Fabricarea de substraturi fibroase cu efect antiinflamator obținute prin electrofilare [305022]

Fabricarea de substraturi fibroase cu efect antiinflamator obținute prin electrofilare

Absolvent: [anonimizat]. Georgiana-Dana Dumitrescu

Coordonatori științifici: Prof.Dr.Ing. Izabela-Cristina Stancu

Ș.l.Dr.Ing. Diana-Maria Drăgușin Ž[anonimizat] o strategie promițătoare. Ea a fost dezvoltată pe baza fenomenului de "electrospray", descris pentru prima dată în 1882 [anonimizat] a descoperit că o picătură foarte încărcată s-ar rupe în picături mai mici pentru a [anonimizat]. [anonimizat] “electrospray”, electrofilarea produce fibre lungi [1].

Metoda de electrofilare datează din 1914 la lucrarea Zeleny și a fost denumită anterior "filare electrostatică". Acest cercetător a descoperit că tehnica este utilă pentru filarea fibrelor polimerice având un diametru mic. [anonimizat], depinde de forța electromotoare ce conduce la formarea fibrei [2].

Echipamente de electrofilare

Procesul de electrofilare apare ca o [anonimizat], simplificați și încorporați mai ieftin cu alte tehnici. Electrofilarea este o [anonimizat]-gel. [anonimizat]-un precursor injectabil ce conține polimer și un solvent ușor volatil. Solventul este utilizat pentru a [anonimizat], precum și conformația și greutatea moleculară a polimerului, dar și pentru a [anonimizat], formarea de fibre stabile. [anonimizat], izopropanolul, etanolul și alții sunt utilizați pe scară largă ca parametrii ai soluției [4]. [anonimizat], având caracteristici polare adecvate. Structura complexă internă a nanofibrelor se formează prin separarea fazelor spontane în timpul procesului de electrofilare.

Procesul de electrofilare

Electrofilarea poate fi reglată pentru a produce nanofibre cu diferite caracteristici. Principalii parametri controlați ai instalației de electrofilare sunt:

[anonimizat],

[anonimizat] a colectorului.

[anonimizat] a produce fibre cu diametre mai mici de 100 nm, chiar până la 5 nm. Sub influența unui câmp electric, o picătură suspendată a soluției de polimer este deformată într-o formă conică. [anonimizat] a [anonimizat]. La început pentru procesul de electrospinning s-a utilizat electrozi auxiliari pentru a direcționa jetul de electrofilare pe colectoarele rotative. [anonimizat] [4].

Una dintre provocările majore în dezvoltarea tehnologiei electrospinning ca tehnologie de fabricare este utilizarea solvenților organici. [anonimizat] 95% solvent. Este clar că sistemele care utilizează apă ca solvent au multe avantaje în ceea ce privește siguranța, costul și durabilitatea [5].

Se descrie tehnologia de electrofilare pentru fabricarea nanofibrelor de filtrare. Metoda de obținere a fibrelor polimerice nețesute utilizează câmpul electric de intensitate pentru desenarea filamentelor subțiri din mediul lichid. Această metodă este relativ simplă și nu necesită temperaturi ridicate pentru a menține polimerul în stare lichidă. Menținerea polimerului în fază lichidă este susținută de utilizarea unor solvenți speciali (dicloretan, dioxan etc.). Fibrele direcționate și nedirecționate, cu fibre coaxiale tubulare, cu suprafață perfect netedă și poroasă, pot fi fabricate prin tehnologia electrofilării.

Trebuie remarcat faptul că electrofilarea ca proces de formare a nanofibrelor este o tehnologie foarte flexibilă și că ar trebui folosite setările unice pentru fibre de diferite compoziții, proprietăți chimice și fizice [6].

Principiul de funcționare al aparatului

Electrospinningul este o tehnică ce a câștigat o atenție deosebită în ultimele decenii datorită ușurinței producerii substraturilor la fibre polimerice de dimensiuni nanometrice, împreună cu aplicațiile potențiale pe care aceste fibre le poate oferi. Tehnica este relativ simplă, necesitând un polimer și un solvent adecvat (care are o constantă dielectrică suficient de mare), o sursă de tensiune ridicată, un electrod țintă și o pompă de seringă pentru a asigura un flux constant de material. Polimerul este dizolvat în solvent și apoi încărcat într-o seringă cu un ac atașat. Seringa care conține soluția este apoi introdusă în pompa seringii cu o sondă de înaltă tensiune atașată la ac. Pe măsură ce tensiunea este aplicată, picătura soluției de polimer la vârful acului se va deforma deasupra unui prag într-o formă conică, adesea denumită un con Taylor, de unde un jet va fi extrudat spre o țintă la un potențial mai scăzut. De obicei, se utilizează un electrod plat legat, care va colecta materialul într-o pătură nețesută orientată în mod aleatoriu, în mod alternativ, dacă se dorește o aliniere comună a fibrelor, se folosește un colector rotativ. La trecerea de la vârful acului la colector, jetul de polimer va experimenta ce este denumită instabilitate de îndoire, care este ca o abatere înainte și înapoi a jetului de polimer. Aceasta tinde să ducă la întinderea materialului în timpul trecerii spre colector, subțierea diametrului jetului în mod semnificativ, simultan, solventul va fi forțat de pe jet și solidificarea va avea loc pe traseu. Fibrele produse cu această tehnică prezintă diametre de ordinul micronilor până la zece nanometri, cu un grad de controlabilitate oferit prin selectarea parametrilor cum ar fi greutatea moleculară a polimerului, concentrația soluției și solventul utilizat, toate acestea influențând vâscozitatea soluției.

Alți parametri, cum ar fi tensiunea aplicată și vârful acului până la distanța colectorului, vor avea de asemenea un impact, dar într-o măsură mai mică decât controlul parametrilor soluției. Controlul parametrilor soluției este esențial în dezvoltarea de soluții cu o rețea de lanț suficientă pentru a dezvolta fibre continue. La concentrații scăzute, soluțiile tind să producă picături discrete, concentrațiile crescând ale polimerului conducând la dezvoltarea fibrelor cu margele și, în final, a fibrelor continue netede peste limita critică a retelei [5].

Figura 1: Instalația universală pentru tehnica de electrofilare: 1 – placa de bază, 2 – rezervor cu compresor, 3 – șine de ghidare, 4 – tub de alimentare cu fază lichidă (seringă), 5 – panoul de control, 6 – sursa de tensiune, 7 – ac, 8 – colector, 9 – colector [4].

Placa de bază conține două șine de ghidare pe care seringa (diametru de 14 cm, volum de 5 ml) se poate deplasa liber (constă dintr-un tub 4, sursa de tensiune 6 și acul 7) și colectorul cu capacitate de fixare. Colectorul (diametru 10 cm, lungime 30 cm, oțel inoxidabil și viteză controlată) se mișcă cu ajutorul dispozitivului de acționare pas cu pas, asigurând o schimbare a distanței de la capătul acului (20 mm lungime, oțel inoxidabil) la suprafața sedimentei cu o precizie de 0,1 mm. Umplerea țevii de admisie cu soluție de polimer în faza lichidă are loc în rezervorul echipat cu compresor de aer. Placa de bază poate susține mai multe rezervoare pentru a furniza o compoziție combinată a soluției de polimer.

Și viteza de alimentare a soluției din fiecare rezervor va asigura procentul necesar dintr-o componentă în soluția globală. Putem ajusta viteza de alimentare a polimerului, distanța de la capătul acului la substrat și intensitatea și frecvența câmpului electric cu ajutorul panoului de control. În plus, există un set de ace cu orificii de diametru diferit și configurație diferită în setul atașat la mașină. Acest set permite fabricarea fibrelor de diferite grosimi care modifică starea structurală a fibrei.

Procesul de formare al firelui la capătul acului ar putea fi descrisă prin găsirea soluțiilor conice la limitele încărcate (configurare de echilibru). Astfel configurarea de echilibru este numită con Taylor din teoria structurilor staționare în formă de vârf pe suprafața de lichide. Formarea de fibre prin metoda electrofilării este atinsă din cauza stratului de instabilitate de la capătul acului așa cum se observă în figura 2. Ca urmare, micile perturbații vor fi ca o avalanșă pe suprafața plană de lichid [6,7]. Realizarea unor nanofibre continue și uniforme de bază poate fi determinată prin întinderea corectă a picăturii (Cone Taylor). Deformarea nucleului sau ruperea acestuia în picături poate să apară datorită forței vâscoase cauzată de cochilie transformându-se în picături (datorită slăbiciunii câmpurilor electrice) sau prin întinderea rapidă a acesteia, exercitând astfel o tensiune puternică vâscoasă tangentă la miez.

Figura 2: Formarea conului Taylor [4].

În general, polimerul cu tensiune superficială superioară este pompat la capilarul exterior.

În multe cazuri, solvenții organici sunt utilizați pentru a dizolva polimerul, volatilizarea acestora în timpul procesului de filare poate să prevină riscurile asociate cu utilizarea unor astfel de solvenți incluzând toxicitatea inflamabilității în plus, procesul este risipitor. Ca o consecință a acestei utilizări la scară largă a unor astfel de solvenți în industrie poate fi neatractivă. Există opțiuni alternative, cum ar fi electrospinarea prin topire, unde nu este necesar un solvent. Cel mai bun și cel mai durabil aspect al traseului este utilizarea unui polimer solubil în apă în procesul de electrofilare [5].

Tipuri de electrofilări

Electrofilare din soluție

Electrospinningul este un proces simplu, versatil și puternic de fabricare a structurilor 3D nano și microfibre. Procesul de electrospinare a fost descris pentru prima dată de Charles Vernon Boys în 1897 și patentat de John Francis Cooley la începutul anilor 1900. Cu toate acestea, la începutul anilor 1990, a câștigat multă atenție. De atunci, mulți polimeri naturali și sintetici au fost electrofilați și au fost utilizați în aplicații în domenii cum ar fi energia, sistemele de filtrare a aerului, apa reziduală, producția de textile și membrane și cercetarea biomedicală.

În timpul electrofilării, o soluție polimerică este pompată printr-un tub pe filajul de filare. Un astfel de filaj poate fi de exemplu o duză mică conectată la o sursă de tensiune ridicată. Datorită câmpului electric aplicat, picătura de la capătul duzei este deformată prin întinderea uniaxală în așa-numitul "conul Taylor". Când forța electrostatică depășește tensiunea superficială, soluția formează un jet, care "zboară" de la duză la colectorul împământat. Acest jet încărcat urmează o cale haotică și solventul se evaporă în timpul călătoriei, ceea ce duce la depunerea fibrelor solide pe o placă de colector sau pe un tub rotativ. Deoarece forma colectorului reasamblează direct structura finală a schelei 3D, alegerea colectorului este legată de aplicația pe care o va avea schela ulterior.

Această bază simplă necesară echipamentului, pe lângă flexibilitatea deosebită a procesului datorită diverșilor parametri ajustabili, a dus la un număr mare de publicații și brevete. Au fost realizate multe lucrări în domeniile cercetării biomedicale, cum ar fi aplicațiile pentru ingineria țesuturilor, pielea, tendonul, aplicarea cardiovasculară și reparația nervilor, precum și îmbunătățirea dispozitivelor dentare. În ciuda numărului mare de publicații și brevete eliberate, mai puțin de 10 produse electrofilate medicale sunt disponibile pe piață.

Electrofilare din topitură

În 1887, Charles Vernon Boys au descris procesul într-o lucrare privind fabricarea nano-fibrelor. Aceștia au încercat "experimentul vechi, dar puțin cunoscut, de filare electrică" pentru a obține o fibră de sticlă subțire prin electrofilare din topitură.

Electrofilarea din topitură este o variantă de electrospinning în care materialul este tras de câmpul electric în stare topită. Solidificarea fibrei datorită răcirii se produce mai repede decât uscarea fibrei datorită evaporării solventului, rezultând fibre în general mai groase în comparație cu electrofilarea din soluție. Pentru o perioadă de timp, electrofilarea prin topire a fost marcată pentru a produce fibre cu diametru satisfăcător în intervalul micrometric.

Comparativ cu electrofilarea din soluție, această tehnică oferă avantaje în prelucrarea polimerilor care sunt doar sau greu solubili în solvenți foarte toxici, cum ar fi polipropilena și polietilena. Mai mult, împiedică utilizarea solvenților dăunători și are limitările aferente, cum ar fi îndepărtarea reziduurilor de solvenți și recuperarea solvenților. Pe de altă parte, temperatura utilizată pentru topirea polimerilor limitează rotirea simultană a indicilor bioactivi. Datorită vitezei de depunere lentă a fibrelor și distanței scurte a colectorului de ac, este posibilă reglarea fină a depunerii fibrelor și producerea schelelor modelate.

Această tehnică a câștigat un interes deosebit în domeniul ingineriei țesuturilor grație capacității de a crea substraturi din micro- sau nano-fibre. În plus, aceste substraturi pot fi utilizate fără probleme legate de reziduurile de solvenți potențial toxici [8].

Electrospraying

Electrospinningul este o metodă versatilă pentru generarea de fibre foarte subțiri din polimeri, ceramică, metale, carbon și / sau materiale compozite. O tehnică oarecum similară numită electrospray poate fi utilizată pentru a produce un jet micro / nanometric care se rupe pentru a da naștere unui aerosol de picături încărcate. Electrospray are o capacitate dovedită de a genera aerosoli monodisperși cu dimensiuni cuprinse între câțiva nanometri și câțiva microni. Electrospinningul, în schimb, generează tipic un jet într-un câmp de înaltă tensiune pentru a produce fibre polimerice alungite. În comparație cu electropulverizarea, care utilizează forțele electro-hidrodinamice pentru a genera un număr de particule într-o fază de aerosol sau hidrozol, electrofilarea este o tehnică mai solicitantă care necesită utilizarea unei soluții cu vâscozitate corespunzătoare, tensiune de suprafață și conductivitate bune pentru a produce jeturi lichide continue [9].

Electrofilarea coaxială

Electrofilarea coaxială este o tehnică în care micro- sau nano-fibrele generate constau dintr-o teacă exterioară și un miez interior de compoziție diferită.

O electrofilare coaxială permite ca două soluții diferite să fie injectate simultan (miez și teacă /cochilie). Aceste două soluții sunt procesate printr-o duză coaxială, care are un orificiu la interior și unul la exterior. Structura capilară permite formarea fibrelor cu un material ce îl înconjoară pe celălalt.

Acumularea duzei se va reflecta în fibre. În funcție de numărul de soluții conectate la aparat și conformația acestuia, este posibil să se obțină forme de fibre mai complexe. Exemple sunt fibrele tridiale electrofilate sau fibrele cu compartimente diferite. Schimbarea raportului dintre debitele miezului și al cochiliei, variația concentrației soluțiilor, precum și utilizarea parametrilor standard de electrospinare, cum ar fi tensiunea, permite ajustarea grosimii miezului și a fibrei cojii.

O aplicație importantă a acestei tehnici este furnizarea de medicamente. Cu electrofilarea coaxială, medicamentele sau proteinele pot fi încărcate în miez, în timp ce teaca facilitează filarea și protejează materialul bioactiv. Selectarea materialului pentru coajă și / sau a grosimii acestuia permite ajustarea vitezei de eliberare, un parametru important pentru a maximiza efectul medicamentului. De exemplu, compozițiile de bază și teacă ale fibrele ar putea fi alese pentru proprietățile de rezistență și de atașare celulară. Abordarea a fost demonstrată prin nanofibrele electrofilate cu un termoplastic cu miez poliuretanic și o manta de colagen. Fibrele cum ar fi acestea oferă o rezistență mecanică dorită ca rezultat al miezului poliuretanic și facilitează creșterea, atașarea și înmulțirea celulelor datorită prezenței mantalei de colagen.

O altă aplicație a electrofilării coaxiale este producția de fibre armate. De exemplu, poliuretanul poate fi folosit ca material de bază pentru a crește proprietățile mecanice ale ochiului de plasă și colagenul poate fi aplicat în jurul acestuia pentru a îmbunătăți biocompatibilitatea și bioactivitatea substratului fibros.

Mai mult, electrospinningul coaxial facilitează producerea fibrelor goale. Alegerea unui material de bază temporar, cum ar fi uleiul sau un material solubil, care este îndepărtat într-o a doua etapă, generează ochiuri de fibre goale. Aceste fibre tubulare pot fi, de exemplu, folosite ca material de validare în imagistică prin rezonanță magnetică prin difuzie pentru analiza creierului.

Electrofilarea din emulsie

În cazul electrofilării din emulsie, nanofibrele generate constau dintr-o teacă exterioară și un miez interior de compoziție diferită. Emulsiile pot fi folosite pentru a crea substraturi bioactive. Stropirea electrozilor permite ca două soluții nemiscibile (o fază apoasă și un solvent nemiscibil cu polimerul) să fie răsucite într-o singură schelă. Prin amestecarea acestor două soluții nemiscibile, se creează o organizare a picăturilor emulsionate într-o soluție pe bază de apă.

Agenții tensioactivi (adică triton, compuși amfifili și nanoparticule) sunt utilizați pentru a stabiliza interfața dintre cele două soluții și a proteja biomoleculele din solvent. Existența unei faze apoase și neapoase permite introducerea de biomolecule solubile fără a altera structura și degradarea fibrelor. Proprietățile de eliberare ale biomoleculelor pot fi controlate, de exemplu, prin viteza de degradare și concentrația polimerului.

Tehnica își găsește aplicarea principală în domeniul furnizării de medicamente, în scopul de a include, proteja și/sau controla vitezele de eliberare pentru un anumit sistem de administrare a medicamentului [10].

Electrofilarea umedă

În electrofilarea umedă, fibrele sunt colectate într-un colector de băi lichide în loc de o țintă solidă ca în cazul electrofilării standard. Alegerea lichidului este importantă, deoarece dacă tensiunea superficială este prea mare, fibrele polimerice vor pluti pe suprafață în loc să se scufunde.

Dispozitivul electrofilării umede a fost introdus pentru prima dată ca metodă pentru producerea directă a structurilor fibroase pufoase, asemănătoare bureților, fără utilizarea unor dispozitive sofisticate sau a unor compuși suplimentari. Porozitatea mai mare a acestor schele crește infiltrarea celulelor, ceea ce face ca aceste schele de vată de bumbac să fie potrivite pentru aplicațiile de inginerie tisulară.

Cu această tehnică se poate fabrica un schelet 3D electrofilat care conține deja celulele. Spinarea directă în mediul de cultură celulară permite însămânțarea imediată a celulelor în timpul formării continue a schelei.

Electrofilarea într-un lichid poate fi utilă atunci când este dificil să se colecteze fibre uscate, de exemplu în timp ce se utilizează solvenți cu un punct de fierbere ridicat, colectarea într-un non-solvent va precipita fibra, în timp ce solventul va fi extras.

Această tehnică este mai larg utilizată în electrospray pentru a colecta picăturile și în electrospinning pentru a produce fire. Un vârtej este prezent în interiorul băii de colectare pentru a interconecta fibrele într-un fir în timp ce se formează electrospinarea. Acest fir este apoi tras de pe vârtej și înfășurat pe o bobină. În plus față de aplicațiile propuse, cum ar fi firele de sutură, aceste fire pot fi, de asemenea, folosite pentru a lega schele.

Procesul de electrofilare este guvernat de un număr de variabile care pot fi împărțite în proprietăți ale soluției și parametri de proces. Vâscozitatea, concentrația polimerului, conductivitatea, tensiunea superficială, greutatea moleculară și constanta dielectrică se numără printre proprietățile soluției. Distanța dintre vârful acului și colector, tensiunea aplicată, debitul, geometria colectorului și viteza de rotație sunt parametrii generali ai procesului [11].

Parametrii electrofilări

Concentrația

Concentrația soluției trebuie să fie mai mare decât punctul critic. O concentrație sub punctul critic poate conduce la formarea de impurități. În cazul în care concentrația soluției crește, aceste impurități încep să dispară, obținându-se fibre continue.

Vâscozitatea

O soluție cu vâscozitate redusă poate duce la formarea de fibre discontinue, iar creșterea acesteia va ajuta la morfologia fibrelor, până când acestea devin fine și se obțin fibre continue. Dacă se mai produce o altă creștere în vâscozitate, aceasta va duce la extrudarea grea a soluției din vârful acului.

Tensiunea de suprafață

O tensiune de suprafață mărită duce la instabilitatea jet-urilor și formarea de picături, ca fiind obținute prin electrospraying și nu electrospinning. Așadar, pentru a putea obține fibre fără impurități, este necesar să se reducă tensiunea de suprafață a soluției.

Conductivitatea

Odată cu creșterea conductivității electrice, diametrul nanofibrelor scade, în timp ce o diminuare a conductivității electrice duce la formarea de impurități, deoarece forțele electrice vor fi îndeajuns de insuficiente, încât va cauza elongația jet-ului, ce are ca scop final formarea de fibre uniforme.

Distanța ac-colector

Distanța dintre vârful acului și colector afectează morfologia fibrelor. Lungimile foarte mari sau foarte mici între acestea vor avea ca efect formarea de impurități.

Debit

Este de preferat ca debitul să fie scăzut, pentru ca soluția să aibă destul timp încât să polarizeze. Un debit mai mare duce la formarea de impurități mai mari, datorită forțelor elastice mici și timpului insuficient de uscare, înainte ca polimerul extrudat să ajungă la colector.

Voltaj

Extruderea de jeturi încărcate poate avea loc doar atunci când tensiunea aplicată este mai mare decât tensiunea de prag. Cu toate acestea, influența tensiunii asupra mărimii diametrului nanofibrelor, este o problemă de dezbătut. Un studiu a arătat că acest câmp electric nu afectează cu nimic diametrul oxidului de polietilenă, în timp ce alt articol a demonstrat faptul că diametrul alcoolului polivinilic electrofilat sau a apei formate sub acțiunea unei tensiuni mai ridicate, a dat naștere unei fibre cu diametru mai mare.

Parametrii de mediu (temperatură, umiditate)

Parametrii de mediu, cum ar fi umiditatea sau temperatura, pot afecta atât morfologia, cât și grosimea fibrelor. Un studiu a demonstrat faptul că funcționarea într-un mediu cu temperatură ridicată, poate duce la fibre cu diametre mai subțiri, care erau într-o strânsă legătură cu viscozitatea scăzută a soluției la temperaturi ridicate. De asemenea, creșterea umidității a avut ca rezultat apariția unor pori pe suprafața fibrelor.

Influența parametrilor asupra calității fibrelor

Influența vitezei de alimentare a soluției interne

În anumite condiții: tensiunea de centrifugare (15 kv) și distanța de recepție (20 cm), s-au obținut fibre cu diametre interioare diferite prin reglarea vitezei de alimentare a soluției interne. Pentru fibrele simple goale, viteza de alimentare a fost de 0.02 ml/h, 0.04 ml/h, 0.06 ml/h și 0.08 ml/h. Fotografiile SEM ale fibrelor au fost prezentate în mod clar în figura 3.

Figura 3: Fotografiile SEM ale fibrelor goale simple cu viteza de alimentare a soluției interne de (a) 0.02 ml/h, (b) 0.04 ml/h, (c) 0.06 ml/h, (d) 0.08 ml/h [11]

Din figura 3 se poate observa că diametrele interioare au crescut împreună cu viteza de alimentare a soluției interne. Atunci când viteza de alimentare a soluției interne a fost mai mică de 0.04 ml/h, raportul de producție al construcției goale a fost prea mic pentru a fi folosit în practică. Creșterea vitezei de alimentare a soluției interne la 0.08 ml/h, raportul construcției goale a fost mai bun.

În ceea ce privește fibrele duble goale, variația construcției goale a arătat tendința similară cu fibrele simple goale din figurile 3 și 4.

Figura 4: Fotografiile SEM ale fibrelor goale duble cu viteza de alimentare a soluției interne de (a) 0.02 ml/h, (b) 0.06 ml/h [11]

Atunci când vitezele de alimentare ale soluției interne au fost prea mici, fibrele secțiunii ideale nu ar putea fi realizate. Creșterea vitezei la 0.06 ml/h (după cum se observă în figura 4 (b)), forma secțiunii fibrelor și raportul de producție al construcției goale au fost considerate mai bune. Continuând să se mărească viteza de alimentare, fibrele duble s-ar îmbina. Ca urmare, viteza de alimentare nu trebuie să fie prea rapidă atunci când se fabrică fibrele duble sau triple goale.

Influența tensiunii

S-a studiat influența tensiunii de filare de la 10kv la 20kv pentru a se fabrica fibre goale atunci când viteza adecvată de alimentare a soluției interne a fost de 0.08ml/h și distanța de primire a fost de 20cm. Fotografiile SEM ale texturii suprafeței fibrelor se pot observa în figura 5.

Figura 5: Fotografiile SEM a fibrelor goale la tensiuni diferite: (a) 10kv,

(b) 12kv, (c) 15kv, (d) 20kv [11]

Atunci când tensiunea era mică, fibrele erau discontinue. O tensiune cât mai mare este o metodă foarte bună de a reduce diametrele fibrelor (cu cât tensiunea este mai mare, cu atât sunt mai mici diametrele fibrelor), dar o tensiune mare trebuie să fie controlată într-un anumit interval. Cu cât tensiunea a început să crească, continuitatea fibrelor s-a înrăutățit și distribuția diametrului a devenit mai mare. S-a constatat că starea optimă a tensiunii ar fi de 15 kv [11].

Aparatul de electrofilare

Panoul de utilizare

Panoul de utilizare al electrospinner-ului cu atmosferă controlată model EC-CLI poate fi observat în imaginile de mai jos:

-Setarea condițiilor de mediu

-Setarea debitului

-Setarea vitezei de rotație a tamburului

-Setarea voltajului

Tipuri de colectori

Colector circular Ø2x 150mm

– Mecanism de montare/demontare rapidă a tamburului, viteza de rotație de până la 5000 rpm

Colector circular Ø10×200 mm

– Mecanism de montare/demontare rapidă a colectorului pe tambur

– Viteza de rotație de până la 5000 rpm

Colector circular Ø20×200 mm

– Mecanism de montare/demontare rapidă a colectorului pe tambur

– Viteza de rotație de până la 5000 rpm

Tambur colector (Ø90 x 180 mm)

– Mecanism de montare/demontare rapidă a tamburului

– Viteza de rotație de până la 2500 rpm

Tambur colector de temperatură joasă

– Tambur colector rotativ Ø90×180 mm

– Mecanism de montare/demontare rapidă a tamburului

– Adecvat pentru viteze de rotație de până la 500 rpm

– Capac ușor demontabil pentru umplerea tamburului cu gheață carbonică

Tambur colector cu spițe paralele (Ø90×180 mm)

– Mecanism de montare/demontare rapidă a tamburului, viteza de rotație de până la 2500 rpm

– Spițe Ø 2 mm demontabile pentru reglarea distanței dintre spițe

Stand duze multifunctional pentru duze cu un singur ac

– Accesoriul ideal pentru optimizarea materialelor și parametrilor

– Flexibil și ușor de utilizat

– Amplasarea atât în poziție verticală cât și orizontală

– Cursa de 200 mm

– Viteza liniară variabilă 0- 350 mm/s

Legendă:

Rotating Target Collector Low Temperature Electrospinning

Câteva caracteristici ale fibrelor

– polimerul, greutatea moleculară, indicele de topire și punctul de topire pot afecta în mod semnificativ capacitatea de rotire și caracteristicile rezultate ale fibrelor;

– introducerea unui aditiv mărește conductivitatea electrică a fibrelor, îmbunătățind astfel capacitatea lor de electrofilare;

– se recomandă să se aleagă un solvent cu o rată scăzută de evaporare pentru a pregăti suspensia pentru procesul de electrofilare;

– morfologia suprafeței fibrelor este fie netedă, dură, fie o combinație a acestor texturi;

– fibrele care au secțiuni transversale poroase au crescut suprafața specifică, ceea ce sporește capacitatea fibrelor de absorbție;

– fibrele cu diametre mici și porozitate ridicată au o capacitate mare de absorbție datorită numărului semnificativ de goluri interconectate. Fibrele care au diametre mai mari au spații mai

mari între fibre și au capacități relativ scăzute pentru absorbție;

– diferențele de tensiune la suprafață între apă și ulei pot determina o suprafață cu caracter superhidrofobic să devină oleofilă sau superoleofilă. Apa și uleiul au fost găsite a avea o tensiune superficială de 72,8mN și mai puțin de 30mNm-1. Prin urmare, caracteristica oricărei suprafețe solide care posedă tensiuni de suprafață între ulei și apă poate prezenta caracteristici de hidrofobie și oleofilicitate. Pe de altă parte, suprafața cu caracter superoleophilicitate există datorită rugozității mari a suprafeței și având energii de suprafață similare cu cele ale uleiului;

– cauza principală pentru comportamentele superhidrofobicității și superoleofilității unei fibre este legată de proprietățile naturale ale materiei prime care este folosită și de o rugozitate ridicată a suprafeței unui film fibros. În plus, superhidrofobicitatea și superoleofilicitatea scad dacă există o reducere în absența structurii poroase a nanofibrelor;

– fibrele cu o densitate scăzută au de obicei o flotabilitate mai mare în apă. Densitatea redusă este atribuită de un diametru mic și o porozitate ridicată;

– un alt factor care afectează este unghiul de contact al apei. Influențează proprietatea de umectare a suprafeței și reprezintă capacitatea unei suprafețe de a concura împotriva acțiunii unei picături;

– diametrul diferit și morfologia poroasă au influențe minore asupra fibrelor. De exemplu, creșterea diametrului fibrei unei folii fibroase neporoase conduce la o ușoară creștere a ambelor unghiuri de contact ale apei și uleiului, spre deosebire de creșterea diametrului fibrei unui film fibros poros, rezultând ca apa și uleiul având unghiurile de contact mici;

– greutatea moleculară a polimerului din soluție influențează vâscozitatea soluției de filare. În soluția cu vâscozitate scăzută, structura lanțurilor moleculare polimerice în soluție este redusă, ceea ce face ca solventul să se evapore și să se difuzeze într-un timp. Procesul de electrofilare creează o separare rapidă a fazelor pe suprafețele jeturilor. Cu toate acestea, prin creșterea vâscozității unei soluții, conductivitatea soluției scade. Aceasta a dus la instabilitatea și efectele de întindere ale jetului de lichid datorită forțelor electrice slăbite în timpul electrofilării. Acest lucru favorizează astfel formarea de fibre uniforme cu diametre mari;

– este important ca o fibră să își mențină superhidrofobicitatea pe o gamă largă de valori ale pH-ului. Acest lucru se datorează faptului că poate conduce la o stabilitate și o utilizare excelentă pe o perioadă lungă de timp;

– o creștere a tensiunii aplicate dincolo de valoarea critică va avea ca rezultat formarea de margele sau nanofibre cu margele;

– creșterea diametrului și formarea granulelor sau nanofibrelor granulate cu o creștere a tensiunii aplicate sunt atribuite scăderii dimensiunii conului Taylor și creșterii vitezei jetului pentru același debit;

– diametrul nanofibrelor crește cu o creștere a tensiunii aplicate;

– creșterea debitului dincolo de o valoare critică nu numai că duce la creșterea dimensiunii porilor și a diametrului fibrelor, dar și la formarea bilelor (datorită uscării incomplete a jetului de nanofiber în timpul zborului dintre vârful acului și colectorul metalic) [16].

Materiale utilizate în teste

Piroxicam

Piroxicam (4-hidroxi-2-metil-N-pirido-2-il-2H-1,2benzotiazin-3carboxamidă-1,1- dioxid) este primul reprezentant al clasei de medicamente antiinflamatorii ale grupului oxicam cu efecte analgezice, antipiretice și antiinflamatorii.

Piroxicamul prezintă polimorfism și poate exista în mai multe conformații și forme prototrofice. Pentru piroxicam în starea de bază sunt propuse diferite configurații, în concordanță cu capacitatea de a forma legături intramoleculare de hidrogen între gruparea hidroxil enol și oxigenul carbonil amidic. Datorită formării amfionului se constată că forma neutră este starea sa de bază. Este dificil să se izoleze acest comportament spectroscopic, astfel încât formele neutre și amfioni se numesc "neutru la nivel global". Transferul de protoni intramolecular excitat al piroxicamului este foarte sensibil la polaritatea solventului. Echilibrul acido-bazic conduce la existența diferitelor forme prototrofice ale piroxicamului, investigate în timpul complexării cu ciclodextrine.

În ciuda potențialului farmacologic și terapeutic amplu, piroxicamul este hidrofob și prezintă solubilitate redusă în medii apoase, ceea ce limitează aplicarea acestuia. Testele au arătat o eliberare sporită a piroxicamului din granule cu β-ciclodextrină. Complexele de incluziune ale piroxicamului și β-ciclodextrinei pot fi obținute prin diverse metode, cum ar fi amestecarea fizică, coprecipitarea, evaporarea și încălzirea sub reflux. Incluziunea complexului de piroxicam cu 2-hidroxipropil-β-ciclodextrină are o solubilitate semnificativ îmbunătățită.

Piroxicamul poate provoca sensibilitate pielii la lumina soarelui și, prin urmare, este supus testelor fotochimice. Investigațiile fotostabilității medicamentelor și a formulărilor medicinale sunt foarte importante. Folosirea fotodepozitului medicamentos poate duce la pierderea eficienței și la dezvoltarea efectelor secundare produse datorită formării produselor de fotodegradare în timpul depozitării sau utilizării. Fotostabilitatea depinde de lungimea de undă a luminii, de intensitatea și de timpul de expunere. Testele clinice au arătat că iradierea piroxicamului produce ampiroxicam ca produs de fotodegradare, care nu poate fi creat prin biotransformarea piroxicamului. S-a investigat structura produselor de fotodegradare rezultate și fotostabilitatea piroxicamului și a altor medicamente.

Ciclodextrinele și derivații lor sunt purtători de medicamente specifice, datorită capacității lor de a modifica proprietățile fizice, chimice și biologice ale moleculelor incluse în cavitățile lor. Ele au o structură tridimensională cu grupări OH în exterior și în interior sunt atomi de hidrogen. Într-o soluție apoasă, moleculele alipatice și polimerice nepolare de dimensiuni adecvate pot intra în cavitățile hidrofobe ale ciclodextrinelor. Ca agenți de complexare sunt capabili să crească solubilitatea, fotostabilitatea, volatilitatea și biodisponibilitatea diferitelor medicamente. Din cauza unei solubilități mai bune la temperatura camerei decât β-ciclodextrină, în acest studiu s-a ales 2-hidroxipropil-β-ciclodextrină [17].

(2-Hidroxipropil)-β-ciclodextrină

Ciclodextrinele sunt oligozaharide ciclice formate din 6, 7 sau 8 unități de glucopiranoză cu unități hidrofobe, denumite în mod uzual α-, β- sau λ-ciclodextrine. Medicamentele lipofile ce au o mărime compatibilă cu miezul hidrofob al unei ciclodextrine pot forma complexe, ducând la o solubilitate apoasă crescută a medicamentelor. Creșterea solubilității obținută poate fi dramatică. Eficacitatea în vivo este de obicei menținută atunci când medicamentele sunt administrate sub formă de complexe de ciclodextrină. În plus, ciclodextrinele sunt netoxice la multe specii (șoareci și iepuri) și nu denaturează proteinele sau nu interferează cu reacțiile enzimatice.

Moleculele hidrofobe sunt încorporate în cavitatea ciclodextrinelor prin deplasarea apei. Această reacție este favorizată de respingerea moleculei de apă. Acest lucru încapsulează în mod eficient molecula de interes în ciclodextrină, făcând molecula solubilă în apă. Când complexul solubil în apă este diluat într-un volum mult mai mare de solvent apos, procesul este inversat, eliberând astfel moleculele de interes în soluție.

Diametrul cavității (7,5 Å) compușilor de unități β-ciclodextrine sau 7-glucopiranoză este potrivit pentru utilizarea cu molecule de dimensiunea hormonilor, a vitaminelor și a multor compuși frecvent utilizați în aplicațiile pentru țesuturi și culturi celulare. Din acest motiv, beta-ciclodextrina este cel mai frecvent utilizată ca agent de complexare.

Solubilitatea ciclodextrinelor naturale este foarte slabă. La sfârșitul anilor 1960, s-a descoperit că substituțiile chimice la starturile 2, 3 și 6 ale hidroxilului ar crește foarte mult solubilitatea. Gradul de substituție chimică, precum și natura grupelor utilizate pentru substituție, determină concentrația maximă finală de ciclodextrină într-un mediu apos. Cele mai multe ciclodextrine modificate chimic sunt capabile să atingă o concentrație de 50% (greutate / volum) în apă.

Solubilitatea medicamentelor crește liniar cu concentrația de 2-hidroxipropil-p-ciclodextrină în tampon apos. Formarea complecșilor de medicament/ciclodextrină este o reacție rapid reversibilă și complexă, ce există atât în stare de soluție, cât și în stare cristalină.

Soluțiile multor astfel de complexe pot fi liofilizate pentru a produce pulberi solubile care pot fi comprimate în tablete. Efectele biologice sunt doar puțin afectate de complexarea cu ciclodextrină. Celulele din mediu suplimentate cu ser pot fi crescute în concentrații de până la 1-2% din 2-hidroxipropil-p-ciclodextrină; în mediu fără ser, sunt acceptabile concentrații de 0,5-1%. A fost 2-hidroxipropil-p-ciclodextrină s-a dovedit a fi netoxică la șoareci și iepuri. Utilizarea ciclodextrinelor în testele de legare la receptor nu este recomandată [18].

Gelatina de pește

Gelatina este un amestec eterogen de proteine solubile în apă de mase moleculare medii ridicate, prezente în colagen. Proteinele sunt extrase din piele fierbinte, tendoane, ligamente, oase etc. în apă. Tipul de gelatină tip A este derivat din țesuturile tratate cu acid, iar gelatina de tip B este derivată din țesutul întărit cu var.

Aplicațiile care utilizează gelatină includ plăcile de acoperire a celulelor de acoperire pentru a îmbunătăți atașarea celulelor pentru o varietate de tipuri de celule. În bacteriologie, gelatina poate fi utilizată ca o componentă a mediilor de cultură pentru diferențierea speciilor. În plus, ca polimer biocompatibil, gelatina a fost utilizată ca vehicul de eliberare a moleculelor bioactive și în generarea de schele pentru aplicațiile de inginerie tisulară.

Aplicațiile industriale includ utilizarea gelatinei ca stabilizator, agent de îngroșare și textură în alimente și în fabricarea înlocuitorilor de cauciuc, a adezivilor, a cimenturilor, a cernelurilor litografice și de imprimare, a compușilor din plastic, a mătăsii artificiale, a plăcilor și filmelor fotografice, pentru lămpile cu mercur. În industria farmaceutică, gelatina este utilizată ca agent de suspendare, agent de încapsulare și liant pentru tablete; și în aplicații veterinare este folosit ca un expander cu plasmă și un burete hemostatic.

Deoarece gelatina este unul din polimerul natural important care are o caracteristică similară cu colagenul, mulți cercetători au încercat să obțină cea mai bună condiție pentru electrofilarea soluției de gelatină. Gelatina este solubilă în anumiti solvenți toxici; de aceea prepararea soluției de gelatină se face cu solvenți pe bază de apă.

Dintre polimerii naturali, gelatina este foarte bună pentru adeziunea și proliferarea celulelor, dar datorită formării unui sol coloidal în jurul său peste 37 ° C pentru soluția de gelatină acvatică, procesul de electrofilare nu este ușor posibil [19].

Aplicații ale micro- și nano- fibrelor

Importanța nanofibrelor electrofilate în domeniul biomedical este reflectată de numărul mare de lucrări științifice publicate în mod regulat în ultimii ani, raportând utilizări interesante în domeniul ingineriei biomedicale folosind polimeri biocompatibili și biodegradabili (naturali sau sintetici). Structurile de nanofibre electrofilate pot fi adaptate în funcție de scopul utilizării lor. De exemplu, fibra de colagen a fost cunoscută pentru a spori interacțiunea între celule și substraturi. În mod similar, substraturile de nanofibre electrofilate sunt, de asemenea, utilizate ca un purtător de livrare a medicamentelor către locurile lor țintă. În afară de aplicarea biomedicală, nanofibrele au găsit de asemenea o aplicație în protecția mediului (aer și apă) ca membrană de afinitate. Nanofibrele electrofilate ar putea fi de asemenea utilizate sau producătoare de nano-senzori chimici și biologici cu suprafață mare. S-a demonstrat ca senzorii care utilizează nanofibre electrofilate pot prezenta abilități sporite de detectare a diferitelor substanțe chimice, cum ar fi un compus nitro (2,4-dinitrotoluen DNT), mercur și ioni ferici, comparativ cu un film subțire convențional. Pe lângă senzorii chimici și biologici, senzorii optici polimerici foarte sensibili au fost de asemenea fabricați din nanofibre. În plus, schemele de nanofibre electrofilate ultrafine au fost de asemenea utilizate pentru prepararea nanotuburilor, care au o importanță primordială în diferite industrii. Nanotuburile sunt preparate prin acoperirea nanofibrelor electrofilate cu materia primă a nanotuburilor urmată de evaporarea solventului sau de degradarea termică a polimerilor. Tehnica de depunere fizică și chimică a vaporilor a fost de asemenea adoptată utilizând poli (L-lactida) (PLA) și poli (tetrametilenadipamida) (PA) ca șabloane.

Nanomaterialele sub formă de tuburi, fire, tije, sfere și fibre au fost asamblate în macrostructuri cu modele diferite pentru o varietate de aplicații de înaltă tehnologie. Tehnologia electrofil[rii a fost utilizată pentru fabricarea și asamblarea nanofibrelor în membrane, care au extins gama de aplicații potențiale în domeniul protecției mediului înconjurător biomedical: nanosenzor, câmpuri electronice / optice și de îmbrăcăminte de protecție. În domeniul biomedical, este acum un fapt stabilit că aproape toate țesuturile și organele, cum ar fi pielea, colagenul, dentina, cartilajul și osul, într-un fel sau altul, au un fel de asemănare la structuri fibroase foarte organizate si ierarhice.

Prin urmare, cercetarea aplicațiilor biomedicale s-a concentrat pe:

(i) generarea de substraturi fibroase pentru ingineria tisulară,

(ii) pansamente pentru răni,

(iii) mecanisme de administrare a medicamentelor,

(iv) imobilizarea enzimelor pentru a obține timpi mai scurti de reacție în reacțiile biologice.

În literatura de specialitate există multe articole care evidențiază importanța aplicațiilor biomedicale ale electrofilării. Datorită proprietăților lor unice, cum ar fi morfologia (dimensiunile) lor, raportul dintre suprafața mare și volumul și porozitatea fibroasă inter / intra, nanofibrele electrofilate sunt considerate materiale promițătoare pentru schele. Ei au demonstrat capacitatea de a iniția / evoca (stimula) răspunsurile biologice speciale în celule atunci când celulele sunt cultivate pe ele. Mai mult, schemele nanofibrelor au demonstrat o adeziune crescută a celulelor, stimularea creșterii celulelor, adsorbția proteinelor și asistarea în diferențierea celulară.

Pe lângă aplicațiile biomedicale, nanofibrele au fost studiate pe scară largă ca un potențial material filtrant în domeniul protecției mediului. Pe baza designului și construcției membranei și a dimensiunii contaminanților, filtrele au două tipuri principale: nanofiltre și microfiltre. Pentru a îndepărta ușor un contaminant vizat, membrana filtrului trebuie să aibă pori sau canale de trecere. Aceste canale permit lichidului și particulelor cu dimensiunea corespunzătoare să treacă, în timp ce opresc particulele sau contaminanții cu o dimensiune mai mare a particulelor. De exemplu, unul dintre cele mai frecvent utilizate filtre în viața de zi cu zi este un filtru de cafea din hârtie, care are capacitatea de a împiedica mișcarea particulelor mari și nedizolvate prin pori, permițând în același timp să treacă particule dizolvate cu diametre mai mici. În plus față de membranele fibroase normale de filtrare, cercetătorii au dezvoltat un nou tip de membrană fibroasă cunoscută sub numele de membrană de afinitate. Aceste membrane au portiuni selective care ajută la imobilizarea selectivă a țintelor și la îndepărtarea contaminantului țintă.

O serie de metode au fost raportate în literatura de specialitate pentru fabricarea schemelor de inginerie tisulară. Cu toate acestea, în ultimul deceniu, sistemele de nanofibre au fost vizate pentru pregătirea schelelor pentru ingineria tisulară . Pentru regenerarea țesuturilor, schemele nanofibrelor fibroase, biocompatibile și biodegradabile sunt în general preferate față de schemele convenționale datorită naturii lor unice și capacității de a furniza celulele / țesuturile țintă cu un mediu nativ prin mimarea matricei extracelulare.

Prin urmare, pansamentele pentru răni preparate folosind tehnică de electrofilare asigură numeroase avantaje față de agenții de îmbrăcare a rănilor preparați folosind metode convenționale. Proprietățile unice ale schelelor nanofibrelor electrofilate, cum ar fi porii lor inter- și intra-fibră și suprafața mare, stimulează răspunsul celulelor fibroblastice prin activarea rapidă a căilor de semnalizare celulare. Mai mult, o tehnică de electrofilare poate fi folosită datorită utilizării sale potențiale în fabricarea măștilor cosmetice, care sunt utilizate pentru curățarea pielii și vindecarea pielii. Mai mult decât atât, diferiți factori care sunt esențiali pentru hrănirea / tratarea pielii poate fi încorporati în matricea nanofibrelor electrofilate, care poate ajuta la tratarea pielii. Mai mult, aceste schele atrag celulele spre stratul dermic, care are capacitatea de a elimina materialele extracelulare vitale care ajuta la repararea tesuturilor deteriorate, inclusiv colagenul si factorii de crestere. Nanofibrele nețesute sunt foarte potrivite ca agenți de îmbrăcare. Prin urmare, tehnica de electrofilare a fost utilizată pentru a pregăti diferite structuri de nanofibre din materii prime cum ar fi colagenul, PEO, polimeri hidrofili cum ar fi PVA, gelatină, chitosan, chitină, poliuretan și poliesteri ce au jucat roluri rotative ca agenți de îmbrăcare a rănilor.

În afară de diversele aplicații potențiale ale nanofibrelor electrofilate din zona biomedicală, au descoperit și aplicații în filtrare, desalinizare, îmbrăcăminte de protecție și în senzori. Numeroși polimeri au fost utilizați în aplicațiile menționate mai sus ale schelelor de nanofibre electrofilate. De exemplu, acetatul de celuloză (CA) și PVA au fost utilizate în îndepărtarea ionilor de crom toxici. PVDF și nanofibrele de carbon pe bază de PAN au aplicații în desalinizare etc. Polimerii cu efect piezoelectric, cum ar fi PVDF, pot fi utilizați pentru prepararea dispozitivelor piezoelectrice nanofibre [20, 21].

Tabel 1. Diverse aplicații potențiale ale nanofibrelor electrofilate [21].

Abrevieri: PA6 – Poliamida 6; PVA – Alcool polivinilic, PCL – policaprolactona; CH – Chitosan;

CA – Acetat de celuloza; PSU – Polisulfona; PVDF – Fluorura de viniliden; PAN – Poliacrilonitril; PU – Poliuretan; PVB – Polivinil butiral; PEG – Polietilen glicol; PLA – Poli(L-lactida), AA – Acid acetic; FA – Acid formic; DMF – Dimetilformamida, DAA – Acid acetic diluat, DMAC – Dimetilacetamida.

CERCETARE EXPERIMENTALĂ

Materiale utilizate

Pentru studiul experimental s-au folosit următoarele materiale: gelatina extrasă din piele de pește de apă rece (FG) cu masa molară de aproximativ 60 kDa, furnizor Sigma-Aldrich, Flamexin pulbere pentru soluție orală cu o compoziție de 20 mg piroxicam/plic sub formă de piroxicam-β-ciclodextrină (191,2 mg) și excipienți, produs de CHIESI FARMACEUTICI SPA, aldehidă glutarică (AG) soluție apoasă 50%, producător Sigma-Aldrich, etanol absolut (EtOH), producător Chemical Company, apă dublu distilată, produsă în laborator cu un bidistilor tip GFL 2102. Toți reactivi au fost utilizați ca atare, fără o purificare anterioară.

OBȚINEREA STRUCTURILOR FIBROASE PRIN ELECTROFILARE

Optimizarea parametrilor de proces

Pentru fabricarea structurilor fibroase și optimizarea parametrilor de proces s-a pregatit o soluție din FG 50 % w/v. S-a adăugat treptat FG în apă bidistilată până la atingerea concentrației vizate, sub agitare continua la o temperatură de maxim 40°C. Aceasta a fost lăsată să se racească la temperatura camerei, ulterior fiind încărcată într-o seringă cu diametrul de 12,45 mm.

In prima parte a studiului, s-a urmărit optimizarea parametrilor de electrofilare a soluției apoase de FG pregătite, pornind de la studii anterioare [22].

Stabilirea tensiunii optime de electrofilare pentru soluția apoasă de FG 50%.

Stabilirea parametrilor de electrofilare a debutat cu optimizarea tensiunii și debitul de injectare. S-a folosit o plajă largă de parametrii. În tabelul 2 sunt prezentați parametrii utilizați pentru a obține membrane fibroase fără defecte majore (picături, fibre discontinue, etc.)

Tabelul 2. Tensiune și debit de injectare pentru soluția de FG 50%

Parametrii de fabricare constanți:

Volumul total de soluție injectat: 300 μL;

Dimensiuni colector: diametru de 10 mm, lungime de 200 mm;

Viteza de rotație a colectorului: 150 RPM;

Diametrul acului de injectare: 0,8 mm;

Distanța dintre vârful acului și colector: 15 cm;

Viteza de mișcare a acului de-a lungul colectorului: 5 mm/s.

Așa cum se poate observa în figura 6 cazul parametrilor FG-A, s-au obținut fibre neomogene, însă îndepărtarea meșelor de pe colector a fost dificilă, acestea fiind foarte bine aderate la colector. Acest lucru s-ar putea datora unei evaporări insuficiente a solventului în timpul procesului de electrofilare.

În cazul parametrilor FG-C, s-au obținut fibre fără foarte multe defecte pe lungimea lor, însă în acest caz meșele obținute au fost mai puțin compacte (pufoase). Din acest motiv îndepărtarea meșelor de pe colector a fost de asemenea dificilă, fibrele delaminându-se.

Pentru parametrii FG-B, structurile fibroase obținute au fost uniforme ca dimensiune cât și ca dispunere pe întregul colector. Îndepărtarea meșelor obținute a fost facilă. Astfel, tensiunea și debitul folosite pentru sinteza fibrelor din această compoziție au fost considerate optime. Aspectul structurilor fibroase obținute după detașarea lor de pe colector este reprezentată în figura 7.

Figura 6: Modul de depunere al fibrelor pe colector în funcție de diferența de tensiune aplicată între ac și colector.

Figura 7: Aspectul fibrelor după detașarea de pe colector (A) pentru parametrii FG-B si (B) meșa obținută în cazul parametrilor FG-C

În toate cele 3 cazuri s-a identificat că debitul crește o dată cu creșterea tensiunii aplicate pentru a putea obține o picătură stabilă în vârful acului și pentru formarea conului Taylor (Figura 8). În cazul FG-B debitul optim de injectare este de 7 μL/min.

Figura 8: Formarea conului Taylor în cazul compoziției FG-B

Stabilirea umidității relative optime de electrofilare pentru soluția apoasă de FG 50%.

După optimizarea tensiunii aplicate și a debitului, s-a studiat influența parametrilor de mediu, și anume umiditatea relativă în care fibrele sunt produse asupra aspectului și omogenității meșelor fabricate. Valorile folosite sunt prezentate în tabelul 3.

Tabelul 3. Valorile umidității relative

Parametrii de fabricare constanți:

Volumul total de soluție injectat: 300 μL;

Dimensiuni colector: diametru de 2 mm, lungime de 150 mm;

Viteza de rotație a colectorului: 150 rpm;

Diametrul acului de injectare: 0,8 mm;

Distanța dintre vârful acului și colector: 15 cm;

Viteza de mișcare a acului de-a lungul colectorului: 5 mm/s.

În cazurile de fabricare a substraturilor la umidități de 50 și 60 % se poate observa o rugozitate crescută a meșelor (Figura 9). În cazul unei umidități de 40% se poate vedea un aspect omogen al întregii structuri. Acest lucru se poate datora faptului că o umiditate mai scăzută permite evaporarea suficientă a solventului înainte de depunerea fibrei pe colector. În ceea ce privește umiditățile mai crescute de 50 și 60%, uscarea completă a fibrelor se realizează după depunerea acestora pe colector, ceea ce conduce la o modificare a structurilor, respectiv strângerea și cutarea lor.

Figura 9: Aspectul structurilor fibroase fabricate folosind diferite umidități relative

Fabricarea de structuri fibroase multistrat cu proprietăți antiinflamatorii

Partea a doua a studiului a vizat sinteza de structuri fibroase multistrat bioactive prin încarcarea fibrelor de gelatină cu un model de medicament antiinflamator. Principiul activ selectat a fost piroxicamul sub formă de piroxicam-β-ciclodextrină. În acest sens s-a folosit Flamexin, pulbere de soluție orală (solubilă în apă).

Pentru fabricarea structurilor multistrat, s-a pregătit o soluție din gelatină de peste 50 % w/v. S-a adăugat treptat gelatina de pește în apă distilată până la atingerea concentrației vizate, sub agitare continuă la o temperatură de maxim 40°C. Apoi s-au pregatit probe cu încărcări diferite de medicament. Astfel, a fost dizolvată pulberea de Flamexin în soluția de FG obținută anterior, până la omogenizare totală a probelor. Compozițiile finale sunt prezentate în tabelul 4. Pentru o mai bună omogenizare a componentelor, s-a utilizat o baie de ultrasunete ELMA S30H Elmasonic. După solubilizarea completă a componentelor în soluții, acestea au fost degazate folosind aceeași baie de ultrasonare. Îndepărtarea bulelor de aer din soluție este esențială pentru procesul de electrofilare. Prezența acestora conduce la fibre discontinue prin ruperea jetului injectat.

Tabel 4. Compozițiile soluțiilor cu încărcări diferite de piroxicam

Structurile fibroase s-au obținut cu ajutorul aparatului de electrofilare EC-CLI (IME Technologies). Într-o primă etapă s-a încercat direct electrofilarea soluțiilor GD1-GD4, însă fibrele obținute au fost foarte fine și lipicioase, ceea ce a condus la imposibilitatea îndepărtării meselor astfel obținute de pe colector.

Structurile multistrat sunt alcătuite din 3 straturi depuse pe același colector în următoarea ordine: stratul 1: FG, stratul 2: FG-piroxicam (în diferite rapoarte conform tabelului 5) și stratul 3: FG (Schema 1). Straturile de gelatină au ca rol pe de o parte manevrarea mai ușoară a structurilor electrofilate și controlul eliberării de medicament din membrane, pe de altă parte.

Schema 1. Reprezentarea schematică a structurilor multistrat încărcate cu piroxicam-β-ciclodextrină în diferite cantități

Pentru electrofilarea soluțiilor multicomponent s-au folosit parametrii de proces conform tabelului 5. Stabilirea acestora a avut ca punct de plecare optimizarea parametrilor pentru soluția de FG.

Tabelul 5. Parametrii de fabricare variabili în funcție de compozițiile soluțiilor precursoare

Parametrii de fabricare constanți indiferent de compozițiile soluțiilor precursoare:

Volumul total de soluție injectat: 800 μL dintre care strat 1 – FG 100 μL, strat 2 GD1-GD4: 600 μL, strat 3 – FG 100 μL

Dimensiuni colector: diametru de 10 mm, lungime de 200 mm.

Viteza de rotație a colectorului: 150 RPM

Diametrul acului de injectare: 0,8 mm,

Distanța dintre vârful acului și colector: 15 cm,

Viteza de mișcare a acului de-a lungul colectorului: 5 mm/s.

Toate meșele fibroase au fost fabricate într-un mediu controlat, cu o temperatură constantă de 25°C și o umiditate relativă de 40%. Condițiile de mediu constante din interiorul incintei de fabricare a echipamentului, conduc la o bună reproductibilitate a sintezei structurilor electrofilate. În același timp permit optimizarea tuturor celorlalți parametrii de fabricare în funcție de parametrii de material.

Figura 10: Imagini din timpul procesului de electrofilare

Stabilizarea structurilor multistrat prin reticulare

Pentru stabilizarea structurilor multistrat, aceastea au fost reticulate folosind o soluție etanolică de AG (0,5 % w/v). S-a evitat folosirea unei cantități mari de apă pentru a nu distruge structura fibroasă. De aceea, în timpul reticulării probele au fost imersate în baia de reticulare în tuburi cu capac, pentru a preveni umectarea suplimentară a soluției de reticulare cu vaporii de apă din atmosferă. Reticularea s-a realizat la temperatura camerei timp de 96 de ore.

Dupa incheierea procesului de reticulare, meșele au fost purificate prin spălare în băi succesive de etanol, pentru îndepărtarea reactivilor nereacționați.

Uscarea membranelor s-a realizat în etuvă la o temperatură de 37 °C.

CARACTERIZAREA STRUCTURILOR MULTISTRAT

Pentru caracterizarea materialelor fabricate s-au folosit următoarele tehnici:

Spectroscopie în infraroșu cu transformata Fourier (FT-IR): Probele obținute au fost caracterizate folosind un spectrometru JASCO 4200 echipat cu dispozitiv ATR (reflexie totală atenuată) Specac Golden Gate. Fiecare spectru fost înregistrat folosind 300 de scanări în intervalul de numere de undă 4000-600 cm-1, cu o rezoluție de 4 cm-1.

Microscopie optica (MO) s-a realizat folosind un microscop Nikon TE2000U, echipat cu o cameră CCD de 5MP și un obiectiv 4x.

Caracteristicile morfo-structurale ale structurilor fibroase acoperite cu aur au fost examinate prin microscopie electronica de baleiaj (SEM), folosind un echipament QUANTA INSPECT F SEM echipat cu un tun de emisie de electroni (FEG) cu o rezoluție de 1.2 nm.

În primul rând s-a realizat o evaluare vizuală a structurilor obținute, așa cum se poate constata din figura 11. În cazul primului material, fabricat din combinația de compoziții GD0-GD1-GD0, s-a obținut o structură elastică, aceasta având tendința de încrețire după detașarea de pe colector. Pentru restul tuturor materialelor, s-au obținut structuri multistrat stabile dimensional în urma detașării de pe colector.

Figura 11: Depunerea omogenă a celor 3 straturi pe întreaga lungime a colectorului (a,b), structura fibroasă multistrat obținută pentru combinația de compoziții GD0-GD1-GD0 (c), structura fibroasă multistrat obținută pentru combinația de compoziții GD0-GD3-GD0 (d), structura fibroasă multistrat obținută pentru combinația de compoziții GD0-GD4-GD0 (e).

Analiza probelor prin spectroscopie în infraroșu cu transformata Fourier (FT-IR)

Pentru a confirma prezența tuturor componentelor în structurile fabricate prin electrofilare, studiul a continuat cu analize FT-IR. Au fost înregistrate spectrele componentelor din care au fost obținute soluțiile de electrofilare și anume, spectrul FG și al Flamexinului și spectrele pentru fiecare structură multistrat obținută prin combinarea celor două componente principale.

Spectrul FT-IR al gelatinei (figura 12, dreapta) prezintă un vârf larg la 3281 cm-1 cunoscut ca fiind un semnal comun pentru vibrațiile de întindere a O-H și N-H, un semnal la 3076 cm-1 atribuit legăturii N-H, la aproximativ 2943 cm-1 apar vibrațiile tipice pentru legăturile C-H saturate, iar vibrațiile specifice pentru amida I și amida II sunt prezente la 1631 cm-1 la 1524 cm-1; ultimele două vibrații sunt tipice pentru grupările amidice ale proteinei.

Figura 12: Spectrul FT-IR al Flamexin, substanța activă pitoxicam β ciclodextrină și spectrul FT-IR al gelatinei de pește.

Spectrul FT-IR al Flamexinului (figura 12, stânga) prezintă o bandă largă cu două absorbante maxime: un maxim la 3227 cm–1 care provine de la vibrațiile grupelor OH (din piroxicam și 2-hidroxipropil-β-ciclodextrină), ν(OH), și cel de-al doilea la 3301 cm–1 care provin de la vibrațiile grupelor NH din amida secundară a piroxicamului, ν(NH). În intervalul de numere de undă 2984 – 2929 cm–1 sunt prezente benzile provenite de la vibrațiile grupelor C–H. Prezența grupelor SO2 din piroxicam este confirmată de benzile de la 1378 cm–1 și de la 1186 cm-1 provenind din vibrațiile asimetrice și simetrice de valență. Banda de absorbție de la 1637 cm–1 este rezultatul vibrației de valență ν(C=O) a amidei secundare, iar banda de absorbție de la 1526 cm–1 este rezultatul vibrației de deformare a grupei NH, δ(NH). Vibrații de deformare simetrice și asimetrice, provenite de la C–H se pot regăsi în spectru la 1415 cm–1 și 1304 cm–1. În intervalul de lungime de undă 1740 – 1601 cm–1 sunt prezente benzile de absorbție provenite de la inelul benzenic conjugat și piridină.

Banda complexă care se întinde în intervalul de lungimi de undă 1252 – 999 cm–1, cu maxime la 1084 cm–1, 1047 cm–1, 999 cm–1 poate fi definită prin cuplarea vibrațiilor asimetrice de valență ale C–O, C–O–C, C–C–O si C–C–C. Prezența unităților de glucopiranoză a 2-hidroxipropil-β-ciclodextrinei în conformația C1 scaun, este confirmată de benzile de la 938 cm–1 și 871 cm–1, prezente în spectrul Flamexinului.

Analiza comparativă a spectrelor FT-IR ale compozițiilor GD1-GD4 cu spectrul gelatinei (GD0) și al Flamexinului (figura 13) indică prezența ambelor componente în amestecurile fizice GD2-GD4, prezența flamexinului fiind cel mai greu de detectat în compoziția GD1, unde acesta se află într-o cantitate foarte mică.

Figura 13: Sprectre FT-IR pentru compozițiile electrofilate GD0 – GD4 și pentru Flamexin

Caracterizarea morfo-structurală a structurilor multistrat prin microscopie optica (MO)

Microscopia optică reprezintă o metodă simplă și rapidă de analiză pentru evaluarea calitativă a structurilor fibroase obținute după electrofilare. Deși nu permite măsurare precisă a diametrului fibrelor, este o analiză facilă pentru examinarea anumitor aspecte ale fibrelor fabricate, cum ar fi structura fibroasă, lipsa de defecte sau de particule datorate electropulverizării.

Evaluarea prin microscopie optică a probelor obținute prin electrofilare a evidențiat structura omogenă a meșelor fabricate și un aspect dens al acestora. Din acest motiv, lumina a parcurs cu dificultate grosimea structurilor multistrat (figura 14). De asemenea, s-a putut constata lipsa unor defecte importante de-a lungul fibrelor, rezultat al unui proces laborios de optimizare a parametrilor de fabricare. Diametrele fibrelor sunt aproximativ constante, indiferent de soluțiile injectate, dimetrul mediu al acestora fiind de aproximativ 500 nm.

Figura 14: Imagini de microscopie optică pentru: structura fibroasă obținută pe bază de GD0 (GD0 a-c); structura multistrat obținută din combinația de compoziții GD0-GD1-GD0 (GD1 a-c); structura multistrat obținută din combinația de compoziții GD0-GD2-GD0 (GD2 a-c); structura multistrat obținută din combinația de compoziții GD0-GD4-GD0 (GD4 a-c).

Imaginile de MO înregistrate pentru materialul multistrat obținut prin combinarea compozițiilor GD0-GD3-GD0, au arătat, pe lângă aspectul relativ omogen al probei, faptul că sub structura fibroasă fină a gelatinei electrofilate, se găsește o a doua structură fibrilară, cu o morfologie ușor diferită, provenită din electrofilarea compoziției GD3. În ceea ce privește stratul 2, din mijlocul constructului, s-a constatat o tendință de a crea o structură internă mai compactă a multistratului, cu o porozitate mai închisă decât în cazul gelatinei.

Figura 15: Imagini de microscopie optică pentru structura multistrat obținută din combinația de compoziții GD0-GD3-GD0

Caracterizarea morfo-structurală a structurilor multistrat prin SEM

Imaginile înregistrate cu ajutorul SEM au confirmat rezultatele obținute prin MO. Mai mult au arătat ca diametrele fibrelor sunt mai mici, ceea ce poate conduce la o încărcare mai eficientă cu medicament, datorită raportului foarte mare între aria specifică și volum, respectiv o eliberare pe o perioadă mai lungă al acestuia. Evaluarea morfo-structurală a structurilor fibroase fabricate prin SEM a arătat faptul ca nu au apărut diferențe semnificative între straturile exterioare de gelatină electrofilate. Astfel fibrele obținute sunt omogene, continue, cu suprafețe netede, fără o orientare controlată pe o anumită direcție, fără defecte sub formă de picături de-a lungul lor și cu un diametru mediu de aproximativ 220 nm.

CONCLUZII

În ultimii ani, procesul de electrofilare a luat amploare, acesta fiind utilizat din ce în ce mai des, cu scopul de a descoperi și dezvolta noi structuri fibroase pentru o plajă largă de aplicații, pornind de la cercetarea de bază în laborator și până la nivel industrial.

Electrospinningul este o tehnică ce a câștigat o atenție deosebită în ultimele decenii datorită ușurinței producerii substraturilor din fibre polimerice cu dimensiuni nanometrice, împreună cu potențiale aplicații pe care aceste fibre le pot oferi. Tehnica este relativ simplă, necesitând un polimer și un solvent adecvat (care are o constantă dielectrică suficient de mare), o sursă de tensiune ridicată, un electrod țintă și o pompă de seringă pentru a asigura un flux constant de material. Prin urmare, tehnica de electrofilare a fost utilizată pentru a pregăti diferite structuri de nanofibre.

În prima parte a studiului, s-a urmărit optimizarea parametrilor de electrofilare a unei soluții apoase de gelatină de pește, pornind de la studii anterioare, iar partea a doua a studiului a vizat fabricarea de structuri fibroase multistrat bioactive prin încarcarea fibrelor de gelatină cu un model de medicament antiinflamator disponibil comercial. În continuare s-au studiat caracteristicile materialelor obținute în laborator. Caracterizarea aprofundată a acestor materiale se va desfășura în continuare în timpul tezei de doctorat.

Evaluarea prin microscopie optică a probelor obținute prin electrofilare a evidențiat structura omogenă a meșelor fabricate și un aspect dens al acestora. Din acest motiv, lumina a parcurs cu dificultate grosimea structurilor multistrat. De asemenea, s-a putut constata lipsa unor defecte importante de-a lungul fibrelor, rezultat al unui proces laborios de optimizare a parametrilor de fabricare. Diametrele fibrelor sunt aproximativ constante, indiferent de soluțiile injectate, dimetrul mediu al acestora fiind de aproximativ 500 nm. Fibrele obținute sunt omogene.

Imaginile înregistrate cu ajutorul SEM au confirmat rezultatele obținute prin MO. Mai mult au arătat ca diametrele fibrelor sunt mai mici, ceea ce poate conduce la o încărcare mai eficientă cu medicament, datorită raportului foarte mare între aria specifică și volum, respectiv o eliberare pe o perioadă mai lungă al acestuia. Se va urmări în continuare eliberarea controlată de medicament din suporturilor fibroase.

BIBLIOGRAFIE

[1] – H.T.T. Oyama, L.R.X. Cortella, I.N.S. Rosa, L.E.R. Filhoc, W.S. Huib, I.N. Cestaria, I.A. Cestaria, Assessment of the biocompatibility of the PLLA-PLCL scaffold obtained by electrospinning,2015, Elsevier, 135-142;

[2] – H.S. Bolarinwa, M.U. Onuu, A.Y. Fasasi, S.O. Alayande, L.O. Animasahun, I.O. Abdulsalami, O.G. Fadodun, I.A. Egunjobi, Determination of optical parameters of zinc oxide nanofibredeposited by electrospinning technique, 2017, Elsevier, 1245-1258;

[3] – https://www.imetechnologies.com/electrospinning-machines/ec-cli/

[4] – R. Khajavi, M. Abbasipour, Electrospinning as a versatile method for fabricating coreshell, hollow and porous nanofibers, 2012, Elsevier, 2029-2034;

[5] – M. Alazab, G. R. Mitchell, F. J. Davis, S. D. Mohan, Sustainable electrospinning of nanoscale fibres, 2017, Elsevier, 66-78;

[6] – S.E. Jasim, M.A. Jusoh, M. Hafiz, Rajan Jose, Fabrication of superconducting YBCO Nanoparticles by Electrospinning, 2016, Elsevier, 243-248;

[7] – E.V. Solomin, E.A. Sirotkin, A.A. Sirotkin, Universal Electrospinning Scalable Plant for Filtering Nanofiber Production, 2017, Elsevier, 1371-1375;

[8] – N. Tucker, Ph. D., J. J. Stanger, MSc, M. P. Staiger, Ph. D., H. Razzaq, Ph. D., K. Hofman, Ph. D., The History of the Science and Technology of Electrospinning from 1600 to 1995, 2012, Special Issue – Fibers;

[9] – Y. Xia, D. Li, Electrospinning of fine hollow fibers, 2005, United States Patent;

[10] – P. McClellan, W. J. Landis, Recent Applications of Coaxial and Emulsion Electrospinning Methods in the Field of Tissue Enginnering, 2016, BioResearch Open Access;

[11] – F-L. Zhou, P. L. Hubbard Crisinacce, S. J. Eichhorn, J. Geoff, M. Parker, Preparation and characterization of polycaprolactone microspheres by electrospraying, 2016, Aerosol Science and Technology;

[12] – https://www.imetechnologies.com/electrospinning-modules/em-rtc/

[13] – https://www.imetechnologies.com/electrospinning-modules/em-lte/

[14] – https://www.imetechnologies.com/electrospinning-modules/em-std/

[15] – https://www.imetechnologies.com/electrospinning-modules/em-psd/

[16] – R. Sarbatly, D. Krishnaiah, Z. Kamin , A review of polymer nanofibers by electrospinning and their application in oil – water separation for cleaning up marine oil spills, 2016, Marine Pollution Bulletin;

[17] – V. D. Nikolić, S. S. Ilić-Stojanović, L. B. Nikolić, M. D. Cakić, A. S. Zdravković, A. J. Kapor, M. M. Popsavin, Photostability of piroxicam in the inclusion complex with 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin, 2014, ResearchGate;

[18] – J. Pitha, Hydroxypropyl-β-cyclodextrin:Preparation and characterization: effects on solubility of drugs, 1986, Int. J. Pharmaceutics;

[19] – N. Salehi–Nik, G. Amoabediny, R. Ahmadizadeh, B. Heli, B. Zandieh-Doulabi, Hydrodynamically Stable Adhesion of Endothelial Cells on Gelatin Electrospun Nanofibrous Scaffolds, 2013, APCBEE Procedia;

[20] – Production and hosting by Elsevier B.V. on behalf of King Saud University, Preparation of various nanofiber layers using wire electrospinning system, 2017, Arabian Journal of Chemistry;

[21] – A. Haider, S. Haider b, I.-K. Kang, A comprehensive review summarizing the effect of electrospinning parameters and potential applications of nanofibers in biomedical and biotechnology, 2015, Arabian Journal of Chemistry;

[22] – A. Serafim, S. Cecoltan, A. Lungu, E. Vasile, H. Iovu, I. C. Stancu, Electrospun fish gelatin fibrous scaffolds with improved biointeractions due to carboxylated nanodiamond loading, 2013, The Royal Society of Chemistry.