Fabriceren superhydrophobic polymere materialen voor biomedische toepassingen

Het algemene doel van het volgende experiment is het vervaardigen van biologisch afbreekbare vezelige mazen en nano- of micropartikelcoatings uit mengsels van biomedische polymeren, en het afstemmen van de bevochtigbaarheid van deze materialen door het copolymeermengsel te variëren. Dit wordt bereikt door eerst functionele copolymeren te synthetiseren in een ringopeningspolymerisatie en vervolgens koolwaterstof-C18-ketens aan te enten. Als tweede stap worden de copolymeren samen met polycaprolacton of lactide-coglycolide opgelost in een organisch oplosmiddel en vervolgens ge-electrospun of ge-electrosprayed, wat respectievelijk resulteert in driedimensionale microvezelmazen of nano-micropartikelcoatings.

Vervolgens worden contacthoekgoniometrie-onderzoeken uitgevoerd op de mazen en coatings om te begrijpen hoe de vezeldiameter, de copolymeersamenstelling en de mengselsamenstelling de bevochtigbaarheid van het oppervlak beïnvloeden en leiden tot superhydrofobe biomaterialen. De resultaten laten zien hoe hydrofobiciteit wordt versterkt door de concentratie copolymeer in het electrospun mengsel te verhogen, zoals bepaald door studies naar de stijgende en dalende watercontacthoek. De implicaties van deze techniek reiken tot situaties zoals chemotherapie, aangezien deze materialen kunnen dienen als lokale depots voor geneesmiddelentoediening voor gecontroleerde afgifte van ingesloten stoffen, waarbij de bijbehorende afgifte van het geneesmiddel regelbaar is via de polymeersamenstelling en de ruwheid van het oppervlak.

Begin met het synthetiseren van het voor het experiment benodigde monomeer door de instructies in het bijbehorende tekstprotocol te volgen. Verwarm vervolgens een siliconenoliebad voor tot 140 °C. Weeg twee porties van elk 2,1 g 5-benzyloxy-1,3-dioxaan af en voeg deze toe aan afzonderlijke droge ronde bodemkolven van 100 mL.

Meet vervolgens 5,7 gram DL-lactide af en voeg dit toe aan slechts één van deze kolven. Voeg aan beide kolven een magnetische roerkolf toe en sluit de kolven af met rubberen stoppen. Meet daarna 240 milligram tin(II)ethylexlaat af in een kleine peer-vormige kolf.

Spoel beide kolven die de monomeer bevatten gedurende vijf minuten met stikstof via een flankmanifold, en voeg vervolgens onder stikstof 4,24 milliliter epsilon-caprolacton toe aan de kolf die alleen 5-benzyloxy-1,3-dioxaan-2-on bevat; trek in alle drie de kolven een hoog vacuüm van ongeveer 300 millitorr gedurende 15 minuten om alle sporen van water te verwijderen. Vul vervolgens de atmosfeer in de kolven opnieuw met stikstof en trek opnieuw een hoog vacuüm. Herhaal deze cyclus in totaal drie keer.

Nadat deze voor de laatste keer zijn gespoeld en onder stikstof staan, worden de monomeriekolven in het oliebad van 140 °C geplaatst. Voeg vervolgens 500 µL droog tolueen toe aan de peervormige kolf met de tinkatalysator onder stikstof, terwijl ongeveer 100 µL van de katalysatoroplossing aan de monomeermengsels wordt toegevoegd. Zodra alle vaste stoffen zijn gesmolten, wordt het mengsel maximaal 24 uur op 140 °C gehouden.

Koel vervolgens het gesmolten polymeer af tot kamertemperatuur. Zodra het is afgekoeld, lossen de polymeren op in 50 milliliters dichloormethaan en wordt de oplossing vervolgens neergeslagen in 200 milliliters koude methanol. Giet het supernatant af en droog het resterende polymeer onder hoog vacuüm.

Bewaar de gedroogde polymeren in de vriezer bij -20 °C tot een later tijdstip. Los vervolgens ongeveer zes gram van het polymeer op in 120 milliliter tetrahydraan in een hogedruk-hydrogeneringsvat. Voeg daarna twee gram palladium op koolstof-katalysator toe.

Voeg vervolgens waterstof toe aan het vat met behulp van een hydrogenatieapparaat. Voer de hydrogenatie in het vat uit bij 50 PSI gedurende vier uur. Filter na voltooiing de palladium-op-koolstofkatalysator uit met behulp van een gepakt bed van kiezelaarde.

Concentreer het polymeer vervolgens tot ongeveer 50 milliliters met een rotatieverdamper. Precipiteer het resterende volume in koude methanol. Decanteer daarna het supernatant en droog het overgebleven volume onder hoog vacuüm; los het gedroogde polymeer samen met 1,5 equivalenten stearinezuur op in 500 milliliters droog dichloormethaan.

Voeg vervolgens twee equivalenten DCC en drie vlokken dimethylaminopyridine toe. Roer het mengsel onder stikstof gedurende 24 uur bij kamertemperatuur. Verwijder het onoplosbare materiaal via een reeks van drie herhaalde filtraties en concentraties.

Concentreer de oplossing aan het einde tot 50 milliliters. Precipiteer vervolgens het geconcentreerde polymeer in 175 milliliters koude methanol en filter het polymeer met een Buchnertrechter. Droog het polymeer vervolgens onder hoog vacuüm gedurende de nacht voor electro spinning; los het polymeer voor electro spraying gedurende de nacht op in een concentratie van 10 tot 40% in een mengsel van chloroform en methanol in een verhouding van vijf op één voor polycaprolacton, of een mengsel van tetrahydrofuraan en N,N-dimethylformamide in een verhouding van zeven op drie voor PLGA.

Bereid de polymeeroplossingen voor in een lagere concentratie in het bereik van 2 tot 10% in een oplosmiddel zoals chloroform. Laad vervolgens ongeveer 4,5 milliliter van de oplossing in een glazen spuit uitgerust met een naald van 18 gauge en plaats de spuit op de spuitpomp. Stel vervolgens de snelheid waarmee deze oplossing wordt gedoseerd in op vijf milliliter per uur.

Bedek de opvangplaat met aluminiumfolie en bevestig de folie met schilderstape langs de buitenranden. Sluit de draad van de hoogspannings-DC-voeding aan op de naaldpunt en de aarding op de opvangtrommel. Als eerste poging.

Stel de afstand tussen de tip en de collector in op 15 centimeters om een groot oppervlak te bestrijken. Schakel de roterende en translerende collectortrommel in op 45 RPMs. Start vervolgens de spuitenpomp en schakel de ingestelde hoogspanningsbron in.

Stel bij vijf kilovolt de spanning indien nodig aanvankelijk bij om een acceptabele Taylor-kegel te verkrijgen. Zodra de spuitpompsysteem stopt, schakelt u de hoogspanningsbron uit, gevolgd door de spuitpomp en de gemotoriseerde trommel. Laat de behuizing van de elektrospinning nog ten minste 30 minuten ventileren.

Verwijder vervolgens het verzamelde polymeer van de trommel en laat sporen van oplosmiddelen 's nachts in een zuurkast verdampen. PGLA-vliezen kunnen gedurende ten minste twee weken bij kamertemperatuur worden bewaard, en polycaprolacton-vliezen kunnen tot twee maanden bij kamertemperatuur worden bewaard. Snijd strips van 0,5 centimeter bij drie centimeter van het gaas of het gecoate materiaal en plaats de dunne strip op de houder van een contacthoekmeter.

Gebruik een goniometer om een druppel water van 5 µL te dispenseren met een naald van 24 gauge. Om contact te maken met het materiaaloppervlak, wordt er langzaam nog eens 20 tot 25 µL water toegevoegd, waarna de afbeelding van de druppel wordt vastgelegd. Dit vertegenwoordigt de stijgende contacthoek van het water. Vervolgens wordt dezezelfde druppel langzaam teruggetrokken, terwijl gelijktijdig het druppelprofiel wordt vastgelegd.

Herhaal dit proces 10 keer op verschillende afzonderlijke locaties op het oppervlak om een gemiddelde waarde te rapporteren. SEM-beeldvorming laat zien dat de elektrogesponnen netten het resultaat zijn van verstrengelde microvezels en dat de elektrogespoten coatings een verzameling deeltjes van verschillende grootten zijn. Mengsels van elektrospinnen en elektrospuiten onthullen dat de concentratie copolymeer-dopamine de hydrofobiciteit beïnvloedt.

Bovendien beïnvloedt de samenstelling van het copolymeer de hydrofobiciteit, waarbij een hoger PG C 18-gehalte leidt tot hogere contacthoeken zoals hier getoond; de bulkbenatting van ondergedompelde elektrogesponnen mazen kan non-destructief in de loop van de tijd worden gevolgd met behulp van micro-computertomografie. In de bovenste set afbeeldingen is te zien dat het pure polycaprolacton-netwerk snel nat wordt doordat water in de eerste dag het bulkmateriaal infiltreert.

In tegenstelling hiertoe blijft het gaas dat is behandeld met 30% P-C-L-P-G-C 18 langer dan 75 dagen niet-bevochtigd, waarbij lucht in de bulkstructuur behouden blijft. Deze resultaten illustreren het belang van superhydrofobe bulkmaterialen voor gebruik in niet-bevochtigende toepassingen. Eenmaal onder de knie, kan de polymeerchemische procedure met een zorgvuldige planning in slechts drie tot vier dagen worden uitgevoerd.

Bovendien kan, zodra de geschikte parameters voor electrospinning of electrospraying zijn bepaald, de fabricage van mazen en partikelcoatings in één tot drie uur worden uitgevoerd, afhankelijk van de gewenste dikte van deze materialen.