Abstract
永久的または準安定非接液状態を有する表面を有する超撥水材料は、生物医学および産業用アプリケーションの数について興味深いものです。ここでは、ポリエステルから成る疎水性の共重合体でドープされた主要なコンポーネント、およびstearate-として、生分解性、生体適合性脂肪族ポリエステル(例えば、ポリカプロラクトン及びポリ(ラクチド- コ -glycolide))を含むポリマー混合物をエレクトロスピニングまたはエレクトロスプレー方法を説明します変性ポリ(グリセロールカーボネート)は超疎水性生体材料を提供します。エレクトロスピニングまたはエレクトロスプレーの製造技術は、それぞれ、上および繊維や粒子内に強化された表面粗さと気孔率を提供しています。ポリエステルとのブレンド及び安定エレクトロスピニングまたはエレクトロスプレーすることができる低表面エネルギーコポリマードーパントの使用は、これらの超疎水性物質が得られます。そのような繊維サイズ、コポリマードーパント組成物および/またはCOなどの重要なパラメータncentration、濡れ性への影響が議論されています。ポリマー化学およびプロセス工学のこの組み合わせは、おそらく、様々な用途のためのポリマーのより広いクラスに一般化されているスケーラブルな技法を使用して、アプリケーション固有の材料を開発するための多目的なアプローチを提供します。
Introduction
超疎水性表面は、一般的に明白な水との接触が低い接触角ヒステリシスと150°よりも大きい角度示すものとして分類されます。これらの表面は、1-6湿潤レジスト得られた空気-液体-固体界面を確立するために、低表面エネルギー材料で高い表面粗さを導入することによって作製されます。製造方法、薄膜または多層超疎水性表面に応じて、多層超疎水性基材コーティング、あるいはバルク超疎水性構造を製造することができます。この永久的または半永久的な撥水性は、セルフクリーニング表面7を調製するために使用される有用な特性であり、防汚マイクロ流体デバイス8細胞/タンパク質表面9,10、抗力低減面11、及び薬物送達デバイス12- 15。最近では、刺激応答性超疎水性材料が濡れる状態に非接液を化学によってトリガーされた場合について説明されている、物理的、あるいは環境手がかり( 例えば 、光、pH、温度、超音波、および現在の電位を/適用)14,16-20、およびこれらの材料は、追加のアプリケーション21-25のための使用を見つけています。
第1の合成超疎水性表面をmethyldihalogenosilanes 26の材料の表面を処理することによって調製され、使用される材料は、 インビボでの使用に適していなかったように、生物医学的用途のために限られた価値ありました。ここで我々は、生体適合性ポリマーからの表面およびバルク超疎水性材料の製造が記載されています。我々のアプローチは、エレクトロスピニングまたはポリエステルとステアリン酸で修飾されたポリ(グリセロールカーボネート)27-30から成る疎水性の共重合体でドープされた主要な成分とする生分解性、生体適合性の脂肪族ポリエステルを含むポリマー混合物をエレクトロスプレーを伴います。製造技術が上とfibe以内強化表面粗さと気孔率を提供それぞれRSまたは粒子、共重合体のドーパントの使用は、ポリエステルとブレンドし、安定27,31,32を電界紡糸またはエレクトロスプレーすることができる低表面エネルギーポリマーを提供します。
ポリ(乳酸)などの脂肪族生分解性ポリエステル(PLA)、ポリ(グリコール酸)(PGA)、ポリ(乳酸- コ -glycolic酸)(PLGA)、ポリカプロラクトン(PCL)は、臨床的に承認されたデバイスで使用されるポリマーでありますおよび生物医学材料研究において顕著なため、それらの非毒性、生分解性、および合成33の容易さ。 PGAおよびPLGAは34〜37、それぞれ、1960年代と1970年代初期における生体吸収性縫合糸としてクリニックにデビュー。それ以来、これらのポリ(ヒドロキシ酸)は、このようなマイクロ38,39およびナノ粒子40,41、ウェハ/ディスク42などの他のアプリケーション固有のフォームファクタ、さまざまなに加工された、27,43メッシュ、44を発泡し、フィルム45
脂肪族ポリエステル、並びに生物医学的関心のある他のポリマー、高表面積および空隙率ならびに引張強度を有するナノまたはマイクロファイバー網状構造を生成するために電界紡糸することができる。 表1は 、様々な生物医学的用途のために合成ポリマーのエレクトロスピニングおよびそれらの対応します参照。エレクトロスピニングおよびエレクトロスプレーは、迅速かつ商業的にスケーラブルな技術です。これらの2つの類似の技術は、それが接地ターゲット46,47に向けられるように、シリンジポンプ設定で溶融/ポリマー溶液の表面張力を克服するために、高電圧(静電反発力)を適用することに依存しています。この技術は、低表面エネルギーのポリマー(例えば、ポリ疎水性ポリマー(カプロラクトンコ -グリセロールモノステアレート))、得られた材料展示超疎水性と関連して使用される場合。
この一般的な合成や材料の処理方法を説明するために、生物医学ポリマーから超疎水性材料を構築するために、我々は、超疎水性polycaprolactone-およびポリ(ラクチド- コ -glycolide)代表例として系材料の合成が記載されています。それぞれの共重合体ドーパントポリ(カプロラクトンコ -グリセロールモノステアレート)およびポリ(ラクチド- コ -グリセロールモノステアレート)は、第1ポリカプロラクトン及びポリ(ラクチド- コ -glycolide)とブレンド、合成され、それぞれ、最終的に電界紡糸またはエレクトロ。得られた材料は、SEMイメージングと接触角の角度測定によって特徴付けられ、 インビトロおよびインビボでの生体適合性について試験されます。最後に、三次元の超疎水性メッシュスルーバルク濡れが造影microcomputed断層撮影法を用いて検討されています。
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Protocol
1.官能化ポリ(1,3-グリセロールcarbonate- コカプロラクトン)29およびポリ(1,3-グリセロールcarbonate- 共同ラクチド )27,28の合成 。
- モノマー合成。
- 500 mlの乾燥テトラヒドロフラン(THF)中の(50グラム、0.28モル、1当量) のシス -2-フェニル-1,3-ジオキサン-5-オールを溶解させ、窒素下、氷上で攪拌しました。細かく乳鉢と乳棒で粉砕、水酸化カリウム(33.5グラム、0.84モル、3当量)を追加します。氷浴中でフラスコを置きます。
- 追加49.6ミリリットル臭化ベンジル(71.32グラム、0.42モル、1.5当量)を滴下氷上で撹拌しながら。反応は、窒素下、24時間撹拌しながら室温まで昇温できるようにします。
- 水酸化カリウムを溶解し、回転蒸発によりTHFを除去するために蒸留水150 mlを加え。
- 1リットルの分液漏斗に200ミリリットルのジクロロメタン(DCM)と残りの材料を抽出します。二回抽出を繰り返します。
- 硫酸ナトリウム上で有機相を乾燥させます。
- 結晶化しますこの溶液に600ミリリットルの無水エタノールを加えるよく混合し、-20℃で一晩保存することにより、製品。生成物は、後続のステップを実行する前に、数日間、-20℃で保存することができます。
- ブフナー漏斗を通して真空濾過により生成物を単離し、高真空に乾燥。生成物は、後続のステップを実行する前に数日間保存することができます。このステップのための典型的な収率は〜80%です。
- 1-Lの丸底フラスコに、ステップ1.1.7で得られた生成物を中断する。メタノール(300ml)で。 2規定塩酸150ミリリットルを追加します。 2時間80℃で還流。
- 溶剤蒸発させ、24時間高真空下に置きます。この工程の収率は、典型的には> 98%です。
- (650ミリリットル)をTHFに1.1.9の製品を溶解し、2リットルの丸底フラスコに移します。氷浴にフラスコを置き、窒素下で撹拌します。窒素下でフラスコに22.4ミリリットルクロロギ酸エチル(25.6グラム、0.29モル、2当量)を追加します。
- 32.8ミリリットルのトリエチルアミン追加(0.29モル、2当量)をトン添加漏斗を、O。 THFの等量混ぜます。丸底フラスコに添加漏斗を配置し、窒素下に保ちます。
- 激しく撹拌しながら、慎重にトリエチルアミン/ THF混合物の滴下丸底フラスコに氷の上を分注します。注意:これは発熱反応です。急激な温度上昇を防止するために、何より速い毎秒1滴よりトリエチルアミン/ THF溶液を添加しません。フルボリュームを追加した後、室温に温め、または24時間、4時間反応をかき混ぜます。
- ブフナー漏斗を用いてトリエチルアミン塩酸塩を除外。ロータリーエバポレーターで溶媒を蒸発させ。
- フラスコにジクロロメタン(200ml)に加え、残留物が溶解するまでゆっくりと加熱します。旋回しながらジエチルエーテル120ミリリットルを追加します。 -20℃で一晩Storeは、生成物を結晶化します。
- フィルタモノマー結晶および重合前に再結晶化します。モノマー製品は2週間、室温で密封し、-20で保存することができます6; C無期限。 1 H NMRによる製品、質量分析、および元素分析を確認してください。モノマー合成では、この最後のステップのための典型的な収率は40〜60%の間です。
- D、L-ラクチド/εカプロラクトンの共重合5-ベンジルオキシ-1,3-ジオキサン-2-オン。
- 140°Cまで加熱シリコーン油浴。
- (1.1で調製した)5-ベンジルオキシ1,3-ジオキサン-2-オン2.1gのを測定し、乾燥した100mlの丸底フラスコに追加します。 D、L-ラクチドを共重合した場合、5.7グラムを測定し、今フラスコに追加します。磁気攪拌棒を加え、ゴム栓でフラスコを密封します。
- また、小さな梨型フラスコにスズ(II)エチルヘキサン酸240mgの(過剰)を測定。この重合は、20モル%のグリセロールカーボネートモノマー組成物をもたらすであろう。異なるモノマー組成を達成するために、モノマーの質量を調整します。
- 5分間のシュレンクマニホールドに窒素で両フラスコをフラッシュし、4.24ミリリットルのε-caprolacを追加窒素下でトーン。微量の水を除去するために、15分間高真空(300ミリトール)を適用することによってフラスコ」の雰囲気を避難させます。
- 窒素をフラスコ」の雰囲気を充電。二回以上このサイクルを繰り返します。
- 窒素下で、スズ触媒と500μlの乾燥トルエンを混ぜます。
- 140℃の油浴中でモノマーフラスコを置き、すべての固形物が溶融した後、触媒を追加します。配信触媒混合物の総体積は〜100μLである必要があります。次いで、室温に溶融ポリマーを冷却、せいぜい24時間、140℃で保管してください。すぐに、または少なくとも24時間後以降の手順を実行します。
- ジクロロメタン中のポリマー(50ml)に溶解し、冷メタノール(200mL)に沈殿します。高真空下で上清をデカントし、乾燥。その後の工程は、直ちに、または任意の時点で行うことができます。さらに使用するまで冷凍庫に保管してポリマー。典型的な重合収率/変換は80-95%の間です。
- 1を実行しますH NMR分析は、コモノマーのモル比を決定します。重水素化クロロホルム(CDCl 3中)にポリマーを溶解し、4.58から4.68 ppmのカーボネートモノマーのベンジルプロトンシフトを統合。 5.2 PPM(PLGA)で2.3 PPM(PCL)とメチンピークのメチレンピークのそれとこのピーク面積を比較します。
- ポリマー変性:脱保護および移植。
- 高圧水素化容器中で120 mlのテトラヒドロフラン(THF)中のポリマー(〜7のg)を溶解します。計量およびパラジウム - 炭素触媒(〜2グラム)を追加します。
- 水素化装置を用いて容器に水素を加えます。 4時間50psiで水素化します。注意:水素ガスは非常に可燃性です。この手順に精通者からの支援を求めて、常にこの実験を行う前に、可能なリークの供給ラインを検査します。
- 珪藻土の充填床を使用してパラジウム - 炭素触媒をフィルタします。 〜へのポリマーを濃縮し、回転蒸発し、PRECIの下で50ミリリットル冷メタノールにpitate。注意:ドライパラジウム微粒子が自然発火することができます。炎を窒息するためのフレアアップの際に近くの湿ったタオルをおいてください。それが凝集し、その発火を防ぐために維持するために、パラジウム/カーボンフィルターケーキに水を追加します。この手順に精通者からの支援を求めます。
- 高真空下で上清と乾燥をデカント。 4.65 ppmの(CDCl 3中の1 H NMR)でピーク消失に注目することによって遊離ヒドロキシルに全変換を確認してください。これらのポリマーは、直ちに使用するか、または後で使用するために保存することができます。このステップの収率は> 90%。
- 500 mlの乾燥ジクロロメタン(DCM)中のポリマーおよびステアリン酸(1.5当量)を溶解します。 N、N'-ジシクロヘキシルカルボジイミド(DCC、2.0当量)および4-ジメチルアミノピリジンの3フレークを加えます。 24時間室温で窒素下で撹拌しました。
- 繰り返し濾過および濃度の一連の不溶性N、N'- dicyclohexylcarboureaを削除します。最後には、集中50ミリリットルを解決。
- 冷メタノール(〜175ミリリットル)にポリマーを沈殿させ、上澄みをデカント。高真空下で一晩ポリマーを乾燥させます。これらのポリマーのその後の使用は、任意の時点で実行するが、長期保存のために冷凍庫にポリマーを保持することができます。この最終修正ステップの収率は85〜90%の間で一般的です。
2.合成されるコポリマーの特徴付け
- 〜10mgのポリマーを秤量(実際の質量を記録)と気密に封止した後、アルミニウム製サンプルパンに追加します。ロードサンプルパンと無負荷(参照)、示差走査熱量計にパン。
- プログラム温度ランプおよび冷却(「熱/クール/ヒート」)サイクル:225℃〜20℃から1)熱10℃/分で、2)5℃/分で-75℃に冷却し、 10℃/分で225°Cまで3)熱。
- 融点 (T m)を決定し、結晶化(<EM> T c)が、熱トレース(該当する場合)のガラス転移温度(T g)、および融解熱(ΔHのF)。
- THF中の各合成した共重合体(1mg / ml)を溶解し、0.02μmのPTFEフィルターでろ過します。ゲル浸透クロマトグラフィーシステムに溶液を注入し、ポリスチレン標準の範囲に対する保持時間を比較します。
エレクトロ/ 27,31のエレクトロスプレー3.準備ポリマー溶液
- (5:1)、クロロホルム/メタノールのような適当な溶媒中、10-40重量%のポリマーを溶解するPCLまたはテトラヒドロフラン/ N、N-ジメチルホルムアミド(7:3)PLGAのために、一晩。この手順のために必要なポリマーの質量は、所望のメッシュの大きさに依存します。
注:例えば、約300ミクロンの厚さの10 cmでX 10cmのメッシュを生成するために、1グラムは、典型的には必要とされます。これは、材料の損失を注目する価値がありますESは、このような(特に粘性の溶液のための)注射器への溶液移動中など、及びエレクトロスピニングプロセスの歩留まりを低下され、オプションのコネクタチューブと針ハウジング自体に存在するデッドボリュームからこのプロトコルのその後の工程で発生する可能性があります。収率のこれらの減少は、材料の最大20%の損失をもたらすことがあり、それはこれらの損失を予想し1.5倍にスケールアップすることが推奨され、また、初めてこの手順を実行する際にエレクトロスピニング・パラメータの最適化に関連するものの損失。- より濃縮された溶液から予想されるより大きな繊維と、総ポリマー濃度を変化させることにより、繊維のサイズを制御します。疎水性のささやかな強化のために、超疎水性ドーパント(全ポリマー質量)の10%を使用します。極めて疎水性/超疎水性材料は、30〜50%のドーパントを使用し、および/ または総ポリマー濃度を減少させる( すなわち 、繊維のサイズを減少させます)。これらのソリューションとその後の作業がperfoすることができます翌日rmedまたはその後1週間以内。
- エレクトロスプレーは、例えば、クロロホルムのような適切な溶媒中で低濃度( すなわち 、2-10%)で溶液を調製します。エレクトロスピニングのように、ポリマー濃度を変えることにより、粒子サイズを調節します。
- 渦ポリマー溶液を十分に混合します。大きな気泡が治まる(5分)を許可します。
- ガラスシリンジにロードソリューション。溶液粘度に応じて、プランジャを取り外し、注射器に直接溶液を注ぐことが最も簡単であり得ます。不活性、フレキシブルチューブの部分は、エレクトロスピニング、セットアップユーティリティで操作性を助けることができます。ホース/針アセンブリを介して空気を置換するために注射器を反転します。
4.エレクトロ/ポリマー溶液をエレクトロスプレー
- ロードシリンジポンプへシリンジ、セット総容量(例えば、4.5ミリリットル)、この溶液を分配する時レート(例えば、5ミリリットル/時)。
- と集電板をカバーluminum箔がその後の除去および輸送を容易にします。外側のエッジに沿ってマスキングテープで箔を固定します。
- 針の先端に高電圧直流(HVDC)給電線を接続します。コレクタにこの針の先端までの距離は、1)が所定の電圧での電界に影響を与えるため、考慮すべき重要な変数であり、2)その収集時の衝撃繊維の溶剤及びその結果としての乾燥の蒸発を。
- 最初の試みとして、15センチメートルの先端・コレクタの距離を使用しています。注意:高電圧および引火性溶剤はエレクトロ/エレクトロスプレーに関与しています。外排気に十分に換気をしておらず、決して絶対的に一定のHVDC電源がオフになるまで、シリンジ/針に触れたり、カバーを開け。
- 適用範囲の広い面積をエレクトロスプレー/エレクトロスピニングした場合、コレクタードラムを回転させ、翻訳をオンにします。それ以外の場合は、次の手順に進みます。
- シリンジポンプを起動します。
- オンにし、高いボルトを調整年齢源は、許容可能なテイラーコーンを達成します。針先の溶液が垂れている場合は、電圧を増加させます。複数のジェットが形成されている場合は、電圧を低減。繊維/粒子は、湿式又は適切に針の先端におけるドラッグの滴を解決しない電圧を調整する場合に表示される場合は、これらの調整に加えて、先端からコレクターまでの距離を調整する必要があるかもしれません。
注:詳細なトラブルシューティングのために、リーチと共同研究者47によって総合的なエレクトロスピニング最適化プロセスを参照してください。エレクトロスプレーは、一般的に、より高い電圧および電界紡糸よりも低い溶液濃度を含むであろう。 - 高電圧源とシリンジポンプと電動式ドラム(該当する場合)をオフにします。エレクトロスピニングエンクロージャは30分間換気を続行できるようにします。
- コレクタからメッシュ/コーティングを削除します。トレース溶媒は一晩フード内で蒸発させます。材料は、少なくとも2週間(PLGA)、または2を室温で保存することができますヶ月(PCL)。ステップ4.5から4.8までは、任意の順序で実行されてもよいです。
光と走査型電子顕微鏡により5特徴付ける繊維と粒子サイズ
- 光学顕微鏡検査法
- エレクトロメッシュを生成する場合は、スライドガラス上にそれの薄い部分をカットし、マウントします。
- 繊維径、ノード特性(ブロブまたはディスクリート)と、繊維形状( すなわち 、ビーズ、フラット、ストレート/波状)を確認します。理想的なエレクトロメッシュ繊維は、均一な直線状または波状、およびビーズフリーです。
- 走査型電子顕微鏡(SEM)
- 導電性銅テープを使用したアルミニウムSEMスタブ上のメッシュ又はコーティングされた表面をカットし、マウントします。電界紡糸繊維及びエレクトロスプレーコーティングは、直接、事前にテープに繊維/粒子を堆積させることによって、SEMにより観察することができます。
- コートメッシュ/スパッタコーティングを通じたAu / Pdを薄い(〜4 nm)の層でコーティング。
- ロードスタブSEM室へと1-2 keVの時に観察します。 250Xマニフィカ高い倍率は、粒子コーティングのための非常に超疎水性繊維との相互接続のための階層パターンなどの追加の繊維と粒子の特徴を明らかにしながらションは、材料の一般的な地形学的評価を提供します。
6.非湿潤特性を決定します
- 前進および容積変化方法を用いて水接触角測定を後退
- 接触角ゴニオメータのステージにメッシュまたはコーティングされた材料(可能な場合)と場所の薄い(0.5センチメートル×5 cm)のストリップをカット。
- 材料表面に(24 AWGの注射針から)それを分配しながら、水滴プロファイルをキャプチャします。
- これを行うには、約5μlのドロップを開始し、材料表面と接触します。ゆっくりと前進水接触角を示し、液滴イメージを、ボリューム(20〜25μl)を追加し、キャプチャを続けます。針の先端は、液滴に比べて小さいこと、および目べきですEキャピラリーの長さは、液滴形状の歪みを最小限にするために、液滴よりも大きくなければなりません。
- 同時にそのドロッププロファイルをキャプチャしながら、この同じドロップを撤回。典型的には、平均値を報告するためにいくつかのサンプルの個別の表面位置に繰り返し、両方の前進および後退接触角の測定値10は、これらの材料を特徴付けるために十分です。
- プロービング液体を変更することにより、材料の臨界表面張力を決定します。
- これらの混合物が表面張力99-101を知っているように、エタノール、プロピレングリコール、又はエチレングリコールの含有量が異なる溶液を調製します。
- あるいは、1,4-、表面張力、例えば、水(72 MN / m)を、グリセロール(64 MN / m)を、ジメチルスルホキシド(44 MN / m)を、ベンジルアルコール(39 MN / m)を変化させて溶剤を使いますジオキサン(33 MN / m)を、1-オクタノール(28 MN / m)を、アセトン(25 MN /メートル)。これらの意志として、ポリマーを溶解しない溶剤を使用することが重要です結果を混乱させる。さらに、それは、表面張力に加えて、これらの液体は、接触角の測定に影響を与え、この技術の限界であることができる異なる粘度を持っている、ということに注意することが重要です。
- 材料表面にプローブしたこれらのソリューションの接触角を測定します。表面張力の関数としてプロット接触角。
- これらの混合物が表面張力99-101を知っているように、エタノール、プロピレングリコール、又はエチレングリコールの含有量が異なる溶液を調製します。
7.メッシュ31のバルク濡れを検出
- 3Dは、マイクロコンピュータ断層撮影(μCT)を使用してメッシュに水の浸透を観察します。
- 水にイオキサグレート(ヨード造影剤)の80 mg / mlの溶液を調製します。
- これらの溶液中のメッシュを水没し、37℃でインキュベートし;定期的に70 KVP管電圧、114μAの電流を用いてμCT(18μmの3ボクセル解像度)によって造影剤(水)の浸透を測定し、300ミリ秒の積分時間。
- 画像処理ソフトウェアを使用して、ピクセルINTENSを測定明るいピクセルは、水の浸透を表すメッシュの厚さ全体にわたって性。高い強度は水の浸透を表すために、画素閾値(〜1500年)を選択します。
8.テストメッシュの機械的性質
- カット引張試験装置のグリップの間の1センチメートル×7センチ、場所に噛合しています。正確な幅、長さ、および厚さを測定します。
- 3サンプルに延長のランプテストを実行します。弾性率、極限引張強度、及び破断点伸びを決定するためにこれらのデータを用いて、応力 - ひずみ曲線をプロットします。
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Representative Results
化学変換の一連の官能カーボネートモノマー、5-ベンジルオキシ-1,3-ジオキサン-2-オンを白色の結晶性固体( 図1A)として合成される。1 H NMRは、構造( 図1B)および質量分析法を確認し元素分析は、組成物を確認してください。この固体を、次いで140℃の錫触媒開環反応を使用してD、Lラクチドまたはεカプロラクトンのいずれかと共重合されます。沈殿による精製後、ポリマー組成物は、4.58から4.68 ppmのベンジルプロトンの化学シフトとカプロラクトンまたはラクチドのメチンピーク(それぞれ2.3または5.2 ppmで)の特性メチレンピークを積分することにより1 H NMR分析を用いて決定されます。ベンジル保護基の選択的除去は、パラジウム/ C触媒による水素化分解によって達成されます。完全な脱保護は、1 H NMRスペクトル中のベンジルピークの消失に注目することによって確認されます。 Subseq遊離ヒドロキシル基へのステアリン酸のuentグラフト化は、最終的な共重合体は、疎水性にします。これらの共重合体は、室温( 図1C)で白色固体であり、それらは、フィルム、エレクトロスピニングされたメッシュ、およびエレクトロスプレーコーティング( 図1D)に加工されることが可能です。
共重合体組成物(グリセロールカーボネートすなわち 、ラクチド/カプロラクトン)は、対応するモノマーの供給比を変えることによって調整されます。組成を変化させること、熱および/または機械的特性の範囲で共重合体を合成するための手段を提供します。例えば、示差走査熱量測定(DSC)を用いて熱分析は、PLA-PGC 18 10を含有するポリマー、20、30、または徐々に増加PGCのモル%で、より結晶性になる40モル%PGC 18モノマーことが明らかになりました。 PCL-PGC 18及びPLA-PGC 18の共重合体の熱的特性を表2にまとめます 。
ポリ(グリセロールモノステアレート)は、滑らかなキャストフィルム( 図2A)で接触角測定を使用して決定されるコポリマーは、それらの対応するPCLまたはPLGA対応物よりも低い表面エネルギーを有するベース。 PCLは、84°の前進水接触角を有しているが、PCL-PGC 18(80:20)のための前進接触角は、〜120°です。一方、PLA-PGC 18(90:10)およびPLA-PGC 18(60:40)同様に、PLGAは、それぞれ、71°の前進接触角を99°、105°の前進接触角を展示持っています。曲疎水性( 図2B)の容易な手段を、純粋なポリマーおよびコポリマーのために得られたものとの間の接触角の値を進める中で、それらの対応する共重合体ドーパント結果とPCLまたはPLGAをブレンドし、得られます。この場合、両方共重合ドーパント濃度( すなわち 、10%または30%重量/重量)との共重合体組成物( すなわち 、PLA-PGC 18(90:10)またはPLA-PGC 18(60:40)種)高い接触角をもたらす大きなPGC 18のコンテンツと、疎水性に影響を与えます。
PCLまたはPLGAの溶液に合成された共重合体をドープし、その後ブレンドをエレクトロスピニングする調整可能な疎水性で繊維状のメッシュを実現している。 図3(a)は、30%PCL-PGC 18またはPLA-PGC内のドーピング18の遷移が疎水性から超疎水メッシュ方法を示しています。超疎水性は、低い接触角ヒステリシスに定義された水接触角測定を前進及び後退の間の差として明らかと水接触角≥150°として定義されます。エレクトロメッシュの増大した表面粗さは、また、フィルムの平滑化と比較して、これらの材料の見掛けの水接触角を増加させます。濡れ性は、共重合体ドーパントの濃度を変えることによって調整されます。例えば、〜7μmの直径の繊維とエレクトロ純粋なPCLメッシュは見かけの接触ANGを保有ル123°の、メッシュは10、30、50%(重量/重量)をドープしながら、PCL-PGCが143°、150°、それぞれ同程度の繊維径で160℃、( 図3B)の18展示見かけの接触角。濡れ性は、また、共重合体のドーパント種の選択によって制御されます。この場合には、30%PLA-PGC 18(90:10)または30%PLA-PGC 18(60:40)でドープされたPLGAメッシュ6.5〜7.5ミクロンの繊維(それぞれ、133°または154°の見かけの接触角を示します図3C)。改変( すなわち 、還元)繊維サイ ズはまた、ドーパントの選択および/ または濃度の疎水性の独立を高めます。繊維径に見かけの接触角のこの依存性は、 図3DにおけるPCLとPLGAの両方のために示されています。エレクトロと同様に、PCL及びドープPCLコーティングはまた、エレクトロスピニングにより得られたものよりもドーピング割合で増加する接触角、及びより高い接触角を表示するエレクトロこの技術( 図3E)で達成。 (異なる表面張力を有する)異なる液体がメッシュ表面をプローブと接触角を報告することにより、時メッシュ臨界表面張力の値が急激に濡らす決定される。 図3Fは、PLGAのための臨界表面張力試験を示す変更されたジスマン曲線であります30%PLA-PGC 18(60:40)でドープされたメッシュと30%PCL-PGC 18でドープされたPCLのメッシュ。
SEMイメージングは、メッシュが絡み合ったマイクロファイバーの結果であることが明らかになりました。この技術は、繊維や粒子サイズ、均一性、および相互接続性を決定するために有用である。 図4Bは 、PLGA + 10を示している。図4Aは 、1〜2μmで4-5ミクロンの繊維直径とPCL + 30%PCL-PGC 18メッシュを示しています%PLA-PGC〜3μmから〜7ミクロンから繊維サイ ズが異なる18メッシュ。 PCLおよびPのエレクトロコーティング様々な粒径のPCL + 30%PCL-PGC 18のエレクトロスプレーコーティングは、図4Dに示されている間CL + 50%PCL-PGC 18は 、 図4Cに示されています。
超疎水性PCL-およびPLGAベースのメッシュは、NIH / 3T3繊維芽細胞( 図5A)に非細胞毒性であり、控えめな繊維状のカプセル化を使用して、C57BL / 6マウスに十分に許容されています。非多孔質膜(図示せず)と比較して、4週間の注入 ( 図5B-E)27後の細胞浸潤( すなわち 、マクロファージ)のより大きな程度を表示噛み合います。超疎水性メッシュの細胞適合性/生体適合性、非超疎水性メッシュと類似であるが、超疎水性メッシュのインビトロ性能は、薬物送達用途において優れていることができます。それらの遅い濡れに、超疎水性メッシュは非superhydroよりも有意に長い持続時間のための薬剤放出を維持することが可能です薬物放出は、水との接触なしに起こることができないので、恐怖症は、噛合しています。この原理を実証するインビトロ薬物放出効力研究は、他の場所12,13に記載されています。
エレクトロメッシュの濡れがmicrocomputed断層と市販のヨード造影剤イオキサグレートを用いて経時的に非破壊的に追跡することができます。メッシュは、造影剤を含む水溶液中に入れ、経時的に撮像されます。 図6Aに示すように、水は最初の日でバルク材料に浸透するように、純粋なPCLは急速に濡れメッシュ。対照的に、30%のPCL-PGC 18でドープされたメッシュは、空気がバルク構造( 図6B)内に残留して、> 75日間の非接液残ります。これらの結果は、非湿潤アプリケーション用超疎水性バルク材料の重要性を示します。
最後に、エレクトロスピニングされたメッシュの機械的性質は、から決定されます引張試験。 表3は、PCL、PLGA、およびそれらの応力-ひずみ曲線から得られた、それぞれのドープされたメッシュ(すべてのメッシュのための繊維サイ ズ= 7ミクロン)のための代表的な機械的なデータを示しています。ドーピングが増加する割合としては、弾性率(E)とメッシュの極限引張強さが低下する傾向があります。
。フィルム、エレクトロスピニングされたメッシュ、およびエレクトロスプレーコーティングに図1のモノマー/ポリマー合成、キャラクタリゼーション、それ以降の処理を(A)精製モノマーは、室温で白色の結晶性固体です。単量体の 1 H NMRスペクトルを、対応する(B)。 (C)精製されたポリマーの写真PLA-PGC 18(左)とPCL-PGC 18(右)。 (D)30%(重量/重量)でドープされたPCLの写真PCL-PGC 18と(左から右へ)に加工:フィルム、エレクトロメッシュ、およびエレクトロスプレーコーティング。
図2は、ポリマー/共重合体フィルム上の水接触角を前進および後退アンドープPCL及びPLGAのために(A)前進および後退水接触角測定は、純粋なPCL-PGC 18と純粋なPLA-PGC 18滑らかなフィルムのものと比較して、フィルムをスムーズ。 (B)ドープされたPCLおよびPLGAフィルムのための接触角測定を前進及び後退が。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3.エレクトロスピニングのプロセスさらに、PCLおよびPLGAの疎水性を向上させる粗面を生成するエレクトロスプレーエレクトロのPCLおよび30%PCL-PGC 18(80:20)メッシュ(繊維径≈2.5ミクロン)をドープしたPCLメッシュ用(A)接触角を。 PLGAが噛み合うとPLGAは、超疎水性に対する疎水性から遷移を示す両方のシステムで、30%PLA-PGCで18(60:40)メッシュ(繊維径≈6.5μm)をドープしたが噛合し、 (B)は、PCLのための接触角が増加し、ドーパントの共重合体濃度の関数として噛み合います。 (C)は、PLGAコポリマー組成物の関数として〜6.5ミクロンの直径の網目に対する接触角を、 (D)PCL(600 nmおよび2.5ミクロン)およびPLGAベースメッシュ(2.5および6.5μm)のための繊維径の関数としての濡れ性;共重合体のドーピング濃度の関数としてエレクトロスプレーPCLベースのコーティングのために(E)接触角。 (F)は、ジスマン曲線修飾しましたPLGAのための臨界表面張力の研究を示したことは、30%PLA-PGC 18(60:40)(破線の接続線と円)と30%のPCL-PGC 18(固体結ぶ線と四角)をドープしたPCLメッシュをドープしたメッシュ。 こちらをクリックしてくださいこの図の拡大版を表示します。
エレクトロスピニングされたメッシュとエレクトロスプレー塗料の図4のSEM画像は、繊維/粒子サイズおよび形態を明らかにしている。(A)小径PCL + 30%PCL-PGC 18繊維(1-2ミクロン)とそれに対応する大口径のマイクロファイバー(4-5 μm)のメッシュ(左、それぞれ、右)、スケールバー=10μmの。 (B)小径PLGA + 10%PLA-PGC 18(90:10)(2.5〜3.5μm)のマイクロファイバーと大口径(6.5〜7.5ミクロン)マイクロファイバーメッシュ(それぞれ、左右、スケールバー=10μm)を、 (C)は 、純粋なPCL(左)、PCL + 50%PCL-PGC 18(右)、スケールバーからなる粒子をエレクトロ= 20ミクロン; (D)は 、PCL + 30%PCL-PGC小(左)と大型の18粒子(右)の半径(= 2ミクロンスケールバー)をエレクトロスプレー。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
インビトロおよびエレクトロ超疎水性メッシュの生体内の細胞生存率/ 生体適合性に図5(A)、PCL、PLGA、およびドープされたメッシュで24時間のインキュベーションの際に、NIH / 3T3線維芽細胞の生存率のインビトロ細胞アッセイ。 (B、Cの超疎水性PLGA + 30重量%PLA-PGC 18への生体内異物反応の)組織学的(H&E)標本(60:40)エレクトロは10X(Bの C57BL / 6マウスにおいて、4週間の皮下移植後に噛み合っ)と40X(C)の倍率。移植純粋なPLGAのエレクトロに(DとE)応答が10X(D)で噛み合うと40X(E)の倍率。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
超疎水性メッシュのバルク濡れ図6.造影microcomputed断層撮影(μCT)特性評価。ウォートでヨウ素化のCT造影剤イオキサグレート(80 MGI / ml)をRは、(A)非超疎水性PCLメッシュ及び(B)超疎水性PCL + 30%PCL-PGC 18メッシュに浸透水の非侵襲性のマーカーとして役立ちます。カラーマップは、濡れが進むにつれて赤と紫/青に黄色から緑色に移行するなどの非接液メッシュを示している。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
エレクトロ合成ポリマー: | リファレンス(秒): |
ポリ(ラクチド - コ - グリコリド) | 27,36,43,48-52 |
ポリグリコリド | 52,53 |
ポリ(ラクチド - コ - カプロラクトン) | 54-57 |
ポリカプロラクトン | 13,58-66 |
ポリラクチド | 52,67 |
ポリ(ビニルアルコール) | 68〜71 </ TD> |
ポリ(エチレングリコール)/ブロック共重合体 | 72,73 |
ポリ(エステルウレタン)類 | 74-78 |
ポリ(トリメチレンカーボネート) | 79 |
ポリ(ジメチルシロキサン) | 80,81 |
ポリ(エチレン - コ - 酢酸ビニル) | 82 |
ポリビニルピロリドン | 83 |
ポリアミド(S) | 84-86 |
Polyhydroxybutryate | 87,88 |
ポリホスファゼン(複数可) | 89,90 |
ポリ(プロピレンカーボネート) | 91-93 |
ポリエチレンイミン | 94,95 |
ポリ(γグルタミン酸) | 96 |
ケイ | 97,98 |
表1:合成生物医学的ポリマーの例として、その添付の参照で、生物医学的用途のために電界紡糸されています。
共重合体 | 転化率(%) | ラクチドA | グリセロールA | M nは (グラム/モル)B | M / M nはワット | T gを(°C)C | T m(℃) | TがC(°C) | ΔHのF(J / g)を |
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 | (カプロラクトン)81 | 19 | 21,100 | 1.7 | -53 | 31 | 19 | 55 |
表2:合成されたコポリマーの特性モル%;サイズ排除クロマトグラフィー(THF、1.0mL /分)によって決定されるように、B、M nは数平均分子量、M W / M N =分散のC TをG =ガラス。転移温度、T mを=融点温度、T C =結晶化温度。 ΔH融合のF =熱。Dなしの T g は、C°-75から225℃の温度範囲にわたって、これらの半結晶性ポリマーのために認められませんでした。
メッシュ構成 | 弾性率(E)(MPa)と | 極限引張強さ(MPa) |
PCL A | 15.3 | 1.5 |
+ 10%PCL-PGC 18 | 10.8 | 1.5 |
+ 30%PCL-PGC 18 | 3.5 | 0.8 |
PLGAのB | 84.9 | 2.6 |
+ 10%PLA-PGC 18(60:40) | 40.3 | 0.8 |
+ 30%PLA-PGC <サブ> 18(60:40) | 10.1 | 0.3 |
表3:エレクトロメッシュの代表的な引張特性PCLとPCLベースのメッシュ≈7ミクロンのPLGAとのためのBファイバーサイズの繊維サイ ズPLGAベースのメッシュ≈7ミクロン。
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Discussion
生物医学ポリマーから超疎水性材料を構築するための我々のアプローチは、エレクトロスピニングおよびエレクトロスプレーのポリマー加工技術を用いて合成高分子化学を組み合わせたものです。これらの技術はそれぞれ、いずれかの繊維または粒子を提供します。具体的には、ポリカプロラクトン及びポリ(ラクチド- コ -glycolide)系超疎水性材料は、この方法を用いて調製されます。疎水性のコポリマー組成物を変化させることにより、最終的なポリマーブレンドのパーセント共重合体は、繊維/粒子サイズ、ポリマー全体の重量%、及び製造条件、得られたエレクトロ/エレクトロ材料の濡れ性を制御します。本研究で作製した材料は、非毒性および生体適合性ポリマーからのものであり、水の存在下で準安定空気バリアを有します。
このプロトコルにおける重要なステップは、開環重合を使用して共重合体を合成する)1を含む、2)エレクトロスピニングまたはエレクトロこのようなPCLまたはPLGA、対応する生物医学ポリマーとこれらの共重合体を噴霧。および3)その形態を特徴づける、非湿潤性の挙動/疎水性、機械的特性、およびin vitroで / in vivoでの生体適合性を。ポリマー合成、修飾、および/またはエレクトロスピニングで問題が発生した場合は、以下の技術は、これらの問題を特定し、トラブルシューティングに役立ちます。
これは、モノマーの純度を確保するために重要であり、それらは、大気からのように微量の水を含まないこと。水の存在は、予防または重合を停止、非常に広い分子量分布を有する低分子量ポリマー、またはポリマー収量をもたらすことができます。常に重合容器の内容を排気し、乾燥窒素またはアルゴンで再充填し、乾燥した不活性雰囲気下で、すべての追加(モノマーおよび触媒)を行います。重合が不完全または失敗した表示された場合は、それが乾燥する必要があるかもしれません試薬は、蒸留、またはによって純度を改善するためのモノマーを再結晶化します。得られた共重合体の脱ベンジル化は、(後続の1 H NMR分析によって観察されるように)失敗した表示された場合、それは、より多くの触媒を追加し、または異なる触媒の試薬 を使用する必要があるかもしれません。我々は、具体的には失敗した脱保護は、特定のPd / C触媒を用いて観察されており、それは材料の表に記載されているものを使用するのが最適であることをここで注意。
いくつかの技術的な問題は、エレクトロスピニングおよびエレクトロスプレープロセス中に発生する可能性があります。針先の溶液が垂れている場合は、電圧を増加させます。複数のジェットが形成されている場合は、電圧を低減。繊維/粒子(この場合は、収集距離を増加させる)湿潤現れる場合、又は電圧を調整することは十分にドラッグしドロップレットが解決しない場合は、これらの調整に加えて、先端からコレクターまでの距離を調整する必要があるかもしれません針の先端は、収集distanを減らしますCE。繊維が形成されていない場合には、ポリマー濃度を増加させることによって、溶液の粘度を増加させる必要があるかもしれません。繊維は、ビーズ・オン・文字列の形態を持っているように見える場合も同様です。困難が残っている場合、それは別の電界紡糸溶剤に切り替える必要があるかもしれません。トラブルシューティングの詳細については、リーチと同僚47は、エレクトロスピニングに総合的なトラブルシューティングガイドを提供します。
エレクトロスピニングおよびエレクトロスプレーは、医用材料を製造するための有用な技術であるが、彼らは限界を持っています。まず、これらの技術は、繊維または粒子を収集するために接地され、ターゲットに依存しているので、導電率は考慮すべき重要なパラメータです。これは、ポリマージェットはよりこれらの基板の周囲の領域に引き付けられる可能性があるため、特に良好な電気絶縁体である材料をエレクトロスピニングまたはエレクトロスプレーすることは困難です。 1つの可能な解決策は、cが少ない導電性材料を固定することを含みますonductive銅テープ。我々は、エレクトロスピニングに成功しているがさらに、1mm厚までのメッシュ、非常に厚いメッシュの製造に起因する集電体上にポリマーコーティングの絶縁性を妨げてもよいです。この時点で、メッシュは、その全体の厚さが非常に増加することなく、表面積が増加することができます。 (鎖絡み合いが繊維形成に必要であるように、エレクトロスピニングのために必要とされる)第二に、メッシュの所望の大きさに依存して、材料のかなりの量は、十分な溶液粘度を達成するために必要とされます。したがって、エレクトロスピニングは貴重な材料に適した選択肢ではないかもしれません。エレクトロスプレーは、一般的に低濃度を使用し、したがって、材料の必要な量の点であまり過酷です。サンプル量が非常に限られている場合には、(そうでなければ、全体のデッドボリュームに追加する)コネクタチューブを省略することにより材料損失を低減することが可能です。最後に、臨界表面張力の決意に依存します異なる粘度を有する種々のプロービング液体の使用。このように、この方法はまた、これらの結果に寄与因子である粘性の潜在的限界があります。
超疎水性材料は、薬物送達、組織工学における応用範囲、創傷治癒、および防汚用の使用増加を発見された生体材料の刺激的なクラスです。いくつかの技術が、そのようなレイヤーバイレイヤーアセンブリ15、微細/マイクロテクスチャ102として生体模倣および非湿潤用途のための材料に表面粗さを向上させる1,5,13をエレクトロスピニング、および32のエレクトロスプレーのために存在します。これらのアプローチのうち、エレクトロスピニングおよびエレクトロスプレーは、その拡張性と下地基板との一般的な互換性のために特に魅力的な方法です。結論として、高分子化学とプロセス工学を組み合わせたこの戦略は、他のを可能にする汎用性と一般的なものです研究者は、準備特徴づけ、および材料の濡れ性が重要な設計上の特徴である、新しい生体材料を研究します。
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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
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