Name: Wytwarzanie superhydrofobowych materiałów polimerowych do zastosowań biomedycznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-08-28T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 22 s
Description: Poznaj metody wytwarzania biodegradowalnych siatek włóknistych i powłok nanocząsteczkowych z polimerów biomedycznych. Techniki elektroprzędzenia i elektrosprejowania pozwalają uzyskać superhydrofobowe właściwości powierzchni.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Finansowanie zostało częściowo zapewnione przez BU i NIH R01CA149561. Autorzy pragną podziękować zespołowi zajmującemu się elektroprzędzeniem/elektronatryskiwaniem, w skład którego wchodzą Stefan Yohe, Eric Falde, Joseph Hersey i Julia Wang, za ich pomocne dyskusje i wkład w przygotowanie i charakteryzację biomateriałów superhydrofobowych.

1. Synteza funkcjonalizowalnego poli(węglanu 1,3-glicerolu-ko-kaprolaktonu)29 i poli(węglanu 1,3-glicerolu-ko-laktydu)27,28.
<ol>
	<li>Synteza monomerów.
	<ol>
		<li>Rozpuścić cis-2-fenylo-1,3-dioksan-5-ol (50 g, 0,28 mola, 1 ekwiwalent) w 500 ml suchego tetrahydrofuranu (THF) i wymieszać na lodzie pod azotem. Dodać wodorotlenek potasu (33,5 g, 0,84 mola, 3 eg.), drobno rozdrobniony moździerzem i tłuczkiem. Umieścić kolbę w łaźni lodowej.</li>
		<li>Dodawać kroplami 49,6 ml bromku benzylu (71,32 g, 0,42 mola, 1,5 eq), mieszając na lodzie. Pozwól, aby reakcja ogrzała się do temperatury pokojowej, mieszając przez 24 godziny, pod azotem.</li>
		<li>Dodać 150 ml wody destylowanej, aby rozpuścić wodorotlenek potasu i usunąć THF przez odparowanie obrotowe.</li>
		<li>Ekstrahować pozostały materiał za pomocą 200 ml dichlorometanu (DCM) w 1-litrowym rozdzielaczu separatora. Powtórz ekstrakcję dwukrotnie.</li>
		<li>Wysuszyć fazę organiczną na siarczanie sodu.</li>
		<li>Skrystalizować produkt, dodając 600 ml absolutnego etanolu do roztworu, dobrze mieszając i przechowując przez noc w temperaturze -20 °C. Produkt może być przechowywany w temperaturze -20 °C przez kilka dni przed wykonaniem kolejnych czynności.</li>
		<li>Wyizolować produkt przez filtrację próżniową przez lejek Büchnera i wysuszyć w wysokiej próżni. Produkt może być przechowywany przez kilka dni przed wykonaniem kolejnych czynności. Typowa wydajność dla tego kroku to ~80%.</li>
		<li>W kolbie okrągłodennej o pojemności 1 l zawiesić produkt otrzymany w kroku 1.1.7 w metanolu (300 ml). Dodać 150 ml 2 N kwasu solnego. Refluks w temperaturze 80 °C przez 2 godziny.</li>
		<li>Odparować rozpuszczalnik i umieścić w wysokiej próżni na 24 godziny. Wydajność na tym etapie wynosi zwykle >98%.</li>
		<li>Rozpuścić produkt o stężeniu 1.1.9 w THF (650 ml) i przenieść do kolby okrągłodennej o pojemności 2 l. Umieścić kolbę na łaźni lodowej i wymieszać pod azotem. Dodać 22,4 ml chloromrówczanu etylu (25,6 g, 0,29 mola, 2 egw.) do kolby pod azotem.</li>
		<li>Dodać 32,8 ml trietyloaminy (0,29 mola, 2 eg.) do lejka do dodawania. Wymieszać z równą objętością THF. Umieścić lejek do dodawania na kolbie okrągłodennej i przechowywać pod azotem.</li>
		<li>Energicznie mieszając, ostrożnie dozować kroplami mieszaninę trietyaminy/THF do kolby okrągłodennej na lodzie. UWAGA: jest to reakcja egzotermiczna. Aby zapobiec szybkiemu wzrostowi temperatury, dodaj roztwór trietyloaminy/THF nie szybciej niż 1 kropla na sekundę. Po dodaniu pełnej objętości mieszaj reakcję przez 4 godziny, podgrzewając do temperatury pokojowej lub przez 24 godziny.</li>
		<li>Odfiltrować sól chlorowodorku trietyloaminy za pomocą lejka Büchnera. Odparować rozpuszczalnik na wyparce obrotowej.</li>
		<li>Dodać dichlorometan (200 ml) do kolby i delikatnie podgrzewać, aż pozostałość się rozpuści. Dodać 120 ml eteru dietylowego podczas wirowania. Przechowywać w temperaturze -20 °C przez noc w celu wykrystalizacji produktu.</li>
		<li>Przefiltruj kryształy monomeru i ponownie krystalizuj przed polimeryzacją. Produkt monomeru można przechowywać szczelnie zamknięty w temperaturze pokojowej przez 2 tygodnie lub w temperaturze -20 °C przez czas nieokreślony. Potwierdź produkt za pomocą 1H NMR, spektrometrii mas i analizy elementarnej. Typowa wydajność dla tego końcowego etapu syntezy monomeru wynosi od 40 do 60%.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kopolimeryzacja D,L-laktydu/ε-kaprolaktonu z 5-benzyloksy-1,3-dioksan-2-onem.
	<ol>
		<li>Podgrzać kąpiel silikonowo-olejową do temperatury 140 °C.</li>
		<li>Odmierzyć 2,1 g 5-benzyloksy-1,3-dioksan-2-onu (przygotowanego w 1.1) i dodać do suchej kolby okrągłodennej o pojemności 100 ml. W przypadku kopolimeryzacji D,L-laktydu odmierzyć 5,7 g i dodać do kolby. Dodać mieszadło magnetyczne i zamknąć kolbę gumowym korkiem.
		<ol>
			<li>Odmierz również 240 mg (nadmiar) etyloheksanianu cyny(II) w małej kolbie w kształcie gruszki. W wyniku tej polimeryzacji powstanie monomer węglanu glicerolu o stężeniu 20% molowym. Dostosuj masy monomerów, aby uzyskać różne kompozycje monomerów.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Przepłukać obie kolby azotem na kolektorze Schlenka przez 5 minut i dodać 4,24 ml ε-kaprolaktonu pod wpływem azotu. Opróżnić atmosferę kolb, stosując wysoką próżnię (300 mTorr) przez 15 minut w celu usunięcia śladowych ilości wody.</li>
		<li>Napełnij atmosferę kolb azotem; powtórz ten cykl jeszcze dwa razy.</li>
		<li>Zmieszać 500 μl suchego toluenu z katalizatorem cynowym pod azotem.</li>
		<li>Umieścić kolbę monomeru w łaźni olejowej o temperaturze 140 °C i dodać katalizator, gdy wszystkie ciała stałe się stopią. Całkowita objętość dostarczonej mieszaniny katalizatora powinna wynosić ~100 μl. Przechowywać w temperaturze 140 °C nie dłużej niż 24 godziny, a następnie schłodzić stopiony polimer do temperatury pokojowej. Kolejne kroki należy wykonać natychmiast lub co najmniej 24 godziny później.</li>
		<li>Rozpuścić polimer w dichlorometanie (50 ml) i wytrącić w zimnym metanolu (200 ml). Zdekantować supernatant i wysuszyć w wysokiej próżni. Kolejne kroki można wykonać natychmiast lub w dowolnym momencie. Przechowuj polimery w zamrażarce do czasu dalszego użycia. Typowa wydajność/konwersja polimeryzacji wynosi od 80 do 95%.</li>
		<li>Wykonaj 1-godzinnąanalizę NMR, aby określić stosunki molowe komonomeru. Rozpuścić polimer w deuterowanym chloroformie (CDCl3) i zintegrować przesunięcie protonów benzylowych monomeru węglanowego przy 4,58-4,68 ppm; porównać ten obszar piku z obszarem piku metylenu przy 2,3 ppm (PCL) i piku metylu przy 5,2 ppm (PLGA).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Modyfikacja polimeru: deprotekcja i szczepienie.
	<ol>
		<li>Rozpuść polimer (~7 g) w 120 ml tetrahydrofuranu (THF) w naczyniu do uwodornienia pod wysokim ciśnieniem. Zważyć i dodać katalizator palladowo-węglowy (~2 g).</li>
		<li>Dodać wodór do naczynia za pomocą aparatu do uwodornienia. Uwodornianie pod ciśnieniem 50 psi przez 4 godziny. UWAGA: gazowy wodór jest skrajnie łatwopalny. Zwróć się o pomoc do osób zaznajomionych z tą procedurą i zawsze sprawdzaj przewody zasilające pod kątem ewentualnych wycieków przed wykonaniem tego eksperymentu.</li>
		<li>Odfiltruj katalizator palladowo-węglowy za pomocą upakowanego złoża ziemi okrzemkowej. Zagęścić polimer do ~50 ml przy odparowaniu rotacyjnym i wytrącić w zimnym metanolu. UWAGA: Suche cząstki palladu mogą ulec samozapłonowi. Trzymaj w pobliżu mokry ręcznik na wypadek zaostrzenia, aby zdusić płomienie. Dodaj wodę do placka filtracyjnego palladowo-węglowego, aby utrzymać go w grudkach i zapobiec jego zapłonowi. Zwróć się o pomoc do osób zaznajomionych z tą procedurą.</li>
		<li>Zdekantować supernatant i wysuszyć w wysokiej próżni. Potwierdź całkowitą konwersję do wolnego hydroksylu, odnotowując zanik piku przy 4,65 ppm (1H NMR w CDCl3). Polimery te można wykorzystać od razu lub zachować do późniejszego wykorzystania. Plony na tym etapie wynoszą >90%.</li>
		<li>Rozpuścić polimer i kwas stearynowy (1,5 eq) w 500 ml suchego dichlorometanu (DCM). Dodać N,N'-dicykloheksylokarbodiamimid (DCC, 2,0 eq) i 3 płatki 4-dimetyloaminopirydyny. Mieszać pod azotem w temperaturze pokojowej przez 24 godziny.</li>
		<li>Usunąć nierozpuszczalną N,N'-dicykloheksylokarboryneę poprzez serię powtarzających się filtracji i stężeń. Na koniec zagęścić roztwór do 50 ml.</li>
		<li>Wytrącić polimer do zimnego metanolu (~175 ml) i zdekantować supernatant. Wysuszyć polimer w wysokiej próżni przez noc. Późniejsze użycie tych polimerów można wykonać w dowolnym momencie, ale polimery należy przechowywać w zamrażarce do długotrwałego przechowywania. Wydajność dla tego ostatniego etapu modyfikacji wynosi zwykle od 85 do 90%.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

2. Charakterystyka syntetyzowanych kopolimerów
<ol>
	<li>Odważyć ~10 mg polimeru (zapisać rzeczywistą masę) i dodać do aluminiowej szalki na próbki, a następnie hermetycznie zamknąć. Załadować szalkę na próbkę i szalkę nieobciążoną (referencyjną) do różnicowego kalorymetru skaningowego.</li>
	<li>Zaprogramuj cykl narastania temperatury i chłodzenia ("ciepło/chłodzenie/ciepło"): 1) podgrzanie od 20 °C do 225 °C przy 10 °C/min, 2) schłodzenie do -75 °C przy 5 °C/min, 3) podgrzanie do 225 °C przy 10 °C/min.</li>
	<li>Oznaczyć temperaturę topnienia (Tm), krystalizację (Tc) i temperatury zeszklenia (Tg) oraz ciepło topnienia (ΔHf) na podstawie ścieżek termicznych (w stosownych przypadkach).</li>
	<li>Rozpuść każdy zsyntetyzowany kopolimer w THF (1 mg/ml) i przefiltruj przez filtr PTFE 0,02 μm. Wstrzyknąć roztwór do systemu chromatografii żelowej i porównać czas retencji z szeregiem wzorców polistyrenu.</li>
</ol>
3. Przygotowanie roztworów polimerowych do elektroprzędzenia/elektronatryskiwania27,31
<ol>
	<li>Rozpuścić polimer(y) w stężeniu 10-40% wag. w odpowiednim rozpuszczalniku, takim jak chloroform/metanol (5:1) dla PCL lub tetrahydrofuran/N,N-dimetyloformamid (7:3) dla PLGA, przez noc. Masa polimeru wymagana na tym etapie będzie zależeć od wymiarów pożądanej siatki. 
	Uwaga: Na przykład, aby wyprodukować siatkę o wymiarach 10 cm x 10 cm i grubości około 300 mikronów, zwykle wymagany jest 1 gram. Warto zauważyć, że w kolejnych krokach tego protokołu mogą wystąpić straty materiałowe, np. podczas przenoszenia roztworu do strzykawki (szczególnie w przypadku roztworów lepkich), oraz z martwych objętości obecnych w opcjonalnym wężyku łącznika i samej obudowie igły, co zmniejszy wydajność procesu elektroprzędzenia. Te spadki wydajności mogą spowodować do 20% strat materiału i zaleca się 1,5-krotne zwiększenie wydajności, aby przewidzieć te straty, a także straty związane z optymalizacją parametrów elektroprzędzenia przy pierwszej próbie tej procedury.
	<ol>
		<li>Kontroluj rozmiar włókien, zmieniając całkowite stężenie polimeru, przy czym większych włókien oczekuje się od bardziej skoncentrowanych roztworów. Aby uzyskać umiarkowane zwiększenie hydrofobowości, użyj 10% (w przeliczeniu na całkowitą masę polimeru) domieszki superhydrofobowej. W przypadku materiałów ekstremalnie hydrofobowych/superhydrofobowych należy użyć 30-50% domieszki i/lub zmniejszyć całkowite stężenie polimeru (tj. zmniejszyć rozmiar włókien). Kolejne prace z tymi roztworami można wykonać następnego dnia lub w ciągu jednego tygodnia później.</li>
		<li>Do elektrorozpylania należy przygotować roztwory o niższych stężeniach (tj. 2-10%) w odpowiednim rozpuszczalniku, takim jak chloroform. Podobnie jak w przypadku elektroprzędzenia, moduluj wielkość cząstek, zmieniając stężenie polimeru.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wirowy roztwór polimeru do dokładnego wymieszania. Poczekaj, aż duże pęcherzyki powietrza opadną (5 min).</li>
	<li>Roztwór należy załadować do szklanej strzykawki. W zależności od lepkości roztworu, najłatwiej jest usunąć tłok i wlać roztwór bezpośrednio do strzykawki. Kawałek obojętnej, elastycznej rurki może pomóc w manewrowaniu w konfiguracji do elektroprzędzenia. Odwrócić strzykawkę, aby wyprzeć powietrze przez zespół węża/igły.</li>
</ol>
4. Elektroprzędzenie/elektronatryskiwanie roztworów polimerowych
<ol>
	<li>Załadować strzykawkę do pompy strzykawkowej, ustawić całkowitą objętość (np. 4,5 ml) i szybkość (np. 5 ml/godz.), z jaką należy dozować ten roztwór.</li>
	<li>Przykryj płytę kolektora folią aluminiową, aby ułatwić późniejsze wyjmowanie i transport. Zabezpiecz folię taśmą maskującą wzdłuż zewnętrznych krawędzi.</li>
	<li>Podłącz przewód zasilający wysokiego napięcia DC (HVDC) do końcówki igły. Odległość tej końcówki igły od kolektora jest ważną zmienną do rozważenia, ponieważ 1) wpływa na pole elektryczne przy danym napięciu oraz 2) wpływa na parowanie rozpuszczalnika i w konsekwencji suszenie włókien podczas ich zbierania.
	<ol>
		<li>Jako pierwszą próbę użyj odległości między końcówką a kolektorem wynoszącej 15 cm. UWAGA: Wysokie napięcia i łatwopalne rozpuszczalniki są zaangażowane w elektroprzędzenie/elektronatryskiwanie. Zapewnić odpowiednią wentylację zewnętrznego wylotu i nigdy nie dotykać strzykawki/igły ani nie otwierać obudowy, dopóki nie upewnisz się, że dopływ HVDC jest wyłączony.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>W przypadku elektroprzędzenia/elektronatryskiwania dużego obszaru pokrycia, włącz obracający się i przesuwający bęben kolektora. W przeciwnym razie przejdź do następnego kroku.</li>
	<li>Uruchomić pompę strzykawkową.</li>
	<li>Włącz i wyreguluj źródło wysokiego napięcia, aby uzyskać akceptowalny stożek Taylora. Jeśli roztwór na końcówce igły opada, zwiększ napięcie. Jeśli tworzy się wiele strumieni, zmniejsz napięcie. Oprócz tych regulacji może być konieczne dostosowanie odległości końcówki do kolektora, jeśli włókna/cząstki wydają się mokre lub jeśli regulacja napięcia nie rozwiązuje odpowiednio problemu przeciągania się kropli na końcówce igły. 
	Uwaga: Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat rozwiązywania problemów, zapoznaj się z kompleksowym procesem optymalizacji elektroprzędzenia przez Leach i współpracowników47. Natryskiwanie elektryczne na ogół wiąże się z wyższymi napięciami i niższymi stężeniami roztworu niż elektroprzędzenie.</li>
	<li>Wyłącz źródło wysokiego napięcia, a następnie pompę strzykawkową i bęben z napędem silnikowym (jeśli dotyczy). Pozwól, aby komora elektrowirowania kontynuowała wentylację przez 30 minut.</li>
	<li>Usuń siatki/powłoki z kolektora. Pozwól, aby rozpuszczalniki śladowe odparowały w okapie przez noc. Materiały mogą być przechowywane w temperaturze pokojowej przez co najmniej dwa tygodnie (PLGA) lub dwa miesiące (PCL). Kroki 4.5-4.8 można wykonać w dowolnej kolejności.</li>
</ol>
5. Charakteryzacja włókien i wielkości cząstek za pomocą światła i skaningowej mikroskopii elektronowej
<ol>
	<li>Mikroskopia świetlna
	<ol>
		<li>Jeśli tworzysz siatkę elektroprzędzoną, wytnij i zamontuj jej cienkie części na szkiełku podstawowym.</li>
		<li>Obserwuj średnicę włókna, charakterystykę węzłów (plamy lub dyskretne) i kształt włókna (tj. koralikowate, płaskie, proste/faliste). Idealne włókna siatki elektroprzędzonej są jednolite, proste lub faliste i pozbawione koralików.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)
	<ol>
		<li>Wytnij i zamontuj siatki lub powlekane powierzchnie na aluminiowych króćcach SEM za pomocą przewodzącej taśmy miedzianej. Włókna elektroprzędzone i powłoki natryskiwane elektrycznie można również obserwować za pomocą SEM poprzez bezpośrednie osadzanie włókien/cząstek na taśmie z wyprzedzeniem.</li>
		<li>Pokryj siatki/powłoki cienką (~4 nm) warstwą Au/Pd poprzez napylanie napylane.</li>
		<li>Załaduj króćce do komory SEM i obserwuj przy 1-2 keV. Powiększenie 250x zapewnia ogólną ocenę topograficzną materiału, podczas gdy większe powiększenia ujawniają dodatkowe cechy włókien i cząstek, takie jak hierarchiczne wzory dla wyjątkowo superhydrofobowych włókien i wzajemne połączenia dla powłok cząsteczkowych.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Określanie właściwości niezwilżających
<ol>
	<li>Pomiary kąta zwilżania wody w ruchu posuwistym i cofającym się metodą zmiany objętości
	<ol>
		<li>Wytnij cienkie (0,5 cm x 5 cm) paski siatki lub materiału powlekanego (jeśli to możliwe) i umieść na stoliku goniometru kąta zwilżania.</li>
		<li>Uchwyć profil kropli wody podczas dozowania jej (z igły strzykawkowej 24 AWG) na powierzchni materiału.
		<ol>
			<li>Aby to zrobić, zacznij od około 5-μl kropli i nawiąż kontakt z powierzchnią materiału. Kontynuuj powolne zwiększanie objętości (20-25 μl) i uchwyć obraz kropli, który reprezentuje postępujący kąt zwilżania wody. Końcówka igły powinna być mała w porównaniu z kroplą, a długość kapilary powinna być większa niż kropla, aby zminimalizować zniekształcenia kształtu kropli.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Wycofaj tę samą kroplę, jednocześnie przechwytując jej profil upuszczania. Powtórz na dyskretnych położeniach powierzchni kilku próbek, aby uzyskać średnią wartość - zazwyczaj 10 pomiarów zarówno napierających, jak i oddalających się kątów zwilżania wystarcza do scharakteryzowania tych materiałów.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Określ krytyczne napięcie powierzchniowe materiałów, modyfikując ciecze pomiarowe.
	<ol>
		<li>Przygotuj roztwory o różnej zawartości etanolu, glikolu propylenowego lub glikolu etylenowego, ponieważ mieszaniny te mają znane napięcia powierzchniowe99-101.
		<ol>
			<li>Alternatywnie można użyć rozpuszczalników o różnym napięciu powierzchniowym - na przykład wody (72 mN/m), glicerolu (64 mN/m), dimetylosulfotlenku (44 mN/m), alkoholu benzylowego (39 mN/m), 1,4-dioksanu (33 mN/m), 1-oktanolu (28 mN/m) i acetonu (25 mN/m). Ważne jest, aby używać rozpuszczalników, które nie rozpuszczą polimerów, ponieważ mogą one zakłócić wyniki. Dodatkowo należy zauważyć, że oprócz napięcia powierzchniowego ciecze te mają różną lepkość, co może mieć wpływ na pomiary kąta zwilżania i jest ograniczeniem tej techniki.</li>
			<li>Zmierz kąt zwilżania tych roztworów sondowanych na powierzchni materiału. Wykreślić kąt zwilżania w funkcji napięcia powierzchniowego.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
7. Wykrywanie masowego zwilżania siatek31
<ol>
	<li>Obserwuj infiltrację wody do siatek 3D za pomocą mikrotomografii komputerowej (μCT).
	<ol>
		<li>Przygotować roztwór joksaganu (jodowego środka kontrastowego) o stężeniu 80 mg/ml w wodzie.</li>
		<li>Zanurz siatki w tych roztworach i inkubuj w temperaturze 37 °C; okresowo mierz infiltrację środka kontrastowego (wody) za pomocą μCT (rozdzielczość 18μm 3 wokseli) przy użyciu napięcia lampy 70 kVP, prądu 114 μA i czasu całkowania 300 ms.</li>
		<li>Korzystając z oprogramowania do przetwarzania obrazu, zmierz intensywność pikseli na całej grubości siatki, gdzie jasne piksele reprezentują infiltrację wody. Wybierz wartość progu pikseli (~1500), dla której wyższa intensywność oznacza infiltrację wody.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
8. Testowanie właściwości mechanicznych siatek
<ol>
	<li>Przyciąć oczka o wymiarach 1 cm x 7 cm i umieścić między uchwytami aparatu do prób rozciągania. Zmierz dokładną szerokość, długość i grubość.</li>
	<li>Wykonaj test rozciągania rampy na trzech próbkach. Wykreśl krzywą naprężenie-odkształcenie, korzystając z tych danych, aby określić moduł sprężystości, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie przy zerwaniu.</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Nasze podejście do konstruowania materiałów superhydrofobowych z polimerów biomedycznych łączy chemię polimerów syntetycznych z technikami przetwarzania polimerów elektroprzędzenia i elektronatryskiwania. Techniki te zapewniają odpowiednio włókna lub cząstki. W szczególności przy użyciu tej strategii przygotowuje się materiały superhydrofobowe na bazie polikaprolaktonu i poli(laktydu-ko-glikolidu). Poprzez zmianę składu kopolimeru hydrofobowego, procentowej zawartości kopolimeru w końcowej mieszance polimerów, w...

Powierzchnie superhydrofobowe są zazwyczaj klasyfikowane jako wykazujące pozorne kąty zwilżania wody większe niż 150° z histerezą niskiego kąta zwilżania. Powierzchnie te są wytwarzane przez wprowadzenie wysokiej chropowatości powierzchni na materiałach o niskiej energii powierzchniowej w celu uzyskania wynikowej granicy faz powietrze-ciecz-ciało stałe, która jest odporna na zwilżanie1-6. W zależności od metody wytwarzania można przygotować cienkie lub wielowarstwowe powierzchnie superhydrofobowe, wielowarstwowe superhydrofobowe powłoki podłoża, a nawet masowe struktury superhydrofobowe. Ta trwała lub półtrwała hydrofobowość jest użyteczną właściwością, która jest wykorzystywana do przygotowania powierzchni samoczyszczących7, urządzeń mikroprzepływowych8, powierzchni przeciwporostowych komórek/białek9,10, powierzchni redukujących opór11 i urządzeń do dostarczania leków12-15. Ostatnio opisano materiały superhydrofobowe reagujące na bodźce, w których stan bez zwilżenia do zwilżenia jest wyzwalany przez sygnały chemiczne, fizyczne lub środowiskowe (np. światło, pH, temperaturę, ultradźwięki i zastosowany potencjał/prąd elektryczny)14,16-20, a materiały te znajdują zastosowanie w dodatkowych zastosowaniach21-25.
Pierwsze syntetyczne powierzchnie superhydrofobowe zostały przygotowane przez obróbkę powierzchni materiału metylodihalogenosilanami26 i miały ograniczoną wartość dla zastosowań biomedycznych, ponieważ użyte materiały nie nadawały się do użytku in vivo. W niniejszym artykule opisano przygotowanie powierzchniowych i sypkich materiałów superhydrofobowych z biokompatybilnych polimerów. Nasze podejście polega na elektroprzędzeniu lub elektronatryskiwaniu mieszaniny polimerów zawierającej biodegradowalny, biokompatybilny poliester alifatyczny jako główny składnik, domieszkowany hydrofobowym kopolimerem złożonym z poliestru i modyfikowanego stearynianem poli(węglanu glicerolu)27-30. Techniki wytwarzania zapewniają zwiększoną chropowatość i porowatość powierzchni odpowiednio na włóknach lub cząstkach i w ich obrębie, podczas gdy zastosowanie domieszki kopolimeru zapewnia polimer o niskiej energii powierzchniowej, który miesza się z poliestrem i może być stabilnie przędzony elektrolitycznie lub natryskiwany elektronatryskowo27,31,32.
Alifatyczne biopochodne poliestry, takie jak poli(kwas mlekowy) (PLA), poli(kwas glikolowy) (PGA), poli(kwas mlekowy-ko-glikolowy) (PLGA) i polikaprolakton (PCL) są polimerami stosowanymi w klinicznie zatwierdzonych urządzeniach i wyróżnianymi w badaniach nad materiałami biomedycznymi ze względu na ich nietoksyczność, biodegradowalność i łatwość syntezy33. PGA i PLGA zadebiutowały w klinice jako szwy bioresorbowalne w latach 60. i na początku lat 70., odpowiednio34-37. Od tego czasu te poli(hydroksykwasy) zostały przetworzone na wiele innych form specyficznych dla danego zastosowania, takich jak mikro-38,39 i nanocząstki40,41, płytki/krążki42, siatki27,43, pianki44 i folie45.
Alifatyczne poliestry, jak również inne polimery o znaczeniu biomedycznym, mogą być elektroprzędzone w celu wytworzenia struktur siatkowych z nano- lub mikrowłókien o dużej powierzchni i porowatości, a także wytrzymałości na rozciąganie. W tabeli 1 wymieniono polimery syntetyczne przędzone elektrolitycznie do różnych zastosowań biomedycznych oraz odpowiadające im referencje. Elektroprzędzenie i elektronatryskiwanie to szybkie i skalowalne komercyjnie techniki. Te dwie podobne techniki polegają na zastosowaniu wysokiego napięcia (odpychanie elektrostatyczne) w celu pokonania napięcia powierzchniowego roztworu/stopionego polimeru w konfiguracji pompy strzykawkowej, gdy jest ona skierowana w stronę uziemionego celu46,47. Gdy technika ta jest stosowana w połączeniu z polimerami o niskiej energii powierzchniowej (polimery hydrofobowe, takie jak monostearynian poli(kaprolaktonu-ko-glicerolu)), otrzymane materiały wykazują superhydrofobowość.
Aby zilustrować to ogólne podejście do przetwarzania syntetycznego i materiałów do konstruowania materiałów superhydrofobowych z polimerów biomedycznych, opisujemy syntezę superhydrofobowych materiałów na bazie polikaprolaktonu i poli(laktydu-ko-glikolidu) jako reprezentatywne przykłady. Odpowiednie domieszki kopolimeru poli(monostearynian kaprolaktonu-ko-glicerolu) i monostearynian poli(laktyd-ko-glicerynian) są najpierw syntetyzowane, następnie mieszane odpowiednio z polikaprolaktonem i poli(laktyd-ko-glikolidem), a na końcu elektroprzędzone lub elektronatryskiwane. Otrzymane materiały charakteryzują się obrazowaniem SEM i goniometrią kąta zwilżania oraz są testowane pod kątem biokompatybilności in vitro i in vivo. Na koniec bada się masowe zwilżanie przez trójwymiarowe siatki superhydrofobowe za pomocą mikrotomografii komputerowej ze wzmocnieniem kontrastowym.

<table><tbody><tr><td>Olej silikonowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>85409</td><td></td></tr><tr><td>Cis-2-Phenyl-1,3-dioxan-5-ol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>13468</td><td></td></tr><tr><td>Bromek benzylu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>B17905</td><td>Toksyczny, łzawiący / drażniący oczy, stosowany w dygestoriach chemicznych</td></tr><tr><td>Wodorotlenek potasu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>221473</td><td></td></tr><tr><td>Parownik obrotowy</td><td>Buchi</td><td>R-124</td><td></td></tr><tr><td>Pompa wysokopróżniowa</td><td>Welch</td><td>8907</td><td></td></tr><tr><td>Azot, ultra wysoka czystość</td><td>Airgas</td><td>NI UHP300</td><td>Sprężony gaz</td></tr><tr><td>Tetrahydrofuran, stabilizowany BHT</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>346000</td><td>Palny. Suszone przez kolumnę XXX</td></tr><tr><td>Dichlorometan</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>313000</td><td>Łatwopalny, toksyczny.</td></tr><tr><td>Lejek separacyjny (1 L)</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-678-606</td><td></td></tr><tr><td>Siarczan sodu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>239313</td><td></td></tr><tr><td>Etanol, absolutny</td><td>Farmako-Aaper</td><td>111USP200</td><td>Łatwopalny, toksyczny.</td></tr><tr><td>Lejek Buchnera</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB-966-F</td><td></td></tr><tr><td>Metanol</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>339000ACS</td><td>Łatwopalny, toksyczny.</td></tr><tr><td>Kwas solny</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>320331</td><td>. Rozcieńczony do 2N w wodzie destylowanej.</td></tr><tr><td>Chloromrówczan etylu, 97%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>185892</td><td>Toksyczny, łatwopalny, szkodliwy dla środowiska</td></tr><tr><td>Trietyloamina (bezwodna)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>471283</td><td>Toksyczny, łatwopalny, szkodliwy dla środowiska</td></tr><tr><td>Eter dietylowy</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>373ANHACS</td><td>Wysoce łatwopalny. Oczyszczony przez kolumnę XXX.</td></tr><tr><td>3,6-dimetylo-1,4-dioksan-2,5-dion (D,L-laktyd)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>303143</td><td></td></tr><tr><td>etyloheksanian cyny (II)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S3252</td><td>Toksyczny.</td></tr><tr><td>&epsilon;-kaprolakton (97%)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>704067</td><td></td></tr><tr><td>Toluen, bezwodny</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>244511</td><td>Łatwopalny, toksyczny.</td></tr><tr><td>Szklana strzykawka</td><td>Hamilton Company</td><td>1700-series</td><td></td></tr><tr><td>Deuterated chloroform</td><td>Cambridge Isotopes Laboratories, Inc.</td><td>DLM-29-10</td><td>Toksyczny</td></tr><tr><td>instrument do magnetycznego rezonansu jądrowego</td><td>Varian</td><td>V400</td><td></td></tr><tr><td>Pallad na katalizatorze węglowym</td><td>Strem Chemicals, Inc.</td><td>46-1707</td><td></td></tr><tr><td>Jednostka wodorowodorowa</td><td>Parr</td><td>3911</td><td></td></tr><tr><td>Wytrząsarka wodorowodornika</td><td>Parr</td><td>66CA</td><td></td></tr><tr><td>Wodór</td><td>Airgas</td><td>HY HP300</td><td>Wysoce łatwopalny.</td></tr><tr><td>Ziemia okrzemkowa</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>22140</td><td></td></tr><tr><td>2H,2H,3H,3H-kwas perflurononanowy</td><td>Oakwood Products, Inc.</td><td>10519</td><td>Toksyczny.</td></tr><tr><td>Kwas stearynowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S4751</td><td></td></tr><tr><td>N,N'-dicykloheksylokarbodimid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D80002</td><td>Toksyczny, drażniący.</td></tr><tr><td>4-(dimetyloamino)pirydyna</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>107700</td><td>Toksyczny.</td></tr><tr><td>Heksany</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>359000ACS</td><td>Toksyczne, łatwopalne.</td></tr><tr><td>System chromatografii żelowej (GPC)</td><td>Kolumna GPC Rainin</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Wody</td><td>WAT044228</td><td></td></tr><tr><td>Różnicowy kalorymetr skaningowy</td><td>TA Instrumenty</td><td>Q100</td><td></td></tr><tr><td>Chloroform</td><td>Pharmaco-Aaper</td><td>309000ACS</td><td>Toksyczny.</td></tr><tr><td>N,N-dimetyloformamid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>227056</td><td>Toksyczny, łatwopalny.</td></tr><tr><td>Polikaprolakton, MW 70-90 kg/mol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>440744</td><td></td></tr><tr><td>Poli(laktyd-ko-glikolid), MW 136 kg/mol</td><td>Evonik Industries</td><td>LP-712</td><td></td></tr><tr><td>10 ml szklana strzykawka</td><td>Hamilton Company</td><td>81620</td><td></td></tr><tr><td>18 AWG igła</td><td>BRICO Zaopatrzenie medyczne</td><td>BN1815</td><td></td></tr><tr><td>Skrzynka obudowy elektroprzędzarki</td><td>Budowana na zamówienie</td><td>Nie dotyczy</td><td>Wykonane z panele akrylowe</td></tr><tr><td>Zasilanie prądem stałym wysokiego napięcia</td><td>Glassman High Voltage, Inc.</td><td>PS/EL30R01.5</td><td>Wysokie napięcia, ryzyko porażenia prądem</td></tr><tr><td>Stolik liniowy (translacyjny)</td><td>Servo Systems Co.</td><td>LPS-12-20-0.2</td><td>Opcjonalny</td></tr><tr><td>programowalny silnik i zasilacz</td><td>Intelligent Motion Systems, Inc.</td><td>MDrive23 Plus</td><td>Opcjonalny</td></tr><tr><td>silnik 24 V DC i zasilacz</td><td>McMaster-Carr</td><td>6331K32</td><td>Opcjonalnie</td></tr><tr><td>Aluminiowy bęben kolektora</td><td>Zbudowany</td><td></td> na zamówienie <td>Opcjonalna</td></tr><tr><td>pompa strzykawkowa</td><td>Fisher Scientific</td><td>78-0100I</td><td></td></tr><tr><td>Odwrócony mikroskop optyczny</td><td>Olympus</td><td>IX70</td><td></td></tr><tr><td>Skaningowy mikroskop elektronowy</td><td>Carl Zeiss</td><td>Supra V55</td><td></td></tr><tr><td>Przewodząca taśma miedziana</td><td>3M</td><td>16072</td><td></td></tr><tr><td>Aluminiowe króćce SEM</td><td>Mikroskopia elektronowa Nauki</td><td>75200</td><td></td></tr><tr><td>Goniometr kąta zwilżania</td><td>Kruss</td><td>DSA100</td><td></td></tr><tr><td>Glikol propylenowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>W294004</td><td>Toksyczny.</td></tr><tr><td>Glikol etylenowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>324558</td><td>toksyczny.</td></tr><tr><td>Ioxaglate</td><td>Guerbet</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Płodowa surowica bydlęca</td><td>Kolekcja kultur typu amerykańskiego</td><td>30-2020</td><td></td></tr><tr><td>Przyrząd do mikrotomografii komputerowej</td><td>Oprogramowanie do</td> analizy obrazu Scanco <td></td><td></td></tr><tr><td>(Analizuj)</td><td>Mayo Clinic</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tester rozciągania</td><td>Instron</td><td>5848</td><td></td></tr><tr><td>Mikrometr</td><td>Multitoyo</td><td>293-340</td><td></td></tr><tr><td>Suwmiarki</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-648-17</td><td></td></tr></tbody></table>

wytwarzanie superhydrofobowych materiałów polimerowych do zastosowań biomedycznych

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

Materiały superhydrofobowe, których powierzchnie mają stałe lub metastabilne stany niezwilżone, są interesujące dla wielu zastosowań biomedycznych i przemysłowych. W tym miejscu opisujemy, w jaki sposób elektroprzędzenie lub elektronatryskiwanie mieszaniny polimerów zawierającej biodegradowalny, biokompatybilny alifatyczny poliester (np. polikaprolakton i poli(laktyd-ko-glikolid)), jako główny składnik, domieszkowany hydrofobowym kopolimerem złożonym z poliestru i modyfikowanego stearynianem poli(węglanu glicerolu), zapewnia superhydrofobowy biomateriał. Techniki wytwarzania elektroprzędzenia lub elektronatryskiwania zapewniają zwiększoną chropowatość i porowatość powierzchni odpowiednio na włóknach lub cząstkach i w ich obrębie. Zastosowanie domieszki kopolimeru o niskiej energii powierzchniowej, która miesza się z poliestrem i może być stabilnie elektroprzędzona lub natryskiwana elektrycznie, zapewnia te superhydrofobowe materiały. Omówiono ważne parametry, takie jak wielkość włókien, skład i/lub stężenie kopolimeru oraz ich wpływ na zwilżalność. To połączenie chemii polimerów i inżynierii procesowej zapewnia wszechstronne podejście do opracowywania materiałów specyficznych dla aplikacji przy użyciu skalowalnych technik, które prawdopodobnie można uogólnić na szerszą klasę polimerów do różnych zastosowań.

Poprzez szereg transformacji chemicznych syntezowany jest funkcjonalny monomer węglanowy 5-benzylooksy-1,3-dioksan-2-on w postaci białego krystalicznego ciała stałego (Rycina 1A). Spektroskopia 1H NMR potwierdza strukturę (Rycina 1B), a spektrometria mas i analiza elementarna potwierdzają skład. Ciało stałe to jest następnie copolymerizowane z D,L-laktydem lub ε-kaprolaktonem przy użyciu reakcji otwarcia pierścienia katalizowanej cyną w temperaturze 140 °C. Po oczyszc...

Dwu- i trójwymiarowe superhydrofobowe materiały polimerowe są przygotowywane przez elektroprzędzenie lub elektronatryskiwanie biodegradowalnych polimerów zmieszanych z polimerem o niższej energii powierzchniowej o podobnym składzie.

Wytwarzanie superhydrofobowych materiałów polimerowych do zastosowań biomedycznych

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

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest wytwarzanie biodegradowalnych sieci włókiennych oraz powłok z nanocząstek lub mikrocząstek z mieszanin polimerów biomedycznych i dostrajanie zwilżalności tych materiałów poprzez zmianę składu mieszaniny kopolimerów. Jest to realizowane poprzez wstępną syntezę funkcjonalnych kopolimerów w procesie polimeryzacji z otwarciem pierścienia, a następnie szczepienie łańcuchów węglowodorowych C 18. W drugim kroku kopolimery są rozpuszczane wraz z polikaprolaktonem lub laktydem-ko-glikolidem w rozpuszczalniku organicznym, a następnie poddawane elektroprzędzeniu lub elektrospraysowaniu, co prowadzi odpowiednio do powstania trójwymiarowych sieci mikrowłókien lub powłok z nano- i mikrocząstek.Następnie przeprowadzono badania goniometrii kąta zwilżania na siatkach i powłokach, aby zrozumieć, w jaki sposób średnica włókien, skład kopolimeru i skład mieszaniny wpływają na zwilżalność powierzchni i prowadzą do powstania superhydrofobowych biomateriałów. Wyniki pokazują, w jaki sposób hydrofobowość jest zwiększana poprzez zwiększenie stężenia kopolimeru w mieszaninie przędzonej elektrostatycznie, co określono na podstawie badań kąta zwilżania wody w fazi

fabricating-superhydrophobic-polymeric-materials-for-biomedical

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Dwa sąsiadujące ze sobą płyny przechodzące przez rowkowany kanał mikroprzepływowy mogą być skierowane tak, aby tworzyły osłonę wokół rdzenia prepolimerowego; określając w ten sposób zarówno kształt, jak i przekrój. Polimeryzacja inicjowana foto, taka jak chemia tiolowa, doskonale nadaje się do szybkiego zestalania płynu rdzeniowego w mikrofibrę o określonym rozmiarze i kształcie.

Mikroprzepływowa produkcja włókien polimerowych i biohybrydowych o wstępnie zaprojektowanym rozmiarze i kształcie

Przedstawiamy protokół syntezy mikrohydrożeli Janusa składających się całkowicie z tego samego materiału bazowego, poli(N-izopropylacrylamidu) (PNIPAAm), z wyraźnie podzieloną strukturą opartą na separacji faz przesyconego roztworu monomeru NIPAAm. Zsyntetyzowane mikrohydrożele Janus wykazują unikalne właściwości, takie jak anizotropowa termoczułość i zdolność ładowania organofilowego/hydrofilowego.

Synteza mikrohydrożeli Janusa z poli(N-izopropyloakrylamidu) Janusa dla anizotropowej reakcji termicznej i zdolności ładowania organofilowego/hydrofilowego

Ten artykuł opisuje praktyczne metody przygotowania hydrożeli w foliach wolnostojących i impregnowanych membranach oraz charakteryzuje ich właściwości fizyczne, w tym właściwości transportu wody.

Synteza hydrożeli o właściwościach przeciwporostowych jako membran do oczyszczania wody

Śliskie powierzchnie to nowy sposób na rozwiązanie problemu z przyczepnością. Protokół ten opisuje, jak wytwarzać śliskie powierzchnie w wysokich temperaturach. Wyniki pokazują, że śliskie powierzchnie wykazywały ochronę przed zamoczeniem cieczy i niezwykłe działanie przeciwadhezyjne na tkanki miękkie w wysokich temperaturach.

Przygotowanie i antyadhezja w wysokiej temperaturze śliskiej powierzchni na stali nierdzewnej

Opracowano strategię wytwarzania przyrostowego do przetwarzania hydrożeli sieciowanych UV. Strategia ta pozwala na montaż warstwa po warstwie mikroprefabrykowanych struktur hydrożelowych, a także na montaż niezależnych komponentów, co pozwala na uzyskanie zintegrowanych urządzeń zawierających ruchome elementy, które reagują na aktywację magnetyczną.

Technika wytwarzania przyrostowego do łatwego i szybkiego wytwarzania mikromaszyn na bazie hydrożelu z komponentami reagującymi magnetycznie

Przedstawiono protokół procesu produkcji polimerowych cienkowarstwowych struktur kompozytowych o różnych modułach lub grubościach Younga. Folie są produkowane do zaawansowanych badań nad kulturami komórkowymi lub jako kleje do skóry.

Cienkowarstwowe kompozytowe elastomery krzemowe do hodowli komórkowych i zastosowań skórnych: produkcja i charakterystyka

Ilustrujemy kilka metodologii produkcji superhydrofobowych powierzchni metalowych oraz badania ich trwałości i właściwości przeciwoblodzeniowych.

Wytwarzanie superhydrofobowych powierzchni metalowych do zastosowań przeciwoblodzeniowych

Ten protokół opisuje wytwarzanie urządzeń mikroprzepływowych z MY133-V2000 w celu wyeliminowania artefaktów, które często powstają w mikrokanałach z powodu niezgodności współczynników załamania światła między strukturami mikrokanalików a roztworem wodnym. Protokół ten wykorzystuje akrylowy uchwyt do ściskania zamkniętego urządzenia, poprawiając przyczepność zarówno chemicznie, jak i mechanicznie.

Produkcja urządzeń o dopasowanym współczynniku załamania światła dla mikrofluidyki biomedycznej

Ta praca przedstawia protokoły mikrofabrykacji do uzyskiwania wnęk i filarów o profilach reentrantowych i podwójnie reentrantowych na płytkach SiO2/Si za pomocą fotolitografii i suchego trawienia. Powstałe w ten sposób mikroteksturowane powierzchnie wykazują niezwykłą odporność na ciecze, charakteryzującą się solidnym, długotrwałym zatrzymywaniem powietrza pod zwilżającymi cieczami, pomimo wewnętrznej zwilżalności krzemionki.

Nadawanie powierzchniom SiO2/Si omnifobii poprzez rzeźbienie mikrotekstur zatrzymujących gaz, zawierających wnęki lub filary reentrantowe i podwójnie współbieżne

Protokół ten przedstawia metodę indukowaną światłem do wytwarzania śliskich, trójwymiarowych struktur poprzez sekwencyjne cyfrowe wzorowanie i szczepienie na nanoporowatych powierzchniach pokrytych silanem. To podejście umożliwia kontrolowane przestrzennie tworzenie śliskich obszarów, umożliwiając wzorzystą odstraszaczność cieczy oraz ilościową analizę śliskości między warstwami, z zastosowaniami w manipulacji płynami i inżynierii powierzchni.

Wzorowanie i szczepienie światłem dla śliskich powierzchni na podstawie nanoporowatych struktur powlekanych silanem

Poznaj metody wytwarzania biodegradowalnych siatek włóknistych i powłok nanocząsteczkowych z polimerów biomedycznych. Techniki elektroprzędzenia i elektrosprejowania pozwalają uzyskać superhydrofobowe właściwości powierzchni.

Wytwarzanie superhydrofobowych materiałów polimerowych do zastosowań biomedycznych

Przeglądaj więcej filmów