CC BY
16Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2016 9) 212-222
УДК 579.017
Properties of Fibrous Scaffolds from Poly(3-Hydroxybutyrate), Polylactide, Polyglycolide and Poly(Lactide-Glycolide) with Various Methods of Electrostatic Forming
Dmitry B. Goncharov and Alexey G. Sukovatyi*
Institute of Biophysics SB RAS 50/50 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia
_Received 00.12.2015, received in revised form 00.02.2016, accepted 00.06.2016_
Fibrous scaffolds from polymer solutions of poly-3-hydroxybutyrate, polylactide and polyglycolide, and copolymer of poly(lactide-glycolide) were obtained using electrostatic shaping with one or two feeding capillaries on one collecting manifold and their characteristics were studied. The spatial distribution of fibers having different chemical structure in layers of fibrous scaffolds occurred when two feeding capillaries were used. The composition ofpolymer solutions influenced on the hydrophilic-hydrophobic properties offibrous scaffolds, regardless of the method of electrostatic molding.
Keywords: fibrous scaffolds, electrostatic formation, physical-chemical and mechanical properties.
DOI:
© Siberian Federal University. All rights reserved
* Corresponding author E-mail address: [email protected]
Свойства нетканых изделий из поли-3-гидрокисбутирата, полилактида, полигликолида и поли(лактид-гликолида) при различных способах электростатического формования
Д.Б. Гончаров, А.Г. Суковатый
Институт биофизики СО РАН Россия, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/50
Методом электростатического формования с использованием одного или двух подающих капилляров на один собирающий коллектор получены нетканые изделия из растворов полимеров поли-3-гидроксибутирата, полилактида и полигликолида и сополимера поли(лактид-гликолида) и исследованы их характеристики. Показано, что при использовании двух подающих капилляров происходит пространственное распределение волокон, имеющих различную химическую структуру, по слоям нетканого изделия. Выявлено влияние состава используемых растворов полимеров на гидрофильно-гидрофобные свойства нетканых изделий вне зависимости от способа электростатического формования.
Ключевые слова: нетканые изделия, электростатическое формование, физико-химические и механические свойства
Введение
Электростатическое формование (элек-троспининг) является современным способом получения нетканых изделий на основе ультратонких волокон. К его достоинствам можно отнести относительную простоту, низкую стоимость, высокую скорость производства, широкий выбор используемых материалов и универсальность. Кроме того, данный метод позволяет контролировать диаметр получаемых волокон и микроструктуру нетканых изделий, изготавливаемых на их основе.
Изделия, изготовленные методом электростатического формования, обладают высокой пористостью с размерами пор в несколько десятков раз больше диаметров самих воло-
кон. Пористость обеспечивает высокую проницаемость для жидкостей и биологических агентов, а огромная доступная площадь поверхности позволяет регулировать ее функциональность (Huang et al., 2003; Pham et al., 2006; Teo, Ramakrishna, 2006; Zhang, Yu, 2014).
В последние годы для производства нетканых изделий методом электростатического формования все чаще используют биоразлагаемые полимеры, что значительно расширяет их область применения (Kriegel et al., 2008; Schiffman, Schauer, 2008; Hosseini Ravandi et al., 2014; Buschle-Diller et al., 2006). К числу таких полимеров относятся полигидроксиалканоаты с различной химической структурой и физико-химическими
свойствами. Наиболее распространённым и широко используемым образцом данного класса является полимер 3-гидроксимас-ляной кислоты (П3ГБ) (Волова и др., 2013; Гончаров и др., 2012). Однако в силу высокой кристалличности П3ГБ (70%) нетканые изделия из этого полимера имеют некоторые ограничения в использовании (Николаева и др., 2011; Philip et al., 2007).
Чаще всего процесс улучшения характеристик нетканых изделий ориентирован на использование для их получения смесей различных полимеров, что позволяет влиять на их морфологию, физико-химические и физико-механические свойства, улучшая их качество в целом (Volova et al., 2014). Возможность объединения различных полимеров в процессе формования позволяет создавать нетканые материалы с широким диапазоном их применения (Sahay et al., 2012; Katarzyna, Gouma, 2006; Khalil et al., 2013). Еще один подход для улучшения качества нетканых изделий заключается в использовании различных способов собственно процесса электростатического формования. Самым универсальным способом является формирование нетканых изделий с использованием одного подающего капилляра и, соответственно, одного полимерного раствора, который может включать в себя два и более типа полимеров. В этом случае, составляющие полимерного раствора равномерно распределены в структуре волокон нетканого изделия (Kancheva et al., 2015). Второй способ основан на использовании двух и более подающих капилляров на один собирающий коллектор, что позволяет изготавливать мембраны с волокнами из разных полимеров, распределенных в пространственной структуре мембраны. Оба способа позволяют модифицировать свойства нетканого материала, к которым можно отнести
физико-механические характеристики, свойства поверхности.
В настоящей работе впервые поставлена задача получения и сравнительного изучения свойств нетканых изделий, полученных из поли-3-гидрокисбутирата, полилактида, по-лигликолида, поли(лактид-гликолида) и их смесей при различных способах электростатического формования.
Материалы и методы
Изготовление нетканых изделий
Для изготовления нетканых изделий из ультратонких волокон использовали полимерные растворы гомополимера поли-3-гидроксибутирата (П3ГБ), полилактида (ПЛА), полигликолида (ПГ) и сополимера поли(лактид-гликолида) (ПЛГ) с равным содержанием компонентов. П3ГБ синтезирован в лаборатории хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН (Россия). ПЛА и ПГ были произведены фирмой Sigma Aldrich Со. (Германия), поли(лактид-гликолид) - фирмой Acros Organics (США).
Для получения растворов полимеров использовали хлороформ (Химреактивснаб, Россия) для полимерного раствора П3ГБ с полилактидом и гексафлюороизопропанол (hexafluoroisopropanol, HFIP) (Sigma-Aldrich Co., Германия) для растворов П3ГБ с полигли-колидом и П3ГБ с сополимером поли(лактид-гликолидом).
Нетканые изделия были изготовлены на автоматической установке электростатического формования Nanon 01A (MECC Inc., Япония). Для каждого типа полимера использовали растворы с концентрациями 8 масс.%. Раствор помещался в пластиковый капилляр (внутренний диаметр 13 мм), который фиксировали в горизонтальном шприцевом насосе. Скорость подачи раствора составляла 5 мл/ч, величина приложенного напряжения 30 кВ,
1 1
а 6
Рис. 1. Схема процесса электростатического формования с использованием: а - одного подающего капилляра; б - двух подающих капилляров (из двух разных полимерных растворов, одновременно) на один собирающий коллектор (1 - источник высокого напряжения; 2 - шприцевой насос; 3 - собирающий коллектор)
рабочее расстояние составляло 15 см. В качестве коллектора использовали стальную пластину, покрытую фольгой для лучшего сбора материала.
Схема процесса электростатического формования с использованием одного подающего капилляра представлена на рис. 1 а; двух подающих капилляров (для двух разных полимерных растворов, одновременно) на один собирающий коллектор - на рис. 1 б.
Параметры процесса формования были подобраны так, чтобы толщина нетканого изделия была постоянна вне зависимости от состава раствора и метода формирования образца.
Исследование свойств нетканых изделий
Микроструктуру поверхности и диаметр ультратонких волокон нетканого изделия анализировали с использованием сканирующего электронного микроскопа TM-3000 (Hitachi HT Corporation, Япония). Предварительно образцы покрывали напылением зо-
лотом. Диаметр волокон измеряли на основе анализа SEM изображений с использованием программы ImageJ. Для каждой микрофотографии измерены диаметры не менее чем 50 отдельных ультратонких волокон.
Физико-механические свойства нетканых изделий были исследованы с помощью электромеханической разрывной машины Instron 5565 (Великобритания). Исследуемые образцы нетканых изделий подготавливали в форме гантели длиной 50 мм, шириной 6,1 мм и толщиной 100 мкм. Толщину образцов измеряли, используя электронный цифровой микрометр «LEGIONER EDM-25-0.001» (Legioner, Китай). Измерения проводились при комнатной температуре. Модуль Юнга (Е, МПа), напряжение при разрыве (с, МПа) и удлинение при разрыве (е, %) были рассчитаны с помощью программного обеспечения Bluehill 2 (Elancourt, Франция). Погрешность измерения не превышала 10%.
Краевые углы смачивания поверхности изделий измеряли с использованием программного обеспечения DSA-4 на приборе
DSA-25E (Krüss, Германия). На поверхность образца наносили капли воды объемом 1,5 мкл и в полуавтоматическом режиме «Circle» измеряли краевые углы смачивания не менее чем в пяти различных областях образца.
Статистический анализ результатов проводили с использованием стандартного программного пакета Microsoft Excel. Были найдены средние арифметические и стандартные отклонения. Статистическую значимость результатов определяли с помощью критерия Стьюдента (уровень значимости P < 0,05).
Результаты и обсуждение
Влияние химического состава полимеров на морфологию нетканых изделий
Первоначально, из каждого типа полимера были сформированы нетканые изделия и охарактеризованы их морфология, структура волокон и их распределение по величине диаметра.
Для всех типов полимеров были получены ультратонкие волокна с равномерной, гладкой структурой поверхности без видимых дефектов в виде бус (рис. 2). Анализ результатов измерений диаметра волокон для
ПЗГБ
ТМЗООО_1В26 201S 03 16 N D5.0 xl.Ok 1 DÛ um
П.Т4
TM3C0CL3064 2015-04-15 N D6.0 Х1.0к 100 um
Рис. 2. РЭМ изображения и распределение диаметра 3-гидроксибутирата, полилактида, полигликолида и
Г1Г
ТМ3000 3071 2015-04-16 N D6.0 жШ '.00 um
ПЛГ
тм3000.,3077 2015-04-15 N D6.2 л 1.0k 100 um
волокон нетканых изделий, образованных из полисополимера поли(лактид-гликолида)
различных типов полимеров показал явную зависимость этого параметра от типа полимера при одинаковых параметрах процесса электростатического формования. Самые высокие значения диаметра волокон были получены для П3ГБ, где максимальное значение составляло 6,0 мкм, а средний диаметр -4,5 мкм. Самые низкие величины диаметра волокон были зафиксированы у образцов нетканых изделий из чистого полигликолида, у которых максимальный диаметр волокон не превышал 0,6 мкм, а среднее значение составляло 0,3 мкм.
Волокна из ПЛА имели максимальный диаметр 3,5 мкм, а средний диаметр составлял 1,5 мкм. Из сополимера ПЛГ - 2,0 мкм и 1,0 мкм соответственно.
Сравнивая полученные результаты для исследуемых полимеров, необходимо отметить значительное превышение диапазона величины диаметра волокон для П3ГБ над аналогичным параметром полимеров ПЛА, ПГ и сополимера ПЛГ.
Влияние способа
электростатического формования на морфологию и свойства нетканых изделий
Для всех растворов полимеров были получены ультратонкие волокна с равномерной структурой поверхности без дефектов, с различным распределением по величине диаметра волокон (рис. 3, а). Диаметр волокон, полученных из раствора П3ГБ/ПЛА, изменялся незначительно в пределах 6-7 мкм, при среднем значении 6,5 мкм. При использовании раствора П3ГБ/ПГ в распределении диаметра волокон отмечены два экстремума при значениях d=1,5 и d=4,5 мкм, что может указывать на плохие растворимость и смешиваемость ПГ с другими полимерами. У нетканых изделий состава П3ГБ/ПЛГ максимальное зна-
чение диаметра волокон составило 9,0 мкм, средний диаметр - 8,2 мкм.
Следующим этапом эксперимента было изготовление нетканых изделий методом электростатического формования с использованием двух подающих капилляров на один собирающий коллектор. Целью было изготовление нетканого материала с двумя отдельными типами полимерных ультратонких волокон в одном слое.
В результате из всех пар полимерных растворов были получены нетканые изделия с различным пространственным распределением ультратонких волокон по слоям (рис. 3, б). Образцы, сформированные из П3ГБ и ПЛА, в одном слое содержали волокна различных диаметров (1,5 мкм и 4,5 мкм). Нетканые изделия, сформированные из П3ГБ и ПГ, имели чёткое пространственное разграничение диаметра волокон по разным слоям изделия. Величины среднего диаметра волокон составляли 1,0 мкм и 5,5 мкм. Образец с составом П3ГБ и ПЛГ имел похожую слоистую структуру мембраны, как нетканое изделие, полученное из П3ГБ и ПГ. Средние диаметры волокон составляли 1,0 мкм и 4,5 мкм.
Сопоставление полученных значений диаметров волокон с полученными выше данными для волокон нетканых изделий, образованными из П3ГБ, ПЛГ, ПГ, позволяет предположить, что, при формировании нетканого изделия при использовании двух подающих капилляров для этих полимеров происходит пространственное распределение по слоям волокон, имеющих различную химическую структуру.
Результаты сравнения физико-механических характеристик нетканых изделий, сформированных из полимеров при использовании одного и двух подающих капилляров на один собирающий коллектор приведены в таблице.
Рис. 3. РЭМ изображения и распределение диаметра волокон нетканых изделий из поли-3-гидроксибутирата, полилактида, полигликолида и сополимера поли(лактид-гликолида), полученных с использованием: а - одного подающего капилляра; б - двух подающих капилляров на один собирающий коллектор
Таблица. Физико-механические характеристики (модуль Юнга (Е, МПа), напряжение при разрыве (а, МПа) и удлинение при разрыве (е, %)) нетканых изделий, полученных с использованием одного или двух подающих капилляров на один собирающий коллектор
Номер п/п Состав Количество подающих капилляров E, МПа а, МПа 8, %
1 П3ГБ/ПЛА 1 279 ± 30 2,6 ± 0,2 30 ± 2
2 П3ГБ и ПЛА 2 110 ± 12 1,7 ± 0,1 30 ± 4
3 П3ГБ/ПГ 1 197 ± 18 4,7 ± 0,3 18 ± 3
4 П3ГБ и ПГ 2 89 ± 10 1,3 ± 0,1 19 ± 2
5 П3ГБ/ПЛГ 1 220 ± 25 1,8 ± 0,1 11 ± 4
6 П3ГБ и ПЛГ 2 142 ± 17 1,5 ± 0,1 7 ± 2
Эластичность образцов, определяемая по величине удлинения при разрыве (е, %) определялась только составом растворов полимеров и не зависела от способа формирования нетканого изделия. Механическая прочность, характеризуемая величинами модуля Юнга (Е, МПа) и напряжения при разрыве (а, МПа), при формировании нетканого изделия с использованием одного подающего капилляра на один собирающий коллектор была в два раза выше, чем у образцов, полученных с использованием двух подающих капилляров (из двух разных полимерных растворов, одновременно).
Характеристика поверхности нетканых изделий
Величина контактного краевого угла смачивания водой нетканых изделий определяет гидрофильность поверхности. С уменьшением угла увеличивается гидрофильность поверхности, с увеличением - гидрофоб-ность.
На рис. 4 представлены результаты измерения контактных краевых углов смачивания водой нетканых изделий.
Для исходных П3ГБ, ПЛА, ПГ и сополимера ПЛГ самые высокие значения краевого угла смачивания водой зафиксированы для
нетканых изделий из чистого полилактида и поли(лактид-гликолида) - 116,7° ± 8,0° и 119,6° ± 3,9°, соответственно. Образцы нетканых изделий, сформированных из П3ГБ и ПГ, имели более низкие значения - 100,2° ± 11,8° и 102,7° ± 3,8° соответственно.
Для нетканых изделий, полученных с использованием одного подающего капилляра и смесей изучаемых полимеров, зафиксированы следующие значения контактных краевых углов смачивания водой: 113,9° ± 6,3° для раствора полимеров П3ГБ/ПЛА; 81,8° ± 6,7° - для П3ГБ/ПГ и 100,1° ± 4,8° для П3ГБ/ПЛГ.
Таким образом, при формировании нетканого изделия с использованием одного подающего капилляра, добавление полилак-тида в раствор с П3ГБ повышает гидрофоб-ность поверхности полученного материала, что может быть связано со свойствами чисто -го полилактида. В свою очередь, использование смеси П3ГБ и ПГ позволяет получить материал с самыми высокими показателями гидрофильности поверхности (величина угла составила 81,8° ± 6,7°).
Образцы из П3ГБ/ПЛГ имели среднее значение контактного краевого угла смачивания водой из всех полученных композитных мембран, сопоставимое с этим показателем для чистого П3ГБ.
100,2°±11,8°
ПЛГ
Рис. 4. Снимки контактных краевых углов смачивания водой на нетканых изделиях из поли-3-гидроксибутирата, полилактида, полигликолида и сополимера поли(лактид-гликолида) и изделий из сополимеров, полученных с использованием одного подающего капилляра (верхний ряд) и двух подающих капилляров (нижний ряд) на один собирающий коллектор
Величины контактного краевого угла смачивания водой для нетканых изделий, полученных с использованием двух подающих капилляров, составили 112,7° ± 4,4° для П3ГБ и ПЛА; 96,2° ± 9,9° для П3ГБ и ПГ; 108,6° ± 8,7° для П3ГБ и сополимера ПЛГ Таким образом, включение волокон полилактида в структуру нетканого изделия способствует повышению величины контактного краевого угла смачивания водой относительно нетканых изделий из чистого П3ГБ и рост гидрофобности поверхности нетканого изделия. Для нетканых изделий, полученных из растворов П3ГБ и ПГ, отмечено снижение измеряемых углов смачивания, и, как следствие, повышение величины гидрофильности.
Заключение
Методом электростатического формования с использованием одного подающего
капилляра или двух подающих капилляров на один собирающий коллектор получены нетканые изделия из растворов полимеров поли-3-гидроксибутирата, полилактида и полигли-колида и сополимера поли(лактид-гликолида) и их смесей и исследованы их характеристики. Показано, что при использовании двух подающих капилляров происходит пространственное распределение по слоям нетканого изделия волокон, имеющих различную химическую структуру. Для физико-механических характеристик нетканых изделий обнаружена зависимость эластичности нетканого изделия от состава полимерного раствора, а механической прочности от способа электростатического формования. Вне зависимости от способа электростатического формования состав используемых растворов полимеров позволяет влиять на гидрофильно-гидрофобные свойства нетканого изделия.
Работа выполнена за счет средств государственного задания на проведение фундаментальных исследований РАН (проект № гос. регистрации 01201351505).
Список литературы
Волова Т.Г., Гончаров Д.Б., Суковатый А.Г., Шишацкая Е.И. (2013) Влияние параметров электростатического формования на характеристики наноматриксов из разрушаемых полиэфиров «Биопластотан». Пластические массы, 7: 52-56 [Volova T.G., Goncharov D.B., Sukovaty A.G., Shishatskaya E.I. (2013) Effect of electrospinning parameters on the characteristics of nanomats of degradable polyesters «Bioplastotan». Plastics masses [Plasticheskie massy], 7: 5256 (in Russian)].
Гончаров Д.Б., Николаева Е.Д., Суковатый А.Г., Шабанов А.В., Шишацкая Е.И., Марке-лова Н.М. (2012) Характеристики ультратонких волокон, полученных методом электростатического формования из поли-3-гидроксибутирата. Журнал Сибирского федерального университета. Биология, 5(4): 418-427 [Goncharov D.B., Nikolaeva E.D, Sukovaty A.G., Shabanov A.V., Shishatskaya E.I., Markelova N.M. (2012) Features of ultrafine fibers made by electrostatic formation from poly(3-hydroxybutyrate). Journal of Siberian Federal University. Biology [Zhurnal Sibirskogo federalnogo universiteta. Biologiya], 5(4): 418-427].
Николаева Е.Д., Гончаров Д.Б., Шишацкая Е.И. (2011) Влияние обработки Н2О2-плазмой на свойства клеточных носителей из резорбируемых полиэфиров «Биопластотан». Клеточная трансплантология и тканевая инженерия, 6(2): 65-70 [Nikolaeva E.D, Goncharov D.B., Shishatskaya E.I. (2011) Effects of ffi02-plasma processing on properties of cellular scaffolds made of «Bioplastotan» resorbing polyesters. Cell transplantation and tissue engineering [Kletochnaya transplantologiya i tkanevaya inzheneriya], 6(2): 65-70].
Buschle-Diller G., Hawkins A., Cooper J. (2006) Electrospun nanofibers from biopolymers and their biomedical applications. Modified Fibers with Medical and Specialty Applications, 10: 67-80.
Hosseini Ravandi S.A., Gandhimathi C., Valizadeh M., Ramakrishna S. (2014) Application of electrospun natural biopolymer nanofibers. Current Nanoscience, 9: 423-433.
Huang Z.-M., Zhang Y.-Z., Kotaki M., Ramakrishna S. (2003) A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Composites Science and Technology, 63: 2223-2253.
Kancheva M., Toncheva A., Manolova N., Rashkov I. (2015) Enhancing the mechanical properties of electrospun polyester mats by heat treatment. Polymer Letters, 9: 49-65.
Katarzyna M.S., Gouma P. (2006) Electrospun composite nanofibers for functional applications. Journal of Nanoparticle Research, 8: 769-781.
Khalil A.K., Fouad H., Elsarnagawy T., Almajhdi F.N. (2013) Preparation and characterization of electrospun PLGA/silver composite nanofibers for biomedical applications. Int. J. Electrochem. Sci., 8: 3483-3493.
Kriegel C., Arecchi A., Kit K., McClements D.J., Weiss J. (2008) Fabrication, functionalization, and application of electrospun biopolymer nanofibers. Critical Review. Food Science Nutrition, 48: 775-797.
Pham Q.P., Sharma U., Mikos A.G. (2006) Electrospinning of polymeric nanofibers for tissue engineering applications: a review. Tissue engineering, 12: 1197-1211.
Philip S., Keshavarz T., Roy I. (2007) Polyhydroxyalkanoates: biodegradable polymers with a range of applications. J. Chem. Technol. Biotechnol., 82: 233-247.
Sahay R., Kumar P.S., Sridhar R., Sundaramurthy J., Venugopal J., Mhaisalkarc S.G., Ramakrishna S. (2012) Electrospun composite nanofibers and their multifaceted applications. Journal Material Chemistry, 22: 12953-12971.
Schiffman J.D., Schauer C.L. (2008) A review: electrospinning of biopolymer nanofibers and their applications. Polymer Reviews, 48: 317-352.
Teo W.E., Ramakrishna S. (2006) A review on electrospinning design and nanofibers assemblies. Nanotechnology, 17: 89-106.
Volova T., Goncharov D., Sukovatyi A., Shabanov A., Nikolaeva E., Shishatskaya E. (2014) Electrospinning of polyhydroxyalkanoate fibrous scaffolds: effects on electrospinning parameters on structure and properties. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, 25: 370-393.
Zhang C.L., Yu S.H. (2014) Nanoparticles meet electrospinning: recent advances and future prospects. Chemistry Society Review, 43: 4423-4448.
