneimittelabgabe Anwendungen sein. Aufgrund ihrer langsamen Benetzung, sind superhydrophoben Maschen ein dauerhaftes Wirkstofffreisetzung für deutlich längere Laufzeiten als nicht superhydrophobische kämmt, da Wirkstofffreisetzung kann nicht ohne Wasser in Berührung kommen. Die In-vitro-Wirkstofffreisetzung Wirksamkeitsstudien demonstriert dieses Prinzip werden an anderer Stelle beschrieben, 12,13.
Die Benetzung der elektrogesponnenen Netze können zerstörungsfrei über die Zeit mit microcomputed Tomografie und die im Handel erhältlichen jodhaltigen Kontrastmitteln Ioxaglat folgen. Das Netz wird in einer wässrigen Lösung, die das Kontrastmittel eingebracht und mit der Zeit abgebildet. Wie in 6A gezeigt, die reine PCL Netz rasch benetzt als Wasser infiltriert das Schüttgut in den ersten Tag. Demgegenüber sind die Maschen mit 30% PCL-PGC dotiert 18 bleiben für> 75 Tage nicht benetzt wird, mit in der Festkörperstruktur (6B) Luft verbleiben. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Bedeutung der superhydrophoben Schüttgütern für nichtbenetzend Anwendungen.
Schließlich werden die mechanischen Eigenschaften der elektro Geflechte, von festZugversuch. Tabelle 3 zeigt repräsentative mechanische Daten für PCL, PLGA, und ihre jeweiligen dotierten Maschen (Fasergröße = 7 & mgr; m für alle Maschen) von ihrem Spannungs-Dehnungskurven erhalten. Als prozentualer Anteil der Dotierungs zunimmt, nimmt der Elastizitätsmodul (E) und Zugfestigkeiten von Maschen dazu, abzunehmen.
. Abbildung 1 Monomer / Polymer-Synthese, Charakterisierung und Weiterverarbeitung zu Filmen, elektro Gitter und Elektrospray-Beschichtungen (A) gereinigtes Monomer ein weißer kristalliner Feststoff bei Raumtemperatur; (B) entsprechenden 1 H-NMR-Spektren für das Monomer; (C) Foto des gereinigten Polymeren PLA-PGC 18 (links) und PCL-PGC 18 (rechts); (D) Photographie von PCL mit 30% (w / w) PCL-P dotiertGC 18 und in ein verarbeitetes (von links nach rechts): Film, elektro Mesh und Elektrospray-Beschichtung.
Abbildung 2. Vorlauf- und Rücklauf-Wasserkontaktwinkel auf Polymer / Copolymer-Filme (A) Vorwärts- und Rückwärtswasserkontaktwinkelmessungen für die undotierte PCL und PLGA glatte Filme im Vergleich zu denen für reine PCL-PGC 18 und reinen PLA-PGC 18 glatte Filme. (B) Vorwärts- und Rückwärtskontaktwinkelmessungen für die dotierten PCL und PLGA-Filme. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. Die Prozesse der Elektround Elektrosprühen erzeugt rauen Oberflächen, die die Hydrophobie der PCL und PLGA weiter zu verbessern (A) Kontaktwinkel für elektro PCL und PCL steht mit 30% PCL-PGC 18 (80:20) Maschen (Faserdurchmesser ≈ 2,5 um) dotiert. PLGA kämmt und PLGA kämmt mit 30% PLA-PGC 18 (60:40) Maschen (Faserdurchmesser ≈ 6,5 um) dotiert ist, mit beiden Systemen, die einen Übergang von hydrophob zu superhydrophoben; (B) Kontaktwinkel für PCL Maschen als Funktion der zunehmenden Dotierungs Copolymer-Konzentration; (C) Kontaktwinkel für PLGA Maschen von ~ 6,5 & mgr; m Durchmesser in Abhängigkeit von der Copolymer-Zusammensetzung; (D) Benetzbarkeit als eine Funktion des Faserdurchmessers für PCL (600 nm und 2,5 & mgr; m) und PLGA-basierte Netze (2,5 und 6,5 & mgr; m); (E) Kontaktwinkel für Elektrospray-PCL basierenden Beschichtungen in Abhängigkeit von der Copolymer-Dotierkonzentration; (F) modifiziert Zisman Kurvenzeigt kritische Oberflächenspannung Studien für PLGA kämmt mit 30% PLA-PGC 18 (60:40) (Kreise mit gestrichelten Verbindungsleitung) dotiert und PCL steht mit 30% PCL-PGC 18 (Quadrate mit fester Anschlussleitung) dotiert ist. Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4. SEM-Bildgebung von elektrogesponnenen Netze und Elektrospray-Beschichtungen zeigt Faser / Partikelgröße und Morphologie. (A) mit kleinem Durchmesser PCL + 30% PCL-PGC 18 Fasern (1-2 & mgr; m) und die entsprechenden großen Durchmessers Mikrofaser (4-5 mgr; m) Mesh (links und rechts, respectively), Maßstabsbalken = 10 & mgr; m; (B) kleinen Durchmessers PLGA + 10% PLA-PGC 18 (90:10) (2,5-3,5 um) und Mikrofasern mit großem Durchmesser (6,5-7,5 um) Mikrofaser Maschen (links und rechts sind; Maßstabsbalken = 10 & mgr; m); (C) Elektrospray-Partikel aus reinem PCL (links), PCL + 50% PCL-PGC 18 (rechts), Maßstabsbalken = 20 & mgr; m; (D) elektrogesprüht PCL + 30% PCL-PGC 18 Partikel kleiner (links) und große (rechts) Radien (Maßstab = 2 & mgr; m). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Figur 5. In vitro und in vivo Lebensfähigkeit der Zellen / Biokompatibilität elektro superhydrophoben Maschen (A) In-vitro-Zellassay von NIH / 3T3-Fibroblasten-Lebensfähigkeit nach 24 h Inkubation mit PCL, PLGA und dotierte kämmt. (B und C) histologischen (H & E) Proben von in vivo Fremdkörperreaktion zu superhydrophoben PLGA + 30 Gew% PLA-PGC 18 (60:40) elektro kämmt nach 4 Wochen subkutane Implantation in C57BL / 6 Mäusen in 10X (B) und 40X (C) Vergrößerung; (D und E) als Reaktion auf implantiert reinen PLGA elektro Maschen bei 10X (D) und 40X (E) Vergrößerung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6. kontrastverstärkte microcomputed Tomografie (μCT) Charakterisierung der Großbenetzung superhydrophoben Maschen. Das iodierte CT-Kontrastmittel Ioxaglat (80 mg I / ml) gegen Ender dient als eine nicht-invasive Marker Wasser infiltriert (A) nicht-superhydrophoben PCL Maschen und (B) superhydrophoben PCL + 30% PCL-PGC 18 Maschen. Farbe Karte zeigt nicht medien Mesh rot und Übergang von gelb auf grün zu blau / lila als Netz- fortschreitet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Elektro Synthetische Polymere: | Referenz (en): |
| Poly (lactid-co-glycolid) | 27,36,43,48-52 |
| Polyglycolid | 52,53 |
| Poly (lactid-co-caprolacton) | 54-57 |
| Polycaprolacton | 13,58-66 |
| Polylactid | 52,67 |
| Poly (vinylalkohol) | 68-71 </ td> |
| Poly (ethylenglycol) / Block-Copolymere | 72,73 |
| Poly (ester urethan) en | 74-78 |
| Poly (trimethylencarbonat) | 79 |
| Poly (dimethylsiloxan) | 80,81 |
| Poly (ethylen-co-vinylacetat) | 82 |
| Polyvinylpyrrolidon | 83 |
| Polyamid (en) | 84-86 |
| Polyhydroxybutryate | 87,88 |
| Polyphosphazen (e) | 89,90 |
| Poly (Propylencarbonat) | 91-93 |
| Polyethylenimin | 94,95 |
| Poly (γ-Glutaminsäure) | 96 |
| Silikat | 97,98 |
Tabelle 1: Beispiele für synthetische Polymere, die biomedizinischehaben elektrogesponnen wurden für biomedizinische Anwendungen, mit begleitenden Hinweise.
| Copolymer | Umsatz (%) | Lactid ein | Glycerin ein | M n (g / mol) b | M w / M n | T g (° C) c | T m (° C) | T c (° C) | & Dgr; H f (J / g) |
| PLA-PGC 18 (90:10) | 92 | 89 | 11 | 12.512 | 15 | 28 | - | - | - |
| PLA-PGC 18 (80:20) | 96 | 78 | 23 | 10.979 | 15 | 17 | 33 | 11 | 3 |
| PLA-PGC 18 (70:30) | 90 | 66 | 34 | 17.305 | 15 | * | 40 | 17 | 23 |
| PLA-PGC 18 (60:40) | 86 | 54 | 47 | 13.226 | 1.6 | * | 43 | 27 | 32 |
| PCL-PGC 18 (80:20) | 99 | (caprolacton) 81 | 19 | 21.100 | 1.7 | -53 | 31 | 19 | 55 |
Tabelle 2: Charakterisierung der synthetisierten Copolymere a Mole%; b Wie durch Größenausschlusschromatographie (THF, 1,0 ml / min) bestimmt; M n = zahlenmittleres Molekulargewicht, M w / M n = Dispersität c T g = Glas.. Übergangstemperatur; T m = SchmelzTemperatur; T c = Kristallisationstemperatur; Δ H f = Schmelzwärme. D Nein T g wurde für diese teilkristallinen Polymeren über den Temperaturbereich von -75 ° C bis 225 ° C beobachtet.
| Mesh-Zusammensetzung | Elastizitätsmodul (E) (MPa) | Reißfestigkeit (MPa) |
| PCL ein | 15,3 | 15 |
| + 10% PCL-PGC 18 | 10,8 | 15 |
| + 30% PCL-PGC 18 | 3.5 | 0.8 |
| PLGA b | 84,9 | 2.6 |
| + 10% PLA-PGC 18 (60:40) | 40,3 | 0.8 |
| + 30% PLA-PGC <sub> 18 (60:40) | 10.1 | 0,3 |
Tabelle 3:.. Vertreter Zugeigenschaften elektro Maschen einer Faser Größe für PCL und PCL-basierte Netze ≈ 7 um b Fiber Größe für PLGA und PLGA-basierte Netze ≈ 7 um.
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Discussion
Unser Ansatz zur Konstruktion von superhydrophoben Materialien aus der biomedizinischen Polymeren kombiniert synthetischem Polymerchemie mit den Polymerverarbeitungstechniken von Elektrospinnen und Elektrosprühen. Diese Techniken bieten entweder Fasern oder Partikel auf. Insbesondere werden Polycaprolacton und Poly (lactid-co -glycolide) basiert superhydrophoben Materialien mit dieser Strategie vorbereitet. Durch Variation des hydrophoben Copolymerzusammensetzung Prozent Copolymer in der endgültigen Polymermischung, Faser / Partikelgröße gesamten Polymergewichtsprozent und Herstellungsbedingungen, die Benetzbarkeit der resultierenden elektro / elektrogesprüht Materialien gesteuert wird. Die in dieser Arbeit hergestellten Materialien sind von nicht-toxischen und biokompatiblen Polymeren, und besitzen eine metastabile Luftbarriere in der Gegenwart von Wasser.
Die kritischen Schritte in diesem Protokoll beinhalten 1) die Synthese von Copolymeren mit Ringöffnungspolymerisation, 2) Elektrospinnen oder elektroSprühen dieser Copolymere mit einem entsprechenden biomedizinischen Polymers wie PCL oder PLGA; und 3) die Charakterisierung der Morphologie, Nichtbenetzungsverhalten / Hydrophobie, der mechanischen Eigenschaften und in-vitro / in-vivo-Biokompatibilität. Wenn Schwierigkeiten bei der Polymersynthese, Änderung und / oder Elektrospinnen angetroffen werden, werden die folgenden Techniken zu identifizieren und zu beheben diese Probleme.
Es ist wichtig, um die Reinheit der Monomeren zu gewährleisten, und daß sie Spuren von Wasser, wie es aus der Atmosphäre enthalten. Die Anwesenheit von Wasser verhindern oder zu beenden Polymerisation resultieren in niedermolekularen Polymeren oder Ausbeute Polymeren mit extrem breiten Molekulargewichtsverteilungen. Immer evakuieren den Inhalt Polymerisationsgefäßen und neu zu füllen mit trockenem Stickstoff oder Argon, und führen alle Zusätze (Monomere und Katalysatoren) unter trockenen, inerten Atmosphäre. Wenn die Polymerisation scheint unvollständig oder nicht erfolgreich, kann es notwendig sein, um zu trocknendie Reagenzien durch Destillation, oder re-kristallisieren, die Monomere, um die Reinheit zu verbessern. Wenn De-Benzylierung des erhaltenen Copolymers wird nicht erfolgreich (wie durch anschließende 1 H-NMR-Analyse beobachtet wird), kann es notwendig sein, mehr Katalysator zuzugeben oder eine andere Katalysatorreagenz. Wir haben uns speziell beachten, dass erfolglose Entfernung der Schutzgruppen mit bestimmten Pd / C-Katalysatoren beobachtet worden, und es ist am besten, die man in der Tabelle der Materialien aufgeführt verwenden.
Mehrere technische Schwierigkeiten können während des Elektrospinnen und Elektrosprühen Prozess angetroffen werden. Wenn die Lösung an der Nadelspitze durchhängt, Erhöhung der Spannung. Wenn mehrere Düsen bilden, verringern Sie die Spannung. Zusätzlich zu diesen Einstellungen, kann es notwendig sein, um die Spitze-zu-Kollektor-Abstand einzustellen, wenn die Fasern / Partikel erscheinen nass (in diesem Fall, erhöhen Sie die Sammelabstand) oder wenn Einstellen der Spannung nicht ausreichend ein Ziehen Tröpfchen auf zu lösen die Nadelspitze, reduzieren Sie die Sammlung distance. Wenn Fasern nicht bilden, kann es notwendig sein, die Viskosität der Lösung durch Erhöhung der Polymerkonzentration zu erhöhen; das gleiche gilt, wenn die Fasern scheinen eine Kügelchen-auf-Schnur-Morphologie aufweisen. Wenn die Schwierigkeiten verbleiben, kann es notwendig sein, auf eine andere Elektrospinnlösungsmittel zu wechseln. Weitere Fehlersuche, Leach und Mitarbeiter 47 bieten eine umfassende Anleitung zur Fehlersuche, um Elektrospinnen.
Während Elektrospinnen und Elektrospray sind nützliche Techniken für die Herstellung von biomedizinischen Materialien, haben sie Einschränkungen. Zunächst setzen diese Techniken auf einem geerdeten Ziel Fasern oder Partikel zu sammeln, damit die elektrische Leitfähigkeit ist ein wichtiger Parameter zu berücksichtigen. Es kann schwierig sein, um elektrospinnen oder Elektrospray-Materialien, die eine besonders gute elektrische Isolatoren sind, da das Polymer-Jet kann mehr auf Bereiche um diese Substrate angezogen werden. Eine mögliche Lösung besteht darin sichern weniger leitender Materialien bis conductive Kupferband. Darüber hinaus, während wir in der am Elektrospinnen erfolgreiche Maschen bis zu 1 mm dick ist, kann die Herstellung von extrem dicken Maschen aufgrund der isolierenden Natur der Polymerbeschichtung auf dem Kollektor behindert werden. An dieser Stelle können Maschen Fläche ohne viel Zunahme ihrer Gesamtdicke zu erhöhen. Sekunde, abhängig von der Größe der Maschen gewünscht, kann eine erhebliche Menge an Material benötigt wird, um eine ausreichende Lösungsviskosität zu erzielen (die für Elektrospinnen erforderlich ist, wie Kettenverhakungen zur Faserbildung notwendig). Daher kann Elektro keine geeignete Option für die edlen Materialien sein; Elektrosprühen verwendet im allgemeinen niedrigere Konzentrationen und ist somit im Hinblick auf die erforderliche Menge an Material weniger anspruchsvoll. Wenn die Probenmenge sehr begrenzt ist, kann es möglich sein, um Materialverlust durch Weglassen Verbinderrohr (die ansonsten sorgt für zusätzliche Totvolumen) zu reduzieren. Schließlich ist die Bestimmung der kritischen Oberflächenspannung beruht aufdie Verwendung von verschiedenen Sonden Flüssigkeiten, die auch unterschiedliche Viskositäten besitzen. Als solches hat dieses Verfahren einen potentiellen Einschränkung in dem Viskosität ist auch ein Faktor, der zu diesen Ergebnissen.
Superhydrophoben Materialien sind eine aufregende Klasse von Biomaterialien, die finden, sind verstärkte Einsatz für eine Reihe von Anwendungen in der Wirkstofftransport, Gewebezüchtung, Wundheilung und Antifouling. Verschiedene Techniken existieren zum Verbessern Oberflächenrauhigkeit Materialien zur biomimetischen und nicht benetzend Anwendungen, wie Schicht-für-Schicht-Anordnung 15, eine Mikro / Mikrotexturieren 102, Elektrospinnen 1,5,13 und 32 Elektrosprühen. Dieser Ansätze, Elektrospinnen und Elektrospray-Verfahren sind besonders attraktiv aufgrund ihrer Skalierbarkeit und allgemeine Verträglichkeit mit darunterliegenden Substraten. Zusammenfassend ist diese Strategie die Kombination der Polymerchemie und Verfahrenstechnik ein vielseitiges und allgemeinen eine, die anderen ermöglichen wirdForscher zur Vorbereitung, zu charakterisieren und zu studieren neue Biomaterialien, wo Benetzbarkeit der Materialien ist ein wichtiger Design-Merkmal.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Silicone oil | Sigma-Aldrich | 85409 | |
| Cis-2-Phenyl-1,3-dioxan-5-ol | Sigma-Aldrich | 13468 | |
| Benzyl bromide | Sigma-Aldrich | B17905 | Toxic, lacrymator/eye irritant, use in chemical fume hood |
| Potassium hydroxide | Sigma-Aldrich | 221473 | Corrosive |
| Rotary evaporator | Buchi | R-124 | |
| High-vacuum pump | Welch | 8907 | |
| Nitrogen, ultra high purity | Airgas | NI UHP300 | Compressed gas |
| Tetrahydrofuran, stabilized with BHT | Pharmaco-Aaper | 346000 | Flammable. Dried through column of XXX |
| Dichloromethane | Pharmaco-Aaper | 313000 | Flammable, toxic. |
| Separatory funnel (1 L) | Fisher Scientific | 13-678-606 | |
| Sodium sulfate | Sigma-Aldrich | 239313 | |
| Ethanol, absolute | Pharmaco-Aaper | 111USP200 | Flammable, toxic. |
| Buchner funnel | Fisher Scientific | FB-966-F | |
| Methanol | Pharmaco-Aaper | 339000ACS | Flammable, toxic. |
| Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 320331 | Corrosive. Diluted to 2N in distilled water. |
| Ethyl chloroformate, 97% | Sigma-Aldrich | 185892 | Toxic, flammable, harmful to environment |
| Triethylamine (anhydrous) | Sigma-Aldrich | 471283 | Toxic, flammable, harmful to environment |
| Diethyl ether | Pharmaco-Aaper | 373ANHACS | Highly flammable. Purified through XXX column. |
| 3,6-Dimethyl-1,4-dioxane-2,5-dione (D,L-lactide) | Sigma-Aldrich | 303143 | |
| Tin (II) ethylhexanoate | Sigma-Aldrich | S3252 | Toxic. |
| ε-caprolactone (97%) | Sigma-Aldrich | 704067 | |
| Toluene, anhydrous | Sigma-Aldrich | 244511 | Flammable, toxic. |
| Glass syringe | Hamilton Company | 1700-series | |
| Deuterated chloroform | Cambridge Isotopes Laboratories, Inc. | DLM-29-10 | Toxic |
| Nuclear magnetic resonance instrument | Varian | V400 | |
| Palladium on carbon catalyst | Strem Chemicals, Inc. | 46-1707 | |
| Hydrogenator unit | Parr | 3911 | |
| Hydrogenator shaker vessel | Parr | 66CA | |
| Hydrogen | Airgas | HY HP300 | Highly flammable. |
| Diatomaceous earth | Sigma-Aldrich | 22140 | |
| 2H,2H,3H,3H-perflurononanoic acid | Oakwood Products, Inc. | 10519 | Toxic. |
| Stearic acid | Sigma-Aldrich | S4751 | |
| N,N’-dicyclohexylcarbodiimide | Sigma-Aldrich | D80002 | Toxic, irritant. |
| 4-(dimethylamino) pyridine | Sigma-Aldrich | 107700 | Toxic. |
| Hexanes | Pharmaco-Aaper | 359000ACS | Toxic, flammable. |
| Gel permeation chromatography (GPC) system | Rainin | ||
| GPC column | Waters | WAT044228 | |
| Differential scanning calorimeter | TA Instruments | Q100 | |
| Chloroform | Pharmaco-Aaper | 309000ACS | Toxic. |
| N,N-dimethylformamide | Sigma-Aldrich | 227056 | Toxic, flammable. |
| Polycaprolactone, MW 70-90 kg/mol | Sigma-Aldrich | 440744 | |
| Poly(lactide-co-glycolide), MW 136 kg/mol | Evonik Industries | LP-712 | |
| 10 ml glass syringe | Hamilton Company | 81620 | |
| 18 AWG blunt needle | BRICO Medical Supplies | BN1815 | |
| Electrospinner enclosure box | Custom-built | N/A | Made of acrylic panels |
| High voltage DC supply | Glassman High Voltage, Inc. | PS/EL30R01.5 | High voltages, electrocution hazard |
| Linear (translating) stage | Servo Systems Co. | LPS-12-20-0.2 | Optional |
| Programmable motor & power supply | Intelligent Motion Systems, Inc. | MDrive23 Plus | Optional |
| 24V DC motor & power supply | McMaster-Carr | 6331K32 | Optional |
| Aluminum collector drum | Custom-built | Optional | |
| Syringe pump | Fisher Scientific | 78-0100I | |
| Inverted optical microscope | Olympus | IX70 | |
| Scanning electron microscope | Carl Zeiss | Supra V55 | |
| Conductive copper tape | 3M | 16072 | |
| Aluminum SEM stubs | Electron Microscopy Sciences | 75200 | |
| Contact angle goniometer | Kruss | DSA100 | |
| Propylene glycol | Sigma-Aldrich | W294004 | Toxic. |
| Ethylene glycol | Sigma-Aldrich | 324558 | Toxic. |
| Ioxaglate | Guerbet | ||
| Fetal bovine serum | American Type Culture Collection | 30-2020 | |
| Micro-computed tomography instrument | Scanco | ||
| Image analysis software (Analyze) | Mayo Clinic | ||
| Tensile tester | Instron | 5848 | |
| Micrometer | Multitoyo | 293-340 | |
| Calipers | Fisher Scientific | 14-648-17 |
References
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