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Bioengenharia

Herstellung Superhydrophobe Polymere Materialien für biomedizinische Anwendungen

Published: August 28, 2015
doi:
10.3791/53117
,
1Department of Biomedical Engineering,Boston University, 2Departments of Biomedical Engineering, Chemistry, and Medicine,Boston University

Summary

Two- and three-dimensional superhydrophobic polymeric materials are prepared by electrospinning or electrospraying biodegradable polymers blended with a lower surface energy polymer of similar composition.

Abstract

Superhydrophoben Materialien mit Oberflächen besitzen dauerhafte oder metastabilen nicht medien Staaten von Interesse sind für eine Reihe von biomedizinischen und industriellen Anwendungen. Hier beschreiben wir, wie das Elektrospinnen oder Elektrosprühen einer Polymermischung, die ein biologisch abbaubares, biokompatibles aliphatische Polyester (beispielsweise Polycaprolacton und Poly (lactid-co -glycolide)), als die Hauptkomponente, die mit einem hydrophoben Copolymer des Polyesters und einer stearate- zusammen dotierten Poly (Glycerincarbonat) bietet einen superhydrophoben Biomaterial. Die Herstellungstechniken, Elektrospinnen oder Elektrosprühen bieten die erhöhte Oberflächenrauhigkeit und Porosität auf und in den Fasern oder den Partikeln auf. Die Verwendung einer niedrigen Oberflächenenergie Copolymer Dotierstoff, die mit der Polyester-Mischungen und stabil elektrostatisch oder durch Elektrosprühen werden verleiht diesen superhydrophoben Materialien. Wichtige Parameter wie Fasergröße Copolymer Dotierstoff Zusammensetzung und / oder Concentration, und ihre Wirkung auf die Benetzbarkeit diskutiert. Diese Kombination aus der Polymerchemie und der Verfahrenstechnik bietet einen vielseitigen Ansatz für anwendungsspezifische Materialien unter Verwendung skalierbarer Techniken, die wahrscheinlich generalizable einer breiteren Klasse von Polymeren für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwickeln.

Introduction

Superhydrophoben Oberflächen sind allgemein als scheinbare Wasserkontakt aufweist kategorisiert Winkeln von mehr als 150 ° mit dem niedrigen Kontaktwinkelhysterese. Diese Flächen sind durch die Einführung von hohen Oberflächenrauhigkeit auf niedrige Oberflächenenergie Materialien, um eine sich ergebende Luft-Flüssigkeit-Feststoff-Schnittstelle, die Benetzungs 1-6 wider etablieren hergestellt. Je nach Herstellungsverfahren, dünne oder mehrschichtig superhydrophoben Oberflächen mehrschichtigen superhydrophoben Substratbeschichtungen oder auch Schütt superhydrophoben Strukturen hergestellt werden können. Diese permanenten oder semi-permanenten Wasserabweisung ist eine nützliche Eigenschaft, die verwendet wird, um selbstreinigende Oberflächen 7, Mikrofluidik-Vorrichtungen 8, Antifouling-Zelle / Proteinoberflächen 9,10, widerstandsreduzierenden Flächen 11 und Arzneimittelabgabevorrichtungen vorzubereiten 12- 15. In letzter Zeit werden stimuliresponsive superhydrophoben Materialien beschrieben, in dem die zu benetzten Zustand nicht medien durch chemische ausgelöst, körperlicheOder Umweltreize (zB Licht, pH-Wert, Temperatur, Ultraschall und angelegte elektrische Potential / Strom) 14,16-20, und diese Materialien finden Verwendung für zusätzliche Anwendungen 21-25.

Die ersten synthetischen superhydrophoben Oberflächen wurden durch Behandlung von Materialoberflächen mit methyldihalogenosilanes 26 vorbereitet, und waren nur von begrenztem Wert für biomedizinische Anwendungen, da die verwendeten Materialien sind nicht geeignet für die Verwendung in vivo. Wir beschreiben hier die Herstellung von Oberflächen- und Volumen superhydrophoben Materialien aus biokompatiblen Polymeren. Unser Ansatz bringt Elektrospinnen oder Elektrosprühen einer Polymermischung, die ein biologisch abbaubares, biokompatibles aliphatischen Polyester als Hauptkomponente, mit einem hydrophoben Copolymer des Polyesters und ein Stearat-modifizierten Poly (Glycerincarbonat) 27-30 zusammengesetzt dotiert. Die Herstellungstechniken bieten die erhöhte Oberflächenrauhigkeit und Porosität auf und in der fibeRS oder die Partikel, die jeweils, während die Verwendung eines Copolymers Dotierstoff ein Polymer mit niedriger Oberflächenenergie, die mit der Polyester-Mischungen und stabil elektrostatisch oder durch Elektrosprühen 27,31,32 werden.

Aliphatische biologisch abbaubare Polyester wie Poly (milchsäure) (PLA), Poly (glykolsäure) (PGA), Poly (Milchsäure co -glycolic Säure) (PLGA) und Polycaprolacton (PCL) sind Polymere, in klinisch zugelassenen Vorrichtungen verwendet und prominente in der biomedizinischen Forschung Materialien aufgrund ihrer Nicht-Toxizität, biologische Abbaubarkeit und der Leichtigkeit der Synthese 33. PGA und PLGA debütierte in der Klinik als bioresorbierbares Nahtmaterial in den 1960er und frühen 1970er Jahren, jeweils 34-37. Seitdem sind diese Poly (hydroxysäuren) in eine Vielzahl von weiteren anwendungsspezifischen Formfaktoren verarbeitet worden sind, wie Mikro- und Nanopartikeln 40,41 38,39, Plättchen / Scheiben 42 kämmt 27,43 Schäume 44 und Lagen 45 </sup>.

Aliphatische Polyester, wie auch andere Polymere von biomedizinischem Interesse kann elektrogesponnen werden, Nano- oder Mikrofasergitterstrukturen, die eine hohe Oberfläche und Porosität als auch Zugfestigkeit herzustellen. In Tabelle 1 sind die elektrogesponnenen synthetischen Polymeren für verschiedene biomedizinische Anwendungen und ihre entsprechenden Referenzen. Elektrospinnen und Elektrospray sind schnelle und kommerziell skalierbaren Techniken. Diese zwei ähnliche Techniken beruhen auf Anlegen einer hohen Spannung (elektrostatische Abstoßung), die Oberflächenspannung einer Polymerlösung zu überwinden / Schmelze in einer Spritzenpumpe Setup während sie in Richtung einer geerdeten Ziel 46,47 gerichtet ist. Wenn diese Technik im Zusammenhang mit Polymeren geringer Oberflächenenergie verwendet werden (hydrophobe Polymere, wie Poly (Caprolacton- co-glycerin-monostearat)) wurde die resultierende Materialien zeigen Superhydrophobizität.

Um dieses allgemeine Synthese und Materialbearbeitung zu veranschaulichen Ansatzzur Konstruktion superhydrophoben Materialien von biomedizinischen Polymeren beschreiben wir die Synthese der superhydrophoben polycaprolactone- und Poly (lactid-co -glycolide) -basierte Materialien als repräsentative Beispiele. Das jeweilige Copolymer Dotierstoffe Poly (Caprolacton- co-glycerin-monostearat) und Poly (lactid-co-glycerin-monostearat) zuerst synthetisiert, dann mit Polycaprolacton und Poly (lactid-co -glycolide) verbunden sind, und schließlich elektrostatisch oder durch Elektrosprühen. Die resultierenden Materialien werden von REM-Aufnahmen und der Kontaktwinkel goniometry charakterisiert und für die in vitro und in vivo Biokompatibilität getestet. Schließlich wird makroskopischen Benetzungs durch dreidimensionale superhydrophoben Maschen mit verbessertem Kontrast microcomputed Tomographie untersucht.

Protocol

1. Synthesizing funktionalisierbaren Poly (1,3-glycerol Karbonat- co-Caprolacton) 29 und Poly (1,3-glycerol Karbonat- co-Lactid) 27,28. Monomer-Synthese. Aufzulösen cis -2-Phenyl-1,3-dioxan-5-ol (50 g, 0,28 mol, 1 Äq.) In 500 ml trockenem Tetrahydrofuran (THF) gegeben und auf Eis unter Stickstoff. Gib Kaliumhydroxid (33,5 g, 0,84 mol, 3 eq.), Fein mit einem Mörser und Pistill zerkleinert. Zeigen Kolben im Eisbad. In 49,6 ml Benzylbromid (7…

Representative Results

Durch eine Reihe von chemischen Umwandlungen wird die funktionelle Carbonatmonomer 5-benzyloxy-1,3-Dioxan-2-on als einen weißen kristallinen Feststoff (1A) synthetisiert. 1 H-NMR bestätigt die Struktur (1B) und Massenspektrometrie und Elementaranalyse bestätigt die Zusammensetzung. Dieser Feststoff wird dann entweder mit D, L-Lactid oder ε-Caprolacton mit einem Zinn-katalysierte Ringöffnungsreaktion bei 140 ° C copolymerisiert. Nach Reinigung durch Fällung wir…

Discussion

Unser Ansatz zur Konstruktion von superhydrophoben Materialien aus der biomedizinischen Polymeren kombiniert synthetischem Polymerchemie mit den Polymerverarbeitungstechniken von Elektrospinnen und Elektrosprühen. Diese Techniken bieten entweder Fasern oder Partikel auf. Insbesondere werden Polycaprolacton und Poly (lactid-co -glycolide) basiert superhydrophoben Materialien mit dieser Strategie vorbereitet. Durch Variation des hydrophoben Copolymerzusammensetzung Prozent Copolymer in der endgültigen Polymermi…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Funding was provided in part by BU and the NIH R01CA149561. The authors wish to thank the electrospinning/electrospraying team including Stefan Yohe, Eric Falde, Joseph Hersey, and Julia Wang for their helpful discussions and contributions to the preparation and characterization of superhydrophobic biomaterials.

Materials

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
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Referências

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Kaplan, J., Grinstaff, M. Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications. J. Vis. Exp. (102), e53117, doi:10.3791/53117 (2015).
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