Polidimetilsiloxanul

Cuprins

lista simbolurilor și notațiilor folosite

PDMS – Polidimetilsiloxan –

PP – Polipropilenă –

PSA – Adeziv sensibil la presiune –

SSA – Adeziv moale –

APTES – 3-aminopropyltriethoxysilane

MPTES – 3- tritoxisilpropan-1-tiol

FTIR – Spectroscopie în infraroșu cu transformată Fourier

SEM – Scanare microscopică cu electroni

XPS – Spectroscopie fotoelectronică cu raze X

GMT – Tehnică microbiologicală bună –

SSM – Sănătate și securitate în muncă –

Lista figurilor și tabelelor din lucrare

Fig. 2.1 Reprezentarea diferențierii celulei stem. [5]

Fig. 2.2 Căi de diferențiere a celulelor stem.

Fig. 2.3 Sticlărie de laborator, cutii Petri. [8]

Fig. 2.4 Diferite plăci cu godeuri. [9]

Fig. 3.1 Aplicații ale biomaterialelor. [21]

Fig. 3.2 Structura polimerilor liniari. [25]

Fig. 3.3 Structura polimerilor reticulari. [25]

Fig. 3.4 Structura polimerilor cu conformație de ghem. [25]

Fig. 3.5 Diferiți polimeri siliconici, denumire și structură. [26]

Fig. 3.6 Reacția de polimerizare schema generală. [19]

Fig. 3.7 Schema procesului de polimerizare.

Fig. 3.8 Obiecte realizate din polimeri cu proprietăți plastice sau plastomeri. [30]

Fig 3.9 Domenii de utilizare a polisiloxanilor.

Fig. 4.1 Formula chimică a PDMS-ului. [31]

Fig. 4.2 Clorosilanul obținut în urma reacției. [31]

Fig. 4.3 Tehnica de litografiere soft. [33]

Fig. 4.4 Modele obținute în urma utilizării litografiei soft (a)- un taur de 2µm, (b)- trunchi de 12 µm, (c)- roată cu ax 2 µm iar (d) – caști audio 1 µm. [33]

Fig. 4.5 Aplicații ale PDMS-ului în medicină. [35]

Fig. 4.6 Utilizarea polidimetilsiloxanului în diverse domenii. [34]

Fig. 5.1 Substanțele principale folosite, PDMS-ul și agentul de întărire.

Fig. 5.2 Seringă de 5 ml utilizată.

Fig. 5.3 Recipient din plastic de 100 ml folosit la amestecare.

Fig. 5.4 Cântar electronic de laborator și calculatorul.

Fig. 5.5 Pregătirea celor necesare pentru prepararea PDMS-ului.

Fig. 5.6 Pompa pentru vidare și bolul.

Fig. 5.7 Bolul în care se gasesc paharele cu substanța.

Fig. 5.8 Plăcuță din metal gravată.

Fig. 5.9 Matriță utilizată pentru eșantioane – vedere de sus.

Fig. 5.10 Matriță utilizată pentru eșantioane – vedere din lateral.

Fig. 5.11 Plăci cu godeuri utilizate. [9]

Fig. 5.12 Stocare eșantioane în matriță cu diametrul de 10 mm.

Fig. 5.13 Cutii din aluminiu.

Fig. 5.14 Cuptor pentru întărirea PDMS-ului.

Fig. 5.15 Eșantioanele obținute.

Fig. 5.16 Pahar Berzelius.

Fig. 5.17 Sticle cu substanțe chimice utilizate, diferența între ele făcându-se după culoarea capacului.

Fig. 5.18 Aparat folosit pentru baia ultrasonică.

Fig. 5.19 Aparat pentru producerea apei distilate și locul pentru curățarea și sterilizarea obiectelor din laborator utilizate.

Fig. 5.20 Diferite substanțe chimice utilizate.

Fig. 6.1 Aparatul cu plasmă de oxigen.

Fig. 6.2 Formarea terminațiilor de silanol pe suprafața PDMS-ului.[37]

Fig. 6.3 Aparat pentru tratamentul cu ozon al suprafeței.

Fig. 6.4 Structura chimică APTES. [38]

Fig. 6.5 Tratarea PDMS-ului cu APTES.[38]

Fig. 6.6 Măsurarea unghiului de contact. [39]

Fig. 6.7 Echipamentul utilizat pentru determinarea unghiului de contact.

Fig. 6.8 Interpretarea imaginilor în soft-ul specializat.

Fig. 6.9 Diferitele tipuri de suprafețe și unghiurile de contact ale apei cu aceasta.

Fig. 6.10 Rezultate în urma spectroscopiei fotoelectronice cu raze X.

Fig. 6.11 Rezultate în urma spectroscopiei fotoelectronice cu raze X.

Fig. 6.12 Echipament pentru FTIR.

Fig. 6.13 Rezultatele în urma testării FTIR.

Fig. 6.14 Echipament SEM.

Fig. 6.15 Dispozitiv pentru depunerea stratului conductiv.

Fig. 6.16 Rezultatele obținute în urma scanării SEM.

Fig. 7.1 Sigla internațională pentru avertizarea pericolului biologic. [41]

Tabel 3.1 Biomateriale folorite în corpul uman. [12]

Tabel 3.2 Utilizarea diferiților siliconi.

Tabel 3.3 Reacția de polimerizare a diferișilor polisiloxanilor. [28]

Tabel 3.4 Polimeri utilizați în medicină. [26]

Tabel 4.1 Produse oferite de firma Dow Corning. [32]

Tabel 4.2 Caracteristici ale siliconilor oferiți de Dow Corning. [32]

Tabel 4.3 Date privind proprietățiile siliconilor. [32]

Tabel 7.1 Prezentarea echipamentelor de protecție. [41]

CAPITOLUL 1

introducere

În încercarea de a aprofunda cunoștințele dobândite în cursul stadiului meu de practică la Institutul de Biomateriale al Universității Bogazici din Istanbul, Turcia, a fost necesar un studiu asupra diferitelor biomateriale utilizate în acest domeniu prin verificarea ultimelor teorii și cercetări.

Scopul acestei lucrări este realizarea unui mediu propice pentru depunerea, creșterea, divizarea celulelor stem prin punerea în practică a cunoștiințelor dobândite în cele 3 luni de practică.

Pornid de la aceste considerații, obictivul principal al proiectului de diplomă intitulat “ Studiu privind utilizarea în inginerie medicală a polidimetilsiloxanului ( PDMS ) pentru diverse celule stem ” este crearea și tratarea chimică a unei suprafețe din PDMS în vederea utilizării acesteia pentru a deveni mediu de celule.

Proiectul de diplomă conține 90 de pagini și este structurat în 7 capitole, din care în 5 capitole este tratată problema principală a lucrării iar în celelalte 2 avem introducerea și protecția muncii cu SSM-ul dintr-un laborator de chimie.

Capitolul 1 – intitulat “ Introducere” este prezentat un scurt rezumat al lucrării de diplomă.

Capitolul 2 – intitulat “ Noțiuni privind celulele stem ” este organizat în 5 subcapitole, care își propun prezentarea noțiunilor de bază pentru a se însuși informații despre celule stem și importanța lor crucială în viața noastră. Astfel în subcapitolul 2.1 este prezentat un scurt istoric al celulelor stem, cum au început sudiile și cine a dezvoltat acest domeniu. Subcapitolul 2.2 evidențiază noțiuni despre celula stem și diferențierea acestora. Subcapitolul 2.3 prezintă o scurtă clasificare după diferite categorii, iar în subcapitolul 2.4 o mică prezentare a recoltării acestora de la pacienți. Subcapitolul 2.5 prezintă informații privind sticlăria de laborator utilizată în vederea recoltării, dezvoltării și depozitării celulelor stem și diversele echipamente utilizate.

Capitolul 3 intitulat “ Biomateriale” organizat tot în 5 subcapitole, dedicat în totalitate studierii biomaterialelor pentru sticlăria de laborator. În subcapitolul 3.1 este prezentat un scurt istoric al biomaterialelor, în subcapitolul 3.2 avem clasificarea biomaterialelor în funcție de starea în care se află, utilizare sau tipul lor. Subcapitolul 3.3 propune prezentarea aplicațiilor biomaterialelor în diverse domenii dar în principal aplicații medicale. Subcapitolul 3.4 evidențiază câteva noțiuni despre alchene, tipuri de alchene și materiale ce au la bază alchena.

De la subcapitolul 3.5 este prezentat mai detaliat noțiuni privind biomaterialele polimerice, precizând câteva generalități în subcapitolul 3.5.1, cu clasificarea lor în subcapitolul 3.5.2, este prezentat în subcapitolul 3.5.3 proprietățile polimerilor după care se împart acestia. În subcapitolul 3.5.4 este prezentată o reacție de polimerizare în care un monomer devine polimer cu un grad de polimerizare specific.

Subcapitolul 3.5.5 evidențiază noțiuni asupra policondensării polimerilor, în subcapitolul 3.5.6 regăsim noțiuni despre degradarea polimerilor, în subcapitolul 3.5.7 sunt prezentate aplicațiile și utilizarea polimerilr în medicină și direcții viitoare pentru utilizare.

Capitolul 4 este capitolul de unde se începe propriu-zis studiul asupra polimerului și anume polidimetilsiloxanului, acest capitol fiind divizat în 6 subcapitole, structurat astfel pentru a evidenția principalele noțiuni legate de PDMS. În primele 2 subcapitole avem noțiuni generale în subcapitolul 4.1 și microstructura chimică în 4.2. Subcapitolul 4.3 este unul mai vast unde sunt prezentate proprietăți, tabele și manipularea materialului. Dând dovadă de proprietăți neobișnuite, PDMS-ul poate fi utilizat pentru tipărire de înaltă rezoluție, aceste informații fiind prezentate în subcapitolul 4.4.

Pentru că este un material chimic și manipularea lui fără a respecta normele impuse în laborator, pot provoca accidente la nivelul pielii, căilor respiratorii sau la nivelul ochilor, am enumerat câteva precauții și indicații în subcapitolul 4.5. Fiind destul de nou pe piața medicală acesta începe să se extindă din ce în ce mai mult, astfel că aplicațiile lui încep a fi din ce în ce mai numeroase. Astfel în subcapitolul 4.6 am enumerat aplicațiile pe care le are PDMS-ul în farmacologie, în alimentație dar și în medicină.

Capitolul 5 denumit “ Tehnologia de obținere a eșantioanelor din PDMS ” prezintă etapele tehnologice din laborator pentru obținerea PDMS-ului. Primul subcapitol Intitulat “ Obicte și substanțe necesare” prezintă în detaliu prepolimerul și baza dar și toate obiectele necesare pentru a obține substanța. În cel de al doilea subcapitol este prezentată prepararea polimerului, în care sunt specificați toți pașii prin care a trecut PDMS-ul. Sunt prezentate aparatele utilizate și instrumentarul de laborator pentru acest experiment. În ultimul subcapitol al acestui capitol avem câteva informații privind curățarea suprafeței superioare a polidimetilsiloxanului cu diverse procese chimice și descrise aparatele utilizate și substanțele folosite.

În capitolul 6 intitulat “ Rezultate și aparatură folosită ” se regăsesc rezultatele procurate de la diferite echipamente în urma testelor la care a fost supus eșantionul. În capitolul 5 am precizat tehnologia de obținere a eșantioanelor dar și curățarea acestora în vederea testării.

În primul rând eșantioanele urmează să fie tratate cu substanțe chimice pentru modificarea suprafeței, după care ele sunt supuse tratamentului cu plasmă de oxigen sau de ozon. După ce tratamentul chimic s-a încheiat și totul a decurs normal, eșantioanele sunt testate pentru caracterizarea suprafeței. S-au efectuat asupra eșantioanelor de PDMS trei teste.

Capitolul 7 intitulat “ Protecția muncii în laborator ” va face referire la normele ce trebuie îndeplinite de către personal în laborator și cum trebuie să fie aranjat laboratorul pentru a nu se întâmpla nici un accident datorită neglijenței. Astfel în subcapitolul 7.1 sunt prezentate riscurile datorate expunerii la agenți biologici și grupele de risc.

În subcapitolele 7.2 și 7.3 sunt prezentate normele de protecția muncii și regulile obligatorii într-un laborator de chimie. Pentru a evita orice accident chimistul trebuie să fie conștient de riscul la care se expune prin atingerea diverselor substanțe chimice. S-au stabilit anumite precauții privind manipularea substanțelor chimice și acestea sunt expuse în subcapitolul 7.4. În ultimele 2 subcapitole, 7.5 și 7.6, sunt tratate aspecte privind accidentele care se pot produce dar și acordarea primului ajutor în caz de accidentare sau intoxicare cu diverse substanțe chimice.

La finalul lucrării am formulat o concluzie privind lucrarea de diplomă, unde sunt expuse avantajele și dezavantajele folosirii PDMS-ului pentru medii de celule dar și impresii generale.

Doresc să mulțumesc în mod deosebit conducătorului științific, Doamna Prof. Dr. Ing. Ileana Constanța Roșca, pentru contribuția ei la formarea mea pe plan științific și personal dar și susținerea acordată în decursul celor 4 ani.

Capitolul 2

Noțiuni privind celulele stem

2.1 Scurt istoric privind celulele stem

Primele cercetări în domeniul celulelor stem datează de la începutul anilor 1960, când James Till și Ernest McCulloch, precum și colegii lor de la Universitatea din Toronto, au descoperit, la șoareci, rezervoare de celule, care aveau proprietăți de celule stem: abilități de a se reînnoi și de a diferenția în celule specializate.[4]

În jurul anului 1981 cercetătorii reușeau să extragă primele celule stem embrionare de la șoareci, și să le dezvolte sub observație în laborator. În 1998, s-a descoperit modalitatea prin care cercetătorii au reușit să izoleze celulele stem embrionare umane și să le facă să crească în laborator sub supraveghere strictă. Embrionii folosiți în aceste studii au fost creați “in vitro” adică în eprubetă în clinici de infertilitate și când nu au mai fost folosiți în acest scop, ei au fost donați pentru cercetare.[5]

Recent cercetătorii au descoperit celule stem adiționale care proveneau din diverse țesuturi umane, precum cele din creier, mușchi și piele. Aceste tipuri de celule stem au fost numite celule stem adulte, întrucât se regăsesc la oamenii adulți.

Principiul care stă la baza acestor cercetări este că celulele stem transplantate de la alte organisme pot repara un țesut care și-a pierdut capacitatea de auto reparare. Probabil cel mai cunoscut tip de tratament în care sunt folosite celulele stem este transplantul de măduvă osoasă la pacienții cu leucemie, anumite tipuri de cancer sau cu diferite boli de sânge. În acest caz celulele transplantate provin fie prin recoltarea de la o rudă de sânge, fie de la pacientul însuși și nu implică nici un risc major pentru donator.

În 1993, au fost lansate, la New York, Milano și Dusseldorf, primele trei programe de dezvoltare a băncilor de criogenizare a sângelui din cordonul ombilical, provenind de la nou-născuți sănătoși, au reușit să își atingă scopul.

În prezent, potrivit site-ului Donatori de Măduva Spinării din Întreaga Lume ( Bone Marrow Donors Worldwide ), există, 71 de registre de donatori înregistrați din 50 de țări, precum și 49 de bănci în 32 de țări. [4]

2.2 Ce reprezintă celulele stem

Celulele stem sunt denumite și celule sursă, ele stau la baza dezvoltării corpului uman în timpul primei perioade a vieții și în timpul creșterii. Celulele stem sunt celule care au o extraordinară capacitate de a se transforma într-o mare diversitate de celule diferențiate (celule musculare, celule nervoase, hepatice, epiteliale, etc.) putând astfel să reînnoiască și să refacă țesuturi afectate sau distruse.

Când celula stem se divide, celulele care rezultă pot rămâne în stadiul de celulă stem păstrându-și caracterul nediferențiat, se poate replica pe ea însăși, sau poate da naștere unor celule diferite și anume celule specializate: hepatice, nervoase, epiteliale, musculare, pancreatice, etc. [6]

Fig. 2.1 Reprezentarea diferențierii celulei stem. [5]

Celulelor stem dintr-un organism sănătos variază în funcție de vârsta persoanei. Astfel în 5 litri de sânge, celulele stem variază între 5 și 25 milioane. Organismul menținând numărul maxim de celule stem, capacitatea lui de regenerare și autovindecare este optimă.

Până la vârsta de 20 de ani dispunem în general de 25 milioane de celule stem și de aceea vindecarea este ușoara și rapidă. La aceasta vârstă se vindecă complet leziuni care la peste 40 de ani nu se pot regenera fără a lăsa urme/sechele. La vârsta de 30 de ani numărul lor scade la 20 de milioane, la 40 de ani la 15 milioane, la 50 de ani la 10 milioane, iar la peste 60 de ani la 5 milioane.

Așadar celulele stem formează o rezervă de-a lungul întregii noastre vieți, și ele pot înlocui în caz de necesitate celulele distruse. Cercetatorii Universității Duke au descoperit că procesul de îmbătrânire este cauzat de scăderea numărului celulelor stem adulte. Din această cauză scade și

Funcționalitatea organelor. S-a demonstrat că indiferent de vârstă, cu cât în organism se află mai multe celule stem adulte, cu atât starea sănătații este mai bună.

Celulele stem se diferențiază de restul celulelor în funcție de două mari importante caracteristici și anume ele sunt celule nespecializate care se pot înmulți prin diviziune celulară după o perioadă lungă de conservare și se pot transforma și cultiva, în condiții controlate, astfel încât să formeze țesuturi.

Când se divid pot da naștere oricărui tip de celule din cele 220 celule diferite existente în corpul uman. Celulele stem au capacitatea de a se reînnoi și se pot auto-reproduce de mai multe ori. [5]

2.3 Clasificarea celulelor stem

Existând în organism din primele momente ( stadiul de embrion ) și până ce murim, ele pot fi împărțite în 3 mari categorii:

celule stem embrionare

celule stem adulte

celule stem din cordonul ombilical.

Celulele stem embrionare se pot transforma în orice tip de celulă/țesut (totipotente) și se pot obține din țesut embrionar. Avantajul acestor celule este acela că ele se pot diferenția de un număr nelimitat de ori.

Celulele stem adulte se găsesc la copil cât și la adult și au rolul de a înlocui celulele bolnave, distruse sau moarte cu altele noi. Au o capacitate de diferențiere nelimitată atâta timp cât organismul în care cresc trăiește. Când o celulă se divide, rezultă 2 celule identice, fiecare dintre ele având potențialul de a rămâne celulă stem și de a produce în continuare alte celule stem sau de a da naștere unor celule ce vor forma diverse țesuturi cum ar fi: țesut hepatic, celule sangvine, țesut nervos, țesut osos, țesut muscular, țesut al unor organe, etc.

Celulele stem din cordonul ombilical sunt celule multipotente ce se pot diferenția într-un număr limitat de celule specializate și care pot fi păstrate după nașterea fătului pentru un timp nedeterminat. Din cordonul ombilical se recoltează două tipuri de celule stem și anume:

Celulele stem hematopoietice, recoltate din sângele cordonului ombilical

Celulele stem mezenchimale, recoltate din peretele cordonului ombilical, mai exact din gelatina Wharton.

Celulele stem au o compatibilitate de până la 100% în cazul unor transplanturi autologe, maximizând șansele vindecării copilului și de până la 50% în cazul altor membri din familie (transplanturi alogene). În cazul unor astfel de transplanturi cu celule stem hematopoietice efectul de “grefă contra gazdă” (adică de respingere a transplantului) este mult redus dacă se folosesc și celule stem mezenchimale recoltate din țesutul cordonului ombilical. Celulele stem hematopoietice se pot folosi în tratarea unui număr de peste 70 de afecțiuni, în special ale sângelui.

În urma unor transformări, celulele stem mezenchimale pot regenera țesuturi (miocard, țesut hepatic, epidermic etc), având o mare perspectivă de utilizare în medicina regenerativă, considerată medicina viitorului. [1][2]

În viitorul apropiat celulele stem se vor putea folosi în cazuri de deteriorare a Sistemului Nervos Central ( maladia Parkinson, boala Crohn, Alzhaimer, scleroza multiplă, leziuni pediatrice cerebrale), boli autoimune, diabet, afecțiuni cardiace, boli genetice, cancere precum și leziuni medulare.

Celulele stem au fost clasificate în funcție de capacitatea lor replicativă și de potențialul de diferențiere în

Celule stem totipotente, sunt produse prin fuziunea unui ovocit cu un spermatozoid. Tot celule totipotente sunt și cele apărute după primele diviziuni ale ovocitului fecundat. Acestea se pot diferenția în orice tip de celulă, sunt capabile să formeze o placentă și un embrion întreg;

Celule stem pluripotente, sunt descendente ale celulelor totipotente. Ele se pot diferenția în toate tipurile celulare, cu excepția celulelor totipotente. Sunt capabile să formeze țesuturi derivate din toate cele trei foițe embrionare (endoderm, mezoderm și ectoderm);

Fig. 2.2 Căi de diferențiere a celulelor stem. [7]

Celule stem multipotente, sunt celule care produc celulele dintr-o singură familie, progenitori ai celulelor din diferite țesuturi, de exemplu din celulele stem hematopoietice se vor diferenția în celulele sangvine: hematii, celule albe, trombocite. Au un potențial regenerativ imens și își reînnoiesc continuu populațiile celulare;

Celule stem unipotente, aceste celule pot produce un singur tip de celule, dar au proprietatea de a se reînnoi, ceea ce le diferentiază de celulele non-stem. [2]

2.4 Recoltarea celulelor stem

Cea mai bogată sursă de celule stem este sângele care provine din cordonul ombilical, sânge recoltat după nașterea unui nou născut. Sângele ombilical din care se va extrage concentratul de celule stem poate fi recoltat doar imediat după naștere. Normal acest sânge, bogat în celule stem, este aruncat, de obicei, după naștere împreună cu cordonul ombilical și placenta. După venirea pe lume a nou născutului, personalul medical trebuie să recolteze sângele din cordonul ombilical folosind setul de recoltare special creat pentru acest lucru.

Colectarea sângelui oferă deplină siguranță pentru sănătatea mamei și a copilului și este o procedură simplă și scurtă. Sângele din cordonul ombilical și gelatina Wharton sunt singurele surse din care celulele stem se pot colecta prin metode non-invazive. Sângele astfel recoltat se transportă la laborator pentru a fi analizat în vederea validării pentru recoltare. Dacă analizele sângelui sunt corespunzătoare, se va efectua procedura de recoltare a concentratului de celule stem.

Probele obținute vor fi înregistrate și ulterior supuse procesului de criogenare treptată.

Stocarea celulelor stem se face în criotancuri la temperaturi cuprinse între -170 °C și -196 °C, în vapori de azot lichid. Astfel, celulele stem, obținute fără niciun risc pentru copil și mamă, fără probleme de ordin etic și disponibile la cerere pentru tratamente medicale se pot păstra pe perioade de zeci de ani. [6]

2.5 Sticlărie și medii de cultură din laborator

Pentru desfășurarea în laborator a testelor, lucrărilor și pentru studiul celulelor stem avem nevoie de o serie de ustensile. Acestea sunt confecționate în principal din sticlă, porțelan, cuarț, alamă, nichel, materiale care prezintă o bună rezistență la acțiunea agenților chimici și la variații mari de temperatură și nu în ultimul rând cele confecționate din plastic ( polistiren, polipropilenă, etc. ).

Articolele de uz din laborator și fără de care nu s-ar putea realiza munca biologilor și chimiștilor sunt: becuri de gaz, cutii Petri ( Fig.2.3 ), ustensile din plastic ( Fig. 2.4 ), lămpi UV numărătoare de colonii, omogenizatoare, pompe peristaltice pentru prepararea mediilor de cultură, recipiente anaerobe, agitatoare, pipete, răcitoare, autoclave, sticlărie de laborator, băi de încălzire.

Obiectele cu care se lucrează în laborator și mai ales sticlăria trebuie sa fie foarte curată, iar atunci când este necesar și sterilizate. Prin spălare se va evita cu desăvârșire rămânerea oricărei urme de substanțe sau impurități pe pereții sticlăriei, deoarece aceste impurități pot influența serios rezultatele experimentelor.

Cutiile Petri sunt cele mai vechi ustensile din sticlăria de laborator ce se utilizează pentru culturile de celule. Acestea sunt făcute din sticlă sodică, clasa hidrolitică 3, dețin și capac, sunt sterile după iradiere cu raze gamma și sterilizabile până la temperatura de 135ºC pentru 90 minute, sunt clar optice la microscop cu distorsiune optică minimă, pentru ca celulele să adere la suprafața sticlei. Cutiile Petri se folosesc așa cum vin de la producător dar în caz că dorim ca celulele să fie doar ținute pentru o perioadă scurtă de timp atunci cutiile Petri necesită un tratament cu siliciu pentru a minimiza posibilitatea ca celulele să se lipească de suprafață. Sticlăria folosită în cultura celulelor trebuie ținută în baie cu abur timp de 30 minute la o presiune de 15 lb înainte de utilizare.

Fig. 2.3 Sticlărie de laborator, cutii Petri. [8]

Plăcile cu godeuri existente pe piață pentru culturi de celule sunt mai noi, mai scumpe dar aduc îmbunătățiri față de cutiile Petri. Proprietățiile lor, designul și gradul de răspândire au făcut ca aceste plăcuțe să fie foarte utilizate în microbiologie. La fel ca și cutiile Petri, plăcuțele cu godeuri au capac care facilitează ținerea la distanță a microbilor și altor impurități.

Placa cu godeuri prezintă următoarele caracteristici: materialul din care este concepută este polipropilena (PP) sau polistirenul, are pereți subțiri pentru transfer termic, conține o grilă alfa-numerică pentru identificarea probelor, este autoclavabilă, este sterilă, datorită suprafeței netratate celulele nu se atașează, sunt clar optice pentru o bună vizualizare la microscop sau spectrometru, au un design uniform, godeurile sunt sub formă de U, Ц sau V, se găsesc sub diferite configurații cu un număr de 4, 6, 12, 24, 48, 96 godeuri. Cele mai utilizate plăcuțe pentru culturile de celule sunt cele cu 24 și 96 de godeuri. [1][2][3]

Plăcuțele cu godeuri care sunt cel mai utilizate, în funcție de mărimea și configurația lor sunt: cele cu 24 de găuri care au un volum de lucru de 1 ml, aria de cultură de 500 mm2, având baza dreaptă și dimensiunea de 128 X 86 mm.

Placa cu godeuri dedicată cercetării celulelor și manipulării este cea cu 96 de găuri, acestea au baza dreaptă sau rotundă, suprafața este netedă și fără striații pentru a maximiza suprafața utilă pentru creștere, capacul se închide etanș pentru a reduce evaporarea, acesta este și cu poziție unică pentru a reduce riscurile de contaminare încrucișată și erorile de manipulare, capacul este marcat cu un cod alfa-numeric pentru o identificare ușoară a probelor.

Fig. 2.4 Diferite plăci cu godeuri. [9]

Plăcuța este sterilizată sub raze gamma, disponibilă cu suprafața tratata sau ne-tratată, polistirenul din care este fabricată este foarte transparent necesar testelor microscopice și spectroscopice, pe laturi plăcuța are o suprafață anti-alunecare fiind ușor de prins. Suprafața de creștere a celulelor este de 350 mm, dimensiunile sunt 128 X 86 mm.

Cercetătorii au demonstrat că celulele pot crește atât pe sticlă cât și pe plastic dar în ultimele decenii au arătat că fiecărui tip de celulă îi este necesar un mediu propriu de dezvoltare. Inițial toată cultura de celule era pe sticlă, această metodă fiind foarte strictă, din cauza restricțiilor impuse. Disponibilitatea ustensilelor din plastic și anume plăcile cu godeuri a făcut ca această regulă să fie distrusă, dar în unele cazuri este necesar ca celulele să fie crescute pe sticlă.

Celulelor le este necesar să se împrăștie și să se atașeze pe suprafața obiectelor pe o perioadă de 5 sau mai multe zile. [2]

Capitolul 3

Biomateriale

3.1 Scurt istoric

Biomaterialele reprezintă substanțe și materiale sintetice ce sunt folosite pentru a înlocui o parte sau în totalitate un sistem viu în scopul regenerarii, monitorizării, diagnosticului și de a funcționa în strânsă legătură cu acesta. Termenul de ”biomaterial” este cel mai răspândit dar el de fapt reprezintă un material biocompatibil, utilizat în deosebi în medicină și farmacologie.

Primele proteze construite sunt cele ale fenicienilor, etruscilor, grecilor și romanilor acestia utilizând aur, cupru , staniu sau argintul. Hipocrat folosea sârma din aur pentru a lega și proteza fracturile osoase. Târziu în istorie s-a observat că nu toate materialele utilizate până atunci sunt și biocompatibile sau că ar avea calități de biomaterial asta după teste chimice, fizice și mecanice.

Realizările din domeniul biomaterialelor în perioada începutul erei noastre și până în jurul anului 1500, sunt total dezamăgitoare. În anul 659 e.n. s-a turnat primul aliaj dentar utilizat de om în medicina chineză: amalgamul cu compoziția 100 părți Hg, 45 părți Ag și 900 părți Sn. În jurul anului 1490 s-au înființat numeroase universități cu facultăți tehnice și medicale la Bolognia, Oxford, Paris sau Montpellier. De și erau cunoscute încă din antichitate utilizarea foliilor de aur pentru obturarea cavităților a reprezentat un salt semnificativ în tehnica de restaurare.

Începând cu secolul XVII (1746) încep să apară primele cărți despre stomatologia mecanică și deci și noi biomateriale restaurative.

Folosirea biomaterialelor nu a fost utilă până la descoperirea tehnicii chirurgicale aseptice, descoperită și studiată de Lister în anii 1860. Intervențiile chirurgicale precedente, fie că biomaterialele erau sau nu folosite, în general eșuau, din cauza infecțiilor ce apăreau.

După 1950 în domeniul compușilor macromoleculari cercetările au fost intense, depunândude eforturi pentru lărgirea posibilitatilor chirurgicale și terapeutice în cazul unor maladii grave și au evoluat odată cu dezvoltarea și perfecționarea sintezei de polimeri, care a oferit noi oportunități de obținere a unor materiale noi cu aplicații biomedicale.

Primele materiale metalice au fost cele sub formă de aliaj din oțel inoxidabil, și din cobalt-crom. Titanul și aliajele din titan, au fost introduse în anii 1940. Aliajele NiTi, cu memoria formei, au apărut în anii 1960, dar din cauza efectului alergenic, indus de nichel, a fost împiedicată utilizarea lor. Prima proteză totală de șold a fost elaborată de Charney în 1950, și a fost reprezentată de o proteză cimentată cu o tijă de oțel inoxidabil. [10] [19]

3.2 Clasificarea biomaterialelor

Biomaterialele se clasifică după mai multe criterii în funcție starea în care se află, modul utilizării și destinațiile lor, astfel biomaterialel se clasifică în:

În funcție de natura tesutului la a cărui refacere contribuie:

– pentru tesuturi tari: oase, dinți, cartilagii

– pentru tesuturi moi: piele artificială, vase de sânge, ficat, ochi, inimă

După forma de prezentare a biomaterialului

– fluide injectabile, capsule, plăci compacte, filme fibroase și poroase

După origine

֊ Biomateriale naturale

– proteine ( keratină, fibrinogene, colagenul, gelatina )

– fibre proteice ( mătase, lână, păr, piele )

– polizaharide ( bumbac, celuloză )

– metale ( titan, nichel, magneziu, zinc )

– nemetale ( fibră de bor, kkevlar )

– plasticele

֊ Biomateriale sintetice

– polimeri, aliaje ale metalelor, materiale ceramice și compozite

După natura chimică a materialulu

– biomateriale polimeric

– biomateriale metalice

– biomateriale ceramice

– biomateriale compozite

După comportarea în mediul biologic pot fi

– resorbabile, parțial resorbabile și neresorbabile

După interacțiunea lor cu organismul viu

– bioinerte – nu interacționează cu tesutul viu ( porțelanul, biosticla )

– bioactive – există interacțiuni fizico- chimice cu țesutul viu

– bioresorbabile – supuse unui proces de dizolvare în organism

– hibride – se asociază un material inert cu un țesut viu [11], [13]

Cele mai uzuale și cunoscute sunt biomaterialele metalice. Majoritatea materialelor metalice, Fe, Cr, Co, Ni, Ti, Ta, Mo și W, utilizate pentru majoritatea implantelor, sunt tolerate de țesuturile vii în cantități foarte mici, de și unele elemente metalice sunt esențiale pentru funcțiile celulare. Se menționează o categorie specială de aliaje cu « memoria formei », după deformare plastic ele revin, prin încălzire, la forma inițială. [16]

Biomaterialele ceramice sunt compuși policristalini, de obicei anorganici: oxizi metalici (alumina), carburi, hidride refractare, sulfide, selenide. Principalele biomateriale ceramice sunt utilizate, în special, în stomatologie: coroane dentare, pentru aspectul estetic deosebit, rezistenței mari la compresiune și lipsei de reacție cu lichidele corpului uman. Biomaterialele composite se formează din două sau mai multe faze distincte cu proprietăți diferite de materialul omogen. Materialul de adaos dintr-un compozit poate avea formă de particule, fibre sau benzi. [14]

Materialele compozite fibroase sau sub formă de benzi laminate sunt compozite anizotrope, iar cele cu incluziuni sub formă de particule distribuite uniform în matrice sunt compozite izotrope. Compozitele anizotrope au rezistență mai mare decât cele izotrope. Compozitele anizotrope pot fi folosite doar dacă se cunoaște direcția de aplicare a tensiunii.[18]

De asemenea, este necesar ca fiecare constituent al compozitului să fie biocompatibil ceea ce înseamnă că interfața dintre constituenți să nu fie degradată de mediul corpului. Aplicații medicale: compozite dentare pentru plombe, metilmetacrilatul ranforsat cu fibre de carbon sau cu particule osoase, zirconia, ciment osos. Biomateriale polimerice sunt materiale realizate prin legarea unor molecule mai mici (meri) prin legături covalente primare într-un lanț principal.

Pentru selecția biomaterialelor, în scopul realizării unui implant, este necesară luarea în considerație a unei multitudini de factori ca: economic, mecanic, electric, mediu (chimic), siguranță (biologic), termic, suprafață, estetic, porformanță și cercetare. [13]

Tabel 3.1 Biomateriale folorite în corpul uman. [12]

Un biomaterial deține caracteristici mecanice, fizice și chimice în funcție de aplicația medicală dar în unele cazuri în contact cu organismal uman sau medii biologice, el găseste condiții fiziologice particulare.

3.3 Aplicațiile biomaterialelor

Aplicațiile biomaterialelor din domeniul medical și farmaceutic au început să fie din ce în ce mai folosite și studiate în urma cererii pieței și nevoilor de zi cu zi.

Fig. 3.1 Aplicații ale biomaterialelor. [21]

Domeniile medicale în care biomaterialele se utilizează sunt: ortopedia, chirurgia estetică, oftamologia, urologia și neurologia, chirurgia maxio-facială, cardiologia și practic toate specialitățile medicale nu numără mai puțin de 400 de produse diferite și 10% din activitățile medicale necesită utilizarea de biomateriale în scopuri de: diagnosticare, prevenție și terapie

Mai jos vor fi enumerate câteva dintre principalele utilizări ale biomaterialelor în diferite domenii medicale:

în domeniul ortopedi avem: proteze interne permanente (de reconstrucție), proteze resorbabile (din polimeri bioresorbabili), diferite elemente de sutură și cimenturi pentru fixarea protezelor, înlocuirea articulațiilor cartilaginoase, drenuri chirurgicale și instrumentar chirurgical divers;

în domeniul medicinei recuperatorii avem: membrane extracorporale, membrane bioactive (de eliberare controlată), celule artificiale și proteze externe;

în domeniul oftalmologiei avem: lentile de contact, lentile intraoculare și cornee artificială;

în domeniul cardiologiei avem: valvule mitrale pentru inimă și grefe vasculare artificiale;

în domeniul dentar avem: implanturi dentare, material de amprentare, cimenturi dentare și instrumentar dentar;

în domeniul chirurgiei estetice: implanturi și elemente de sutură bioresorbabile;

alte aplicații medicale: linii de perfuzie, dispozitive de catetetizare, dispozitive pentru căile respiratorii, căile digestive și căile urinare;

în domeniul farmaceutic avem: excipienți pentru diferite forme de administrare medicamentoasă, sisteme de eliberare retard de medicamente, sisteme vectoare de eliberare controlată a substanțelor active, bază pentru emulsii, paste, recipiente diverse de condiționare a medicamentelor;

în domeniul cosmetic avem: bază pentru emulsii și creme cosmetice și sisteme complexe de peeling chimic sau mecanic.

Cele mai utilizate biomateriale polimerice în zilele noastre din domeniul medical sunt: polimetacrilatul de metil care se aplică, în special, în oftalmologie, ortopedie și în stomatologie, polialcoolul vinilic are aplicații în chirurgia estetica, orală și maxilofacială preprotetică, ca înlocuitor de plasmă sanguină, pentru realizarea firelor de sutură și în farmacologie, polivinilpirolidona se utilizează în domeniul farmaceutic ca agent cu diferite roluri și în domeniul biomedical ca înlocuitor de plasmă sanguină, din policarbonații se pot produce fire de sutură chirurgicală absorbabile, transportul și eliberarea medicamentelor.

Găsim aplicații și în stomatologie, aparatură medicală și ambalaje sterile, polietilentereftalatul are numeroase aplicații în domeniul cardiovascular, în chirurgia defectelor peretelui abdominal artero-lateral ca proteze de restaurare și ca fire de sutură chirurgicale, polietilenglucolul se utilizează în domeniul farmaceutic ca excipienți pentru diferite substanțe active, substanțe purtătoare pentru diferite medicamente și în realizarea diferitelor preparate medicale.

Un alt tip de biomaterial foarte utilizat sunt hidrogelurile. S-a arătat ca biocompatibilitatea foarte bună a hidrogelurilor extinde sfera aplicațiilor biomedicale, fara riscuri pentru organismul receptor. Studiile de extracție, toxicitate sistemică acută, compatibilitate tisulară și sanguină, au atestat stabilitatea și biocompatibilitatea hidrogelului.

Hidrogelurile se aplică la dispozitive de eliberare controlată a medicamentelor. În timp ce ordinul zero de eliberare a medicamentelor este important pentru marea majoritate a lor, sunt multe medicamente care necesită a fi eliberate în mod vibrațional. Cel mai utilizat exemplu este eliberarea insulinei.

Hidrogelurile care au avut un răspuns bun la pH și cele sensibile pe baza de glucoza, dizolvabile, au fost utilizate la producerea insulinei sub forma de capsule. Eliberarea vibratorie a medicamentelor poate fi realizată cu hidrogelurile sensibile la temperatură. Prin alterarea temperaturii în jurul hidrogelurilor termosensibile se poate realiza eliberarea medicamentelor din gel.

Aplicațiile biomedicale ale hidrogelurilor sunt foarte diverse ele pornind de la dispozitive de diagnosticare până la muschi artificiali. Utilizarea hidrogelurilor ca lentile de contact și lentile intraoculare au într-o oarecare masura o istorie lungă comparativ cu alte utilizari.

Lentilele moi de contact care sunt fabricate din hidrogeluri, posedă proprietățile dorite, cum ar fi permeabilitate ridicată pentru oxigen, deși acestea au probleme cu degradarea lor și la depozitarea proteinelor. Lentilele intraoculare moi au avantaje superioare celor rigide și anume ele se pot indoi permițând chirurgului să utilizeze o incizie chirurgicală mai mică. Lentile pot fi sterilizate în autoclavă, care este mult mai convenabilă decât sterilizarea cu oxid de etilenă.

Alte aplicații ale hidrogelurilor sunt utilizarea acestora ca bandaje pentru rani, ele fiind flexibile, durabile, antigenice și permeabile pentru vaporii de apă și metaboliți, asigurând o acoperire bună a ranii, în vederea prevenirii infectiilor cu bacterii, învelișuri ale suprafețelor cateterelor urinare, îmbunătățind biocompatibilitatea acestora.

Firele din hidrogel au fost dezvoltate în domeniul transportului hormonilor, omologi ai prostaglandinei, precum și în dilatarea mecanică a cervixului. Dilatarea cervixului este necesară pentru avortul indus prin chiuretaj, în primul trimestru al sarcinii, prin absorbtie.

Unul dintre avantajele aplicațiilor hidrogelurilor este obținerea mușchilor artificiali. Hidrogelurile "inteligente", care pot transforma stimulii electrochimici în lucru mecanic pot funcționa și ca tesut muscular uman. [15]

Polimerii de acrilamidă, fiindcă au solubilitate selectivă în sucurile gastro-intestinale, se folosesc ca agenți de acoperire gastrosolubili care se adaugă comprimatelor pentru protejarea principiilor active, mascarea gustului și mirosului neplăcut, cât și pentru dirijarea cedarii medicamentului în cop.

Gelurile polimerice sunt capabile de contracții reversibile și întindere sub stimuli fizico-chimici, ei sunt esențiali în tehnica avansării roboților cu energie electrică ca mușchi pentru inaintare. Materiale inteligente, care depășesc contracțiile și secrețiile organelor umane ca răspuns la schimbarile condițiilor mediului înconjurător, precum temperatura, pH-ul sau domeniul electric, pot fi utilizate ca implanturi medicale, mușchi sau organe protetice și manivele robotice. [15][17]

3.4 Alchenele

Alchenele sunt cunoscute și sub denumirea de olefine și reprezintă hidrocarburi nesaturate, aciclice care conțin în molecula lor o dublă legatură între atomii de carbon și au formula generală CnH2n. Legătura dublă dintre atomii de carbon este alcătuită dintr-o legătură de tipul σ și una de tip π.

Dacă o sa înlocuim n-ul din formula alchenelor cu valori întregi și successive începând cu valoarea 2 atunci primul termen ce o să îl obținem este etena care are formula C2H4 următoarea fiind propena cu formula C3H6, ele fiind și cele mai utilizate 2 alchene și pot fi folosite ca și materie primă pentru obținerea altor compuși chimici: etanol, propanol, etilenglicol care este folosit ca antigel, glicerina folosită în industria farmaceutică și cosmetică, solvenți și acid acetic.

Alte tipuri de alchene sunt butena cu formula C4H8, pentena cu formula C5H10, hexena cu formula C6H12, heptena cu formula C7H14, octena cu formula C8H16, nunenă cu formula C9H18 și decena cu formula chimică C10H20. Gradul de polimerizare este reprezentat de n și în urma polimerizării alchenelor vor avea formula nA → (A)n.

Siliconii reprezintă o clasă specială a polimerilor macromoleculari obtinuți în urma proceselor de condensare sau polimerizare a unor compusi organo-silicici, în molecula cărora atomul de siliciu lega direct diversi radicali organici, cu formarea legaturii Si-C.

Datorită structurii chimice și compoziției lor, siliconii au anumite proprietati speciale. Astfel partea componentă anorganică din molecula siliconilor determina proprietati ca electroizolare, rezistență la coroziune, stabilitate la căldură și la frig. De alt fel partea organică a moleculei imprimă urmatoarele proprietati hidrofobe, elastice și de consistență vâscoasă.

Alchenele sunt forte utilizate în aproape toate domeniile. Un tip de alchene sunt și siliconii, acestia după dezvoltarea lor au început să acopere din ce în ce mai multe domenii, astfel putem preciza câteva exemple în funcție de importanța utilizării lor.

Tabel 3.2 Utilizarea diferiților siliconi.

Sunt pe piață un număr foarte mare de materiale care au la bază alchena dintre care putem aminti etena, propena, butena, masele plastic, polietilena [-CH2-CH2-]n, polipropilena [-CH2-CH-]n, polistirenul, masele plastic, fenolformaldehide, policlorura de vinil, politetrafluoroetena [-CF2-CF2-]n. [29]

3.5 Biomateriale polimerice

Biomaterialele polimerice sunt substanțe compuse din molecule cu masă moleculară mare, fiind formate dintr-un număr mare de molecule mici identice numite și monomeri care sunt legați prin legături covalente. Cuvântul polimer provine din limba greacă, polu, "mult" și, meros, "parte". Polimerii se situează undeva între metale, ceramic și substanțele lichide. Proprietățole mecanice ale polimerilor sunt diferite față de alte biomateriale.

3.5.1 Generalități

Denumirea de polimer a fost adoptat la începutul anului 1833 de către Jöns Jakob Berzelius, deși definiția despre polimer pe care el o propune este destul de diferită față de cea modernă. În 1811, chimistul Henri Braconnot s-a axat pe studierea derivatelor celulozei, aceasta fiind cea mai importantă parte din știința polimerilor.

În secolul XIX -lea odata cu începerea vulcanizării s-a îmbunătățit duritatea latexului sintetic și popularizarea polimerului semi-sintetic. În 1907, Leo Baekeland a creat primul polimer compet sintetic, bachelita, care a fost făcută publică în 1909.  În afara progreselor semnificative în sintetizarea și caracterizarea polimerilor, o înțelegere corectă a aceastora nu s-a ivit că polimerii erau grupuri de mici molecule (numite coloide), care nu aveau mărimi moleculare bine stabilite, fiind ținute în strânsă legătură de o forță necunoscută, un concept denumit ‘teoria asociației’.

Pe lângă marile progrese semnificative în sintetizarea și caracterizarea polimerilor, o înțelegere corectă a lor nu s-a ivit decât în 1920. În anul 1922, Herman Staudinger a propus teoria lanțurilor atomice de polimeri ținuți alături de legături covalente, o idee care nu a fost acceptată mai bine de un deceniu, dar pentru care Staudinger a primit chiar Premiul Nobel. Lucrările lui Wallance Carothers (1920) au confirmat că polimerii pot fi sintetizați rațional din monomerii care îi constituie.

O contribuție importantă în știința polimerilor sintetici a fost adusă de chimistul german Karl Ziegler și de chimistul italian Giulio Natta, care au câștigat Premiul Nobel în chimie, în anul 1963, pentru “catalizatorul Ziegler-Natta”. În ceea ce privește reacția de adiție, un aport important îl are Paul Flory, 1974. Lucrarea sa extinsă în domeniul polimerilor include cinetica polimerizării pas cu pas și a adiției polimerizării, transferul lanțului atomic, volumul inclus ,”Convenția Flory” și “Teorema Flory-Huggins, pentru care i se acordă Premiul Nobel în chimie 1974. [21]

Materiale sintetice care au stat la baza formării industriei polimerilor au fost nylonul, teflonul sau siliconul. De asemenea, în acești ani s-a acordat o deosebită importanță sintetizării raționale a polimerilor. Cei mai importanți produși polimeri azi de pe piață sunt sintetici și produși în volume mari.

Polimerii sintetici își găsesc astăzi loc în aproape fiecare industrie sau segment de viață și sunt adesea folosiți ca adezivi sau lubrifiante, dar sunt utilizați și pentru diverse produse de la jucării până la avioane. În decursul istoriei și în special în zilele noastre polimerii au fost implicați într-o mare varietate de aplicații biomedicale, de la dispozitive pentru implanturi, până la droguri. [21][23]

3.5.2 Clasificarea polimerilor

Clasificarea compușilor macromoleculari se poate face după mai multe criterii, ei fiind diverși și având diferite caracteristici. Astfel mai jos se regăsește o clasificarea a polimerilor siloxanici după tipul legăturii:

polimeri siloxanici liniari: cu structura [-SiRR’-O-]n , unde R si R’ pot fi radicali alchil sau aril

sesquisiloxani: ce au structuri scalare

polimeri siloxan-silarilici: cu structura [-Si(CH3)2OSi(CH3)2(C6H4)-]n , unde radicalul fenilen este substituit în poziție, fie meta, fie para

polimeri silachilenici: care au structura [-Si(CH3)2(CH2)-]n

Cele trei mari categorii în care sunt împărțiți polimerii siliconici sunt:

polimeri liniari: sunt polimerii în care unitățile structurale sunt legate la rând alcătuind lanțuri lungi fără ramificații, aceste legături au unghiurile dintre cuprinse între 109o- 1300.

Fig. 3.2 Structura polimerilor liniari. [25]

polimeri reticulari: sunt polimerii în care unitățiile structural sunt legate sub formă de ramificație, unghiul este de 900

Fig. 3.3 Structura polimerilor reticulari. [25]

conformația de ghem: acest tip de polimeri au unitățiile structural sub forma de spiral dreaptă sau zig-zag

Fig. 3.4 Structura polimerilor cu conformație de ghem. [25]

O altă clasificare poate fi după structura lor, aceștia pot fi priviți din mai multe puncte de vedere. După modul de dezvoltare (în spațiu) a macromoleculei, produșii macromoleculari ce rezultă pot avea:

o structură filiformă când lanțurile au crescut pe o singură direcție

o structură ramificată când au crescut pe două direcții (bidimensionale)

o structură tridimensională când au crescut pe toate cele trei direcții în spațiu.

În funcție de structura stării solide macromoleculele cu structura spațială pot fi cristalini sau amorfi. Polimerii având lungimi apreciabile lanțurile macromoleculare se pot împacheta pe distanțe variabile, realizând astfel zone cu orientare înalt cristalografică și anume zone cristaline sau zone cu orientare cristalografică scazută zone amorfe.

Există și polimeri care sunt cristalizați parțial, domeniile cristaline denumite și cristalite, coexistând cu domeniile amorfe. În condiții speciale de cristalizare s-au obținut însă și monocristale de polimeri.

În stare fluidă vîscoasă adică peste temperatura de curgere, forțele intermoleculare slăbesc și macromoleculele pot efectua mișcări de tranzlație, deplasându-se unele în raport cu altele. Intervalul de elasticitate înaltă pe care îl posedă va fi mai mare la polimerii alcătuiți din catene lungi și flexibile. [25]

Fig. 3.5 Diferiți polimeri siliconici, denumire și structură. [26]

3.5.3 Proprietăți

Propritățiile polimerilor sunt o caracteristică importantă pentru studiul și înțelegerea acestora. Polimerii au diverse proprietăți cum ar fi: mecanice, optice, chimice, fizice, electrice și de asemenea și unele proprietății neobișnuite.

3.5.3.1 Proprietăți mecanice

Datorită caracteristicilor structurale polimerii prezintă particularități și în comportarea la solicitări mecanice generate în special de mecanismele prin care se realizează deformarea acestora sub acțiunea solicitărilor exterioare. Proprietățiile mecanice depind de legatura chimică dintre atomii existenți în catenele macromoleculelor, de forțele de atracție dintre molecule și de natura cristalină sau amorfă a polimerilor.

Curba termodinamică a unui polimer liniar amorf arată variația cu temperatura T a deformației lui sub acțiunea unei forțe mecanice, cum ar fi cea de alungire, de încovoiere sau de comprimare, deformatoare într-un interval de timp dat. În starea sticloasă, deci sub temperatura de vitrifiere polimerii se deformează la fel ca solidele obișnuite, deformațiile fiind elastice, mici și reversibile. Aceste deformații sunt legate de schimbarea distanțelor dintre particulele constituiente prin deformarea unghiurilor de valență și prin modificarea legăturilor chimice între atomi ca urmare macromoleculele se întind. [31]

Deformațiile elastice sunt însoțite de schimbarea volumului datorită modificării distanței dintre particule. După îndepărtarea forței mecanice sistemul adică polimerul revine la starea inițială.

În starea înalt elastică, respectiv între temperatura de vitrifiere (TV) și temperatura de curgere Tcu se produc deformații înalt elastice. Aceste deformații se explică prin flexibilitatea macromoleculelor. În această stare macromoleculele se gasesc încolăcite și sub acțiunea unor forțe exterioare aceste ghemuri se desfac. Orice deformare în cazul polimerilor are un caracter de relaxare. Atât la deformare cât și la revenirea la starea initială trecerea înspre starea de echilibru nu se face instantaneu ci cu o anumită viteză, într-un anumit timp. În stare fluid viscoasă, la temperaturi mai mari de curgere polimerii prezintă deformații plastice ireversibile. Aceste deformații sunt atribuite deplasării macromoleculelor, unele în raport cu altele.

Rezistenta la tracțiune și comprimare sunt determinate în principal de compoziția chimică, de felul catenelor moleculare și de numărul și energia legăturilor intermediare. Rezistența mai bună la tracțiune, compresie și încovoiere prezintă polimerii termoreactivi și anume: poliamide, rășini formaldehidice iar dintre termoplaste – polistirenul.

Prin solicitare mecanică, tracțiune, încovoiere, se înțelege expunerea unui material la deformații plastice sau elastice sub acțiunea forțelor de tracțiune. Deformațiile elastice sunt reversibile adică materialul deformat elastic sub acțiunea unor forțe revine la forma initială după încetarea acțiunii forței.

Deformațiile plastice sunt permanente, ele determină curgerea sau fluajul materialului adica o curgere lentă și continuă în timp a unui material supus unei sarcini constante sub limita de elasticitate

Sunt trei tipuri principale de deformații ce apar sub acțiunea forțelor de tracțiune mai ales la polimerii liniari. Deformațiile elastice se datorează deformarilor de unghiuri, de distanța legăturilor dintre atomii constituienți ai macromoleculelor lineare. Starea înalt elastică se caracterizează printr-o mare flexibilitate a macromoleculelor determinată de rotații a porțiunilor de catenă în jurul legăturiilor simple, macromoleculele adoptând coformații de ghem. Deformarea plastică se datorează ruperii legăturilor secundare, ceea ce provoacă o alunecare a lanțurilor de polimer.

Stabilitatea termică a polimerilor siliconici care reprezintă temperatura maximă la care poate fi încălzit un polimer timp de 24 ore fără să sufere modificări legate de stabilitatea dimensiunilor. Stabilitatea polimerilor carbocatenari este foarte scăzută. Mult mai ridicată este a polimerilor siliconici. Spre exemplu teflonul prezintă stabilitate termică mare datorită simetriei, prezenței atomilor de fluor. [25], [31]

3.5.3.2 Proprietăți optice

Proprietățile optice ale polimerilor siliconici pot varia de la transparență totală până la opacitate în funcție de natura chimică și adaosurile de prelucrare determinate de domeniile de aplicabilitate.

Un număr mic cum sunt polimetacrilatul de metil (plexiglass) polistirenul și alții prezintă o bună transparență, fiind cunoscut sub denumirea polimeri optici sau sticle organice.

Polimeri acestia se caracterizează printr-o perfectă transparență și o totală lipsă de culoare. Transparența este foarte bună dar duritatea lor este mai mică decât sticlele organice. [25]

3.5.3.3 Proprietăți fizice

Ca și primă proprietate fizică am putea aminti flexibilitatea polimerului, acesta prezintă un grad înalt de flexibilitate, fapt explicat prin natura legaturii Si-O, legatura de aproximativ 1,64 Å, considerabil mai mare decat legatura C-C (1,54 Å) existentă în polimerii organici și diminuarea interferentei sterice și a congestiei intramoleculare, fapt explicat tot prin lungimea legaturii Si-O.

Un alt motiv pentru care în polisiloxani congestia intramoleculară este redusă este și faptul că atomii de oxigen sunt lipsiți de grupări laterale, unghiul Si-O-Si este mult mai mare, aproximativ 143º, decat cel existent în polimerii organici de 109º28’ și astfel rotațile de natură torsională se pot produce fără prea multe modificări.

O alta proprietate fizică este cea de permeabilitatea a polimerilor siloxanici, acestia prezintă o mai mare permeabilitate pentru gaze decât majoritatea compușilor de tip elastomer. Din acestă cauză, ei prezintă un real interes, mai ales pentru fabricarea de membrane pentru separarea de gaze. În acest scop s-a încercat marirea selectivității pentru gaze, însă acest lucru conducea în același timp la o scădere a permeabilității și viceversa. Se crede ca diferența de permeabilitate dintre polisilani și polisiloxani s-ar datora absenței atomilor de O sau faptului ca polisilanii au tendința să devină sticloși la temperatura camerei și nu elastici. Un lucru de observat este privitor la permeabilitate, defapt inserarea gruparilor –Si(CH3)3 , la polipropină induce acesteia o permeabilitate pentru gaze mai mare decât în cazul polidimetilsiloxanului.

O aplicatie importanta a permeabilitatii pentru gaze a polisiloxanilor poate fi cea de piele artificială pentru arși. Stratul inferior al membranei este compus în principal din proteine și serveste la regenerarea tesutului, iar stratul exterior este compus din polimer siloxanic care are rolul de a permite ieșirii umezelii excesive, de a preveni pătrunderea de bacterii și suport mecanic.[24]

Polisiloxanii sunt folosiți și pentru obținerea diferitelor lentile de contact. La nivelul ocular oxigenul necesar proceselor metabolice provine în principal din aerul atmosferic fapt ce se produce datorită permeabilității ridicate ale polisiloxanilor. Cel mai utilizat compus pentru fabricarea lentilelor de contact este polidimetilsiloxanul, compus ce are o deosebită permeabilitate pentru oxigen. El este hidrofob și de aceea lentila de contact nu se compune exclusiv din acesta ci mai are în componență un strat subțire de polimer hidrofilic ce se ataseaza direct pe suprafata ochiului.

Proprietatea de stabilitate a polimerilor siloxanici prezintă un mare număr de proprietăți ce par aproape contradictorii. Un exemplu este cel al stabilității ridicate și a durabilității polisiloxanilor în diverse aplicații. Uleiul siliconic utilizat la temperaturi înalte ani de-a randul nu prezintă degradare termică. Implanturile din polimeri siloxanici nu prezintă nici ele urme de degradare după zeci de ani de utilizare datorită rezistentei ridicate la hidroliză și oxidare a acestor compuși. Polisiloxanii de obicei nu creaza probleme severe de ordin ecologic descompunandu-se în condițiile normale de mediu. Degradări de acest tip se petrec în apa, în aer, dar mai ales în sol. Acesti polimerii utilizați vin în contact cu specii mai reactive, fapt ce conduce la degradarea lor. Astfel anionii NO3- prezintă un caracter distructiv, fiind o sursă de oxigen atomic, ce conduce la formarea de radicali hidroxil ce initiază procesul de degradare.

Un alt agent distructiv este și ozonul (O3), ce se descompune datorită radiației ultraviolete în oxigen atomic, proces urmat de formarea de radicali hidroxil reactivi. Radiația ultravioletă în sine nu afecteaza în nici un fel scheletul siloxanic. Numai radiația cu lungime de unda foarte scurtă prezentă în lumina solară influențează grupele laterale existente în scheletul siloxanic, forțându-le să genereze radicali metil.

O proprietate a polisiloxanilor este aceea că ei sunt rezistenți la toate tipurile de radiații, mai ales dacă conțin grupări aromatice. Foarte important este faptul că polisiloxanii prezintă un mecanism de autorefacere, important pentru durabilitatea lor. În cele mai multe procese degradative rezultă grupări silanolice terminale ce pot condensa cu formări de noi legături siloxanice.

Argilele care le găsim în soluri au pe suprafața lor grupări acide puternice, aceste materiale putând reacționa cu lanțurile siloxanice organizandu-le în molecule mai mici. De fapt apa reacționează cu legatura Si-O în prezența acizilor sau bazelor. Aceste molecule sunt suficient de volatile pentru a se evapora în atmosferă, în timp ce altele prezentând grupari SiOH sunt solubile în apă ceea ce le face inofensive pentru mediu. Într-o degradare mai avansată rezultă siliciu, apă, dioxid de carbon și respectiv carbonați anorganici.[24]

3.5.3.4 Proprietăți electrice

Campușii macromoleculari sintetici nu dispun de electroni liberi, deci nu sunt buni conducători de electricitate ei fiind doar buni izolatori. Totuși datorită impurităților pe care le pot conține acesti polimerii supuși unei tensiuni electrice pot conduce curentul electric, fie pe suprafța lor sau prin masa acestora existând o conductivitate de suprafață și o conductivitate de volum.

Conductivitatea de suprafată apare ca efect al impurităților ionice de pe suprafața ale polimerului. Apa care formează pelicule superficiale bune conducătoare de electricitate au un rol deosebit de important. Prelucrarea fină a suprafeței pieselor din materiale plastice impiedică depunerea impurităților conducătoare a formării peliculelor de apă micșorând valoarea conductivității.

De natura chimică a polimerilor și de impuritățile conductoare existente în masa lor depinde în special de conductivitatea de volum. Impuritățile ce măresc conductivitatea electrică provin de la catalizatorii, monomerii, inițiatorii utilizați în procesul de sinteză al polimerilor precum și de la substanțele de umplutură higroscopice.

Rezistenta polimerilor atât în volum cât și la suprafata este de 1012 Ώ/cm, acestia fiind foarte buni izolatori electrici.

Polimerii prezintă o rezistența maximă la ionizările a voltaj ridicat. Un mare avantaj al elastomerilor siliconici il prezintă conservarea proprietățiilor electrice ca: factor de putere sși rezistență la temperaturi ridicate, rezistență dielectrică, la care alți izolatori devin nefolositori. [25]

3.5.3.5 Proprietăți neobișnuite ale polimerilor

Polidimetilsiloxanul sau PDMS-ul prezintă o serie de proprietăți neobișnuite, cum sunt presiunea caracteristică, vâscozitatea, entropia de diluție, care sunt necaracteristic de mici și permeabilitatea ridicată a materialului. Ca și o altă trăsătură frapantă a polimerilor siloxanici este cea despre proprietățile de suprafață.

Fluorosiloxanii au fost cei mai recent studiați în această privință, dar proprietățile descrise sunt caracteristice la un mare număr de compuși aparținând familiei polisiloxanilor. Ceea ce este foarte interesant în privința proprietăților de suprafață a polisiloxanilor este faptul că aceștia pot fi utilizați în roluri contradictorii.

Ca și exemplu putem utiliza siloxanii atat ca agenți antispumă dar și ca stabilizatori pentru aceasta dar și ca emulsificatori cât și ca deemulsificatori. Acest paradox poate fi explicat prin modul diferit în care un lanț siloxanic poate interacționa cu celelalte specii prezente. În tehnologia spumei este de o importanță vitală daca siloxanul se dizolvă în fază lichidă sau rămâne la interfața lichid-gaz.

Aceste proprietăți neobisnuite ale polisiloxanilor pot fi explicate prin referire la energiile de suprafață reduse și la tensiunile de suprafață, datorate forțelor intramoleculare foarte mici dintre grupările laterale și datorită flexibilității mari a scheletului ce permite rearanjarea moleculei.

Stabilitatea termică a polisiloxanilor este ridicată această valoare fiind în jurul de 400-500ºC. În vid sau în atmosferă inertă ea este și mai mare. Siloxanii inferiori sunt lichide volatile ce pot fi separați prin distilare în condiții normale de presiune și temperatură. [24]

3.5.4 Reacția de polimerizare

Reacția de polimerizare este o reacție chimică ce decurge cu formarea unor produși macromoleculari în urma unei reacții de adiție multiplicată de un numar n foarte mare. Procesele de polimerizare au loc numai atunci când se îndeplinește condiția ca speciile moleculelor participante sa posede un grad minim de nesaturare adică cel puțin o dublă legatură, omogenă sau heterogenă.

Fig. 3.6 Reacția de polimerizare schema generală. [19]

Polimerizarea decurge ca și un proces de adiție radicalică a moleculelor de monomer, deci printr-un mecanism de reacții în lanț, fie ca un proces cu mecanism ionic de tipul adiției electrofile. Reactia de polimerizare radicalică cuprinde trei etape principale: inițierea, propagarea și întreruperea lanțului de reacție. [25]

Tabel 3.3 Reacția de polimerizare a diferișilor polisiloxanilor. [28]

Alchena reprezintă monomerul, iar compusul molecular rezultat reprezintă polimerul.

Schematic procesul poate fi reprezentat astfel:

nA → – [A]n –

alchena polimer

(monomer)

alchena (monomer) polimer

Fig. 3.7 Schema procesului de polimerizare.

Alchena definește monomerul iar compusul macromolecular rezultat este polimerul. În schema mai sus prezentată ,,n” reprezintă numărul de molecule de monomer care se leagă între ele pentru formarea polimerului și se numește grad de polimerizare.

Acest grad de polimerizare poate avea o gamă mare de valori asta în funcție de condițiile de lucru și anume dacă valoarea sa este redusă (n = 2, 3, 4, … 20) se obțin polimeri inferiori (oligomeri), iar când n are valori de sute sau mii de unități se obțin polimeri înalți (polimeri).

Acesti polimeri ce se obtin prin plimerizare au următoarele proprietăți. Ei sunt sunstanșe solide, în urma polimerizării ei pot avea proprietăți plastice (plastomeri) sau elastice (elastomeri), au puncte de înmuiere cuprinse între 70 –180 0C, sunt solubili în diverși diverși dizolvanți, au proprietăți dielectrice (sunt izolatori electrici), sunt termoplastici adică pot fi prelucrați prin turnare, presare sau extrudere, polimerii cu structură ordonată au rezistență mecanică ridicată la rupere, îndoire, forfecare și întindere.

Se poate spune că în general polimerii care au proprietăți plastice (plastomerii) sunt folosiți la fabricarea maselor plastice, cu care nu trebuie confundați. Polimerii sunt produșii reacției de polimerizare, în timp ce masele plastice sunt materiale tehnologice, în compoziția cărora intră un plimer, un plastifiant, o umplutură inertă și adesea un colorant.

În zilele de azi viata fără polimeri este de neconceput fără polimeri. Acestia se utilizează ca atare sau în componența maselor plastice. Dintre produsele folosite zilnic ce conțin polimeri, putem enumera: obiecte de îmbrăcăminte, de încălțăminte și marochinărie, sanitare, de mobilier, ambalaje, etc. [30]

Fig. 3.8 Obiecte realizate din polimeri cu proprietăți plastice sau plastomeri. [30]

Inițierea unei reacții de polimerizare se poate realiza pe căi fizice sau chimice. Pe calea fizică inițierea poate fi termică, fotochimică sau iradiantă, iar pe cale chimică se pot utiliza inițiatori chimici, substanțe capabile să formeze în sistem radicali liberi cum sunt peroxizii, hidroperoxizi și azoderivatii.

Moleculele de monomer reacționează cu radicalii liberi formați, inițiind lanțul de reacție. Etapa de inițiere necesită energii de activare foarte mari pentru desfacerea legăturii covalent și decurge lent. Inițiatorii de reacție au legături labile care conduc la apariția unor radicali. [25]

3.5.5 Policondensarea

Policondensarea se bazează pe reacția dintre molecule “di” sau “polifuncționale” din care rezultă macromolecula cu modificarea compoziției unității structurale și un produs secundar cu masa moleculară mică.

Policondensarea are caracterul unei reacții de echilibru, sensul ei spre produși de reacție depinzând de indepărtarea produșilor secundari (apa, alcool, HCl, HN3). Policondensarea în care participă molecule omogene este definit ca homopolicondensare și conduce la polimeri homo polimeri, iar cea în care participă compuși cu funcționalitate mai mare ca doi se numeste heteropolicondensare. Reacția de policondensare a compușilor bi funcționali conduce la polimeri lineari de policondensare, iar policondensarea cu compuși cu mai mult de două funcțiuni conduce la policondensarea tridimensională.

Policondensarea prezintă urmatoarele particularități:

policondensarea decurge în trepte, prin reacții elementare reversibile de condensare.

produșii fiecărei trepte sunt stabili, pot fi izolați și continuă să aibă funcționalitatea monomerului inițial.

reacțiile de policondensare sunt catalizate de baze și acizi anorganici, de metale și compuși organometalici

prin policondensare se formează compuși macromoleculari cu mase moleculare 103 – 104 .

Reacția de policondensarea se terminarea atunci când se consumă un reactant sau prin atingerea echilibrului chimic. [25]

3.5.6 Degradarea polimerilor

Procesul de degradare are ca principii reacții de degradare a polimerilor ce se numesc reacțiile ce decurg cu ruperea legăturilor macromoleculelor și care conduc la micșorarea masei moleculare a polimerului, fără ai modifica compoziția sa chimică dacă grupele marginale ale macromoleculei pot fi neglijate.

Degradarea polimerilor este definită ca o reacție secundară, nedorită în transformarile chimice de prelucrare sau exploatare a polimerilor. Aceasta poate decurge sub influența agenților chimici cum ar fi apa, acizi, alcool, O2, etc., sau sub influenta agentilor fizici aici putem preciza căldura, lumina, radiații, mecanice.

Una din cele mai semnificative degradări este cea chimică fiind caracteristică pentru polimeri cu lant heterogen și decurge selectiv, cu ruperea legăturilor carbon – carbon- heterogeni. Legătura carbon-carbon este stabilă sub acțiunea agenților chimici, deoarece polimerii saturați cu lant carbonat sunt cei mai puțin expuși degradării chimice. [25]

Degradarea polimerilor este si ea de mai multe forme și anume putem avea degradarea chimică care are loc sub influența substanțelor polare ca apa, acizii, aminele, alcoolii și oxigenul. Una din cele mai răspândite tipuri de degradare chimică este hidroliza și anume scindarea legăturii chimice prin adiția unei molecule de apa.

Catalizatorii prezenți la acest proces de hidroliză sunt ionii de hidrogen sau de hidroxil și de aceea viteza de hidroliză crește în prezența acizilor sau bazelor. Hidroliza este accelerată de prezența catalizatorilor naturali sau mai bine spus fermenții, care acționează asupra legaturilor de un anumit timp. Dintre polimerii cu lanț heterogen cel mai ușor hidrolizează poliesterii și poliamidele.

Degradarea fotochimică exploatează materialele plastice, polimerii sunt supuși totdeauna acțiunii luminii. Aceste reacții sub acțiunea luminii nu duc la îmbătrânirea materialelor plastice și frecvent ea determină durabilitatea fibrelor naturale și sintetice, a obiectelor de cauciuc vulcanizat și peliculelor din trehnologia lacurilor și vopselelor. Un bun exemplu este polietilena care sub acțiunea luminii naturale se distruge în timp de 2-3 ani, în timp ce la întuneric în aceeși perioadă nu suferă nici o modificare.

La polimeri se mai poate adăuga negru de fum, la cauciuc și la polietilenă stabilitatea lor la îmbătrânire crește de 30 de ani. Această creștere a stabilității polimerilor la procesele de degradare oxidativă în prezența negrului de fum, este legată strâns de aceea ca pe suprafața negrului de fum se află grupe active care leagă radicalii liberi. Atomii de carbon cuaternari sunt supuși în special degradării fotochimice

În legătură cu degradarea sub influența agenților fizici a polimerilor, acesta poate fi sub influența energiei luminoase, a radiațiilor ionizante, a energiei calorice care decurge după mecanisme în lanț.

În funcție de natura energiei care acționează se modifică raportul vitezelor diferitelor stadii ale procesului în lanț, apariția centrilor activi, creșterea și întreruperea lanțurilor iar în raportul vitezelor acestor etape depinde viteza globală.

Ca și un alt tip de degradare a polimerilor putem aduce aminte și de degradarea termică care este o reacție în lanț. Prin acest tip de degradare a polimerilor alături de micșorarea masei moleculare și modificării structurii polimerului se produce și separarea monomerilor și anume are loc procesul de depolimerizare. Depolimerizarea stirenului la 3000C, se produce în proporții de 60-65%, plexiglasul se depolimerizează în proporție de 90-95%

Ca și un ultim tip de degradare care există și este destul de utilizat este degradarea oxidativă. Aceasta este mai puțin selectivă decât degradarea chimică. După oxidarea compușilor macromoleculari se micșorează masa moleculară, iar în unele cazuri se modifică structura și întregul complex de proprietăți a polimerului.

Cel mai important proces de oxidare are loc atunci când polimerul în timpul oxidării datorită oxigenului din aer, sub influența luminii, căldurii sau altui fel de energie.

Aceste reacții determină procesul de îmbătrânire și se numeste modificarea proprietăților fizico chimie și fizico-mecanice ale polimerului în timpul exploatării. Degradarea oxidativă a polimerilor decurge după un mecanism de reacție în lanț. Din această cauză nu există o selectivitate strictă în timpul degradării oxidative.

Viteza cu care are loc degradarea oxidativă a polimerilor crește considerabil atunci când în prezența substanțelor care se scindează usor în radicali precum și în prezența cantităților infime și anume sutimi și miimi de procent față de masa polimerului, de metal cu valența variabilă și amintim elemente ca Fe,Cu mangan, Ni. Aceste metale participă la reacții de oxido-reducere și accelereaza formarea radicalilor liberi. [27]

3.5.7 Aplicații ale polimerilor în medicină

Aplicațiile biomedicale ale polimerilor sunt din ce în ce mai diverse, acestia înlocuind cu succes multe alte material utilizate în trecut care aveau un preț ridicat, fiabilitatea lor nu era la fel ca cea a polimerilor din ziua de azi.

Fig. 3.9 Domenii de utilizare a polisiloxanilor.

Polimerii fiind atât de diversificați, având diverse caracteristici și proprietăți, îi găsim în zilele noastre mai în toate domeniile cum ar fi alimentație, farmacie, în industria plastică dar cu ponderea cea mai mare în medicină.

Polisiloxanii sunt un tip de biomaterial care au ajuns foarte repede pe piața farmaceutică dar mai ales în medicină astfel putem aminti câteva aplicații în aceste domenii:

Polisiioxanii compusi se mai utilizează ca fluide dielectrice materiale de protecție împotriva agenților atmosferici sau materiale ceramice. Avantajele materialelor ceramice de tip heat and beat sunt deosebite acestea dând dovadă de o puritate incredibilă, se pot prelucra la temperaturi joase și au posibilitatea controlului ultrastructurii ceramicii.

Toate aceste proprietăți enumerate dar și aplicațiile lor au fost intens studiate în laboratoarele din întreaga lume încercandu-se explicarea lor pe baza structurii moleculare relaționate cu natura și caracteristicile esențiale ale elementelor componente. Multe din aceste proprietăți au putut fi explicate, însă există altele la care raspunsul nu este clar.

Legatura de Si-O, este baza scheletului acestei clase de compuși macromoleculari adică a polisiloxanilor pe care îi investeste pe acestia cu o serie de proprietăți. Putem spune că tăria acestei legaturi conferă polisiloxanilor o stabilitate termica ridicata, acest fapt fiind foarte important pentru aplicațile ce se desfășoară la temperaturi înalte, cum ar fi rolul lor ca agenți de transfer termic sau elastomeri. Caracteristicile grupelor laterale și natura legăturilor conferă lanțului polisiloxanic proprietăți de suprafață destul de neobișnuite, dar în același timp dorite.

În funcție de cele enumerate mai sus se poate explica utilizarea polisiloxanilor ca matrițe, învelitori, dar și ca materiale biomedicale. [27]

În chirurgia cardiovasculară polimerii sunt utilizați în două domenii principale și anume proteze vasculare și componente pentru inimă artificială. În primul caz precizat trebuie avut în vedere interacțiunile care apar între sânge și polimerii sintetici. Contacul dintre polimer și sânge este considerat o mare problemă deoarece se generează reacții biochimice soldate cu modificarea funcțiilor fiziologice ale sângelui și apare coagularea acestuia.

Tabel 3.4 Polimeri utilizați în medicină. [26]

Protezele vasculare confecționate trebuie să reproducă în deaproape toate proprietățile mecanice ale vaselor sangvine și anume sa fie elastice, flexibile și porozitate în condițiile evitării coagulării sângelui. [28]

Acesți polimeri îi întâlnim și în oftalmologie unde ei sunt sub formă de biomateriale naturale sau sintetice utilizate pentru implanturi, ameliorarea sau restabilirea vederii, asigurarea aparentei normale a ochiului în diverse afecțiuni.

Astfel în oftalmologie biopolimeri modificați și polimeri sintetici sunt utilizați ca:

lentile de contact, intraoculare utilizate în chirurgia cataractei care sunt dispuse în fața ochiului, sau dezlipiri de retina care sunt poziționate în spatele ochiului, sau lentile intracorneale;

bandaje corneale;

materiale de înlocuire a corpului vitros;

diverse dispozitive și elemente de tehnică medicală (cornee artificială, tuburi de drenare, suturi)

sisteme de eliberare controlată a medicamentelor pentru terapia infecțiilor (ex în corpul vitros).

Cea mai mare parte a polimerilor se utilizează pentru lentile de contact și lentile intraoculare. Principalele cerinte pe care aceste materiale trebuie să le satisfacă se referă la proprietăți toxicologice și fizice legate de funcția specifică.

Menținerea transparenței și acuității vizuale impune existența unor caracteristici foarte importante care le conferă capacitatea de a asigura umiditatea și oxigenarea epiteliului corneei. Cerintele unei lentile sunt următoarele:

să aibă o transparență optică, adică un indice de refracție adecvat, iar decolorarea lor să fie minim

o stabilitate chimică și termică, sa nu fie toxice

compatibilitate biologică cu mediul unde vor fi montate, adică organul ocular

modul de elasticitate scăzut, pentru a asigura confort pacientului

rezistență crescută la diferite solicitări mecanice astfel încât să se asigure durabilitatea mecanică a dispozitivului respectiv și rezistenta crescută la microbi

permeabilitate la oxigen și posibilitate de umidifiere

să fie bioaderente la tesutul ocular și anume la tesutul corneal în cazul corneii artificiale

densitate și vâscozitate mică, pentru a ușura manipularea

prelucrabilitate bună

cost redus [28]

Polimerii biomedicali au diverse utilizări și în domeniul stomatologic. Utilizarea lor este în zona cavității orale și trebuie să satisfacă exigențe fizice, chimice, biologice și estetice. Pentru ca și aici avem un mediu biologic trebuie avute în vedere niște cerințe specifice zonei, precum:

stabilitate la acțiunea fluidelor și a bacteriilor din cavitatea bucală, absența mirosului și a gustului

să dețină o stabilitate dimensională în cursul prelucrării și utilizarii lor

să poată fi prelucrat usor

să dețină o transparență similară dintelui și stabilitate a nuanței

să fie rezistente la degradare, stabilitate la modificari de temperatură și sa fie conductibile termic

densitate apropiată cu a dintelui

aderentă la dantură și alte materiale utilizate

să fie fabricate din materiale astfel încât să fie cu un pret mic

absorbție mică de apă și deformare redusă în contact cu aceasta

conservarea proprtietăților în timp, condiții simple de reparare și igienă

absența toxicității să fie biocompatibile și să aibă o toleranță fiziologică bună adica nu fie iritant pentru zona respectivă

rezistență mecanică ridicată, să fie rigide, să aibe o fragilitate redusă, să fie elastice, să prezinte rezistenta la abraziune egala cu cea a dintelui. [28]

Ca și utilizări stomatologice a biomaterialelor dar în special a polimerilor putem enumera: protezele fixe, mobile și scheletate, implanturi de materiale compozite sau de os artificial, materiale de amprentare, cimenturi dentare, adezivi, obturații protectoare pentru carii, elemente protetice pentru refacerea țesuturilor externe moi lezate.

Aceste materiale pot să fie mono- sau bicomponente și anume pot fi pudra- lichid, pastă-lichid, pastă- pastă sau pastă uniformă.

Siliconii se utilizează ca substanțe auxiliare pentru preparate dermatologice, medicamente în unele forme de gastrită și ulcer, excipienți, agenți de sterilizare a instrumentelor și aparaturii medicale, proteze pentru operații plastice, mamoplastii și repere oftalmologice și stomatologice.

O altă importanță în medicină o au aplicațiile biomedicale ale hidrogelurilor care sunt foarte diverse ele pornind de la dispozitive de diagnosticare până la muschi artificiali. Utilizarea hidrogelurilor ca lentile de contact și lentile intraoculare au într-o oarecare masură o istorie lungă comparativ cu alte utilizari.

În domeniul farmaceutic, mai avem polimerii de tipul acril-amidici care sunt utilizați ca excipienți pentru capsule în timp ce, poliamidele acizilor grași se utilizează ca agenți de spumare, folosiți pentru preparare de aerosol și spray-uri.

Polimerii de tipul acrilamidă, având o solubilitate selectivă în sucurile gastro-intestinale, se folosesc ca agenți de acoperire gastrosolubili care se adaugă comprimatelor pentru protejarea principiilor active și mascarea gustului și al mirosului neplăcut dar și pentru dirijarea cedării medicamentului în cop. [22] [23]

Capitolul 4

Polidimetilsiloxanul

4.1 Generalități PDMS

Polidimetilsiloxanul este un polimer pe bază de silicon. Acesta este cel mai folosit polimer organic pe bază de silicon, cunoscut pentru proprietățile reologice neobișnuite pe care le deține. Rata de aplicabilitate a acestui polimer este de la lentile de contact și aparatură medicală la elastomeri.

PDMS-ul este clar optic și în general considerat a fi inert, non-toxic și neinfalmabil. Este numit uneori și dimeticon și este unul dintre dintre siliconii pe bază de ulei.

Rețeaua de PDMS poate fi folosită ca substrat pentru cresterea celulelor. Variind densitatea legăturii catenare în rețeaua polimerului, prin modificarea proprietăților mecanice să obținem un țesut propice dezvoltării altui țesut.

Se caracterizează prin catenele în care există o alternanță între atomii de siliciu și cei de oxigen, legați prin valențe simple, celelalte 2 legături fiind constituite cu radicali organici. Au o importanță deosebită datorită faptului că sunt foarte studiați de cercetători, cât și pentru aplicațiile vaste în domeniul biomedical. [32]

4.2 Microstructura PDMS-ului

Formula chimică a PDMS-ului este (H3C)3SiO[Si(CH3)2O]nSi(CH3)3, unde n este numărul unitățiilor monomerilor care se repetă [SiO(CH3)2]. Adevărata lui formulă este prezentată în Fig. 4.1

Fig. 4.1 Formula chimică a PDMS-ului. [31]

Primul pas în fabricarea siliconilor îl reprezintă reacția unei halogenuri CH3Cl împreună cu siliciul, în prezența unui catalizator de cupru, rezultând intermediari corespunzători, din care în continuare se formează polimerii siliconici.

Halogenura menționată mai sus, este clorura de metil, rezultând în urma amestecului o substanță cu formula chimică ca în Fig. 4.2 cunoscută sub denumirea de clorosilan.

CH3 CH3 Cl

Căldură | | |

Si + CH3 Cl CH3 – Si – Cl + Cl – Si – Cl + CH3 – Si –Cl + SiCl4

Catalizator Cu | | |

CH3 CH3 Cl

Trimetil clorsiliciu Dimetil clorsiliciu Tetra clorsiliciu

Fig. 4.2 Clorosilanul obținut în urma reacției. [31]

Produsul hidrolizat obținut poate polimeriza în continuare în prezența diferiților catalizatori cum ar fi acizii sau bazele, polimerizare ce este urmată de o neutralizare, pentru a putea obține polimerii cu terminațiile silanolice dorite.

Greutatea moleculară a polimerului este dependentă de cantitatea de apă reținută de sistem în timpul polimerizării. Catalizatorii bazici folosiți pentru polimerizare sunt: hidroxizi de sodiu, de litiu, potasiu, cesiu și amidă potasică. Ca și catalizator acid se poate folosi: acid sulfuric, acidul etilsulfuric, acidul clorosulfonic, acidul fosforic, acidul pirosforic, acidul azotic, acidul selenic și acidul boric.

Dacă este cazul să avem diferite aplicații speciale, grupele metilice, întâlnite pe lanțul polimeric, sunt substituite cu alte tipuri de specii organice.

Substituția parțială a grupelor metilice cu grupuri fenil duce la îmbunătățirea proprietăților la temperaturi scăzute și a rezistenței adiționale la oxidare.

Rețeaua polimerului de PDMS este obținută prin transformarea legăturilor simple în legături catenare. Legăturile lungi ale polimerului au la fiecare capăt o grupare de vinil. Legătura catenară cea mai scurtă este polimetilhidro-siloxan, care conduce la celelalte legături. Această reacție poate fi catalizată cu ajutorul platinei. [31]

4.3 Materialul pentru cercetare

Multe firme produc siliconi de bază pentru a îi livra în lume. Printre puținele firme care s-au remarcat în acest domeniu de la început este firma

Dow Corning are o gamă largă de produse siliconice și nu numai. Siliconii oferiți sunt rezistenți la degradarea produsă de ozon și ultravilolete, au o bună stabilitate chimică și sunt disponibili într-o varietate de forme de utilizare precum acoperirile, capsulanții și adezivii.

Pentru obținerea materialului siliconic dorit și anume a PDMS-ului – înainte de utilizarea lui avem nevoie de 2 componente principale și anume Sylgard 184 siliconul elastomer bază și Sylgard 184 elastomerul de întărire oferiți de Dow Corning. Firma furnizează în acest kit o cutie de 1kilogram de prepolimer siliconic și o sticlă de 100 ml cu agent de întărire. Pentru experimente dar și utilizare se folosește în deosebi rația 10:1, adică la 10 ml de prepolimer se adaugă 1 ml de agent de întărire. Pentru rețeaua de PDMS diferitele rații de bază sau agent semnifică diferitele tipuri de rețele catenare.

Se poate utiliza pentru diferite experimente și în funcție de necesități, diferite rații de bază amestecate cu agent pentru a determina relația dintre schimbarea modulelor și diferitele tipuri de legături catenare ale rețelei. Aceste rații sunt 5:1, 10:1 15:1, 20:1, 30:1, 50:1 și 70:1, unde rația de 5:1 este cea mai tare iar rația de 70:1 fiind foarte moale.

Aceste probe având diferite rații de bază sau agent, înseamnă diferite grade ale legăturii covalente. Cu cât e mai scăzut gradul legăturii covalente, cu atât mai fină e rețeaua de PDMS. În caz contrar cu cât e mai ridicat gradul legăturii covalente, cu atât e mai tare eșantionul. Duritatea eșantionului este variabilă datorită modificării rației de amestecare.

Aceste 2 componente sunt amestecate foarte bine, la final bulele de aer formate trebuiesc eliminate, iar după PDMS-ul este gata de a fi utilizat. Aspirația bulelor se va face într-un recipient de 4 ori volumul lichidului, pentru a permite extinderea materialului. Aerul prins în amestec poate fi îndepărtat prin utilizarea unui vid de 28 la 30 cm Hg. Procedeul poate să dureze de la 15 minute până la 2 ore în funcție de cantitatea de aer introdusă și cantitatea de substanță preparată. Amestecul nu necesită un tratament post și poate fi plasat în serviciu imediat după finalizarea întăririi, având o gamă a temperaturii între -45 și 200 ºC ( -49 și -392ºF).

Întărirea începe o dată cu creșterea graduală a vâscozității , urmată de gelifiere și de conversie într-un elastomer solid.

Diferitele dimensiuni ale eșantioanelor sunt utilizate în diverse scopuri. Pentru utilizarea în electricitate PDMS-ul este turmat după un model în funcție de necesitate, grosime și dimensiunile necesare izolării. Dacă ne referim la partea de laborator eșantioanele utilizate pentru teste au o dimensiune de 10 mm în diametru și o valoare a înălțimi variabilă în funcție de necesități.

Anumite materiale, produse chimice, agenți și plastifianți pot inhiba întărirea siliconului Dow Corning. Cele mai importante dintre aceste substanțe sunt: organotin – produs organic folosit ca pesticid și alți compuși organometalici, cauciuc siliconic, sulful, polisulfide, polisulfuri sau alte materiale cu conținut de sulf, amine, uretani sau materiale care conțin amine, plastifianți din carbon nesaturat, unele resturi ale fluxului de lipire. Prezența unui lichid sau a unui produs neîntărit la interfața dintre substratul testat și gelul întărit indică o incompatibilitate ducând la inhibarea întăririi.

Încapsulanții standard siliconici necesită un tratament de suprafață cu un grund în plus față de curățarea normală pentru aderență în timp ce încapsulanți siliconici fără grund cer doar o bună curățare a suprafeței.[31],[32]

Informații privind produsele oferite de firma Dow Corning cu privire la siliconi oferiți puteți căuta în Anexa 1, Anexa 2 și Anexa 3.

4.4 Utilizarea PDMS-ului pentru tipărire de înaltă rezoluție

După cum s-a demonstrat în ultimi ani, litografia fină sau soft litography, a devenit foarte importantă în studiul micro și nano structurilor polimerilor. Litografia soft este un termen general folosit pentru a descrie metodele de tipărire de înaltă rezoluție, folosind linii și spații mai mici de 25µm, care se utilizează pentru replicarea măștior de elastomeri, matrițelor și șabloanelor.

Acestea sunt fabricate prin turnarea și tratarea polidimetilsiloxanului (PDMS) pe un sablon din fotorezist. [33]

Fig. 4.3 Tehnica de litografiere soft. [33]

Se pot obține șabloane hidrofobice sau hidrofilice permițând depunerea selectivă din faza de soluție a semiconductorului organic. În urma primei faze se pot realiza mai multe copii folosind un singur șablon, fiecare dintre acestea putând fi folosite de mai multe ori, asigurându-se astfel o mare eficiență a metodei. Această repetabilitate a metodei de copiere se poate realiza de până la 10 ori, această valoare fiind una limită pentru a oferi o copie fidelă a șablonului. [33]

Fig. 4.4 Modele obținute în urma utilizării litografiei soft (a)- un taur de 2µm, (b)- trunchi de 12 µm, (c)- roată cu ax 2 µm iar (d) – caști audio 1 µm. [33]

4.5 Precauții în manipularea polimerilor siliconici

În cazul în care se intra în contact direct cu agentul de întărire și materialul catalizator neîntărit acesta va provoca arsuri la nivelul pielii și ochilor în cazul contactului prelungit. În cazul contactului cu ochii, clătiți cu apă din abundență pentru cel puțin 15 minute și cereți îngrijire medicală.

Porțiunile de piele care au fost în contatct trebuie spălate cu apă și săpun. La o iritație persistentă trebuie ingrijire medicală. Utilizați produsul doar în spațiile cu ventilație adecvată, în cazul în care aceasta nu este disponibilă utilizați protecție respiratorie.

Produsul se manipulează doar atunci când echipamnetul de protecție este utilizat corespunzător, iar acesta este compus din: mănuși, halat, bonetă, facultativ ochelari sau măști de ventilație.

Prepolimerul este vâscos și lipicios, acesta se impregnează bine în suprafețele pe care le atinge, el putând fi curățat doar cu etanol sau diluant.

Cele 2 substanțe, adică baza și agentul de întărire, nu se miros și nu se gustă.

Produsul trebuie ținut și depozitat la o temperatură sub 25ºC sau 77ºF. Precauții speciale trebuie luate pentru a preveni umezeala ce poate veni în contact cu materialele. Cutiile și sticla trebuie ținute închise ermetic și depozitate într-un spațiu întunecat și la temperatura menționată. În cazul în care cutia de pre polimer nu va mai fi utilizată pentru o perioadă mai lungă de timp, în interior se va introduce azot pentru a se păstra substanța în parametri normali. [32]

4.6 Aplicații ale polidimetilsiloxanului

Polimerii de PDMS sunt utilizați pentru sute de aplicații. Regăsim siliconi simpli și siliconii copolimeri bloc care sunt deosebit de adecvați pentru aplicarea în domeniul medical. Acești polimeri au un set unic de proprietăți , cum ar fi: inerția fiziologică, stabilitate termică și oxidativă mare, toxicitate redusă și compatibilitate excelentă cu sângele.

Asta face ca polimerul să dobândească un set lărgit de aplicații medicale, instrumente medicale și implanturi, piele artificială, implanturi de drenaj, proteze maxilo-faciale, proteze elastomerice pentru deget și picior, adezivi medicali, stimulatoare cardiace, lentile de contact, sisteme pentru livrare de medicamente etc.

Natura hidrofobă și externă a siliconului a provocat probleme, mai ales în ceea ce privește interacțiunea cu corpul la nivel molecular. Acest lucru poate induce reacția de corp străin și apariția infecțiilor la interfața silicon – țesut. Aceste probleme au fost parțial depășite prin utilizarea siliconilor conținând copolimeri bloc. [21]

În scopul de a dezvolta siliconi potriviți pentru aplicații biomedicale, polisiloxani au fost
combinați cu tot felul de biomolecule. Atașarea zaharurilor, proteinelor sau altor biomolecule la
siliconi oferă două avantaje majore.

În primul rând, aceasta conduce la o biocompatibilitate îmbunătățită a materialelor și poate îmbunătăți în mod semnificativ interacțiunea dintre silicon și țesut, care este un aspect crucial în special în ceea ce privește implanturi temporare sau permanente. În al doilea rând, aceste biomolecule sunt, în afară de grăsimi, hidrofile, încurajând astfel umectarea materialului, ceea ce duce la o mai bună compatibilitate în corp.

Ca structură polisiloxanii sunt caracterizați de lungimi de legatură mari 0,16 nm iar unghiul de legătură Si–O–Si = 130 0. Energia de rotație în jurul legături Si-O fiind foarte mică, practic rotația este liberă.

Compușii derivați de la PDMS au unele proprietăți cu totul remarcabile. Dintre acestea amintim: polidimetilsiloxanii, la temperatura camerei, sunt lichizi indiferent de masa moleculară (chiar la mase moleculare foarte mari), având temperaturi de tranziție sticloasă sub 80 0C. Polidimetilsiloxanii, au tensiunea superficială scăzută, cu tensiunea critică în jurul a 24 mn/m și o tensiune superficială a lichidului de 20,4 mn/m (la 20 0C). Ca urmare a acestor proprietăți, PDMS nu doar că se împrăștie ușor pe suprafață și formează filme subțiri pe piele și alte substrate organice precum și pe suprafața materialelor impregnate cu PDMS. Aceste proprietăți permit siliconilor să umecteze și să adere pe piele.

Comparativ cu alți polimeri, polidimetilsiloxanul este foarte permeabil față de multe substanțe incluzând gaze, vapori de apă și medicamente. Proprietățile enumerate anterior permit folosirea siliconilor în sistemele cu eliberare controlată a medicamentelor.

Cercetările noi din acest domeniu al polimerilor siliconici s-au axat mai mult pe apilicații specifice, și anume studii asupra celulelor, absorbția celulelor și alți parametri biomedicali importanți.Folosirea siliconilor în dispozitive de eliberare de medicamente este cu siguranță cel mai frecvent exemplu pentru utilizarea polisiloxanilor în aplicații medicale. Uzabilitatea și eliberarea de medicamente a fost studiată în profunzime de catre Imanishi în anul 2003.

Fig. 4.5 Aplicații ale PDMS-ului în medicină. [35]

Ei au arătat ca cinetica de eliberare controlată este posibilă pentru apa solubilă precum medicamente insolubile. În plus matricile tridimensionale de silicon 3-dimesional s-au dovedit a fi adecvate pentru eliberarea controlată a progesteronului. Un grup care a studiat extensiv polidimetilsiloxanul cu copolimeri bloc, și capacitatea lor de a forma structuri veziculare în medii apoase și punerea în aplicare a acestor i-au denumiti "polymersomes" sau "containere-nano".

Un rol major în rândul adezivilor medicali îl au adezivii sensibili la presiune ( Pressure sensitive adhesive – PSA) și respectiv adezivii elastomerici de tipul ( Soft Skin Adhesive – SSA).

Materiile prime care stau la baza sintezei PSA sunt PDMS și o rășină solubilă care prin condensarea grupelor OH silanol terminale și OH a rășinei duc la formarea PSA standard și care poate fi modificată chimic prin tratare cu trimetilsilanol în vederea compatibilizării acestora cu aminele.

PSA se folosește în condițiile în care se urmăresc următoarele aspecte: rapida adeziune pe diverse tipuri de piele, inclusiv piele umedă, calitate coeziva și adezivă potrivită, rezistență de până la 7 zile, grad înalt de flexibilitate, permeabilitate pentru umezeală, compatibilitate cu mai multe molecule terapeutice, compatibilitate cu majoritatea substratelor (de ex.: poliuretani), împreună cu excipienții farmaceutici să intervină în cinetica chimică de eliberare controlată a componentei active.

Fig. 4.6 Utilizarea polidimetilsiloxanului în diverse domenii. [34]

Utilizarea SSA este indicată în condițiile următoare: rapida adeziune pe diverse tipuri de piele, inclusiv piele umedă, calitatea coezivă și adezivă potrivită, adeziunea potrivită pe pielea fragilă și/sau vatamată, îndepărtarea lipsită de durere, posibilitatea de repoziționare ulterioară, grad înalt de flexibilitate, permeabilitate pentru umezeală, compatibilitate cu mai multe molecule terapeutice, împreună cu excipienții farmaceutici să intervină în cinetica de eliberare controlată a componenților activi.

Lentilele din silicon-hidrogel au devenit foarte populare în rândul purtătorilor de lentile de contact, ceea ce a dus la crearea de lentile din acest material pentru aproape toate tipurile de corecție a vederii. În prezent anumite tipuri de lentile din silicon-hidrogel sunt recomandate chiar și în calitate de pansamente oculare în tratarea leuziunilor minore de la nivelul corneei, senzației de ochi uscat, fiind recomandate în special pentru cei care petrec mult timp în fața calculatoarelor.

Lentilele din silicon-hidrogel sunt lentile moi, foarte subțiri, permit o oxigenare superioară a ochiului (chiar și în condițiile de port continuu) și au o suprafață de aderență redusă, ceea ce împiedică depunerile proteice.

Ca și aplicabilitate generală în medicină polidimetilsiloxanul poate fi întâlnit în: siliconizarea acelor și siringilor, lubrifierea anumitor echipamente medicale, excipienți pentru formulări topice, compoziți pentru protejarea pielii, medicamente, fixații temporare a dipozitivelor pe piele ( catetere, perucă ), pelicule, sistem transdermic de livrare de medicamente, interfața rănii ( pansament non aderent ), izolatori electrici, adeziv medical de etanșare, matrice moale pentru eliberarea medicamentului, material moale și rezistent pentru dispozitive medicale, biocompatibilitate recunoscută pentru implanturi umane ( pacemakere ).

Capitolul 5

Tehnologia de obținere a eșantioanelor din PDMS

5.1 Obiecte și substanțe necesare

Pentru a obține PDMS-ul cu care vom lucra avem nevoie de cele două substanțe principale și anume prepolimerul și agentul de întărire pe care le procurăm din spațiul de depozitare. Prepolimerul îl găsim într-o cutie metalică de un 1 kilogram, iar agentul de întărire se află într-o sticlă de 100 grame. În ( Fig. 5.1) se observă cele 2 componente principale folosite.

Fig. 5.1 Substanțele principale folosite, PDMS-ul și agentul de întărire.

După ce am scos din frigider cele 2 substanțe pentru a realiza amestecul mai avem nevoie de o seringă de 5 ml ( Fig. 5.2 ) pentru a putea adăuga agentul de întărire, un pahar de plastic de 100 ml ( Fig. 5.3 ) în care se vor amesteca cele 2 substanțe și un bețișor pentru omogenizare.

Fig. 5.2 Seringă de 5 ml utilizată.

Fig. 5.3 Recipient din plastic de 100 ml folosit la amestecare.

După ce am pregătit cele enumerate mai sus ( Fig. 5.5 ), mai avem nevoie de un cântar electronic de laborator și un calculator pentru determinarea cantității de substanță necesară ( Fig. 5.4 ).

5.2 Prepararea polidimetilsiloxanului

Pentru început se pornește cântarul de la butonul ON/OFF se așteaptă pentru a se calibra, după se pune paharul din plastic gol pe cântar și se calibrează din nou prin apăsarea butonului “TARE”. Urmează turnarea prepolimerului în pahar și cântărirea acestuia.

Fig. 5.4 Cântar electronic de laborator și calculatorul.

Pentru experiment cel mai des se folosește proporția 10:1 adică la 10 grame de prepolimer se va adăuga 1 gram de agent de întărire. Pentru diferite teste și în funcție de necesități se pot prepara și proporții precum: 20:1, 30:1, 40:1, 50:1 sau 70:1.

Cea de 10:1 are o structură tare și la aplicarea unor forțe pe suprafața eșantionului acesta se opune deformării. Eșantioanele cu rația de 40:1, 50:1 sau 70:1 sunt foarte moi și ușor deformabile și acestea trebuie păstrate în matrița ( plăci cu godeuri ) în care au fost modelate pentru întărire iar datorită maleabilității și tendinței de rupere, ele nu pot fi dezlipite de pe matriță.

Este foarte important să respectăm proporția pentru ca rezultatul să fie cel dorit, topografia suprafeței să fie una normală fără malformații și să se păstreze proprietațiile materialului. Datorită acestui fapt eșantionul trebuie să respecte cu strictețe standardele.

Fig. 5.5 Pregătirea celor necesare pentru prepararea PDMS-ului.

Cele 2 substanțe sunt amestecate, iar în timpul acestui proces se vor forma bule de aer care trebuie eliminate din amestec, pentru a se evita apariția lor în compoziția eșantionului solid. Pentru acest lucru se va utiliza o pompă de vidat și un bol din dotarea laboratorului ( Fig. 5.6 și Fig. 5.7 ). Presiunea din interiorul incintei va fi de 90 MPa.

Fig. 5.6 Pompa pentru vidare și bolul.

Fig. 5.7 Bolul în care se gasesc paharele cu substanța.

La sfârșitul acestui proces PDMS-ul e gata pentru a putea fi turnat pe diferite suprafețe pentru teste de laborator ( Fig. 5.8 ) sau matrițe ( Fig. 5.9, Fig. 5.10, Fig. 5.11 și Fig. 5.12) și cutii de aluminiu ( Fig. 5.13 ) pentru a obține eșantioanle.

Fig. 5.8 Plăcuță din metal gravată.

Fig. 5.9 Matriță utilizată pentru eșantioane – vedere de sus.

Fig. 5.10 Matriță utilizată pentru eșantioane – vedere din lateral.

Fig. 5.11 Plăci cu godeuri utilizate. [9]

Fig. 5.12 Stocare eșantioane în matriță cu diametrul de 10 mm.

Fig. 5.13 Cutii din aluminiu.

După ce PDMS-ul a fost turnat, trebuie verificat ca în timpul acestui proces să nu se mai fi format bule de aer, în cazul în care acestea apar trebuie eliminate. PDMS-ul urmează a se introduce în cuptorul încălzit în prealabil ( Fig. 4.14 ).

Avem două variante și anume, cuptorul poate fi încălzit la 70 ºC iar PDMS-ul ținut 4 h sau la 80 ºC pentru 3,5 h. Nu trebuie să se depășească limitele orare deoarece dacă se va ține mai mult în cuptor, eșantioanele se vor întări prea tare și nu se va mai putea continua experimentul pe ele.

Fig. 5.14 Cuptor pentru întărirea PDMS-ului.

Fig. 5.15 Eșantioanele obținute.

După ce am scos din cuptor PDMS-ul îl desprindem de matriță cât acesta e cald. După ce se răcește PDMS-ul rezultat este tăiat sub formă de cerc cu diametrul de 10 mm și cu o greutate aproximativ 1 mg ( Fig. 5.15 ). Eșantioanele obținute o să urmeze să fie trecute printr-o serie de procese chimice esențiale pentru cultura de celule.

5.3 Curățarea suprafețelor eșantioanelor

Eșantioanele se verifică fiecare separat, se marchează printr-o zgâriere pe partea inferioară care este mată. Se vor lucra pe partea superioară transparentă și foarte fină. Pentru prima etapă în curățarea eșantioanelor avem nevoie de un pahar Berzelius ( Fig. 5.16 ), etanol, apă distilată ( Fig. 5.17 ), aparat pentru baie ultrasonică ( Fig. 5.18 ) și aparat pentru producerea apei distilate ( Fig. 5.19 ).

Aparatul pentru baie ultrasonică este compus din recipientul metalic din oțel inoxidabil de dimensiune 30x15x15 cm, un timer cronometric până la 20 de minute și un coș perforat pentru a pune pe el ceea ce dorim a curăța. Are un volum de 1,2 litri, lucrează la frecvența de 45 kHz, temperatura de încălzire de la 20º la 80º C.

Baia de laborator este folosită pentru încălzirea indirectă prin intermediul apei sau uleiului la diferite temperaturi de încălzire sau de fierbere pentru concentrare, mineralizare, evaporarea solvenților, incubare sau inactivarea culturilor celulare și încălzirea probelor în laboratoarele medicale și de analize fizico-chimice. ( Fig. 5.18 )

Fig. 5.16 Pahar Berzelius.

Fig. 5.17 Sticle cu substanțe chimice utilizate, diferența între ele făcându-se după culoarea capacului.

Fig. 5.18 Aparat folosit pentru baia ultrasonică.

Fig. 5.19 Aparat pentru producerea apei distilate și locul pentru curățarea și sterilizarea obiectelor din laborator utilizate.

Curățarea eșantioanelor începe cu punerea acestora într-un pahar Berzelius și adăugarea etanolului, paharul va fi acoperit cu staniol și legat cu film pentru evitarea evaporării. Procesul va dura 10 minute, în aparatul cu baie ultrasonică, în cuva acestuia regăsindu-se apă.

După aceea eșantioanele se spală de 3 ori cu apă distilată după care în paharul Berzelius punem PDMS-ul și apă distilat și le introducem în baia ultrasonică pentru alte 10 minute. În urma acestui proces, de pe suprafața PDMS-ului au fost îndepărtate toate depunerile și particulele de mizerie.

Uscarea eșantioanelor se făcea tradițional prin introducerea acestora în cuptor pentru câteva minute la o temperatură de 30-40 ºC pentru cateva minute, dar această metodă nu era fiabilă din pricina tratamentului termic.

S-a observat însă că uscarea se poate face și cu nitrogen, acest proces fiind unul foarte scurt iar eșantioanele nu mai suferă noi modificări în structură fiindcă nu au fost introduse în cuptor.

După ce eșantioanele au fost uscate ele se pun într-un loc steril, curat pentru depozitare până acestea vor trece la următoarea etapă și anume la tratamentul chimic al suprafeței.

De acum cu eșantioanele se va lucra cu mare grijă pentru a li se păstra suprafața cât mai curată pe toată perioada tratamentului chimic ( Fig. 5.20 ).

Fig. 5.20 Diferite substanțe chimice utilizate.

În imagine este prezentat dulapul în care se depozitează substanțele chimice pentru utilizarea în laborator. Ușile dulapului se mențin închise, ele se închid etanș, iar temperatura este situată între 15º și 18 ºC. Dintre aceste substanțe am utilizat etanolul, apa, recipiente în care se va depozita etanolul folosit și destinat acum reciclării și cele 2 substanțe pentru prepararea PDMS-ului.

Capitolul 6

Rezultate, procedee și aparaturĂ folosită

6.1 Tratamentul cu plasmă de oxigen

Un american, Irving Langmuir, a fost cel care a utilizat prima dată cuvântul "plasma" pentru a descrie gazul ionizat în 1927. Activarea plasmei și gravura ei pot creste aria de energie și de suprafață astfel încât materialul plastic se poate lega mai bine cu alte materiale sau materiale plastice. Pentru materiale plastice, gazul atmosferic sau oxigenul sunt frecvent utilizate în procesul de curățare cu plasmă. Acoperirea cu plasmă poate fi de asemenea utilizată pentru a îmbunătăți estetica sau pentru a proteja materialul

Plasma este un gaz ionizat parțial, în care o anumită cantitate de electroni și ioni sunt mai degrabă liberi decât legați de un atom sau moleculă. Această metodă de tratament a suprafeței este de departe metoda cea mai frecvent utilizată pentru modificarea suprafeței PDMS-ului. Astăzi proprietatea de a fi hidrofilă a suprafeței a fost îmbunătățită. Unghiul de contact cu apa a scăzut de la 112 ° C pentru PDMS-ul pur la 70 ° pentru PDMS-ul tratat.

Curățarea cu plasmă implică îndepărtarea impurităților și a contaminanților din suprafețe prin utilizarea unei plasme energetice sau a plasmei de descărcare cu barieră dielectrică (DBD) creată din specii gazoase. Sunt folosite gaze cum ar fi argonul și oxigenul, precum și amestecuri cum ar fi aer – hidrogen / azot. Plasma este creată folosind tensiuni de înaltă frecvență (kHz> MHz) pentru a ioniza gazul de joasă presiune (de obicei, în jurul 1/1000 presiune atmosferică), deși plasmele cu presiuni atmosferice sunt , de asemenea, frecvent folosite acum.[37]

După tratament, unghiul de contact al unei picături de apă este crescut lent rămând mai mic decat valoarea sa pe suprafața netratată.

O problemă în microfabricația vaselor din sticlă / polidimetilsiloxan (PDMS) este absența unui studiu bine definit despre puterea de legare dintre suprafețele care formează aceste canale. Deși cele mai multe dintre lucrările de cercetare menționează utilizarea plasmei cu oxigen pentru a dezvolta legături chimice de siloxan între suprafețele participante, dar ele definesc doar un anumit set de parametri, adaptați la o configurare specifică.

Găsim că schimbările capacității de înmuiere a suprafețelor cauzate de diferitele niveluri de expunere plasmatică pot fi un parametru util pentru a evalua rezistența legăturii. Am obținut o bună corelare între unghiul de contact al apei deionizate (o măsură directă a capacității de înmuiere) pe PDMS și suprafețelelor de sticlă bazate pe diferite dozaje sau tratate cu plasmă de oxigen.

Echipamentul utilizat pentru tratarea suprafețelor cu plasmă de oxigen este AP-600 de la Nordson MARCH ( Fig. 6.1 ) conceput pentru a oferi un tratament și o excepțională curățare uniformă cu plasmă acesta fiind de neegalat în ceea ce privește funcționarea, fiabilitatea și costurile reduse.

Aparatul este autonom și necesită spațiu minim de depozitare. Șasiul sistemului adăpostește camera de plasmă, panoul electric de control, generatorul RF 13.56 MHz și rețeaua de ajustare automată (numai pompa de vid este externă sistemului). Accesul de întreținere se face prin panouri detașabile. Camera plasmei este construită din aluminiu de înaltă calitate având o durabilitate superioară. Camera plasmei suportă până la 7 rafturi detașabile și reglabile pentru a se potrivi unei game largi de piese, componente, tăvi și altor obiecte.[37]

Fig. 6.1 Aparatul cu plasmă de oxigen.

AP-600 aparat cu plasmă este potrivit pentru o mare varietate de curățare cu plasmă, aplicații pentru activarea suprafeței și de îmbunătățire a adeziunii. Aceste proprietăți sunt folosite pentru fabricarea de semiconductori, ambalarea microelectronicelor, precum și de către producătorii de dispositive medicale.

Aparatul poate găzdui o gamă largă de gaze de proces, inclusiv argon, oxigen, hidrogen, heliu și gazele fluorurate. Modelul deține două regulatoare de debit electronic pentru control optim de gaz, și încă două disponibile opțional.[37]

6.1.1 REZULTATE OBȚINUTE

Oxidarea PDMS-ului folosind plasmă, schimbă chimia suprafeței de PDMS și produce terminale de silanol (SiOH) pe suprafața sa ( Fig. 6.2 ). Acest lucru ajută PDMS –ul sa fie hidrofil timp de treizeci de minute. Acest proces, de asemenea, face ca suprafața să fie rezistentă la absorbția moleculelor hidrofobe și încărcate negativ.

Chiar dacă suprafața PDMS-ului este oxidată cu plasmă sau nu, aceasta nu permite apei, glicerolului, metanolului sau etanolului de a se infiltra și de a-l deforma. Astfel este posibil să se utilizeze PDMS-ul cu aceste fluide fără teama de deformare a microstructurii. Cu toate acestea, PDMS-ul se deformează și se umflă în prezența dizopropilaminei, cloroformului și într-o măsură mai mică în prezența acetonei, propanolului și piridinei.

Fig. 6.2 Formarea terminațiilor de silanol pe suprafața PDMS-ului.[37]

În urma tratamentului proprietatea suprafeței PDMS-ului se schimbă din hidrofobă în hidrofilă, astfel permițând lichidelor cu care va intra în contact direct să se împrăștie pe suprafața lui. Tratamentul cu plasma de oxigen durează 4-5 minute, iar procesul efectiv 60 de secunde. La acest procedeu în incintă pot fi introduse atâtea eșantioane cât ne permite spațiul și toate vor fi tratate la fel.

6.2 Tratamentul cu ozon

Tratamentul cu ozon pe suprafața PDMS-ului a fost realizat într-o cameră specială cu ajutorul aparatului UVO Jelight Company, Inc., modelul 42 ( Fig. 6.3 ).

Fig. 6.3 Aparat pentru tratamentul cu ozon al suprafeței.

Tratamentul UVO este un proces de oxidare fotosintetică în care moleculele de materialului tratat sunt excitate și / sau disociate prin absorbția radiației UV cu lungime scurtă de undă. Oxigenul atomic este generat în acelasi timp când oxigenul molecular este disociat de λ1 = 184.9 nm și ozonul prin λ2 = 253,7 nm. Radiația de 253,7 nm este absorbită de majoritatea hidrocarburilor și de asemenea, de ozon.

6.2.1 Rezultate obținute

Conversia polisiloxanului reticulat către SiOx a crescut o dată cu expunerea la UV – ozon și cu ajutorul agentului reticulat, iar suprafața posedă astfel conversia cea mai mare. Formarea unui strat de SiOx a crescut rugozitatea suprafeței dar i-a scăzut unghiul de contact cu apa.

Măsurătorile de permeabilitate la gaz cu privire la expunerea UV- ozon, membranele de PDMS au arătat interesante proprietăți asupra separării gazului: permeabilitatea O2 din cadrul PDMS-ului reticulat după expunerea la UV – ozon era de 777 bar și selectivitatea O2/N2 era de 1.9. După expunerea la UV- ozon permeabilitatea a scăzut la 127 bar în timp ce selectivitatea a crescut la 5.4.

Presiunea, temperatura și umiditatea relativă din incintă sunt menținute la valorile de 1 atm, 20ºC și respectiv 50–60%. În urma tratamentului s-au format numeroase grupuri hidrofilice de -OH pe suprafața PDMS-ului. Densitatea materialului initial era la 5 nm, regiunea care a fost cea mai afectată de tratamentul cu ozon, densitatea a crescut 50 % ceea ce face ca acesta să fie mai bun din punct de vedere hidrofilic.

Față de tratamentul cu plasmă de oxigen acesta durează în jur de 13 minute, iar procesul efectiv 10 minute. Marele dejavantaj este că în incintă poate fi introdus un singur eșantion de PDMS astfel acest proces devine unul de durată.

6.3 Tratarea suprafeței PDMS-ului cu substanțe chimice

APTES, 3-aminopropyltriethoxysilane ( Fig. 6.4 ) este un compus frecvent utilizat în procesul de silanizare. Aminele sunt compuși organici care conțin în molecula lor grupa amino (-NH2) legată de un radical hidrocarbonat.[38]

Fig. 6.4 Structura chimică APTES. [38]

APTES poate fi folosit la formarea legăturilor covalente între termoplastice și PDMS. Termoplasticele sunt tratate cu plasmă de oxigen pentru activarea moleculelor de suprafață și ulterior acoperite cu o soluție apoasă de APTES cu o concentrație de 1%. PDMS-ul este tratat cu plasmă de oxigen și pus în contact cu suprafața activată termoplastic. ( Fig. 6.5 )

Fig. 6.5 Tratarea PDMS-ului cu APTES.[38]

Un astfel de proces în realizarea atașării covalente stabile a mai multor proteine a fost raportat în aplicații cum ar fi imunotestele. Cu toate acestea, utilizarea acestei suprafețe modificate chimic de PDMS, a fost făcut pentru a stabiliza adeziunea celulelor și ca suport în proliferarea celulară și este încă în curs de investigare.

APTES este un compus toxic. Inhalarea APTES-ului are efect distructiv pentru membranele mucoase și pentru tractul respirator superior și ar trebui să fie utilizate într-o nișă folosind mănuși. Dacă nu există o nișă, este recomandată utilizarea unei măști de protecție. Organele afectate prin inhalarea APTES-ului sunt nervii, ficatul și rinichii.[38]

6.3.1 Rezultate obținute în urma supunerii la tratamentul chimic

Substanțele folosite sunt substanțe acide, iar în marea parte a experimentelor am utilizat APTES, dar pentru diferite teste am utilizat și MPTS. APTES a arătat că modifică cel mai bine suprafața și oferă o excelentă atașare a mai multor proteine, testele fiind încă în curs de derulare.

Prin tratarea cu APTES pe suprafața PDMS-ului s-au format grupări cu terminații de NH2 iar prin tratarea cu MPTS se formează grupuri de SH2. După tratarea cu aceste substanțe suprafața PDMS-ului trebuie să devină hidrofilică, adică picătura de apă să se împrăștie pe suprafața lui. Unghiul de contact trebuie să scadă de la 104º la o valoare în jur de 60º.

Timpul în care substanța poate sta în contact cu PDMS-ul este de 30 minute, 1, 3, 6, 12 și 24 de ore. S-a arătat că atunci când substanța actionează asupra PDMS-ului 3 ore, acesta are cele mai bune caracteristici de suprafață pentru cultura de celule.

6.4 Caracterizarea suprafeței

Caracterizarea suprafeței PDMS-ului se poate face prin supunerea acestuia la diferite teste și analize în urma cărora putem determina dacă materialul poate fi folosit în culturi de celule. În continuare va fi prezentată analiza suprafeței și rezultatele obținute în urma acesteia.

6.4.1 Măsurarea unghiului de contact

Măsurarea unghiului de contact este folosită la determinarea proprietățiilor tipului de suprafață hidrofobică. Potrivit lui Kwok și Neumann măsurarea unghiului de contact poate fi realizată prin stabilirea tangentei unghiului de la o picătură de lichid cu o suprafață solidă ca bază (Fig. 6.6 ).

Fig. 6.6 Măsurarea unghiului de contact. [39]

Unghiul de contact (Ɵ) poate fi calculat cu ecuația lui Young:

(6.1)

unde: ylv, ysv, ysl – tensiunea de suprafață interfacială pe lichid – vapor, solid – vapor și solid – lichid respectiv limita de fază.[39]

Fig. 6.7 Echipamentul utilizat pentru determinarea unghiului de contact.

Unghiul de contact măsurat pentru picătura de apă a fost realizat între suprafața polimerului și aceasta. O picătură de 0.05 mL a fost pusă cu ajutorul unei seringi fixe, cu filet și au fost realizate poze cu ajutorul unei camere de mare viteză pentru observarea rezultatului ( Fig. 6.7 ). Camera fiind legată la computer, cu ajutorul unui soft specializat denumit ImageJ, s-au putut interpreta imaginile și afla unghiul de contact. [39]

Hidrofobia este conceptul care constă în respingerea apei a unor molecule. Deoarece apa este formată din molecule polare ( H2O ), moleculele hidrofobe tind să fie nepolare. Lipidele, cum ar fi grăsimile, ceara și vitaminele sunt substanțe hidrofobe bine-cunoscute. Unghiului de contact este unghiul θ între o picătură de apă (cu un diametru predefinit) la limita a trei faze între lichid, gaz și solid.

De obicei, unghiul de contact al unei picături de apă pe o suprafață normală de sticlă este de aproximativ 20-30 °. Suprafețele sunt numite hidrofobe dacă unghiul de contact dat de o picătură de apă este mai mare de 85 °.

6.4.1.1 Interpretare și rezultate

Așa cum am prezentat mai sus determinarea unghiului de contact al PDMS-ului cu apa determină tipul suprafeței și dacă tratamentul chimic a fost corect efectuat. Tipul suprafeței de care avem nevoie este cel hidrofil pentru a putea ca celulele să se întindă și să se dezvolte pe suprafața PDMS-ului. Unghiul de contact ideal este în jurul valorii de 60º cu ± cel mult 4º.

Fig. 6.8 Interpretarea imaginilor în soft-ul specializat.

În figură ( Fig. 6.8 ) se poate observa cum picătura de apă a fost depusă pe suprafața PDMS-ului iar acesta stă sub formă de cerc și are un unghi de 115º. Stratul superior prezintă proprietatea hidrofobică, astfel picatura neputându-se împrăștia pe suprafața PDMS-ului.

Fig. 6.9 Diferitele tipuri de suprafețe și unghiurile de contact ale apei cu aceasta.

În Fig. 6.9 se poate observa că în funcție de tipul suprafeței și al distanței dintre moleculele PDMS-ului, picătura de apă se manifestă pe suprafață. Dacă distanțele sunt mari atunci ea se întinde, calitatea suprafeței fiind hidrofilă, iar în caz că distanțele sunt mici picătura tinde să iși păstreze o formă de cerc.

6.4.2 XPS

Spectroscopia fotoelectronică cu raze X (XPS) este o tehnică care măsoară compoziția elementară a părților, formula empirică, starea chimică și starea electronică a elementelor care există în cadrul unui material. Spectrele XPS se obțin prin iradierea unui material cu un fascicul de raze X, simultan măsurându-se energia cinetică și numărul de electroni proveniți de la suprafața materialului analizat, adâncimea iradierii fiind de la 0 la 10 nm.

Energia cinetică a electronilor emiși poate fi descrisă de relația

E cinetica = hν-(Elegatura + φ) 6.2

unde: φ este potențialul de extracție a electronului.

Cele mai utilizate surse sunt cele care furnizează radiația Mg Kα cu hv = 1253.6 eV sau Al Kα cu hν = 1486.6 eV. Electronii fotoemiși vor prezenta energii cuprinse între 0=1253 eV, respectiv 0=1486 eV. Un spectru XPS tipic este o înregistrare a numărului de electroni (axa Y) în funcție de energia de legătură a electronilor detectați (axa X).[37]

Valoarea exactă a energiei de legătură a electronilor depinde de nivelul de la care apare fotoemisia dar și de starea de oxidare a atomului, de chimia locală și de vecinătatea fizică. Modificări ale acestora din urmă conduc la mici deplasări în poziția picăturilor din spectru numite deplasări chimice. Fitarea liniilor XPS se realizează cu ajutorul unor programe de calcul cum ar fi XPSPEAK41.

XPS necesită condiții de vid înalt (P ~ 10-8 milibari) sau ultra înalt (UHV P <10-9 milibari) deși o zonă propice de dezvoltare este presiunea ambiantă, în care probele sunt analizate la presiuni de câteva zeci de milibari.

Absorbția de proteine și de 3-APTES a suprafeței fost confirmată prin analiza compoziției azotului și oxigen cu un spectrometru fotoelectronic cu raze X. Când a atins limita superioară nitrogenul ( azotul ) atunci când este existent un strat de 3-APTES, iar semnalul devine mai puternic cu adsorbția proteinei pe stratul 3-APTES.[37]

6.3.2.2 Rezultate obținute

Deoarece fiecare element are un set unic și obligatoriu de energii, XPS poate fi utilizat pentru a identifica elementele de pe suprafață cum ar fi:

O (1s) – pentru oxizii metalici binari, limita variază între 1 -1.4 eV

C (1s) – pentru hidrocarburi, limita variază între 1 – 1.4 eV.

Valorile deplasărilor chimice depind de gradul de polimerizare a legăturii electronice între atomii învecinați.

Sursa de energie la care s-a realizat scanarea este 1486,6 eV, la dimensiunea de 0.6 X 0.6 mm, cu unghiul de incidență de 57.6º, iar cel de emisie de 14.7º realizându-se în timpul total de 960s.

Fig. 6.10 Rezultate în urma spectroscopiei fotoelectronice cu raze X.

În figură ( Fig. 6.10 ) ne este prezentat un grafic în care se evidențiază elementele chimice de la suprafața PDMS-ului. Oxigenul și carbonul se regăsesc pe primul strat de electroni, în timp ce siliciul se găsește pe stratul 2 cu valorile 2s și 2p.

Fig. 6.11 Rezultate în urma spectroscopiei fotoelectronice cu raze X.

În cel de al 2-lea grafic ( Fig 6.11 ) se poate evidenția prezența azotului pe primul strat de electroni în jurul valorii de 400 eV. Suprafața a fost modificată cu APTES înaintea tratării.

6.3.3 Spectroscopie în infraroșu cu transformată Fourier (FT-IR)

Radiațiile infraroșii având lungimi de undă mari și energii mici nu pot produce tranziții electronice dar pot produce tranziții de vibrație și de rotație ale moleculelor. Pentru obținerea spectrelor în IR se utilizează spectrometrul cu care se stabileste radiația absorbită de o moleculă de analit, radiație care dispare din fasciculul complex al radiației incidente.

Spectrul IR se prezintă ca intensitatea spectrului în funcție de frecvența ṽ, numărul de undă sau lungimea de undă gama y. Intensitățile benzilor pot fi exprimate fie ca transmitanță (T), fie ca absorbanță (A).

Pentru acest test s-a utilizat spectrometrul FT-IR VERTEX 70 ( Fig 6.12 ), care are domeniul spectral standard de 8000 – 350 cm-1, cu rezoluția de 0,4 cm -1, având precizia numărului de undă: 0,01 cm-1 și acuratețea acestuia de 0,01 cm -1. Raportul semnal – zgomot este de 50.000:1 de la vărf la vărf sau 250.000 RMS în domeniul spectral 2100 – 2000 cm -1. Interferometru permanent aliniat, cu optica acoperită cu aur și pachet software OPUS creat pentru biblioteci personalizate și căutare în biblioteci de spectre sau biblioteci spectrale IR pentru: fibre naturale (480 spectre), coloran și pigmenți (1470 spectre).[38]

Fig. 6.12 Echipament pentru FTIR.

Spectrometrul este dotat cu un microscop IR HYPERION 1000 și cu un microscop trinocular tip Nikon, domeniu spectral standard fiind 7.000 – 600 cm -1, cu obiective: 4x, 15x, 40x și obiectiv ATR (reflexie totală atenuată ) cu cristal de Ge și senzor integrat de presiune.

Optica de iluminare IR și vizibil pentru analize în transmisie, rezoluție spațială: de 8 μm și acuratețe ajustabilă 0,1 μm. Detector MCT de 12.000 – 600 cm-1 este răcit cu azot lichid, raportul de semnal – zgomot fiind de 6.500:1 vârf la vârf. Acesta este dotat și cu un pachet software pentru măsurători interactive. [38]

6.3.3.1 Rezultate obținute

FTIR combină tehnici de interferometrie optică, laser și metrologie de procesare a semnalului digital.

O slăbiciune a FTIR este cererea severă de aliniere, stabilitate și exactitate a scanării interferometrului Michelson. Design-ul optic și procedurile de control au depășit în mare măsură această slăbiciune. Acum FTIR poate fi justificată nu numai pentru sensibilitatea sa mare, ci și pentru gradul ridicat de reproductibilitate și stabilitate, care permite analiza aplicației solicitate cantitativă a FTIR.

Fig. 6.13 Rezultatele în urma testării FTIR.

Rezultatele în urma testării ( Fig. 6.13 ) cu FTIR, spectrul PDMS-ului se prezintă astfel. Vârfurile PDMS-ului se află la 789–796 cm-1 (−CH3 balează și Si-C se îngustează spre Si-CH3), 1020–1074 cm-1 (Si-O-Si se îngustează), 1260–1259 cm-1 (CH3 se deformează în Si-CH3), și 2950–2960 cm-1 (asimetric cu CH3 îngustându-se în Si-CH3).

6.3.4 Scanarea microscopică cu electroni a suprafeței

În microscopia electronică de scanare (scanning electron microscopy, SEM), suprafața probei este scanată cu un fascicul îngust de electroni iar semnalele generate de interacțiunea cu proba se înregistrează și formează o imagine a suprafeței. Cu ajutorul acestei tehnici se pot obține informații legate de morfologie, topologia suprafeței și compoziția chimică elementală.

Probele examinate în SEM trebuie să fie conductoare electric, altfel ele se încarcă electrostatic. Pentru a evita acest fenomen, probele neconductoare se metalizează (Ag cu o grosime de ordinul a sute de Å). Detectarea și procesarea radiației X emise de probă de un spectrometru de dispersie a energiei radiației X, EDX sau EDS (Energy Dispersive Spectrometer), permite efectuarea analizei chimice elementale a probelor. Determinarea cantitativă a compoziției chimice presupune existența unor etaloane. Prin prelucrarea semnalului de radiație X se pot obține hărțile de distribuție a elementelor chimice pe suprafața probei.[36]

SEM reprezintă microscop electronic cu scanare ( Fig. 6.14 ). SEM este un microscop care folosește electroni în loc de lumină pentru a forma o imagine. A permis cercetătorilor să examineze o varietate mult mai mare de exemplare. Microscopul electronic de scanare are multe avantaje față de microscoapele tradiționale el având magnifierea de circa 250 de ori mai mult decât limita de mărire a celor mai puternice microscoape cu lumină.

SEM are o adâncime mare de câmp, care permite mai multor specimene de a fi în centrul atenției la un moment dat. SEM are, de asemenea rezoluție mult mai mare, astfel încât probele aflate la distanțe mici poate fi amplificate la niveluri mult mai ridicate. Deoarece SEM utilizează electromagneți, mai degrabă decât lentilele, cercetătorul are mult mai mult control în gradul de mărire. Toate aceste avantaje, precum imagini izbitor de clare si reale, fac scanarea microscopică cu electroni una dintre cele mai utile instrumente de cercetare din ziua de azi.[36]

SEM este un instrument așa cum se poate vedea în care produce o imagine mărită în mare măsură prin utilizarea de electroni în loc de lumină pentru a forma o imagine. Un fascicul de electroni este produs în partea de sus a microscopului de un tun de electroni. Fasciculul de electroni urmează o traiectorie verticală prin microscop, care are loc într-un vid. Raza trece prin câmpuri și lentile electromagnetice, care așează fasciculul in jos, spre eșantion. Odată ce fasciculul loveste proba, electronii și razele X sunt ejectate din eșantion. [40]

Fig. 6.14 Echipament SEM.

Detectoarele colectează aceste raze X, electronii retrodifuzați, și electronii secundari și le transformă într-un semnal care este trimis la un ecran similar celui de televizor. Aceasta produce imaginea finală.

La fel ca microscoapele optice, SEM utilizează lentile pentru a produce imagini clare și detaliate. Ele sunt realizate din magneți capabili sa indoaie traiectoria electronilor. Astfel, lentilele concentrează și controleaza fasciculul de electroni, asigurându-se că electronii ajung exact unde este nevoie.

Detectoarele scanează diferitele moduri in care fasciculul de electroni interacționează cu obiectul probei. Pot înregistra electronii secundari, care sunt electroni dislocati de pe suprafața exterioară a unui specimen. Aceste detectoare sunt capabile sa produca cele mai detaliate imagini ale suprafeței unui obiect.

Fără camera de vid SEM nu ar funcționa deoarece fasciculul de electroni generat de tunul de electroni ar întâlni interferențe constante de la particulele de aer din atmosferă. [40]

Prepararea probelor pentru scanare este una specială fiindcă SEM utilizează condiții de vid și folosește electroni pentru a forma o imagine. Toată apa trebuie îndepărtată din probe deoarece aceasta s-ar vaporiza în vid. Toate nemetale trebuiesc facute conducatoare acoperind proba cu un strat subtire de material conducator. Acest lucru se face prin utilizarea unui dispozitiv numit "dispozitiv de acoperire prin pulverizare catodică." ( Fig. 6.15 )[40]

Fig. 6.15 Dispozitiv pentru depunerea stratului conductiv.

Acest dispozitiv utilizează un câmp electric și gaz de argon. Eșantionul este plasat într-o cameră mică, care este la vid. Gazul de argon și un câmpul electric provoaca un electron să fie eliminat din argon, făcând atomii sa fie încărcați pozitiv. Ionii de argon apoi sunt atrasi de o folie de aur încărcata negativ. Ionii de argon elimina atomii de aur de la suprafața foliei. Acești atomi de aur cad și se fixeaza pe suprafața probei producand un stat subtire de aur.[40]

6.3.4.1 Rezultate obținute

Rezultatele obținute în urma scanării microscopice cu electroni sunt prezentate în figura ( Fig. ). Se poate observa structura topografică a PDMS-ului la diferite distanțe de magnifiere. Prima este magnificată de 40x la 5 kV distanța fiind de 500 µm. În dreapta sus magnifierea este de 250x tot la 5 kV și distanța de 100µm. În cea de a treia imagine magnifierea este de 500x iar distanța de 50µm și în cea de a patra imagine din dreapta jos magnifierea este de 1000x cu distanța de 20µm.

După cum se observă în imagine ( Fig. 6.16 ) PDMS-ul tinde să aibâ structura compusă din mai multe hexagoane. Pentru structura topografică să fie perfectă, toată suprafața ar trebui să fie formată din hexagoane, dar din pricina neregularităților și factorilor externi, pe suprafața PDMS-ului au apărut linii, sau alte forme care pot influența negativ atașarea celulelor pe suprafață. Se dorește ca suprafața să fie una perfecta.

Fig. 6.16 Rezultatele obținute în urma scanării SEM.

Avantaje scanării microscopice cu elctroni sunt:

cel mai important este magnifierea mult crescută față de microscoapele optice, de la 300.000 până la 2.000.000 de ori (HitachiS-5500)

moduri multiple de investigare de pe urma cărora se poate obține o gamă vastă de informații.

costul redus al procedeului

timp scurt de execuție

adâncime mare de camp.

Dezavantajele scanării microscopice cu elctroni sunt:

costul ridicat al aparaturii, sensibilitatea ridicată la diverși factori externi (câmpuri electromagnetice, vibrații)

faptul că unele probe cum ar fi țesuturile vii trebuie preparate în prealabil sau au nevoie de condiții speciale în timpul examinarii la microscop și, în unele cazuri, chiar nu pot fi studiate eficient cu ajutorul unui microscop cu electroni.

Capitolul 7

Protecția muncii în laborator

7.1 Riscuri datorate expunerii la agenți biologici

Organizația Mondială a Sănătății a arătat că riscurile biologice reprezintă o problemă extrem de importantă pe plan internațional. Astfel la locurile de muncă din unitățile sanitare s-a constatat că principalul factor de risc este cel legat de expunerea la agenți biologici.

În funcție de riscul biologic cei care lucrează în unitățile sanitare sunt cei mai frecvent expuși la agenți biologici din grupele 1, 2 și 3 care pot provoca îmbolnăviri profesionale. Bolile profesionale determinate de agenții biologici sunt boli transmise omului prin contactul cu surse de infecție sau infestație în timpul activității profesionale.

Agenții biologici sunt clasificati în 4 grupe de risc, în funcție de importanta riscului de infectie pe care îl prezintă:

a) grupa 1 cu risc infecțios individual sau comunitar scăzut sau absent

b) grupa 2 prezintă risc individual moderat, risc comunitar scăzut

c) grupa 3 prezintă risc individual ridicat, risc comunitar scăzut

d) grupa 4 cu risc individual și comunitar ridicat [41]

7.2 Norme de protecția muncii in laboratorul de chimie

Normele de protecția munci sunt impuse oricărui punct de lucru unde se găsește personal și unde există pericolul accidentării. Astfel în laboratorul s-au stabilit următoarele regului interioare:

1.Purtarea halatului alb, din bumbac, cu mậnecă lungă este obligatorie.

2.Substanțele chimice nu se gustă.

3.Mirosirea substanțelor se face prin antrenarea vaporilor cu mậna.

4.Nu se lucrează cu substanțe inflamabile în apropierea focului.

5.Resturile de substanțe toxice,caustice, inflamabile nu se aruncă la canal,ci se adună în vase speciale.

6.Diluarea acidului sulfuric se face turnậnd acidul în apă și nu invers.

7.Aparatele electrice nu se manipulează cu mậna udă.

8.Nu se schimbă dopurile flacoanelor între ele.

9.Experimentele se realizează numai în vase de laborator curate

10.Substanțele chimice nu se ating cu mậna.

11.Inainte de folosirea unui reactiv citește cu atenție eticheta.

12.La finalul activității experimentale se spală toate ustensilele de laborator folosite și securăță masa de lucru. [41]

7.3 Reguli în laborator

Regulile referitoare la laboaratoare cu – Nivel de biosiguranță 1 și 2, sunt cuprinzătoare și fundamentale pentru toate laboratoarele, indiferent de nivelul de biosiguranță.

7.3.1 Codul de practici

Acest cod prezintă reguli și proceduri pentru efectuarea în siguranță a operațiunilor în laborator.

Fiecare laborator deține o listă a celor mai importante practici și proceduri de laborator care stau la baza practicilor microbiologice corecte (good microbiological techniques = GMT) să adopte un manual de siguranță sau de operațiuni care să identifice pericolele cunoscute sau potențiale precum și procedurile și practicile specifice pentru eliminarea sau reducerea la minimum a acestor pericole.

GMT sunt fundamentale pentru siguranța activităților de laborator. Echipamentul special de laborator este un element suplimentar, care nu va putea însă niciodată să înlocuiască aplicarea procedurilor corecte. Cele mai importante concepte sunt enumerate mai jos. [41]

7.3.2 Accesul în laborator

Sigla internațională de avertizare și inscripția «Pericol biologic» (Fig. 7.1) trebuie să fie afișate pe ușile încăperilor unde sunt manipulate microorganisme aparținând grupului de risc 2 sau mai mare.

Fig. 7.1 Sigla internațională pentru avertizarea pericolului biologic. [41]

Numai persoanele autorizate vor fi lăsate să intre în zonele de lucru ale laboratorului, ușile acestuia trebuie să stea închise. Copiii nu trebuie autorizați sau lăsați să intre în zonele de lucru ale laboratorului, iar persoanele ce vor patrunde în interior trebuie să o facă numai pe baza unei autorizații speciale.

7.3.3 Protecția individuală a personalului

Salopetele de laborator, halatele sau uniformele, mănușile trebuie purtate tot timpul cât se lucrează în laborator dar este interzisă purtarea lor în afara laboratorului, de exemplu în cantine, camere de oficiu, biblioteci, toalete, etc. Încălțămintea decupată în partea din față (sandale) este improprie purtării în laborator.

Ochelarii de protecție, ecranele de protecție facială sau alte dispozitive de protecție trebuie purtate ori de câte ori este necesară protecția ochilor și a feței de stropi, obiecte impactante și surse artificiale de radiații ultraviolete.

Consumul de alimente, băuturi, machiajul și manipularea lentilelor de contact sunt interzise în zonele de lucru ale laboratorului de asemeni și depozitarea de alimente sau băuturi oriunde în zona de lucru a laboratorului este interzisă. [41]

7.3.4 Proceduri

Ca și proceduri în laborator este strict interzis pipetarea cu gura sau nici un material nu trebuie dus la gură și etichetele nu trebuie umezite cu limba înainte de lipire. Procedurile tehnice trebuie efectuate într-un mod care să reducă la minimum formarea de aerosoli și picături.

Folosirea acelor și seringilor hipodermice trebuie limitată. Ele nu trebuie folosite ca substituente ale dispozitivelor de pipetare. Toate stropirile accidentale și expunerile evidente sau posibile cu material infecțios trebuie raportate responsabilului laboratorului. Se va păstra o evidență scrisă a acestor accidente și incidente. Lichidele contaminate trebuie decontaminate (chimic sau fizic) înaintea evacuării lor în rețeaua de canalizare.

Se va elabora și aplica o procedură scrisă pentru curățarea-inactivarea substanțelor vărsate. Documentele ce urmează a fi scoase din laborator trebuie să fie protejate pe toată perioada cât se află în laborator, pentru a nu fi contaminate. [41]

7.3.5 Zone de lucru în laborator

În fiecare laborator sunt diferite zone de lucru cu specificul ei, dar trebuie ținut cont că în laborator trebuie păstrată curățenia și ordinea astfel eliminându-se toate materialele care nu sunt necesare pentru munca desfășurată în laborator.

Suprafețele de lucru din laborator trebuie decontaminate după fiecare vărsare de materiale potențial periculoase precum și la sfârșitul zilei de lucru. Ferestrele ce pot fi deschise trebuie prevăzute cu plase/ecrane pentru insecte.

Toate materialele contaminate, probele și culturile, trebuie decontaminate înainte de a fi îndepărtate sau curățate pentru refolosire. Ambalarea și transportul trebuie să respecte reglementările naționale și/sau internaționale în vigoare. [41]

7.3.6 Caracteristici de proiectare

În laborator pentru realizarea experimentelor trebuie asigurat un spațiu suficient pentru desfășurarea în siguranță a muncii de laborator și pentru curățenie și întreținere lui. Astfel pereții, tavanele și pavimentele trebuie să fie netede, ușor de curățat, impermeabile la lichide și rezistente la substanțele chimice și dezinfectantele folosite uzual în laborator.

Suprafața meselor de lucru trebuie să fie impermeabilă la apă, rezistentă la dezinfectante, acizi, baze, solvenți organici și la căldură. Iluminatul în laborator trebuie să fie adecvat pentru desfășurarea tuturor activităților. Reflexiile și strălucirile nedorite trebuie evitate.

Spațiile pentru depozitare trebuie să fie adecvate pentru materialele de folosință imediată, prevenind astfel aglomerarea acestora pe mesele de lucru și în spațiile libere dintre acestea. Trebuie, deasemenea, prevăzute spații suplimentare pentru depozitarea pe termen lung, localizate corespunzător în afara zonelor de lucru.

Ușile sunt menținute închise și marcate cu semne de pericol adecvate. Ele trebuie să aibă geamuri sau vizoare, să fie conforme cu normele de protecție contra incendiilor și, de preferat, să se închidă singure. Deșeurile potențial contaminate sunt colectate separat de restul deșeurilor.

Chiuvete cu apă curentă pentru spălarea mâinilor trebuie să existe în fiecare încăpere a laboratorului, preferabil lângă ușa de ieșire. Pentru Nivelul de biosiguranță 2 trebuie ca un autoclav sau alte mijloace de decontaminare să fie accesibile în imediata apropiere a laboratorului.

La proiectarea unui laborator sau spații noi trebuie luat în considerare asigurarea de sisteme mecanice de ventilație, care trebuie să asigure fluxul de aer direcționat spre interior, fără recirculare. În cazul în care ventilația mecanică lipsește, atunci ferestrele trebuie să se poată deschide și trebuie prevăzute cu plase împotriva pătrunderii insectelor.

Curentul electric care deserveste laboratorul, instituția, trebuie să fie o sursă sigură și adecvată, de asemeni și sistem de iluminare pentru situațiile de urgență care să faciliteze ieșirea din laborator trebue să fie verificat și reglementat de cei de la PSI.

În dotarea unităților este necesară prezența unui generator de rezervă pentru susținerea echipamentelor esențiale și anume incubatoare, hote de biosiguranță, congelatoare, etc.. [41]

7.3.7 Echipamente de laborator

Pocedurile și practicile corecte în utilizarea echipamentelor contribuie la reducerea riscului de accidentare sau deteriorare a echipamentului. Prin urmare s-au stabilit niște principii de bază legate de echipamentele utilizate în laboratoare.

Echipamentul aflat în laborator trebuie să fie conceput astfel încât să prevină sau să limiteze contactul dintre operator și materialul infecțios, să fie fabricat din materiale impermeabile la lichide, substanțe toxice și rezistente la coroziune și corespunzătoare ca structură. Ca și construcție el nu trebuie să prezinte asperități, margini ascuțite și părți mobile neprotejate.

Echipamentul trebuie să fie proiectat, construit și instalat pentru a facilita operarea simplă și întreținerea, curățarea, decontaminarea și testarea în vederea certificării, ori de câte ori este posibil, se va evita utilizarea sticlăriei și a altor materiale casante.

Tabelul de mai jos prezintă câteva tipuri de echipamente de protecție individuală folosite în laborator și protecția pe care o conferă. [41]

Tabel 7.1 Prezentarea echipamentelor de protecție. [41]

7.4 PRECAUȚII PRIVIND CONTACTUL CU DIFERITE SUBSTANȚE CHIMICE

Precauțiile standard stabilite sunt destinate reducerii riscului de infecție, contanimare cu agenți din laborator. Pentru colectarea, manipularea, etichetarea și transportul probelor în condiții de siguranță s-au stabilit urătoarele regului.

Se va lucra de fiecare dată cu mănuși de protecție. Acele clasice și sistemele cu seringă trebuie înlocuite cu dispozitive de unică folosință cu vid, acestea permiând recoltarea directă a sângelui în recipiente închise de transport sau de cultură și care fac imposibilă reutilizarea acului.

Tuburile trebuie plasate în containere speciale pentru transportul către laborator și în cadrul laboratorului.

După utilizarea substanțelor în urma unui experiment acestea trebuie puse la locul lor, sters bancul de lucru și curățată zona pentru a nu exista nici un risc de atingere a vreunei substanțe. Trebuie avută mare grijă asupra tuturor factorilor și posibilităților de inhalare, atingere sau contaminare în laborator. [41]

7.5 Accidente care se pot produce în laboratorul de chimie

În cadrul laboratorului pot surveni diferite accidente în urma unor neatenți a personalului sau a lucrului în laborator. Printre cele mai des întâlnite accidente în laboratoare putem avea intoxicațiile care pot fi acute ,prin pătrunderea în organism a unor cantități de substanță toxică pestelimita admisă sau cronice , când în organism se acumulează în timp, cantități de substanțe. Substanțele chimice pot pătrunde în organism prin : piele,tub digestiv,aparat respirator.

Un alt tip de accident foarte întâlnit sunt arsurile termice cu corpuri fierbinți sau chimice cu acizi și baze tari ,concentrate sau alte substanțe caustice.

Electrocutările și traumatisme produse prin tăieri, loviri, explozii pot fi alte tipuri de accidente. [41]

7.6 Primul ajutor în caz de accidente

În cazul intoxicațiilor cu diferite substanțe chimice cum ar fi bromul,clorul sau hidrogenul sulfurat se scoate accidentatul la aer, iar în cazul intoxicațiilor cu brom sau clor ,se inhalează amoniac sau vapori de apă. Dacă intoxicația a fost cu hidrogen sulfurat , se inhalează apă de clor diluată/soluție de clorurăde calciu.

În cazul ingerărilor de alcalii se folosește soluție acid acetic 3%, la ingerarea de acizi se folosește apă de var, la ingerare de iod se administrează făină sau amidon, la otrăvire cu săruri se administrează lapte sau albuș de ou.

În cazul arsurilor provocate de acizi, se spală locul cu multă apă și apoi se aplică o soluție de bicarbonat de sodiu 2%, în cazul arsurilor cu alcalii se spală locul cu multă apă și apoi se aplică o soluție de acid boric 2% sau acid acetic 1-2%. Dacă arsurile au survenit în urma atingeri cu brom se spală locul cu alcool sau soluție de tiosulfat de natriu 2%. Dacă arsura am fost una de tipul chimic la ochi se spală cu multă apă și se solicită ajutor medical. [41]