Obtención, medición y comparación de nanohilos de policaprolactona (PCL) en solución con nanopartículas de Na 2 Ti 6 O 13 y halloysita mediante la técnica de electrohilado

Caracterización experimental de materiales y nanomateriales • Marzo 2015 • Práctica 6

Obtención, medición y comparación de nanohilos de policaprolactona (PCL) en solución con nanopartículas de Na2Ti6O13 y halloysita mediante la técnica de electrohilado L. Corona, A. Sigüenza, V. Ubici, E. G. Gómez, W. Ortega Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Departamento de Química, Campus Monterrey

04 de Marzo de 2015 Resumen Los nanohilos han mostrado un gran potencial en aplicaciones biomédicas tales como ingeniería de tejido, regeneración celular en heridas y liberación de fármacos, debido a su gran área superficial, poros de tamaño pequeño y gran porosidad. El electrohilado es un proceso de obtención de nanofibras en el cual un campo eléctrico fuerte es aplicado a una pequeña gota de polímero en solución saliendo de la punta de una jeringa, la cual actúa como uno de los electrodos. Esto conlleva a una deformación de la gota al punto que se expulsa un pequeño chorro desde la punta de la jeringa hasta el contra electrodo, lo que conduce a la formación de dichas nanofibras. El presente artículo presenta de manera clara los resultados obtenidos del proceso de electrohilado para PCL disuelto en cloroformo con nanopartículas (NP) de halloysita comparados contra los del mismo proceso pero usando como solvente cloroformo (CHCl3) y acetona (C3H6O) en 50-50 % en peso con nanopartículas de Na2Ti6O13, esto, con el objetivo de contrastar el uso de la concentración del solvente con el uso de distintas nanopartículas en nuestra solución y a su vez con los diámetros y calidad de los nanohilos obtenidos. La técnica de electrohilado fue satisfactoria, ya que logramos obtener andamios de tejidos nanocompuestos claramente observables en el microscopio estereográfico y con dos alineaciones distintas que pueden ser de gran utilidad en aplicaciones de ingeniería de tejido. Sin embargo no conseguimos un electrohilado con diferentes características considerando como parámetros los solventes de la disolución y las nanopartículas usadas.

Palabras clave: PCL, electrohilado, andamios, nanohilos, tejido, nanocompuesto

1.

Introducción

os nanohilos han mostrado un gran potencial en aplicaciones biomédicas tales como ingeniería de tejido [1], regeneración celular en heridas y liberación de fármacos, debido a su gran área superficial, poros de tamaño pequeño y gran porosidad [2]. La estimulación para el sanado de tejido depende de las propiedades fisicoquímicas de los biomateriales de andamio o scaffold (por la terminología en inglés), pero muy particularmente en su

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arquitectura, biocompatibilidad y biodegradación satisfactoria [6]. El electrohilado es un proceso en el cual un campo eléctrico fuerte es aplicado a una pequeña gota de polímero en solución saliendo de la punta de una jeringa, la cual actúa como uno de los electrodos. Esto conlleva a una deformación de la gota al punto que se expulsa un pequeño chorro desde la punta de la jeringa hasta el contra electrodo, lo que conduce a la formación de fibras continuas [1]. Conforme el chorro es expulsado debido a un desequilibrio 1

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por fuerza de coulumb, tensión superficial y fuerza viscoelástica este se elonga y se convierten en nanohilos conforme el solvente se va evaporando [5]. Investigación teórica ha demostrado que los efectos de la evaporación del solvente y el estiramiento determinan la estructura y propiedades mecánicas de las nanofibras [3].Otro factor importante a consideración que afecta en las propiedades, es la selección del solvente o de solventes combinados para disolver el polímero. Se ha encontrado que en nanofibras de poliestireno (PS) el diámetro decrecía al incrementar la densidad y el punto de ebullición del solvente [7]. Por otra parte, en otro estudio se realizó la prueba de diferentes solventes para PCL, en el que se encontró que solo el cloruro de metileno era capaz de disolver el PCL, sin embargo el electrohilado se dificultaba debido al bajo punto de ebullición de este solvente [4]. El presente artículo presenta de manera clara los resultados obtenidos del proceso de electrohilado para PCL disuelto en cloroformo con nanopartículas (NP) de halloysita comparados contra los del mismo proceso pero usando como solvente cloroformo (CHCl3) y acetona (C3H6O) en 50-50 % en peso con nanopartículas de Na2Ti6O13, esto, con el objetivo de contrastar el uso de la concentración del solvente con el uso de distintas nanopartículas en nuestra solución y a su vez con los diámetros y calidad de los nanohilos obtenidos.

Discovery.V8 para observar los resultados obtenidos.

2.2.

Método

2.2.1.

Preparación de las soluciones

Primero, preparamos una disolución de 25 ml de cloroformo a 5 % de PCL y a 1 % de nanopartículas de halloysita. La segunda disolución preparada fue también de 25 ml, pero esta vez usando acetona como solvente a 5 % de PCL y 1 % de nanopartículas de titanato de sodio, los cuales fueron disueltos en frascos cerrados haciendo uso de un agitador magnético y la plancha. Después de alrededor de 10-15 minutos de agitación, nos percatamos que el PCL de la primer disolución ya empezaba a ser disuelto, sin embargo la segunda no mostraba rastro alguno de hacerlo, por lo que por cuestiones de tiempo se tomo la decisión de descartarla y preparar otra. Esta otra quedo de la siguiente manera: 20 ml de disolución con cloroformo y acetona al 50 % P/P, al 5 % de PCL y 1 % de nanopartículas de titanato de sodio (Ver Cuadro 1). Esta tercer disolución empezó a disolverse a partir de los 15 minutos de agitamiento, pero sin duda fue más tardada que la primera. Cuadro 1: Disoluciones al 5 % de PCL y 1 % de nanopartículas para llevar a cabo el electrohilado. Dis. CHCl3(ml) C3H6O(ml) PCL(5 %)(g) NP(1 %)(g)

2. 2.1.

Material y Método Material

Policaprolactona (PLC, Mn =80 000 g mol−1 ) de Sigma-Aldrich en pellets, usado tal y como recibido. Cloroformo (CHCl3) de Sigma-Aldrich de grado reactivo, Acetona (C3H6O) de CTR scientific de grado reactivo. Nanopartículas de titananto de sodio (Na2Ti6O13) y nanopartículas de halloysita (Al2Si2O5(OH)4) previamente sintetizadas, y por último un microscopio Zeiss r steREO 2

1 2 3

2.2.2.

25 10

25 10

1.865 0.9825 1.139

0.373 0.1905 0.2278

Electrohilado

Todo el proceso de electrohilado se realizó dentro de una cámara acondicionadora, en un laboratorio de ambiente controlado a 20 °C. Las soluciones bien disueltas se agregaron a jeringas de 10 ml y estas se colocaron una por una en la bomba infusora. La aguja de la jeringa se conectó al electrodo positivo de nuestra fuente de voltaje y el plato colector con aluminio al

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(a) Nanohilos de PCL de la disolución de acetona y cloroformo 50 %(b) Nanohilos de PCL de la disolución de cloroformo con nanopartíP/P con nanopartículas de Na2Ti6O13 culas de halloysita

Figura 1: Contraste entre los andamios obtenidos mediante las dos disoluciones. electrodo negativo. Se usaron 18 kV de diferencia de potencial para nuestro electrohilado y la bomba infusora a una tasa de 1 ml/h. La distancia entre la aguja y el plato era de 150 mm.

minación y contraste basados en luz LED. Los paquetes de software usado para la captura de imágenes en este micorscopio son ZEN y AxioVision.

2.2.3.

3.

Caracterización de los nanohilos obtenidos

Resultados y discusión

Para observar las formas de los nanohilos obtenidos, medir sus respectivos diámetros y poder comparar entre los obtenidos con diferente concentración y composición de solvente, y nanopartícula, se uso un microscopio estereográfico (Zeiss steREO Discovery.V8) que cuenta con un zoom manual de 8:1, y métodos de ilu-

Nuestro electrohilado para ambas disoluciones se realizó con éxito, obteniendo fibras observables en el microscopio (ver Figura 1). Para ambas muestras se midieron los diámetros de las 13 fibras más significativas haciendo uso de las herramientas de los paquetes de software.

Para la muestra de electrohilado de la disolución con cloroformo y nanopartículas de halloysita obtuvimos una media de 2.283 µm con un mínimo de 1.7 µm, un máximo de 2.89 µm y una desviación estándar de 0.4099, mientras que para la segunda disolución se encontró una media de 2.808 µm, un mínimo de 1.270 µm, un máximo de 7.450 µm (el cuál claramente es un valor atípico) y una desviación estándar de 1.5265. Estos valores y los respectivos cuartiles se pueden observar claramente en la Figura 2. El rango de las fibras del andamio obteni-

do con nanopartículas de titanato de sodio es más amplio. Los datos fueron sometidos a una prueba de t-student con una significancia de P < 0,05, dándonos un P-value de 0.682 por lo que no existe diferencia significativa en las muestras. Otro punto importante a destacar es la orientación de las fibras en cada uno de los andamios obtenidos, como podemos observar en la Figura 1, la orientación de estas en el andamio nanocompuesto por Na2Ti6O13 es uniforme en una sola dirección, mientras que en el 3

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obtenido usando solo cloroformo y halloysita como nanopartícula se observa más uniformidad, e incluso círculos. Es importante recordar que la alineación es importante para las aplicaciones de ingeniería de tejido [9] y puede ser manipulada cambiando ciertos parámetros del electrohilado, como lo es la orientación de la aguja o el voltaje aplicado [8].

6 5 4 3

CHCL3−Halloysita

CHCL3−C3H6O−Na2Ti6O13

Figura 2: Boxplot de comparación estádistica entre ambas disoluciones.

4.

Conclusión

La técnica de electrohilado fue satisfactoria, ya que logramos obtener andamios de tejidos nanocompuestos claramente observables en el microscopio estereográfico y con dos alineaciones distintas que pueden ser de gran utilidad en aplicaciones de ingeniería de tejido. Sin embargo no conseguimos un electrohilado con diferentes características considerando como parámetros los solventes de la disolución y las nanopartículas usadas, por lo que también se debe considerar el voltaje aplicado, usar un solvente diferente, de preferencia uno más volátil y otro menos volátil, así como otro biomaterial, como el poliácido láctico (PLA) y el ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA). 4

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2

Diámetro de fibra (µm)

7

Diagrama de caja de comparación estadística

Referencias

[4] K. H. Lee, H. Y. Kim, M. S. Khil, Y. M. Ra, and D. R. Lee. Characterization of nanostructured poly(e-caprolactone) nonwoven mats via electrospinning. Polymer, 44:1287– 1294, 2003. [5] Y. Li, C. T. Lim, and M. Kotaki. Study on structural and mechanical properties of porous PLA nanofibers electrospun by channel-based electrospinning system. Polymer, 56:572–580, 2015. [6] C. Ruan, Y. Hu, L. Jiang, Q. Cai, H. Pan, and H. Wang. Tunable degradation of piperazine-based polyurethane ureas. Journal of Applied Polymer Science, 131:4–9, 2014. [7] L. Wannatong, A. Sirivat, and P. Supaphol. Effects of solvents on electrospun polymeric fibers: Preliminary study on polystyrene. Polymer International, 53(August 2003):1851– 1859, 2004. [8] F. Yang, R. Murugan, S. Wang, and S. Ramakrishna. Electrospinning of nano/micro scale poly(l-lactic acid) aligned fibers and their potential in neural tissue engineering. Biomaterials, 26:2603–2610, 2005.

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[9] W. Zhu, F. Masood, J. O’Brien, and L. G. Zhang. Highly aligned nanocomposite scaffolds by electrospinning and electrospra-

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