Abstract
Супергидрофобных материалы, с поверхностей, обладающих постоянные или метастабильных несмачиваемые государства, представляют интерес для ряда биомедицинских и промышленных приложений. Здесь мы описываем, как электроформования или electrospraying полимерную смесь, содержащую биоразлагаемый сложный полиэфир биосовместимого алифатический (например, поликапролактон и поли (lactide- со -glycolide)), в качестве основного компонента, легированный с гидрофобным сополимер, состоящий из полиэфира и stearate- модифицированный поли (карбонат глицерина) предоставляет в супергидрофобных биоматериала. Методы изготовления электроформования или electrospraying обеспечивает повышенную шероховатость поверхности и пористости, и внутри волокон или частиц, соответственно. Использование низкой поверхностной энергией сополимера легирующей примеси, который сочетает с полиэфиром и может быть стабильно electrospun или electrosprayed дает эти материалы супергидрофобные. Важные параметры, такие как размер волокон, сополимер примеси композиции и / или COncentration, и их воздействие на смачиваемость обсуждаются. Это сочетание полимерной химии и технологии производственных процессов дает универсальный подход к разработке конкретных приложений с помощью масштабируемых материалы методы, которые, вероятно, распространены на более широкий класс полимеров для различных применений.
Introduction
Супергидрофобных поверхности, как правило, классифицируются как выставляется очевидного контакта воды углы больше, чем 150 ° с низким углом контакта гистерезиса. Эти поверхности изготавливаются путем введения высокой шероховатости поверхности на низкой поверхностной энергией, чтобы создать в результате раздела воздух-жидкость-твердое, который устойчив к смачивающей 1-6. В зависимости от способа получения, тонкие или многослойные супергидрофобные поверхностей, многослойные покрытия подложки супергидрофобные или даже сыпучих супергидрофобные структуры могут быть получены. Это постоянное или временное гидрофобность является полезным свойством, что используется для подготовки самоочищающиеся поверхности 7, 8 микрожидкостных устройств, анти-загрязняющие клеток / белков поверхности 9,10, перетащите снижения поверхностей 11 и устройства для доставки лекарств 12 15. Недавно стимулы проблематики сверхгидрофобные материалы описаны, где не смачивается увлажненным государства вызвано химическими, физическимиИли средовые сигналы (например, свет, рН, температуры, ультразвук, и применяется электрический потенциал / ток) 14,16-20, и эти материалы находят применение для дополнительных приложений 21-25.
Первые синтетические сверхгидрофобные поверхности были получены путем обработки поверхности материалов с methyldihalogenosilanes 26, и имеют ограниченную ценность для биомедицинских применений, а материалы, используемые не подходит для использования в естественных условиях. В этом мы расскажем о подготовке поверхности и объемных материалов с супергидрофобных биосовместимых полимеров. Наш подход влечет за собой электроформования или electrospraying полимерную смесь, содержащую биоразлагаемый сложный полиэфир биосовместимого алифатический качестве основного компонента, легированный с гидрофобным сополимер, состоящий из полиэфира и стеарата модифицированные поли (глицерин) карбоната 27-30. Методы изготовления обеспечивает повышенную шероховатость поверхности и пористости, и в fibeRS или частицы, соответственно, в то время как использование сополимера примеси обеспечивает низкую поверхностную энергию полимера, который сочетается с полиэфира и может быть стабильно electrospun или electrosprayed 27,31,32.
Алифатические биоразлагаемые сложные полиэфиры, такие как поли (молочной кислоты) (PLA), поли (гликолевой кислоты) (PGA), поли (молочной кислоты со -glycolic кислота) (PLGA) и поликапролактон (PCL) представляют собой полимеры, используемые в клинически устройствами и видный в биомедицинских исследований материалов из-за их нетоксичность, способности к биологическому разложению, и легкость синтеза 33. Чемпионат и ПМГК дебютировал в клинике в качестве рассасывающихся швов в 1960-х и начале 1970-х годов, соответственно 34-37. С тех пор эти поли (гидроксикислоты) были обработаны в различных других конкретных приложений форм-факторами, например, микро- и наночастицы 38,39 40,41, вафли / дисков 42, сетки 27,43, пены 44, и фильмы 45
Алифатические сложные полиэфиры, а также другие полимеры биомедицинского интерес, может быть electrospun производить нано- или микрофибры сетки структуры, обладающие большой площадью поверхности и пористость, а также прочности на растяжение. В таблице 1 приведены electrospun синтетические полимеры для различных биомедицинских приложений и соответствующие им ссылки. Электропрядения и electrospraying являются быстрые и коммерчески масштабируемые методы. Эти два подобные методы опираются на применении высокого напряжения (электростатическое отталкивание), чтобы преодолеть поверхностное натяжение раствора полимера / расплава в установке шприцевого насоса, как это направлено на заземленную мишень в 46,47. Когда это метод используется в сочетании с с низкой поверхностной энергией полимеры (гидрофобных полимеров, таких как поли (caprolactone- Co глицерин моностеарат)), в результате материалы демонстрируют superhydrophobicity.
Чтобы проиллюстрировать эту общую синтетическую и материалы подход обработкик построению супергидрофобные материалов биомедицинских полимеров, мы опишем синтез супергидрофобной polycaprolactone- и поли (lactide- со -glycolide) основе материалов, как представительных примеров. Соответствующий сополимер присадки поли (caprolactone- Co глицерин моностеарат) и поли (lactide- Co глицерин моностеарат) вначале синтезируют, затем смешивают с поликапролактон и поли (lactide- со -glycolide), соответственно, и, наконец, electrospun или electrosprayed. Полученные материалы характеризуются СЭМ изображения и угол контакта гониометрии, и испытывают в пробирке и в естественных условиях биосовместимости. Наконец, основная смачивания через трехмерных сеток супергидрофобных рассматривается с помощью контрастным усилением microcomputed томографии.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. синтезирующий модифицируемыми поли (1,3-карбонат-глицерин со капролактона) 29 и поли (1,3-карбонат-глицерин со -lactide) 27,28.
- Мономер синтеза.
- Растворите цис -2-фенил-1,3-диоксан-5-ол (50 г, 0,28 моль, 1 экв.) В 500 мл сухого тетрагидрофурана (ТГФ) и перемешивают в на льду в атмосфере азота. Добавить гидроксид калия (33,5 г, 0,84 моль, 3 экв.), Мелко измельченный с помощью ступки и пестика. Поместите колбу в ледяной бане.
- Добавить 49,6 мл бензилбромида (71,32 г, 0,42 моль, 1,5 экв.) По каплям при перемешивании на льду. Оставляют реакционную смесь нагревали до комнатной температуры при перемешивании в течение 24 ч в атмосфере азота.
- Добавить 150 мл дистиллированной воды растворить гидроксид калия и удаления ТГФ на роторном испарителе.
- Экстракт оставшийся материал с 200 мл дихлорметана (DCM) в 1-литровую делительную воронку. Повторите добычу в два раза.
- Органическую фазу сушат над сульфатом натрия.
- Кристаллизоватьсяпродукт, добавляя 600 мл абсолютного этанола в раствор, тщательно перемешивая и хранения в течение ночи при -20 ° С. Продукт можно хранить при -20 ° С в течение нескольких дней, прежде чем выполнять последующие шаги.
- Изолировать продукт путем вакуумной фильтрации через-воронке Бюхнера и сушат на высоком вакууме. Продукт может храниться в течение нескольких дней, прежде чем выполнять последующие шаги. Типичный выход в этом этапе, ~ 80%.
- В 1 л круглодонную колбу, приостановить продукт, полученный на стадии 1.1.7. в метаноле (300 мл). Добавить 150 мл 2 н соляной кислоты. Нагревание с обратным холодильником при 80 ° С в течение 2 ч.
- Выпаривают растворитель и поставить под глубоким вакуумом в течение 24 ч. Выход для этого шага, как правило,> 98%.
- Растворить продукт 1.1.9 в ТГФ (650 мл) и переносят в 2-литровую круглодонную колбу. Поместите колбу на ледяной бане и перемешать в атмосфере азота. Добавить 22,4 мл этилхлорформиата (25,6 г, 0,29 моль, 2 экв.) В колбе в атмосфере азота.
- Добавить 32,8 мл триэтиламина (0,29 моль, 2 экв.) ТретO капельную воронку. Смешать с равным объемом ТГФ. Поместите воронку на круглодонную колбу и держать в атмосфере азота.
- При интенсивном перемешивании, осторожно обходиться triethyamine / ТГФ смеси по каплям в круглодонную колбу на льду. ВНИМАНИЕ: это является экзотермической реакцией. Чтобы предотвратить быстрое повышение температуры, не добавить триэтиламин / раствор в ТГФ не быстрее, чем 1 капли в секунду. После добавления полного объема, реакционную смесь перемешивают в течение 4 ч, нагревая до комнатной температуры, или в течение 24 ч.
- Отфильтровать триэтиламин гидрохлоридную соль с использованием воронки Бюхнера. Растворитель выпаривают на роторном испарителе.
- Добавить дихлорметан (200 мл) в колбу и нагревают до тех пор, аккуратно остаток не растворится. Добавить 120 мл диэтилового эфира, а закрученной. Хранить при -20 ° С в течение ночи для кристаллизации продукта.
- Фильтровать мономера кристаллы и заново кристаллизоваться, прежде чем полимеризации. Мономер продукт можно хранить герметично при комнатной температуре в течение 2 недель или при -206 С на неопределенный срок. Подтвердите продукт по 1 H ЯМР, масс-спектрометрия, и элементного анализа. Типичный выход в этом заключительном этапе синтеза мономера составляет от 40-60%.
- Сополимеризация D, L-лактида / ε-капролактон с 5-бензилокси-1,3-диоксан-2-она.
- Масло для ванны тепла силикон до 140 ° С.
- Измерение 2,1 г 5-бензилокси-1,3-диоксан-2-она (полученного в 1.1) и добавить его в сухом 100 мл круглодонную колбу. Если сополимеризацией D, L -lactide, отмерить 5,7 г и добавить в колбу с предприятием. Добавить магнитной мешалкой и герметизации колбы резиновой пробкой.
- Кроме измерения 240 мг (избыток) олова (II) этилгексаноат в небольшом грушевидной колбе. Это полимеризации приведет к 20 моль% глицерина карбоната мономерной композиции в. Отрегулируйте массы мономеров для достижения различных композиций мономера.
- Промойте обе колбы с азота на многообразии Шленка в течение 5 мин и добавить 4,24 мл е-caprolacТон в атмосфере азота. Эвакуировать атмосферу колбы, прикладывая высокого вакуума (300) мторр 15 мин для удаления следов воды.
- Пополнение атмосферу колб "с азотом; повторить этот цикл в два раза больше.
- Смешайте 500 мкл сухого толуола с оловянного катализатора в атмосфере азота.
- Поместите мономера колбу в масляную баню 140 ° и добавить катализатор, когда все твердые частицы растворились. Общий объем каталитической смеси должно быть доставлены ~ 100 мкл. Хранить при 140 ° С в течение не более чем 24 ч, затем охлаждают расплавленный полимер до комнатной температуры. Немедленно или, по крайней мере 24 ч позже Выполните последующие шаги.
- Растворения полимера в дихлорметане (50 мл) и осаждают в холодным метанолом (200 мл). Слить супернатант и сухой под высоким вакуумом. Последующие шаги могут быть выполнены немедленно или в любой точке. Магазин полимеры в морозильнике до дальнейшего использования. Типичный полимеризации выход / конверсия между 80-95%.
- Выполните 1Анализ ЯМР для определения сомономерные молярные отношения. Растворить полимер в дейтерированном хлороформе (CDCl 3) и интегрировать бензильный протон сдвиг карбоната мономера в минуту 4.58-4.68; сравнить этот площади пика с этим метиленовой пика в 2,3 частей на миллион (PCL) и methyne пика в 5,2 частей на миллион (PLGA).
- Модификации полимеров: снятие защиты и прививки.
- Растворить полимер (~ 7 г) в 120 мл тетрагидрофуран (ТГФ) в гидрогенизации сосуда высокого давления. Взвесить и добавить катализатора палладия на угле (~ 2 г).
- Добавить водорода в сосуде с использованием аппарате для гидрирования. Гидрирование при 50 пси в течение 4 ч. ВНИМАНИЕ: водород легко воспламеняется. Ищите помощь от лиц, знакомых с этой процедурой и всегда проверять линии подачи возможных утечек перед выполнением этот эксперимент.
- Фильтр из катализатора палладия на угле с использованием уплотненный слой диатомовой земли. Концентрат полимер с ~ 50 мл в роторном испарителе под Preci иpitate в холодную метанола. ВНИМАНИЕ: Сухие частицы палладия может спонтанно воспламеняться. Держите влажное полотенце рядом в случае обострения для душа пламя. Добавьте воду в палладий / угольный фильтр торт, чтобы держать его слипаются, и, чтобы предотвратить его воспламенение. Ищите помощь от лиц, знакомых с этой процедурой.
- Слейте супернатант и сухой под высоким вакуумом. Подтвердите общее преобразование в свободных гидроксильных, отметив пиковый исчезновение в 4,65 частей на миллион (1 Н ЯМР в CDCl 3). Эти полимеры могут быть использованы сразу или сохранены для последующего использования. Урожайность этой стадии являются> 90%.
- Растворить полимер и стеариновую кислоту (1,5 экв.) В 500 мл сухого дихлорметана (DCM). Добавить N, N'-дициклогексилкарбодиимид (DCC, 2,0 экв.) И 3 хлопья 4-диметиламинопиридина. Перемешать в атмосфере азота при комнатной температуре в течение 24 ч.
- Удаления нерастворимого N, N'-dicyclohexylcarbourea через серию повторных фильтраций и концентрации. В конце концов, сконцентрироватьРешение 50 мл.
- Осадок полимера в холодным метанолом (~ 175 мл) и декантируют супернатант. Высушите полимер при высоком вакууме в течение ночи. Последующее использование этих полимеров может быть выполнена в любой момент, но сохранить полимеры в морозильнике в течение длительного хранения. Выход для этого последнего шага изменения, как правило, между 85-90%.
2. Характеризуя синтезированных сополимеров
- Взвесьте из ~ 10 мг полимера (запись фактическая масса) и добавить в кастрюлю образца алюминия, то герметизировать его. Загрузите образец пан и выгружается (ссылка) пан в дифференциальной сканирующей калориметр.
- Программирование линейного изменения температуры и охлаждения ("нагрев / охлаждение / нагревание») цикла: 1) тепло от 20 ° С до 225 ° С со скоростью 10 ° С / мин, 2) круто -75 ° С со скоростью 5 ° С / мин, 3) нагревают до 225 ° С со скоростью 10 ° С / мин.
- Определить точку плавления (Т м), кристаллизацию (<EM> Т с) и температура стеклования (Т G), и теплота плавления (H е) от тепловых следов (если применимо).
- Растворите каждый синтезированный сополимер в ТГФ (1 мг / мл) и фильтруют через фильтр 0,02 ПТФЭ мкм. Внедрить решение в системе хроматографии гель-проникающей и сравнить время удерживания по сравнению с диапазоном полистирольных стандартов.
3. Подготовка Polymer Solutions для электропрядения / electrospraying 27,31
- Растворить полимер (ы) на 10-40% в подходящем растворителе, таком как хлороформ / метанол (5: 1) в течение PCL или тетрагидрофуран / N, N-диметилформамиде (7: 3) для PLGA, в течение ночи. Масса полимера, необходимое для этого шага будет зависеть от размеров требуемой сетки.
Примечание: Например, для получения 10 см х 10 см сетку толщиной около 300 мкм, 1 грамм обычно необходимы. Стоит отметить, что материальный ущербES может произойти на последующих этапах этого протокола, например, во время передачи раствора в шприц (особенно для вязких растворов), и из мертвых объемов, присутствующих в дополнительной трубки разъем и самого корпуса иглы, что позволит снизить выход процесса электропрядения , Эти сокращения урожайности может привести к до 20% потери материала, и рекомендуется для масштабирования до 1,5 раза предвидеть эти потери, а также те потери, связанные с оптимизацией параметров электропрядения при попытке эту процедуру в первый раз.- Контролировать размер волокна путем различной концентрацией полимера, с более крупными волокнами, ожидаемых от более концентрированных растворов. За скромную повышения гидрофобности, использовать 10% (от общего полимерная масса) супергидрофобной примеси. Для очень гидрофобных / супергидрофобных материалов, использовать 30-50% присадку и / или уменьшить общую концентрацию полимера (т.е.., Уменьшить размер волокна). Последующая работа с этими решениями могут быть PERFOrmed на следующий день или в течение одной недели после этого.
- Для electrospraying, готовить растворы при более низких концентрациях (например, 2-10%) в подходящем растворителе, таком как хлороформ. Как электропрядения, модулируют размер частиц, изменяя концентрацию полимера.
- Вихрь раствор полимера тщательно перемешать. Разрешить крупные пузырьки воздуха спадать (5 мин).
- Нагрузка раствора в стеклянный шприц. В зависимости от вязкости раствора, это может быть простой, чтобы удалить поршень и вылить раствор непосредственно в шприце. Кусок инертного, гибкой трубки может помочь маневренность в установке электропрядения. Обратить шприц, чтобы вытеснить воздух через узел шланга / иглы.
4. электропрядения / electrospraying Polymer Solutions
- Нагрузка шприц на шприцевой насос, установлен общий объем (например, 4,5 мл) и скорость (например, 5 мл / ч), при котором для выдачи этого раствора.
- Обложка пластины коллектора сluminum фольги, чтобы облегчить последующее удаление и транспорт. Закрепите фольгу с липкой лентой вдоль внешних краев.
- Прикрепите высокого напряжения постоянного тока (HVDC) Поставка проволоки до кончика иглы. Расстояние этой иглы наконечника к коллектору является важной переменной, чтобы рассмотреть, потому что 1) воздействует на электрическое поле при заданном напряжении, и 2) воздействие испарения растворителя и последующей сушки волокон при их сборе.
- В качестве первой попытки, использовать расстояние зонд-на-коллектора 15 см. ВНИМАНИЕ: ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ и легковоспламеняющиеся растворители участие в электропрядения / electrospraying. Обеспечить достаточную вентиляцию за пределами выхлопа, и не прикасайтесь шприца иглу / или открывать корпус до тех пор, абсолютно уверен, поставка HVDC не выключен.
- Если электропрядения / electrospraying большую площадь охвата, включите вращение и перевод коллектор барабан. В противном случае перейдите к следующему шагу.
- Начните шприцевой насос.
- Включите и настройте высокую вольтИсточник возраст для достижения приемлемого конуса Тейлора. Если раствор на кончике иглы провисания, увеличение напряжения. Если несколько струй формирования, уменьшить напряжение. В дополнение к этим корректировки, это может быть необходимо для регулировки расстояния зонд-на-коллектора, если частицы волокон / появляются мокрые или если изменения напряжения не адекватно решить перетаскивания капли на кончике иглы.
Примечание: Для получения более подробной устранения неполадок см комплексный процесс оптимизации электропрядения Лич и сотрудников 47. Electrospraying обычно включают высокие напряжения и низкие концентрации раствора, чем электропрядения. - Выключите высокую источник напряжения, а затем шприцевой насос и моторизованный барабан (если применимо). Разрешить электропрядения корпус продолжать вентиляции в течение 30 мин.
- Удалить меши / покрытий из коллектора. Разрешить трассировки растворители испаряется в капюшоне на ночь. Материалы могут быть сохранены при комнатной температуре в течение по крайней мере двух недель (PLGA) или двамесяцев (PCL). Шаги 4.5-4.8 могут быть выполнены в любом порядке.
5. Характеризуя волокна и размер частиц от света и сканирующей электронной микроскопии
- Световая микроскопия
- Если производя electrospun сетку, вырезать и смонтировать тонкие части его на предметное стекло.
- Соблюдайте диаметр волокна, характеристики узлов (BLOB или дискретные) и форму волокна (т.е., вышитый бисером, плоские, прямые / волнистые). Идеальное electrospun сетки волокна однородны, прямые или волнистые, и шарик бесплатно.
- Сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)
- Вырезать и установить сетки или поверхности покрыта алюминиевая SEM окурков, используя Проводящие медная лента. Electrospun волокна и electrosprayed покрытия также можно наблюдать с помощью СЭМ непосредственно хранение волокон / частиц на ленту заранее.
- Пальто сетки / покрытия с тонким (~ 4 нм) слоем Au / Pd через распыления покрытия.
- Загрузка окурки в SEM камеры и наблюдать на 1-2 кэВ. 250X величественнаяние обеспечивает общую топографическую оценку материала, в то время как более высокие увеличениях выявить дополнительные волокна и частицы такие функции, как иерархических моделей для чрезвычайно супергидрофобных волокон и взаимосвязанности для покрытий частиц.
6. Определение несмачиваемом Свойства
- Продвижение и отступает вода контактные измерения углов с помощью метода изменения объема
- Вырезать тонкие (0,5 см х 5 см) полоски сетки или материала с покрытием (если это возможно) и место на этапе угол контакта гониометра.
- Захват профиль пропуска воды во время раздачи его (от 24 AWG иглы шприца) на поверхности материала.
- Чтобы сделать это, начать с приблизительной 5-мкл каплей, и вступить в контакт с поверхностью материала. Продолжайте медленно добавить объем (20-25 мкл) и захвата изображения капель, который представляет наступающей угол контакта с водой. Кончик иглы должен быть мал по сравнению с капли, а чее длина капилляра должна быть больше, чем капли, чтобы минимизировать искажение формы капель.
- Вывод этот же падение одновременно захватив его профиль пропуска. Повторите отдельных местах поверхности нескольких образцов, чтобы сообщить средняя стоимость обычно 10 измерений обоих наступающих и отступающих контактных углов достаточно, чтобы охарактеризовать эти материалы.
- Определить критическое поверхностное нат материалов путем изменения зондирующих жидкостей.
- Готовят растворы различной в этанол, пропиленгликоль, этиленгликоль или содержание гликоля, так как эти смеси обладают известно поверхностное натяжение 99-101.
- Кроме того, использование растворителей с различной поверхностное натяжение, например, вода (72 мН / м), глицерин (64 мН / м), диметилсульфоксид (44 мН / м), бензиловый спирт (39 мН / м), 1,4 диоксане (33 мН / м), 1-октанол (28 мН / м), и ацетон (25 мН / м). Важно использовать растворители, которые не растворяются полимеров, так как они будутпосрамить результаты. Кроме того, это важно отметить, что, в дополнение к поверхностным натяжением, эти жидкости имеют разные вязкости, которые могут воздействовать контактные измерения угла и ограничение этого метода.
- Измерить угол контакта этих решений исследуемых на поверхности материала. Участок контактный угол в зависимости от поверхностного натяжения.
- Готовят растворы различной в этанол, пропиленгликоль, этиленгликоль или содержание гликоля, так как эти смеси обладают известно поверхностное натяжение 99-101.
7. Определение Bulk смачивания Сетки 31
- Соблюдайте инфильтрации воды в 3D-сетки, используя микро-компьютерная томография (μCT).
- Подготовка 80 мг раствора / мл Ioxaglate (йодированный контраст агента) в воде.
- Submerge сетки в этих растворах и инкубируют при 37 ° С; периодически измерять контрастное вещество (вода) инфильтрация μCT (резолюция 18 мкм 3 воксел) с помощью 70 КВП напряжения трубка, 114 мкА ток А, а 300 мс время интеграции.
- Использование программного обеспечения для обработки изображений, измерения пикселей Intensность всей толщине сетки, где яркие пикселы представляют инфильтрации воды. Выберите пороговое значение пикселя (~ 1500), для которого более высокая интенсивность представляет инфильтрации воды.
8. Тестирование Механические свойства Сетки
- Вырезать сетки 1 см х 7 см и место между захватами разрывной аппарата. Измерьте точную ширину, длину, и толщину.
- Выполните рампы испытание расширением на трех образцах. Участок кривой напряженно-деформированного используя эти данные, чтобы определить модуль упругости, предел прочности при растяжении, относительное удлинение и при разрыве.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
В результате серии химических превращений, функциональный мономер карбоната 5-бензилокси-1,3-диоксан-2-она синтезируется в виде белого кристаллического твердого вещества (фиг.1А). 1 H ЯМР подтверждает структуру (Фигура 1В) и масс-спектрометрии и Элементный анализ подтверждает состав. Это твердое вещество затем сополимеризации с обеих D, L -lactide или ε-капролактона с использованием олова катализируемой реакции с раскрытием кольца при 140 ° С. После очистки осаждением, полимерная композиция определяется с использованием 1 H ЯМР анализ путем интеграции бензильный протон химический сдвиг в м.д. 4.58-4.68 и характерный пик метиленовую капролактона или methyne пика лактида (2,3 или 5,2 частей на миллион, соответственно). Селективное удаление бензильной защитной группы достигается Pd / C-катализируемого гидрирования. Полное удаление защиты подтверждается отметить исчезновение пика бензилового в спектрах ЯМР 1Н. После-uent прививка стеариновой кислоты на свободной гидроксильной группы оказывает окончательные сополимеры гидрофобными. Эти сополимеры белые твердые вещества при комнатной температуре (рис 1в), и они способны переработки в пленки, сетки, electrospun и electrosprayed покрытий (рис 1D).
Состав сополимера (т.е. лактид / капролактон карбонат глицерина) настроен путем изменения соответствующих соотношений подачи мономера. Варьирование состава обеспечивает средство синтезировать сополимеры с различными термическими и / или механических свойств. Например, термический анализ с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) показывает, что PLA-PGC 18 полимеры, содержащие 10, 20, 30, 40 или мольных% PGC 18 мономер постепенно становятся более кристаллическими с повышенной PGC% мол. Тепловые свойства PCL-PGC 18 и PLA-PGC 18 сополимеров приведены в таблице 2.
Поли (глицерин моностеарат-) основе сополимеров имеют более низкую поверхностную энергию, чем их соответствующей PCL или PLGA коллегами, как определено с использованием контактных угловых измерений на гладких литых пленок (рис 2А). В то время как PCL обладает опережения вода угол контакта 84 °, наступающей угол контакта для PCL-PGC 18 (80:20) составляет ~ 120 °. Точно так же, ПМГК обладает опережения угол контакта 71 °, в то время как PLA-PGC 18 (90:10) и PLA-PGC 18 (60:40) выставляется вперед углы контакта 99 ° и 105 °, соответственно. Смешивание PCL или PLGA с соответствующими сополимер допанты результатов в продвижении значения угла контакта между данными, полученными для чистых полимеров и сополимеров, и предоставляет легкий способ для настройки гидрофобность (рис 2B). В этом случае, как сополимер концентрации легирующей примеси (т.е. 10% или 30% вес / вес) и сополимер композиции (т.е. PLA-PGC 18 (90:10) или PLA-PGC 18 (60: 40) видов) влияют гидрофобность, с большей PGC 18 Содержание получая более высокие углы контакта.
Легирование синтезированных сополимеров в растворе PCL или PLGA и затем электроформования смесей волокнистых сеток достигает с перестраиваемой гидрофобности. 3А иллюстрирует, как легирование в 30% PCL-PGC 18 или PLA-PGC 18 переходов в зацеплении с гидрофобными, чтобы супергидрофобных. Superhydrophobicity определяется как очевидное контакта воды угол ≥ 150 ° с низким углом контакта гистерезиса определяется как разница между продвижении и отступает вода контактные измерения углов. Увеличение шероховатости поверхности electrospun сеток также увеличивает видимую воду угол контакта этих материалов по сравнению с гладкой пленки. Смачивание настроен путем изменения концентрации легирующей примеси сополимера. Например, electrospun чистый PCL сетки с ~ волокна диаметром 7 мкм обладают очевидной контакт англе из 123 °, в то время как сетки, легированные 10, 30 и 50% (вес / вес) PCL-PGC 18 экспонат очевидные контактные углы 143 °, 150 ° и 160 ° в сопоставимых диаметров волокон, соответственно (рис 3B). Смачивание также контролируется посредством выбора сополимер легирующих видов. В этом случае волокна PLGA 6,5-7,5 мкм сетки, легированный 30% PLA-PGC 18 (90:10) или 30% PLA-PGC 18 (60:40) обладают очевидными контактных углов 133 ° или 154 °, соответственно ( Фигура 3С). Изменение (т.е. уменьшения) размера волокна повышает гидрофобность также независимо от выбора и / или концентрации легирующей примеси. Эта зависимость кажущейся контактного угла на диаметр волокон показан как для PCL и PLGA на рисунке 3D. Подобно электропрядения, electrosprayed PCL и PCL-легированного покрытия также отображать контактные углы, которые увеличивают с допингом в процентах, и даже более высокие углы контактные чем полученные электропрядения являютсядостигнуты с этой техникой (рисунок 3E). Исследуя поверхность сетки с различными жидкостями (которые обладают различными напряженности поверхности) и отчетности угол контакта, критическое значение поверхностного натяжения, при котором сетка быстро смачивает определяется. Рисунок 3F является модифицированной Zisman кривая, иллюстрирующая критические исследования поверхностного натяжения для PLGA сетки, легированного 30% PLA-PGC 18 (60:40) и PCL сеток, легированных 30% PCL-PGC 18.
СЭМ изображения показывает, что сетки являются результатом запутанных микроволокон. Этот метод также полезен для определения волокна или размер частиц, однородность и взаимосвязанность. 4А показывает PCL + 30% PCL-PGC 18 входит в зацепление с волокном диаметром 1-2 мкм и 4-5 мкм, а на фиг 4В PLGA + 10 % PLA-PGC 18 сетки разного размера волокна от ~ 3 мкм до ~ 7 мкм. Electrosprayed покрытия PCL и РCL + 50% PCL-PGC 18 представлены на рис 4C, в то время как electrosprayed покрытия PCL + 30% PCL-PGC 18 разного размера частиц представлены на рис 4D.
Супергидрофобных PCL- и сетки PLGA основе не являются цитотоксическими в NIH 3T3 фибробластов / (фиг.5А) и хорошо переносимым в C57BL / 6 мышей, со скромным волокнистой инкапсуляции. По сравнению с не-пористых пленок (не показаны), сетки отображения большую степень клеточной инфильтрации (т.е., макрофаги) после имплантации 4 недель (5В-E) 27. В то время как cytocompatibility / биосовместимость супергидрофобных сеток похож на не-супергидрофобных сеток, производительность в пробирке супергидрофобных сеток может быть выше в приложениях доставки лекарств. Из-за их медленного смачивания, сверхгидрофобные сетки способны поддерживать высвобождения лекарственного для значительно более длительные, чем не-superhydroфобических сетки, так релиз препарат не может происходить без контакта с водой. В пробирке высвобождения лекарственного эффективности исследований, демонстрирующих этот принцип описаны в другом месте 12,13.
Смачивание electrospun сеток может следовать неразрушающим с течением времени, используя microcomputed томографию и коммерчески доступные йодированной контрастного вещества Ioxaglate. Сетка помещают в водный раствор, содержащий контрастное вещество и отображаемого с течением времени. Как показано на фиг.6А чистый PCL быстро смачивает сетки, поскольку вода просачивается сыпучего материала в первый день. В противоположность этому, сетки, легированный 30% PCL-PGC 18 остаются без смачивания в течение> 75 дней, с воздушным оставаясь в объемной структуре (фиг.6В). Эти результаты свидетельствуют о важности супергидрофобных сыпучих материалов для несмачиваемом приложений.
Наконец, механические свойства electrospun сеток определяются изиспытания на растяжение. Таблица 3 показывает типичные механические данные для PCL, PLGA, и их соответствующих легированных сеток (волокно размер = 7 мкм для всех сеток), полученных от их кривых растяжения. Как процент легирующих увеличивается, модули упругости (Е) и конечные пределы прочности на разрыв сетки имеют тенденцию к снижению.
. Рисунок 1. Мономер / полимер синтез, характеристика, и последующей обработки в виде пленок, сеток electrospun и electrosprayed покрытий (А) Очищенная мономер собой белое кристаллическое вещество при комнатной температуре, (В), соответствующий 1 Н-ЯМР спектры для мономера; (С) фотография очищенных полимеров PLA-PGC 18 (слева) и PCL-PGC 18 (справа); (D) фотография PCL, легированный 30% (вес / вес) PCL-PГК 18 и обрабатываются в (слева направо): фильм, electrospun сетки, и electrosprayed покрытия.
Рисунок 2. Продвижение и отступает углы контакта воды на полимер / сополимер фильмов (А) Продвижение и отступает вода контактные измерения углов для нелегированного PCL и PLGA гладкие фильмы по сравнению с теми для чистого PCL-PGC 18 и чистого PLA-PGC 18 гладкие пленки. (B), продвижение и отступают контактные измерения углов для легированных PCL и ПМГК фильмов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3. Процессы электропряденияи electrospraying генерировать шероховатых поверхностей, что дальнейшего повышения гидрофобности PCL и PLGA (А) Контактная угол для electrospun PCL и PCL сеток с примесью 30% PCL-PGC 18 (80:20) сетки (диаметр волокна ≈ 2,5 мкм). ПМГК сетки и сетки, ПМГК легированного 30% PLA-PGC (диаметр волокна ≈ 6,5 мкм) 18 (60:40) сетки, с обеих систем, показывающих переход из гидрофобных в супергидрофобных; (Б) краевые углы для PCL сетки в зависимости от увеличения концентрации легирующей примеси сополимера; (С) краевые углы для PLGA сетки из ~ 6,5 мкм диаметром в зависимости от состава сополимера; (D) смачиваемость в зависимости от диаметра волокна для PCL (600 нм и 2,5 мкм) и PLGA сеток на основе (2,5 и 6,5 мкм); (E) краевые углы для electrosprayed PCL покрытий на основе как функции концентрации легирующей сополимера; (F), модифицированный кривые Zismanпоказывая критические исследования поверхностного натяжения для PLGA сеток с примесью 30% PLA-PGC 18 (60:40) (кружки с пунктирной линии, соединяющей) и PCL сеток с примесью 30% PCL-PGC 18 (квадраты с твердой соединительной линии). Пожалуйста, нажмите здесь Чтобы смотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4. РЭМ визуализации electrospun сеток и electrosprayed покрытий показывает волокна / размер частиц и морфологию. (А) Малый диаметр PCL + 30% PCL-PGC 18 волокна (1-2 мкм) и соответствующая большого диаметра из микрофибры (4-5 мкм) сетка (слева и справа, соответственно), масштаб бар = 10 мкм; (Б) малого диаметра ПМГК + 10% PLA-PGC 18 (90:10) (2,5-3,5 мкм) из микрофибры и большого диаметра (6,5-7,5 мкм) Из микрофибры сетки (левый и правый, соответственно, масштаб бар = 10 мкм); (С) electrosprayed частицы, состоящие из чистого PCL (слева), PCL + 50% PCL-PGC 18 (справа), масштабной линейки = 20 мкм; (D), electrosprayed PCL + 30% PCL-PGC 18 частицы небольшого (слева) и большой (справа) радиусов (масштаб бар = 2 мкм). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5. В пробирке и в естественных клеток жизнеспособности / биосовместимости electrospun супергидрофобных сеток (А) В пробирке клетки анализ НИЗ / 3T3 фибробластов жизнеспособности на 24-часовой инкубации с PCL, PLGA, и легированных сеток. (В и С) гистологическое (Н & Е) образцы в естественных внешней реакции организма на супергидрофобными PLGA + 30% мас PLA-PGC 18 (60:40) electrospun сетки после подкожной имплантации 4 недели у мышей C57BL / 6 мышей в 10 раз (B) и 40X (С) увеличение; (D и Е) ответ на имплантированной чистого ПМГК electrospun сетки на 10Х (D) и 40Х (Е) увеличения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
6. Контрастное microcomputed томография (μCT) характеристика объемной смачивания супергидрофобных сеток. Йодированный КТ контрастное вещество Ioxaglate (80 MGI / мл) в водоснаг служит неинвазивным маркером воды проникают (A), не супергидрофобные PCL сетки и (B) сверхгидрофобные PCL + 30% PCL-PGC 18 сеток. Цветная карта показывает несмачиваемые сетку как красный и перехода от желтого к зеленому и синему / фиолетовый, как прогрессирует смачивания. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| Electrospun синтетические полимеры: | Ссылка (ы): |
| Поли (лактид-со-гликолида) | 27,36,43,48-52 |
| Полигликолид | 52,53 |
| Поли (лактид-со-капролактон) | 54-57 |
| Поликапролактон | 13,58-66 |
| Полилактид | 52,67 |
| Поливиниловый спирт) | 68-71 </ TD> |
| Поли (этиленгликоль) блок-сополимеры / | 72,73 |
| Поли (эфир уретана) S | 74-78 |
| Поли (триметиленкарбонат) | 79 |
| Поли (диметилсилоксан) | 80,81 |
| Поли (этилен-со-винилацетат) | 82 |
| Поливинилпирролидон | 83 |
| Полиамид (ы) | 84-86 |
| Polyhydroxybutryate | 87,88 |
| Полифосфазен (ы) | 89,90 |
| Поли (пропилен карбонат) | 91-93 |
| Полиэтиленимин | 94,95 |
| Поли (γ-глутаминовой кислоты) | 96 |
| Силикат | 97,98 |
Таблица 1: Примеры синтетических полимеров, которые биомедицинскихбыли electrospun для биомедицинских приложений, с сопровождающими ссылок.
| Сополимер | Преобразование (%) | Лактид | Глицерин | М н (г / моль) б | М Вт / м п | Т г (° С) с | Т пл (° С) | Т с (° С) | & Dgr; H F (Дж / г) |
| PLA-PGC 18 (90:10) | 92 | 89 | 11 | 12512 | 1.5 | 28 | - | - | - |
| PLA-PGC 18 (80:20) | 96 | 78 | 23 | 10979 | 1.5 | 17 | 33 | 11 | 3 |
| PLA-PGC 18 (70:30) | 90 | 66 | 34 | 17305 | 1.5 | * | 40 | 17 | 23 |
| PLA-PGC 18 (60:40) | 86 | 54 | 47 | 13226 | 1.6 | * | 43 | 27 | 32 |
| PCL-PGC 18 (80:20) | 99 | (капролактон) 81 | 19 | 21,100 | 1.7 | -53 | 31 | 19 | 55 |
Таблица 2: Характеристика синтезированных сополимеров мольном%; б Как определено гель-хроматографии (ТГФ, 1,0 мл / мин); М п = среднечисленная молекулярная масса М Вт / м п = дисперсность С Т г = стекла.. температура перехода, Т т = плавленияТемпература, Т = температура кристаллизации с; Δ H F = теплота плавления. D Нет Т г наблюдалось этих полукристаллических полимеров в интервале температур от -75 ° C до 225 ° C.
| Сетка Состав | Модуль упругости (Е) (МПа) | Предел прочности на растяжение (МПа) |
| PCL | 15.3 | 1.5 |
| + 10% PCL-PGC 18 | 10,8 | 1.5 |
| + 30% PCL-PGC 18 | 3.5 | 0,8 |
| ПМГК б | 84,9 | 2.6 |
| + 10% PLA-PGC 18 (60:40) | 40,3 | 0,8 |
| + 30% PLA-PGC <суб> 18 (60:40) | 10.1 | 0,3 |
Сетки Представительства растягивающие свойства electrospun сеток размер волокна для PCL и PCL основе сеток ≈ 7 мкм размер б волокно для PLGA PLGA и основанные ≈ 7 мкм: Таблица 3...
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Наш подход к построению супергидрофобные материалов биомедицинских полимеров сочетает в себе синтетической химии полимеров с методами обработки полимера электропрядения и electrospraying. Эти методы обеспечивают либо волокна или частицы, соответственно. В частности, поликапролактон и поли (lactide- со -glycolide) на основе сверхгидрофобные материалы получают с помощью этой стратегии. Изменяя гидрофобный состав сополимера, сополимер процентов в конечном полимерной смеси, размер волокна / частицы, в целом полимера массовых процентов, и условия изготовления, смачиваемость полученных electrospun / electrosprayed материалов контролируется. Материалы, изготовленные в этой работе из нетоксичных и биосовместимых полимеров, и обладают метастабильной барьер воздуха в присутствии воды.
Критические шаги в этом протоколе привлекать 1) синтез сополимеров с помощью полимеризации с раскрытием кольца, 2) электропрядения или электрораспыления этих сополимеров с соответствующим биомедицинских полимера, такого как PCL или PLGA; и 3), характеризующие их морфологию, Несмачиваемое поведение / гидрофобность, механические свойства, и в пробирке / в естественных условиях биосовместимость. Если трудности с синтеза полимеров, модификации и / или электропрядения встречаются следующие методы помогут выявить и устранить эти проблемы.
Важно, чтобы обеспечить чистоту мономеров, и что они не содержат трассировки воды, например, что из атмосферы. Присутствие воды может предотвратить или прекратить полимеризацию, в результате низкомолекулярных полимеров, или полимеров, выход по распределений весьма широких молекулярной массой. Вакуумирование содержимое сосудов полимеризации и повторно заполнить сухим азотом или аргоном, а также выполнять все дополнения (мономеров и катализаторов) в атмосфере сухого инертного. Если полимеризацию появляется неполным или неудачным, это может быть необходимо, чтобы высушитьреагенты путем перегонки, или ре-кристаллизации мономеров для повышения чистоты. Если Дебензилирование полученного сополимера, неудачным (как это наблюдалось последующего анализа ЯМР 1 Н), может быть необходимо добавить больше катализатора или использовать другой реагент катализатора. Мы специально отметить, что неудачный снятие защиты наблюдается при определенных катализаторов Pd / C, и это лучше всего использовать один, перечисленных в таблице материалов.
Некоторые технические трудности могут возникнуть во время электропрядения и electrospraying процесса. Если раствор на кончике иглы провисания, увеличение напряжения. Если несколько струй формирования, уменьшить напряжение. В дополнение к этим корректировки, это может быть необходимо для регулировки расстояния зонд-на-коллектора, если волокна / частицы появляются мокрые (в данном случае, увеличьте расстояние сбора), или если регулировать напряжение не адекватно решить перетаскивания капли на кончик иглы, уменьшить сбор ДистанCE. Если волокна не образуют, может быть необходимо увеличить вязкость раствора за счет увеличения концентрации полимера; то же самое верно, если волокна, кажется, есть морфологию шарика-на-строки. Если трудности остаются, это может быть необходимо, чтобы переключиться на другой электроформования растворителе. Для получения более подробной устранения неполадок, Лич и коллеги 47 обеспечивают полное руководство по устранению неполадок в электропрядения.
В то время как электропрядения и electrospraying полезные методы для получения биомедицинских материалов, они имеют ограничения. Во-первых, эти методы опираются на заземленной мишени для сбора волокна или частицы, так электропроводность является важным параметром для рассмотрения. Это может быть трудно или electrospin электрораспылением материалы, которые особенно хорошими диэлектриками, поскольку полимер струи может быть больше привлекают районах вокруг этих субстратов. Одно из возможных решений включает в себя обеспечение менее проводящие материалы на Conductive медная лента. Кроме того, в то время как мы были успешными в электропрядения сетки до 1 мм, изготовление чрезвычайно толстых сеток может быть затруднено из изоляционного природы полимерного покрытия на коллекторе. В этот момент, сетки могут увеличение площади поверхности без значительных их общей толщины. Во-вторых, в зависимости от размера сетки требуемого, значительное количество материала требуется для достижения достаточной вязкости раствора (который необходим для электропрядения, а цепь заграждения необходимы для формирования волокна). Таким образом, электропрядения не может быть подходящим вариантом для драгоценных материалов; electrospraying обычно использует более низкие концентрации и, следовательно, требует меньше с точки зрения необходимого количества материала. Если количество образца очень ограничено, то можно сократить потери материала путем исключения разъем трубки (которые в противном случае добавляет к общей мертвого объема). И наконец, определение критическое поверхностное натяжение зависит отиспользование различных жидкостей зондирующего, которые также обладают различными вязкостями. Таким образом, этот метод имеет потенциальное ограничение в том, что вязкость также является фактором, способствующим этих результатов.
Супергидрофобных материалы захватывающий класс биоматериалов, которые находят широкое использование для широкого спектра приложений в поставке наркотиков, тканевой инженерии, заживления ран, и анти-обрастания. Некоторые методы существуют для повышения шероховатости поверхности к материалам для биомиметических и несмачиваемом приложений, таких как слой за слоем сборки 15, micropatterning / микротекстурирования 102, электропрядения 1,5,13 и 32 electrospraying. Из этих подходов, электропрядения и electrospraying особенно привлекательные методы, связанные с их масштабируемости и совместимости с общей основных субстратов. В заключение, эта стратегия объединения полимерной химии и технологии производственных процессов является универсальным и вообще тот, который позволит другаИсследователи подготовить характеризуют и изучать новые биоматериалы, где смачиваемость материалов является ключевым элементом дизайна.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Li, X. M., Reinhoudt, D., Crego-Calama, M. What do we need for a superhydrophobic surface? A review on the recent progress in the preparation of superhydrophobic surfaces. Chem. Soc. Rev. 36, 1350-1368 (2007).
- Crick, C. R., Parkin, I. P. Preparation and characterisation of super-hydrophobic surfaces. Chem. - Eur. J. 16, 3568-3588 (2010).
- Genzer, J., Efimenko, K. Recent developments in superhydrophobic surfaces and their relevance to marine fouling: a review. Biofouling. 22, 339-360 (2006).
- Marmur, A. Super-hydrophobicity fundamentals: implications to biofouling prevention. Biofouling. 22, 107-115 (2006).
- Sas, I., Gorga, R. E., Joines, J. A., Thoney, K. A. Literature review on superhydrophobic self-cleaning surfaces produced by electrospinning. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 50, 824-845 (2012).
- Zhang, X., Shi, F., Niu, J., Jiang, Y., Wang, Z. Superhydrophobic surfaces: from structural control to functional application. J. Mat. Chem. 18, 621-633 (2008).
- Xue, C. -H., Li, Y. -R., Zhang, P., Ma, J. -Z., Jia, S. -T. Washable and wear-resistant superhydrophobic surfaces with self-cleaning property by chemical etching of fibers and hydrophobization. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6, 10153-10161 (2014).
- Ou, J., Perot, B., Rothstein, J. P. Laminar drag reduction in microchannels using ultrahydrophobic surfaces. Phys. Fluids. 16, 4635-4643 (2004).
- Ko, T. -J., et al. Adhesion behavior of mouse liver cancer cells on nanostructured superhydrophobic and superhydrophilic surfaces. Soft Matter. , (2013).
- Lourenco, B. N., et al. Wettability influences cell behavior on superhydrophobic surfaces with different topographies. Biointerphases. 7, (2012).
- Srinivasan, S., et al. Drag reduction for viscous laminar flow on spray-coated non-wetting surfaces. Soft Matter. 9, 5691-5702 (2013).
- Yohe, S. T., Colson, Y. L., Grinstaff, M. W. Superhydrophobic materials for tunable drug release: using displacement of air to control delivery rates. J. Am. Chem. Soc. 134, 2016-2019 (2012).
- Yohe, S. T., Herrera, V. L. M., Colson, Y. L., Grinstaff, M. W. 3D superhydrophobic electrospun meshes as reinforcement materials for sustained local drug delivery against colorectal cancer cells. J. Control. Release. 162, 92-101 (2012).
- Yohe, S. T., Kopechek, J. A., Porter, T. M., Colson, Y. L., Grinstaff, M. W. Triggered drug release from superhydrophobic meshes using high-intensity focused ultrasound. Adv. Healthcare Mater. 2, 1204-1208 (2013).
- Manna, U., Kratochvil, M. J., Lynn, D. M. Superhydrophobic polymer multilayers that promote the extended, long-term release of embedded water-soluble agents. Adv. Mater. 25, 6405-6409 (2013).
- Ju, G., Cheng, M., Shi, F. A pH-responsive smart surface for the continuous separation of oil/water/oil ternary mixtures. NPG Asia Mater. 6, e111 (2014).
- Lim, H. S., Han, J. T., Kwak, D., Jin, M., Cho, K. Photoreversibly switchable superhydrophobic surface with erasable and rewritable pattern. J. Am. Chem. Soc. 128, 14458-14459 (2006).
- Macias-Montero, M., Borras, A., Alvarez, R., Gonzalez-Elipe, A. R. Following the wetting of one-dimensional photoactive surfaces. Langmuir. 28, 15047-15055 (2012).
- Sun, T., et al. Reversible switching between superhydrophilicity and superhydrophobicity. Angew. Chem. Int. Ed. 43, 357-360 (2004).
- Verplanck, N., Coffinier, Y., Thomy, V., Boukherroub, R. Wettability switching techniques on superhydrophobic surfaces. Nanoscale Res. Lett. 2, 577-596 (2007).
- Deng, D., et al. Hydrophobic meshes for oil spill recovery devices. ACS Appl. Mater. Interfaces. 5, 774-781 (2013).
- Ebrahimi, A., et al. Nanotextured superhydrophobic electrodes enable detection of attomolar-scale DNA concentration within a droplet by non-faradaic impedance spectroscopy. Lab Chip. 13, 4248-4256 (2013).
- Guix, M., et al. Superhydrophobic alkanethiol-coated microsubmarines for effective removal of oil. ACS Nano. 6, 4445-4451 (2012).
- Korhonen, J. T., Kettunen, M., Ras, R. H. A., Ikkala, O. Hydrophobic nanocellulose aerogels as floating, sustainable, reusable, and recyclable oil absorbents. ACS Appl. Mater. Interfaces. 3, 1813-1816 (2011).
- Wu, Y., Hang, T., Komadina, J., Ling, H., Li, M. High-adhesive superhydrophobic 3D nanostructured silver films applied as sensitive, long-lived, reproducible and recyclable SERS substrates. Nanoscale. 6, 9720-9726 (2014).
- Waterproofing treatment of materials. US Patent. Norton, F. J. , 2386259 A (1945).
- Kaplan, J. A., et al. Imparting superhydrophobicity to biodegradable poly(lactide-co-glycolide) electrospun meshes. Biomacromolecules. 15, 2548-2554 (2014).
- Ray, W. C., Grinstaff, M. W. Polycarbonate and poly(carbonate−ester)s synthesized from biocompatible building blocks of glycerol and lactic acid. Macromolecules. 36, 3557-3562 (2003).
- Wolinsky, J. B., Ray, W. C., Colson, Y. L., Grinstaff, M. W. Poly(carbonate ester)s based on units of 6-hydroxyhexanoic acid and glycerol. Macromolecules. 40, 7065-7068 (2007).
- Wolinsky, J. B., Yohe, S. T., Colson, Y. L., Grinstaff, M. W. Functionalized hydrophobic poly(glycerol-co-ε-caprolactone) depots for controlled drug release. Biomacromolecules. 13, (2012).
- Yohe, S. T., Freedman, J. D., Falde, E. J., Colson, Y. L., Grinstaff, M. W. A mechanistic study of wetting superhydrophobic porous 3D meshes. Adv. Funct. Mater. 23, 3628-3637 (2013).
- Yohe, S. T., Grinstaff, M. W. A facile approach to robust superhydrophobic 3D coatings via connective-particle formation using the electrospraying process. Chem. Commun. 49, 804-806 (2013).
- Tian, H. Y., Tang, Z. H., Zhuang, X. L., Chen, X. S., Jing, X. B. Biodegradable synthetic polymers: Preparation, functionalization and biomedical application. Prog. Polym. Sci. 37, 237-280 (2012).
- Surgical sutures. US Patent. Emil, S. E., Albert, P. R. , 3297033 A (1967).
- Greenberg, J. A., Clark, R. M. Advances in suture material for obstetric and gynecologic surgery. Rev. Obstet. Gynecol. 2, 146-158 (2009).
- Weldon, C. B., et al. Electrospun drug-eluting sutures for local anesthesia. J. Control. Release. 161, 903-909 (2012).
- Wright, J., Hoffman, A. Chapter 2. Long Acting Injections and Implants. Advances in Delivery Science and Technology. Wright, J. C., Burgess, D. J. , Springer. 11-24 (2012).
- Wischke, C., Schwendeman, S. P. Principles of encapsulating hydrophobic drugs in PLA/PLGA microparticles. Int. J. Pharm. 364, 298-327 (2008).
- Xie, J. W., Tan, R. S., Wang, C. H. Biodegradable microparticles and fiber fabrics for sustained delivery of cisplatin to treat C6 glioma in vitro. J. Biomed. Mater. Res., Part A. 85A, 897-908 (2008).
- Danhier, F., et al. PLGA-based nanoparticles: An overview of biomedical applications. J. Control. Release. 161, 505-522 (2012).
- Korin, N., et al. Shear-activated nanotherapeutics for drug targeting to obstructed blood vessels. Science. 337, 738-742 (2012).
- Lee, J. S., et al. Evaluation of in vitro and in vivo antitumor activity of BCNU-Ioaded PLGA wafer against 9L gliosarcoma. Eur. J. Pharm. Biopharm. 59, 169-175 (2005).
- Liu, H., Wang, S. D., Qi, N. Controllable structure, properties, and degradation of the electrospun PLGA/PLA-blended nanofibrous scaffolds. J. Appl. Polym. Sci. 125, E468-E476 (2012).
- Ong, B. Y. S., et al. Paclitaxel delivery from PLGA foams for controlled release in post-surgical chemotherapy against glioblastoma multiforme. Biomaterials. 30, 3189-3196 (2009).
- Paun, I. A., Moldovan, A., Luculescu, C. R., Staicu, A., Dinescu, M. M. A. P. L. E. deposition of PLGA:PEG films for controlled drug delivery: Influence of PEG molecular weight. Appl. Surf. Sci. 258, 9302-9308 (2012).
- Reneker, D. H., Yarin, A. L., Zussman, E., Xu, H. Electrospinning of nanofibers from polymer solutions and melts. Advances in Applied Mechanics. Aref, H., Van der Giessen, E. 41, 43-195 (2007).
- Leach, M. K., Feng, Z. -Q., Tuck, S. J., Corey, J. M. Electrospinning fundamentals: optimizing solution and apparatus parameters. J. Vis. Exp. (2494), (2011).
- Oh, J. H., Park, K. M., Lee, J. S., Moon, H. T., Park, K. D. Electrospun microfibrous PLGA meshes coated with in situ cross-linkable gelatin hydrogels for tissue regeneration. Curr. Appl. Phys. 12, S144-S149 (2012).
- Kim, T. G., Park, T. G. Biomimicking extracellular matrix: cell adhesive RGD peptide modified electrospun poly(D,L-lactic-co-glycolic acid) nanofiber mesh. Tissue Eng. 12, 221-233 (2006).
- Stitzel, J., et al. Controlled fabrication of a biological vascular substitute. Biomaterials. 27, 1088-1094 (2006).
- Liang, D., et al. In vitro non-viral gene delivery with nanofibrous scaffolds. Nucleic Acids Res. 33, e170 (2005).
- You, Y., Min, B. -M., Lee, S. J., Lee, T. S., Park, W. H. In vitro degradation behavior of electrospun polyglycolide, polylactide, and poly(lactide-co-glycolide). J. Appl. Polym. Sci. 95, 193-200 (2005).
- Boland, E. D., Wnek, G. E., Simpson, D. G., Pawlowski, K. J., Bowlin, G. L. Tailoring tissue engineering scaffolds using electrostatic processing techniques: a study of poly(glycolic acid) electrospinning. J. Macromol. Sci., Part A: Pure Appl. Chem. 38, 1231-1243 (2001).
- Inoguchi, H., Tanaka, T., Maehara, Y., Matsuda, T. The effect of gradually graded shear stress on the morphological integrity of a huvec-seeded compliant small-diameter vascular graft. Biomaterials. 28, 486-495 (2007).
- Xu, C. Y., Inai, R., Kotaki, M., Ramakrishna, S. Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering. Biomaterials. 25, 877-886 (2004).
- Mun, C. H., et al. Three-dimensional electrospun poly(lactide-co-varepsilon-caprolactone) for small-diameter vascular grafts. Tissue Eng. Part A. 18, 1608-1616 (2012).
- Inai, R., Kotaki, M., Ramakrishna, S. Deformation behavior of electrospun poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) nonwoven membranes under uniaxial tensile loading. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 43, 3205-3212 (2005).
- Cao, H., McHugh, K., Chew, S. Y., Anderson, J. M. The topographical effect of electrospun nanofibrous scaffolds on the in vivo and in vitro foreign body reaction. J. Biomed.Mater.Res.,PartA.. 93A, 1151-1159 (2010).
- Pham, Q. P., Sharma, U., Mikos, A. G. Electrospun poly(epsilon-caprolactone) microfiber and multilayer nanofiber/microfiber scaffolds: characterization of scaffolds and measurement of cellular infiltration. Biomacromolecules. 7, 2796-2805 (2006).
- Jiang, H., Zhao, P., Zhu, K. Fabrication and characterization of zein-based nanofibrous scaffolds by an electrospinning method. Macromol. Biosci. 7, 517-525 (2007).
- Zhang, Y. Z., Venugopal, J., Huang, Z. M., Lim, C. T., Ramakrishna, S. Characterization of the surface biocompatibility of the electrospun PCL-collagen nanofibers using fibroblasts. Biomacromolecules. 6, 2583-2589 (2005).
- Jiang, H., Hu, Y., Zhao, P., Li, Y., Zhu, K. Modulation of protein release from biodegradable core-shell structured fibers prepared by coaxial electrospinning. J. Biomed. Mater. Res., Part B: Appl. Biomat. 79, 50-57 (2006).
- Jiang, H., et al. A facile technique to prepare biodegradable coaxial electrospun nanofibers for controlled release of bioactive agents. J. Control. Release. 108, 237-243 (2005).
- Zhang, Y. Z., et al. Coaxial electrospinning of (fluorescein isothiocyanate-conjugated bovine serum albumin)-encapsulated poly(epsilon-caprolactone) nanofibers for sustained release. Biomacromolecules. 7, 1049-1057 (2006).
- Schnell, E., et al. Guidance of glial cell migration and axonal growth on electrospun nanofibers of poly-epsilon-caprolactone and a collagen/poly-epsilon-caprolactone blend. Biomaterials. 28, 3012-3025 (2007).
- Ma, Z., He, W., Yong, T., Ramakrishna, S. Grafting of gelatin on electrospun poly(caprolactone) nanofibers to improve endothelial cell spreading and proliferation and to control cell Orientation. Tissue Eng. 11, 1149-1158 (2005).
- Peesan, M., Rujiravanit, R., Supaphol, P.
- Jia, Y. -T., et al. Fabrication and characterization of poly (vinyl alcohol)/chitosan blend nanofibers produced by electrospinning method. Carbohydr. Polym. 67, 403-409 (2007).
- Kenawy, E. -R., Abdel-Hay, F. I., El-Newehy, M. H., Wnek, G. E. Controlled release of ketoprofen from electrospun poly(vinyl alcohol) nanofibers. Mater. Sci. Eng., A. 459, 390-396 (2007).
- Zhang, C., Yuan, X., Wu, L., Han, Y., Sheng, J. Study on morphology of electrospun poly(vinyl alcohol) mats. Eur. Polym. J. 41, 423-432 (2005).
- Hong, K. H. Preparation and properties of electrospun poly(vinyl alcohol)/silver fiber web as wound dressings. Polym. Eng. Sci. 47, 43-49 (2007).
- Bhattarai, S. R., et al. Novel biodegradable electrospun membrane: scaffold for tissue engineering. Biomaterials. 25, 2595-2602 (2004).
- Grafahrend, D., et al. Biofunctionalized poly(ethylene glycol)-block-poly(ε-caprolactone) nanofibers for tissue engineering. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 19, 1479-1484 (2008).
- Riboldi, S. A., Sampaolesi, M., Neuenschwander, P., Cossu, G., Mantero, S. Electrospun degradable polyesterurethane membranes: potential scaffolds for skeletal muscle tissue engineering. Biomaterials. 26, 4606-4615 (2005).
- Gugerell, A., et al. Electrospun poly(ester-urethane)- and poly(ester-urethane-urea) fleeces as promising tissue engineering scaffolds for adipose-derived stem cells. PLoS ONE. 9, e90676 (2014).
- Nair, P. A., Ramesh, P. Electrospun biodegradable calcium containing poly(ester-urethane)urea: synthesis, fabrication, in vitro degradation, and biocompatibility evaluation. J. Biomed. Mater. Res., Part A. 101, 1876-1887 (2013).
- Caracciolo, P., Thomas, V., Vohra, Y., Buffa, F., Abraham, G. Electrospinning of novel biodegradable poly(ester urethane)s and poly(ester urethane urea)s for soft tissue-engineering applications. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 20, 2129-2137 (2009).
- Hong, Y., et al. A small diameter, fibrous vascular conduit generated from a poly(ester urethane)urea and phospholipid polymer blend. Biomaterials. 30, 2457-2467 (2009).
- Pego, A. P., et al. Preparation of degradable porous structures based on 1,3-trimethylene carbonate and D,L-lactide (co)polymers for heart tissue engineering. Tissue Eng. 9, 981-994 (2003).
- Niu, H., Wang, H., Zhou, H., Lin, T. Ultrafine PDMS fibers: preparation from in situ curing-electrospinning and mechanical characterization. RSC Adv. 4, 11782-11787 (2014).
- Kim, Y. B., Cho, D., Park, W. H. Electrospinning of poly(dimethyl siloxane) by sol–gel method. J. Appl. Polym. Sci. 114, 3870-3874 (2009).
- Kenawy, E. -R., et al. Release of tetracycline hydrochloride from electrospun poly(ethylene-co-vinylacetate), poly(lactic acid), and a blend. J. Control. Release. 81, 57-64 (2002).
- Uykun, N., et al. Electrospun antibacterial nanofibrous polyvinylpyrrolidone/cetyltrimethylammonium bromide membranes for biomedical applications. J. Bioact. Compat. Polym. 29, 382-397 (2014).
- Panthi, G., et al. Preparation and characterization of nylon-6/gelatin composite nanofibers via electrospinning for biomedical applications. Fibers Polym. 14, 718-723 (2013).
- Pant, H. R., et al. Chitin butyrate coated electrospun nylon-6 fibers for biomedical applications. Appl. Surf. Sci., Part B. 285, 538-544 (2013).
- Pant, H. R., Kim, C. S. Electrospun gelatin/nylon-6 composite nanofibers for biomedical applications. Polym. Int. 62, 1008-1013 (2013).
- Correia, D. M., et al. Influence of electrospinning parameters on poly(hydroxybutyrate) electrospun membranes fiber size and distribution. Polym. Eng. Sci. 54, 1608-1617 (2014).
- Tong, H. -W., Wang, M. Electrospinning of poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) fibrous tissue engineering scaffolds in two different electric fields. Polym. Eng. Sci. 51, 1325-1338 (2011).
- Carampin, P., et al. Electrospun polyphosphazene nanofibers for in vitro rat endothelial cells proliferation. J. Biomed. Mater. Res., Part A. 80, 661-668 (2007).
- Lin, Y. -J., et al. Effect of solvent on surface wettability of electrospun polyphosphazene nanofibers. J. Appl. Polym. Sci. 115, 3393-3400 (2010).
- Zhang, J., et al. Engineering of vascular grafts with genetically modified bone marrow mesenchymal stem cells on poly (propylene carbonate) graft. Artif. Organs. 30, 898-905 (2006).
- Nagiah, N., Sivagnanam, U. T., Mohan, R., Srinivasan, N. T., Sehgal, P. K. Development and characterization of electropsun poly(propylene carbonate) ultrathin fibers as tissue engineering scaffolds. Adv. Eng. Mater. 14, B138-B148 (2012).
- Welle, A., et al. Electrospun aliphatic polycarbonates as tailored tissue scaffold materials. Biomaterials. 28, 2211-2219 (2007).
- Khanam, N., Mikoryak, C., Draper, R. K., Balkus, K. J. Electrospun linear polyethyleneimine scaffolds for cell growth. Acta Biomater. 3, 1050-1059 (2007).
- Xu, X., Zhang, J. -F., Fan, Y. Fabrication of cross-linked polyethyleneimine microfibers by reactive electrospinning with in situ photo-cross-linking by UV radiation. Biomacromolecules. 11, 2283-2289 (2010).
- Wang, S., et al. Fabrication and morphology control of electrospun poly(Γ-glutamic acid) nanofibers for biomedical applications. Colloids Surf. B. 89, 254-264 (2012).
- Sakai, S., Yamada, Y., Yamaguchi, T., Kawakami, K. Prospective use of electrospun ultra-fine silicate fibers for bone tissue engineering. Biotechnol. J. 1, 958-962 (2006).
- Yamaguchi, T., Sakai, S., Kawakami, K. Application of silicate electrospun nanofibers for cell culture. J. Sol-Gel Sci. Technol. 48, 350-355 (2008).
- Vazquez, G., Alvarez, E., Navaza, J. M. Surface-tension of alcohol plus water from 20-degrees C to 50-degrees. C. J. Chem. Eng. Data. 40, 611-614 (1995).
- Hoke, B. C., Patton, E. F. Surface tensions of propylene glycol water. J. Chem. Eng. Data. 37, 331-333 (1992).
- Azizian, S., Hemmati, M. Surface tension of binary mixtures of ethanol + ethylene glycol from 20 to 50. C. J. Chem. Eng. Data. 48, 662-663 (2003).
- Nayak, B. K., Caffrey, P. O., Speck, C. R., Gupta, M. C. Superhydrophobic surfaces by replication of micro/nano-structures fabricated by ultrafast-laser-microtexturing. Appl. Surf. Sci. 266, 27-32 (2013).
