Elektrospinning av sol-gel-baserat bioaktivt glas och polymeren polylaktid
Viljamaa, Eveliina (2022)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022102863719
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022102863719
Tiivistelmä
Glas med vissa sammansättningar kan binda sig kemiskt med levande vävnader i människokroppen. Dessa glas kallas för bioaktiva glas. Detta fenomen om direkt bindning mellan dessa två materialtyper upptäcktes av professor Larry Hench år 1969. I kontakt med verklig eller simulerad kroppsvätska (SBF) sker en rad kemiska reaktioner på ytan av det bioaktiva glaset. Efter dessa kemiska reaktioner bildas på glasytan ett skikt av hydroxiapatit, HA, till vilket vävnad kan bindas. Sammansättningen och egenskaperna hos detta HA-skikt är mycket lika apatiten i benvävnaden.
Bioaktiva glas tillverkas antingen genom smältning eller genom sol-gel-vätskemetoden. En av fördelarna med sol-gel-framställda bioaktiva glas är att dessa glas har porös struktur. Porösiteten ger upphov till större total ytarea, vilket i sin tur påverkar glasets ytreaktivitet och nedbrytbarhet. En annan gynnande egenskap hos bioaktiva glas framställda med sol-gel-metoden från syntetiska kemikalier är att de ofta innehåller en lägre halt föroreningar i jämförelse med glas, som framställts genom smältning av typiska glasråvaror såsom kvartssand. Bioaktiviteten hos glas kan testas i laboratorieskala in vitro med simulerad kroppsvätska, SBF.
Ett ökat intresse för nanoteknologi har växt fram de senaste åren. Ett sätt att framställa nanofibrer är med hjälp av elektrospinning. Elektrospinningstekniken går ut på att man med hjälp av elektrostatiska krafter tillverkar tunna fibrer från polymerlösningar eller smältor. En elektrospinningsapparatur byggs upp av en högspänningskälla, en spruta med nål och en jordad samlingsplatta. Droppar av polymerlösningen utsätts för ett elektriskt fält vilket i sin tur leder till att det bildas en stråle av polymeren mellan nålen och kollektorn, dvs. samlingsplattan. Under processens gång förångas lösningsmedlet och det bildas en fibermatta av polymeren på kollektorn.
I denna avhandling framställdes nanofibrer av två olika polymerlösningar innehållande bioaktivt glas S53P4. Först tillverkades en polyvinylalkohol (PVA)-S53P4-lösning genom att använda sol-gel-metoden. Denna lösning spanns till fibernät med elektrospinningstekniken. Därefter värmebehandlades fibernäten för att erhålla nanopartiklar av S53P4. Dessa nanopartiklar av glas blandades med polylaktidlösning (PLA) och spanns ytterligare en gång till kompositfibernät (PLA-S53P4). Fibernätentestades in vitro i SBF. Fibernäten analyserades med ett svepelektronmikroskop kopplad till en energidispersiv röntgenanalys (SEM-EDX). Analysen gjorde både efter värmebehandlingen och efter inkubation i SBF.
Fibernätens struktur ändrades under värmebehandlingen från vita och böjliga till ljusbruna och sköra. EDX-analysen visade att sammansättningen hos de kalcinerade sol-gel-partiklarna avvek från den teoretiska sammansättningen hos S53P4 glaset, men var ändå inom sammansättningsområdet som visar bioaktivitet. SEM-analysen visade också att värmebehandlingen kunde utföras genom att sätta många fiberskikt ovanpå varandra utan att märkbart påverka fiberstrukturen.
SEM-EDX-analys gjordes för att studera fibenätens kemiska sammansättning efter in vitro-testet. Denna analys visade stor variation i sammansättningen hos fiberproven. Utgående från detta resultat kunde man inte dra slutsatser om bioaktiviteten hos fibernäten. Däremot visade resultatet att glas fanns med som en komponent i fibenäten. Molförhållandet för kalcium och fosfat (Ca/P) studerades också med hjälp av EDX-analyser. Dessa analyser påvisade inte tecken av hydroxiapatit på fibenäten.
Utgående från SEM-bilderna kunde man inte se någon märkbar skillnad hos fiberstrukturen. Fibertjockleken före och efter inkubationen hade inte heller signifikant ändrat. Under SEM-analysen kunde man upptäcka partiklar i fibernäten. Dessa antogs vara agglomererade glaspartiklar. Det är sannolikt att dessa partiklar varit täckta av PLA och därmed hade glaspartiklarna inte kunnat reagera eftersom de inte var i direkt kontakt med SBF.
Bioaktiva glas tillverkas antingen genom smältning eller genom sol-gel-vätskemetoden. En av fördelarna med sol-gel-framställda bioaktiva glas är att dessa glas har porös struktur. Porösiteten ger upphov till större total ytarea, vilket i sin tur påverkar glasets ytreaktivitet och nedbrytbarhet. En annan gynnande egenskap hos bioaktiva glas framställda med sol-gel-metoden från syntetiska kemikalier är att de ofta innehåller en lägre halt föroreningar i jämförelse med glas, som framställts genom smältning av typiska glasråvaror såsom kvartssand. Bioaktiviteten hos glas kan testas i laboratorieskala in vitro med simulerad kroppsvätska, SBF.
Ett ökat intresse för nanoteknologi har växt fram de senaste åren. Ett sätt att framställa nanofibrer är med hjälp av elektrospinning. Elektrospinningstekniken går ut på att man med hjälp av elektrostatiska krafter tillverkar tunna fibrer från polymerlösningar eller smältor. En elektrospinningsapparatur byggs upp av en högspänningskälla, en spruta med nål och en jordad samlingsplatta. Droppar av polymerlösningen utsätts för ett elektriskt fält vilket i sin tur leder till att det bildas en stråle av polymeren mellan nålen och kollektorn, dvs. samlingsplattan. Under processens gång förångas lösningsmedlet och det bildas en fibermatta av polymeren på kollektorn.
I denna avhandling framställdes nanofibrer av två olika polymerlösningar innehållande bioaktivt glas S53P4. Först tillverkades en polyvinylalkohol (PVA)-S53P4-lösning genom att använda sol-gel-metoden. Denna lösning spanns till fibernät med elektrospinningstekniken. Därefter värmebehandlades fibernäten för att erhålla nanopartiklar av S53P4. Dessa nanopartiklar av glas blandades med polylaktidlösning (PLA) och spanns ytterligare en gång till kompositfibernät (PLA-S53P4). Fibernätentestades in vitro i SBF. Fibernäten analyserades med ett svepelektronmikroskop kopplad till en energidispersiv röntgenanalys (SEM-EDX). Analysen gjorde både efter värmebehandlingen och efter inkubation i SBF.
Fibernätens struktur ändrades under värmebehandlingen från vita och böjliga till ljusbruna och sköra. EDX-analysen visade att sammansättningen hos de kalcinerade sol-gel-partiklarna avvek från den teoretiska sammansättningen hos S53P4 glaset, men var ändå inom sammansättningsområdet som visar bioaktivitet. SEM-analysen visade också att värmebehandlingen kunde utföras genom att sätta många fiberskikt ovanpå varandra utan att märkbart påverka fiberstrukturen.
SEM-EDX-analys gjordes för att studera fibenätens kemiska sammansättning efter in vitro-testet. Denna analys visade stor variation i sammansättningen hos fiberproven. Utgående från detta resultat kunde man inte dra slutsatser om bioaktiviteten hos fibernäten. Däremot visade resultatet att glas fanns med som en komponent i fibenäten. Molförhållandet för kalcium och fosfat (Ca/P) studerades också med hjälp av EDX-analyser. Dessa analyser påvisade inte tecken av hydroxiapatit på fibenäten.
Utgående från SEM-bilderna kunde man inte se någon märkbar skillnad hos fiberstrukturen. Fibertjockleken före och efter inkubationen hade inte heller signifikant ändrat. Under SEM-analysen kunde man upptäcka partiklar i fibernäten. Dessa antogs vara agglomererade glaspartiklar. Det är sannolikt att dessa partiklar varit täckta av PLA och därmed hade glaspartiklarna inte kunnat reagera eftersom de inte var i direkt kontakt med SBF.
Kokoelmat
- 116 Kemia [43]