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.
स्थायी या metastable गैर गीला राज्यों रखने सतहों के साथ Superhydrophobic सामग्री, जैव चिकित्सा और औद्योगिक अनुप्रयोगों के एक नंबर के लिए ब्याज की हैं। यहाँ हम पॉलिएस्टर और एक stearate- से बना एक हाइड्रोफोबिक copolymer के साथ डाल दिया गया, प्रमुख घटक के रूप में, electrospinning या एक biodegradable, biocompatible स्निग्ध पॉलिएस्टर (जैसे, पॉलिकैप्रोलैक्टोन और पाली (lactide- सह -glycolide)) युक्त एक बहुलक मिश्रण electrospraying वर्णन कैसे संशोधित पाली (ग्लिसरॉल कार्बोनेट) एक superhydrophobic biomaterial देता है। electrospinning या electrospraying का निर्माण तकनीक क्रमशः, पर और फाइबर या कणों के भीतर बढ़ाया सतह खुरदरापन और porosity प्रदान करते हैं। पॉलिएस्टर के साथ मिश्रणों और स्थिरतापूर्वक Electrospun या electrosprayed जा सकता है कि एक कम सतह ऊर्जा copolymer dopant के उपयोग इन superhydrophobic सामग्री देता है। इस तरह के फाइबर आकार, copolymer dopant रचना और / या सह के रूप में महत्वपूर्ण पैरामीटरncentration, और wettability पर उनके प्रभाव पर चर्चा की जाती है। बहुलक रसायन विज्ञान और इंजीनियरिंग प्रक्रिया के इस संयोजन की संभावना आवेदनों की एक किस्म के लिए पॉलिमर का एक व्यापक वर्ग को generalizable हैं जो स्केलेबल तकनीकों का उपयोग करते हुए आवेदन विशेष सामग्री का विकास करने के लिए एक बहुमुखी दृष्टिकोण देता है।
Superhydrophobic सतहों आम तौर पर स्पष्ट पानी के संपर्क के प्रदर्शन के रूप में वर्गीकृत कर रहे हैं कम संपर्क कोण हिस्टैरिसीस के साथ अधिक से अधिक से अधिक 150 डिग्री के कोण। इन सतहों 1-6 गीला तैयार नहीं है कि एक परिणामस्वरूप हवा तरल ठोस इंटरफेस स्थापित करने के लिए कम सतह ऊर्जा सामग्री पर उच्च सतह खुरदरापन को शुरू करने से गढ़े हैं। , निर्माण विधि पर पतली या बहुपरती superhydrophobic सतहों, बहुपरती superhydrophobic सब्सट्रेट कोटिंग्स, या यहां तक कि थोक superhydrophobic संरचनाओं के आधार तैयार किया जा सकता। यह स्थायी या अर्द्ध स्थायी पानी repellency स्वयं सफाई सतहों 7, microfluidic उपकरणों 8, सेल / प्रोटीन सतहों 9,10, खींचें को कम करने सतहों 11, और दवा वितरण उपकरणों विरोधी दूषण को तैयार करने के लिए कार्यरत है कि एक उपयोगी संपत्ति है 12 15। हाल ही में, उत्तेजनाओं उत्तरदायी superhydrophobic सामग्री गीला राज्य के लिए गैर-गीला रासायनिक से शुरू हो रहा है, जहां वर्णित हैं, भौतिक, या पर्यावरण cues 14,16-20 (जैसे, प्रकाश, पीएच, तापमान, अल्ट्रासाउंड, और वर्तमान विद्युत क्षमता / लागू), और इन सामग्रियों अतिरिक्त अनुप्रयोगों 21-25 के लिए उपयोग पा रहे हैं।
सामग्री का इस्तेमाल इन विवो उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं थे के रूप में पहली सिंथेटिक superhydrophobic सतहों, methyldihalogenosilanes 26 के साथ सामग्री सतहों के इलाज से तैयार है, और जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए सीमित मूल्य के थे। इस के साथ साथ हम biocompatible पॉलिमर से सतह और थोक superhydrophobic सामग्री की तैयारी का वर्णन है। हमारा दृष्टिकोण electrospinning या पॉलिएस्टर और एक स्टीयरेट संशोधित पाली (ग्लिसरॉल कार्बोनेट) 27-30 से बना एक हाइड्रोफोबिक copolymer के साथ डाल दिया गया प्रमुख घटक के रूप में एक biodegradable, biocompatible स्निग्ध पॉलिएस्टर, जिसमें एक बहुलक मिश्रण electrospraying पर जोर देता। निर्माण तकनीक पर और fibe भीतर बढ़ाया सतह खुरदरापन और porosity प्रदानक्रमश या कण, एक copolymer dopant के उपयोग पॉलिएस्टर के साथ मिश्रणों और स्थिरतापूर्वक Electrospun या 27,31,32 electrosprayed जा सकता है कि एक कम सतह ऊर्जा बहुलक प्रदान करता है।
ऐसे पाली (लैक्टिक एसिड) के रूप में स्निग्ध, biodegradable पॉलिएस्टर (पीएलए), पाली (एसिड) (पीजीए), पाली (लैक्टिक एसिड सह -glycolic एसिड) (पीएलजीए), और पॉलिकैप्रोलैक्टोन (पीसीएल) चिकित्सकीय मंजूरी दे दी उपकरणों में इस्तेमाल पॉलिमर हैं और क्योंकि संश्लेषण 33 के अपने गैर विषाक्तता, biodegradability, और आसानी से जैव चिकित्सा सामग्री अनुसंधान के क्षेत्र में प्रमुख। पीजीए और पीएलजीए क्रमशः 34-37 1960 में bioresorbable टांके और 1970 के दशक के रूप में क्लिनिक में शुरू हुआ। तब से, इन पाली (हाइड्रोक्सी एसिड), 27,43 meshes, 44 फोम, जैसे सूक्ष्म 38,39 और 40,41, वेफर्स / डिस्क 42 नैनोकणों, अन्य आवेदन विशेष फार्म कारकों की एक किस्म में संसाधित किया गया है और फिल्मों 45 </sup>।
स्निग्ध पॉलिएस्टर, साथ ही जैव चिकित्सा हित के अन्य पॉलिमर, तन्य शक्ति के रूप में के रूप में अच्छी तरह से एक उच्च सतह क्षेत्र और porosity रखने नैनो या microfiber जाल संरचनाओं का निर्माण करने के Electrospun जा सकता है। तालिका 1 सूचियों सिंथेटिक पॉलिमर Electrospun विभिन्न जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों और उनके इसी के लिए संदर्भ। Electrospinning और electrospraying तेजी से और वाणिज्यिक रूप से स्केलेबल तकनीकों हैं। यह एक उड़ान लक्ष्य 46,47 की ओर निर्देशित है के रूप में इन दोनों इसी तरह की तकनीक एक बहुलक समाधान की सतह तनाव दूर करने के लिए उच्च वोल्टेज (इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण) को लागू करने पर भरोसा करते हैं / एक सिरिंज पंप सेटअप में पिघला। इस तकनीक को कम सतह ऊर्जा पॉलिमर के साथ संयोजन के रूप में प्रयोग किया जाता है ((पाली के रूप में हाइड्रोफोबिक पॉलिमर caprolactone- सह -glycerol monostearate)), जिसके परिणामस्वरूप सामग्री प्रदर्शनी superhydrophobicity।
यह सामान्य सिंथेटिक और सामग्री प्रसंस्करण दृष्टिकोण वर्णन करने के लिएजैव चिकित्सा पॉलिमर से superhydrophobic सामग्री का निर्माण करने के लिए, हम superhydrophobic polycaprolactone- और पाली (lactide- सह -glycolide) प्रतिनिधि उदाहरण के रूप में आधारित सामग्री के संश्लेषण का वर्णन है। संबंधित copolymer dopants पाली (caprolactone- सह -glycerol monostearate) और पाली (lactide- सह -glycerol monostearate) पहली पॉलिकैप्रोलैक्टोन और पाली (lactide- सह -glycolide) के साथ तो मिश्रित, संश्लेषित कर रहे हैं, क्रमशः, और अंत में Electrospun या electrosprayed। जिसके परिणामस्वरूप सामग्री SEM इमेजिंग और संपर्क कोण goniometry की विशेषता है, और इन विट्रो के लिए और इन विवो biocompatibility में परीक्षण कर रहे हैं। अंत में, तीन आयामी superhydrophobic meshes के माध्यम से थोक गीला विपरीत बढ़ाकर microcomputed टोमोग्राफी का उपयोग कर जांच की है।
जैव चिकित्सा पॉलिमर से superhydrophobic सामग्री के निर्माण के लिए हमारा दृष्टिकोण electrospinning और electrospraying की बहुलक प्रसंस्करण तकनीकों के साथ सिंथेटिक बहुलक रसायन विज्ञान को जोड़ती है। इन तकनीकों में क्रमश: या तो फाइबर ?…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |