Изготовление супергидрофобных полимерных материалов для биомедицинских применений

Общая цель следующего эксперимента заключается в создании биоразлагаемых волокнистых сеток и нано- или микрочастичных покрытий из смесей биомедицинских полимеров, а также в регулировании смачиваемости этих материалов путем изменения состава сополимерной смеси. Это достигается путем первоначального синтеза функциональных сополимеров посредством полимеризации с раскрытием кольца с последующей прививкой углеводородных цепей C 18. На втором этапе сополимеры растворяют вместе с поликапролактоном или лактид-ко-гликолидом в органическом растворителе, после чего подвергают электроспиннингу или электрораспылению, что приводит к получению трехмерных микроволоконных сеток или нано- и микрочастичных покрытий соответственно.

Затем проводятся исследования сеток и покрытий методом гониометрии краевого угла смачивания, чтобы понять, как диаметр волокон, состав сополимера и состав смеси влияют на смачиваемость поверхности и приводят к созданию супергидрофобных биоматериалов. Результаты, полученные в ходе изучения нарастающего и спадающего краевого угла смачивания водой, показывают, что гидрофобность усиливается при увеличении концентрации сополимера в смеси для электроспиннинга. Значимость данной методики распространяется на такие области, как химиотерапия, поскольку эти материалы могут служить депо для локальной доставки лекарств с целью пролонгированного высвобождения инкапсулированных агентов, при этом скорость высвобождения препарата может регулироваться составом полимера и шероховатостью поверхности.

Для начала синтезируйте мономер, необходимый для эксперимента, следуя инструкциям в прилагаемом текстовом протоколе. Затем предварительно нагрейте силиконовую масляную баню до 140 °C. Отмерьте две порции по 2,1 г 5-benzel oxy 1,3-dioxin 2-one и поместите их в отдельные сухие круглодонные колбы объемом 100 мл.

Затем отмерьте 5,7 граммов DL-лактида и добавьте его только в одну из этих колб. Поместите магнитный перемешиватель в обе колбы и закройте их резиновыми пробками. Далее отмерьте 240 миллиграммов этилгексаноата олова(II) в маленькую грушевидную колбу.

Продувайте обе колбы с мономером азотом с помощью вакуум-линии в течение пяти минут, затем добавьте 4,24 миллилитра ε-капролактона в колбу, содержащую только 5-бензокс-1,3-диокс-2-он, в атмосфере азота; удалите воздух из всех трех колб, создав глубокий вакуум около 300 millitorr в течение 15 минут для удаления следов воды. Затем снова заполните колбы азотом и повторно создайте глубокий вакуум. Повторите этот цикл в общей сложности три раза.

После окончательного продува и подачи азота поместите колбы с мономером в масляную баню при 140 °C. Затем, в атмосфере азота, добавьте 500 µL сухого толуола в грушевидную колбу с оловянным катализатором, после чего добавьте около 100 µL раствора катализатора в смеси мономеров. Как только все твердые вещества расплавятся, выдерживайте смесь при 140 °C не более 24 часов.

Затем охладите расплавленный полимер до комнатной температуры. После охлаждения растворите полимеры в 50 миллилитрах дихлорметана, а затем осадите раствор в 200 миллилитрах холодного метанола. Слейте супернатант и высушите оставшийся полимер в высоком вакууме.

Храните высушенные полимеры в морозильной камере при температуре -20 °C до дальнейшего использования. Затем растворите примерно 6 г полимера в 120 мл тетрагидрана в сосуде для гидрирования под высоким давлением. После этого добавьте 2 г палладиевого катализатора на угле.

Затем с помощью аппарата для гидрирования введите в сосуд водород. Проводите гидрирование в сосуде при давлении 50 PSI в течение четырех часов. По завершении процедуры отфильтруйте катализатор палладий на угле, используя слой диатомовой земли.

Затем сконцентрируйте полимер примерно до 50 мл с помощью роторного испарителя. Осадите полученный объем в холодный метанол. Далее слейте супернатант, высушите остаток в высоком вакууме, затем растворите высушенный полимер вместе с 1,5 эквивалентами стеариновой кислоты в 500 мл сухого дихлорметана.

Затем добавьте два эквивалента DCC и три кристаллика 4-диметиламинопиридина. Перемешивайте смесь в атмосфере азота при комнатной температуре в течение 24 часов. Удалите нерастворимые вещества путем трехкратного повторения циклов фильтрации и концентрирования.

В конце сконцентрируйте раствор до 50 milliliters. Затем осадите концентрированный полимер в 175 milliliters холодного метанола и отфильтруйте его с помощью воронки Бухнера. После этого высушите полимер в высоком вакууме в течение ночи для электроспиннинга; для электрораспыления растворите полимер в течение ночи в концентрации от 10 до 40% в смеси хлороформа и метанола в соотношении пять к одному (для поликапролактона) или в смеси тетрагидрофурана и N,N-диметилформамида в соотношении семь к трем (для PLGA).

Приготовьте полимерные растворы в более низкой концентрации в диапазоне от 2 до 10% в таком растворителе, как хлороформ. Затем наберите примерно 4.5 milliliters раствора в стеклянный шприц, оснащенный иглой 18 gauge, и установите шприц в шприцевой насос. После этого установите скорость подачи раствора на уровне пять milliliters в час.

Накройте collecting plate алюминиевой фольгой и закрепите ее малярным скотчем по внешним краям. Подсоедините провод источника высокого напряжения постоянного тока к кончику иглы, а заземление — к collecting drum. В качестве первой попытки.

Установите расстояние от иглы до коллектора на уровне 15 сантиметров для охвата большой площади. Включите вращающийся и перемещающийся коллекторный барабан, установив скорость 45 RPMs. Затем запустите шприцевой насос и включите источник высокого напряжения.

При напряжении 5 кВ при необходимости отрегулируйте его для формирования подходящего конуса Тейлора. После остановки шприцевого насоса выключите источник высокого напряжения, затем шприцевой насос и моторизованный барабан. Оставьте камеру для электроспиннинга работать в режиме вентиляции еще минимум 30 минут.

Затем извлеките собранный полимер из барабана и дайте остаткам растворителей испариться в вытяжном шкафу в течение ночи. Листы PGLA могут храниться при комнатной температуре не менее двух недель, а листы поликапролактона — до двух месяцев. Вырежьте полоски сетки или покрытого материала размером 0,5 см на 3 см и поместите тонкую полоску на предметный столик гониометра для измерения краевого угла смачивания.

С помощью гониометра нанесите каплю воды объемом 5 µL, используя иглу 24 G, чтобы она коснулась поверхности материала, затем продолжайте медленно добавлять еще 20–25 µL воды и зафиксируйте изображение капли. Это значение представляет собой advancing water contact angle (увеличивающийся краевой угол смачивания водой). Затем медленно отбирайте эту же каплю, одновременно фиксируя профиль капли.

Повторите этот процесс 10 раз в нескольких различных точках на поверхности, чтобы получить среднее значение. СЭМ-визуализация показывает, что электроспиннинговые сетки представляют собой переплетение микроволокон, а электрораспыляемые покрытия — совокупность частиц различного размера. Смеси, полученные методами электроспиннинга и электрораспыления, демонстрируют, что концентрация сополимера дофамина влияет на гидрофобность.

Кроме того, состав сополимера влияет на гидрофобность: более высокое содержание PG C 18 приводит к увеличению краевых углов, как показано здесь; процесс объемного смачивания погруженных электроспиннинговых сеток можно отслеживать неразрушающим методом с течением времени с помощью микрокомпьютерной томографии. На верхнем наборе изображений видно, что сетка из чистого поликапролактона быстро смачивается по мере проникновения воды в объем материала в течение первого дня.

Напротив, сетка с 30%P-C-L-P-G-C 18 оставалась несмоченной более 75 дней, при этом воздух сохранялся внутри объемной структуры. Эти результаты иллюстрируют важность супергидрофобных объемных материалов для их использования в приложениях, требующих отсутствия смачивания. При должном планировании процедура полимерного синтеза может быть выполнена всего за три-четыре дня.

Кроме того, после определения подходящих параметров электроспиннинга или электрораспыления изготовление сеток и покрытий из частиц может занять от одного до трех часов, в зависимости от требуемой толщины этих материалов.