Wytwarzanie superhydrofobowych materiałów polimerowych do zastosowań biomedycznych

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 fazie wzrostu i cofania się. Zastosowania tej techniki obejmują sytuacje takie jak chemioterapia, ponieważ materiały te mogą służyć jako lokalne magazyny dostarczania leków do kontrolowanego uwalniania uwięzionych substancji, przy czym szybkość uwalniania leku może być regulowana poprzez skład polimeru i chropowatość powierzchni.

Aby rozpocząć, należy zsyntetyzować monomer wymagany do eksperymentu, postępując zgodnie z instrukcjami zawartymi w towarzyszącym protokole tekstowym. Następnie należy wstępnie rozgrzać kąpiel w oleju silikonowym do 140 °C. Odważyć dwie porcje po 2,1 g każda 5-benzyloxy-1,3-dioksanu i dodać je do osobnych, suchych kolb okrągłodنnych o pojemności 100 ml.

Następnie odważ 5,7 g DL-laktydu i dodaj go do tylko jednej z tych kolb. Do obu kolb włóż magnetyczny mieszadło i zamknij je korkami gumowymi. Następnie odważ 240 mg octanu dibutylocyny(IV) w małej kolbie gruszkowatej.

Przeplucz obie kolby zawierające monomer azotem za pomocą manifoldu przez pięć minut, a następnie dodaj 4,24 ml epsilon-kaprolaktonu do kolby zawierającej jedynie 5-benzyloxy-1,3-dioksan-2-on w atmosferze azotu; odessaj powietrze ze wszystkich trzech kolb, stosując wysoką próżnię o wartości około 300 mTorr przez 15 minut, aby usunąć wszelkie ślady wody. Następnie ponownie napełnij kolby azotem i ponownie wytwórz wysoką próżnię. Powtórz ten cykl łącznie trzy razy.

Po ostatnim przepłukaniu i wprowadzeniu azotu, umieść kolby z monomerem w kąpieli olejowej o temperaturze 140 °C. Następnie, w atmosferze azotu, dodaj 500 µL suchego toluenu do kolby gruszkowatej z katalizatorem cynowym, a następnie dodaj około 100 µL roztworu katalizatora do mieszanin monomerów. Po stopieniu wszystkich substancji stałych, utrzymuj mieszaninę w temperaturze 140 °C przez nie więcej niż 24 godziny.

Następnie schłodzić stopiony polimer do temperatury pokojowej. Po ochłodzeniu rozpuścić polimery w 50 mililitrach dichlorometanu, a następnie wytrącić roztwór w 200 mililitrach zimnego metanolu. Zlać nadosad i wysuszyć pozostały polimer w wysokiej próżni.

Przechowywać wysuszone polimery w zamrażarce w temperaturze -20 °C do czasu dalszego wykorzystania. Następnie rozpuścić około 6 g polimeru w 120 ml tetrahydroftalanu w naczyniu do hydrogenizacji pod wysokim ciśnieniem. Następnie dodać 2 g katalizatora palladu na węglu.

Następnie, za pomocą aparatury do hydrogenacji, wprowadź wodór do naczynia. Przeprowadź hydrogenację w naczyniu pod ciśnieniem 50 PSI przez cztery godziny. Po zakończeniu procesu odfiltruj katalizator z palladu na węglu, wykorzystując złoże z ziemi okrzemkowej.

Następnie zagęszcz polimer do około 50 ml za pomocą rotawapora. Wytrącaj pozostałą objętość w zimnym metanolu. Następnie zlej nadsącz, a pozostałą objętość wysusz w wysokiej próżni, po czym rozpuść wysuszony polimer wraz z 1,5 ekwiwalentu kwasu stearowego w 500 ml suchego dichlorometanu.

Następnie dodaje się dwa ekwiwalenty DCC oraz trzy kryształki dimethyl amino paridine. Mieszaninę miesza się w atmosferze azotu w temperaturze pokojowej przez 24 godziny. Nie rozpuszczalne pozostałości usuwa się poprzez serię trzech powtórzonych filtracji i zagęszczeń.

Na koniec zagęszcz roztwór do 50 mililitrów. Następnie wytrącaj zagęszczony polimer w 175 mililitrach zimnego metanolu i przefiltruj polimer za pomocą lejka sprasowanego. Następnie susz polimer w wysokiej próżni przez noc przed elektroprząsaniem; w celu elektroprząsania rozpuść polimer przez noc w stężeniu od 10 do 40% w mieszaninie chloroformu i metanolu w stosunku pięć do jednego dla polikaprolaktonu lub w mieszaninie tetrahydrofuranu i N,N-dimetyloformamidu w stosunku siedem do trzech dla PLGA w przypadku elektrosprskania.

Przygotuj roztwory polimeru o niższym stężeniu w zakresie od 2 do 10% w rozpuszczalniku takim jak chloroform. Następnie wprowadź około 4,5 ml roztworu do szklanej strzykawki wyposażonej w igłę o rozmiarze 18 G i umieść strzykawkę w pompie strzykawkowej. Następnie ustaw prędkość dozowania roztworu na 5 ml na godzinę.

Przykryj płytkę kolektora folią aluminiową i przymocuj ją taśmą maskującą wzdłuż zewnętrznych krawędzi. Podłącz przewód zasilacza prądu stałego wysokiego napięcia do czubka igły, a uziemienie do bębna kolektora. Jako pierwszą próbę.

Ustaw odległość końcówki od kolektora na 15 centymetrów, aby objąć duży obszar. Włącz obracający się i przesuwający bęben kolektora z prędkością 45 RPMs. Następnie uruchom pompę strzykawkową i włącz źródło wysokiego napięcia.

Przy napięciu 5 kV w razie potrzeby przeprowadź wstępną regulację napięcia, aby uzyskać odpowiedni stożek Taylora. Po zatrzymaniu pompy strzykawkowej wyłącz źródło wysokiego napięcia, a następnie pompę strzykawkową oraz napęd bębna. Pozostaw obudowę do elektroprzędzenia włączoną do wentylacji przez co najmniej 30 minut.

Następnie należy zdjąć zebrany polimer z bębna i pozostawić go w dygestorium na noc w celu odparowania pozostałości rozpuszczalników. Arkusze PGLA można przechowywać w temperaturze pokojowej przez co najmniej dwa tygodnie, a arkusze polikaprolaktonu w temperaturze pokojowej do dwóch miesięcy. Należy wyciąć paski siatki lub materiału powleczonego o wymiarach 0,5 centymetra na trzy centymetry, a następnie umieścić cienki pasek na stole goniometru do pomiaru kąta zwilżania.

Następnie, za pomocą goniometru, nanieś kroplę wody o objętości 5 µL przy użyciu igły 24G. Aby kropla nawiązała kontakt z powierzchnią materiału, kontynuuj powolne dodawanie kolejnych 20 do 25 µL wody i wykonaj zdjęcie kropli. Reprezentuje to kąt zwilżania wody w fazie posuwającej. Następnie powoli odsysaj tę samą kroplę, jednocześnie rejestrując profil jej kształtu.

Powtórz ten proces 10 razy w kilku oddzielnych miejscach na powierzchni, aby wyznaczyć wartość średnią. Obrazowanie SEM wykazuje, że siatki otrzymane metodą elektroprzędzenia są wynikiem splątania mikrowłókien, a powłoki naniesione metodą elektrosprayingu stanowią zbiór cząstek o różnych rozmiarach. Mieszanki otrzymane metodą elektroprzędzenia i elektrosprayingu ujawniają, że stężenie kopolimeru dopaminy wpływa na hydrofobowość.

Dodatkowo skład kopolimeru wpływa na hydrofobowość, przy czym większa zawartość PG C 18 skutkuje wyższymi kątami zwilżenia, jak pokazano tutaj; masowe zwilżanie zanurzonych siatek otrzymywanych metodą elektroprzędzenia można śledzić w sposób nieniszczący w czasie, wykorzystując mikrotomografię komputerową. Na górnym zestawie obrazów czysta siatka z polikaprolaktonu ulega szybkiemu zwilżeniu, gdy w ciągu pierwszej doby woda przenika do wnętrza materiału.

W przeciwieństwie do tego, siatka pokryta 30%P-C-L-P-G-C 18 pozostaje niewymoczona przez ponad 75 dni, przy czym powietrze pozostaje wewnątrz struktury objętościowej. Wyniki te ilustrują znaczenie superhydrofobowych materiałów objętościowych w zastosowaniach wymagających braku zwilżania. Po opanowaniu procedury, proces chemii polimerów może zostać przeprowadzony w zaledwie trzy do czterech dni przy starannym zaplanowaniu.

Ponadto, po zidentyfikowaniu odpowiednich parametrów elektroprzędzenia lub elektrospraysingu, wytwarzanie siatek i powłok cząsteczkowych może zostać przeprowadzone w czasie od jednej do trzech godzin, w zależności od pożądanej grubości tych materiałów.