Nanokompozyty polimerowe modyfikowane powierzchniowo w

Nanokompozyty polimerowe modyfikowane powierzchniowo w procesie elektroforetycznego osadzania
511
E. SO£TYSIAK, E. D£UGOÑ, J. DULNIK, M. B£A¯EWICZ*
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia³ In¿ynierii Materia³owej i Ceramiki, Katedra Biomateria³ów
* e-mail: [email protected]
Nanokompozyty polimerowe modyfikowane powierzchniowo w procesie
elektroforetycznego osadzania
Streszczenie: Medycyna regeneracjna w zastosowaniu do leczenia ubytków tkanki kostnej potrzebuje materia³ów
o specyficznej biomimetycznej strukturze i bioaktywnoœci. Tkanka kostna jest tworzywem nanokompozytowym,
w odniesieniu do struktury i sk³adu (kolagen/ nanokryszta³y hydroksyapatytu). Dlatego te¿ projektowanie tworzyw
implantacyjnch, do leczenia ubytków tkanki kostnej, skupia siê w³aœnie na tej grupie materia³owej, jak¹ s¹ nanokompozyty polimerowe, modyfikowane bioaktywnymi nanocz¹stkami. Celem pracy by³y badania, maj¹ce okreœliæ
przydatnoœæ nowej, dwuetapowej metody, do wytwarzania porowatych materia³ów implantacyjnych, do leczenia
tkanki kostnej. G¹bki nanokompozytowe, wytworzone w oparciu o duetapow¹ metodê – wyp³ukiwanie rozpuszczalnego porogenu oraz elektroforetyczne osadzanie, przebadano metod¹ mikroskopii elektronowej SEM, przeprowadzono badania przy zastosowaniu metody EDS oraz zbadano parametry mechaniczne i bioatywnoœæ otrzymanych materia³ów. Zastosowana w pracy metoda prowadzi do otrzymnia bioaktywnych nanokompozytowych g¹bek o po¿¹danych parametrach mechanicznych.
NANOKOMPOZYTY POLIMEROWE MODYFIKOWANE POWIERZCHNIOWO W PROCESIE ELEKTROFORETYCZNEGO OSADZANIA
Abstract: Regenerative medicine for the treatment of bone defects requires materials, characterized by specific microstructure and bioactivity. The bone tissue in terms of both, structure and composition is a collagen-based nanocomposite, containing hydroxyapatite nano-crystals. The design of bone implants and scaffolds concentrates on
nanocomposites, since the discovery of nanocomposite structure of the bone tissue. This paper is devoted to the study
on evaluation the performance potential of the new two-steps method of nanocomposite foam preparation. The porous nanocomposites were obtained by two -steps method: particulate-leaching. and electrophoretic deposition,
EPD. We investigate the cellular foam structure by using scanning electron microscopy (SEM) with EDS examination and by mechanical test (compressive strength). The results show that those two steps fabrication method lead to
obtaining porous nanocomposite materials, characterized by biomimetic porous microstructure, good mechanical
properties and bioactive features.
1. Wprowadzenie
Ubytki tkanek, a zw³aszcza tkanki kostnej, to pal¹cy
problem chirurgii kostnej. Narastaj¹ce trudnoœci z pozyskiwaniem koœci z banków tkanek sprawia, ¿e jedyn¹ alternatyw¹ leczenia staj¹ siê materia³y syntetyczne. Ubytki
tkanki kostnej, to nastêpstwo chorób nowotworowych,
z³amañ i urazów, powstaj¹cych w trakcie wypadków komunikacyjnych czy intensywnego uprawiania sportu, to
problemy ludzi starych o koœciach osteoporotycznych,
podatnych na z³amania.
Jedn¹ z nowych, obiecuj¹cych grup materia³owych,
do leczenia ubytków tkanki kostnej s¹ nanokompozyty
polimerowe. Nanokompozyty polimerowe to materia³y,
które otwieraj¹ szereg nowych mo¿liwoœci, w konstrukcji
materia³ów biomedycznych [1-6].
Wprowadzenie nanocz¹stek do resorbowalnej matrycy, wp³ywa na szereg parametrów tworzywa, wa¿nych
z punktu widzenia zastosowañ medycznych. Nanocz¹stka modyfikuje polimer na poziomie molekularnym, tym
samym wp³ywaæ mo¿e na poprawê parametrów mechanicznych, na czas rozpadu tworzywa w œrodowisku tkanek, na parametry powierzchni oraz biozgodnoœæ. Jednym z polimerów, nale¿¹cym do grupy poliestrów alifatycznych, ³atwo poddaj¹cym siê modyfikacji cz¹stkami
nanometrycznymi jest polilaktyd, polimer resorbowalny,
powszechnie stosowany, w wielu zastosowaniach medycznych [7-10]. Polimery, pomimo szeregu zalet, wykorzystywanych przez medycynê, nie posiadaj¹ cechy niezbêdnej dla wspierania regeneracji tkanki kostnej, a mianowicie bioaktywnoœci. Bioaktywnoœæ to cecha niektórych materia³ów, g³ównie ceramicznych, prowadz¹ca do
nukleacji i wzrostu na ich powierzchni biomimetycznego
apatytu, w warunkach in vitro i in vivo. Dlatego te¿, jako
cz¹stkê modyfikuj¹c¹, do matrycy polimerowej czêsto
wprowadza siê bioaktywne nanododatki, takie jak hydroksyapatyt czy bioszk³o. W ten sposób otrzymaæ mo¿na
materia³ polimerowy, który charakteryzowaæ siê bêdzie
w³aœciwoœciami osteoinduktywnymi.
Jednak¿e, jak wynika z doœwiadczeñ Autorów, bioaktywnoœæ polimeru modyfikowanego w objêtoœci nanocz¹stkami bioaktywnymi, jest w pocz¹tkowej fazie
jego stosowania, niewielka i wzrasta dopiero wraz
z czasem jego biodegradacji w œrodowisku tkanek.
W pracy przedstawiono nowy sposób dwuetapowego
wytwarzania nanokompozytu, w którym nie tylko objêtoœæ, ale równie¿ powierzchniê modyfikuje siê bioaktywnymi nanocz¹stkami. Zaprojektowany przez nas
sposób wytwarzania implantu kostnego, prowadzi do
otrzymania porowatych, sztywnych uk³adów polime-
Przetwórstwo Tworzyw 6 (listopad – grudzieñ) 2011
512
Diagnostyka Materia³ów Polimerowych 2011
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Rys. 1. Mikrofotografie SEM, przedstawiaj¹ce mikrostrukturê g¹bek; a) polimerowa b) nanokompozytowa, c) d) nanokompozytowa, po nasycaniu
hydroksyapatytem – EPD, e) f) powierzchnie g¹bek po teœcie bioaktywnoœci kolejno, nanokompozytowej oraz nanokompozytowej, modyfikowanej
w procesie EPD.
rowo-ceramicznych, znacznie przewy¿szaj¹cych, zarówno bioaktywnoœcia, jak i wytrzyma³oœci¹ g¹bki
polimerowe stosowane aktualnie w leczeniu ubytków
tkanki kostnej.
Przetwórstwo Tworzyw 6 (listopad – grudzieñ) 2011
513
Nanokompozyty polimerowe modyfikowane powierzchniowo w procesie elektroforetycznego osadzania
2. Materia³y i Metody
Jako osnowê nanokompozytu, wykorzystano materia³ o nazwie PURASORB® PLDL 8038. Jest to, kopolimer
L-laktydu i DL-laktydu o stosunku molowym 80/20, firmy PURAC. Materia³em modyfikuj¹cym by³ nanohydroksyapatyt firmy ALDRICH (wielkoœæ cz¹stek poni¿ej
100 nm). Pierwszym etapem produkcji by³o wytworzenie
porowatych g¹bek o porowatoœci otwartej od 70% do
85%. Wytworzono, zarówno g¹bki z niemodyfikowanego
polimeru, jak i g¹bki nanokompozytowe. G¹bki wytwarzano, metod¹ z zastosowaniem rozpuszczalnego porogenu, jakim by³ chlorek sodu, o dwóch frakcjach od 100
do 200 mikrometrów oraz od 300 do 400 mikrometrów.
Porogen homogenizowano z roztworem polimeru, prasowano w plastikowych cylindrach, nastêpnie odparowy-
Aparatura do osadzania elektroforetycznego sk³ada³a
siê z wanny elektroforetycznej, w której znajdowa³a siê
zawiesina koloidalna nanoczastek ceramicznych (HAp)
oraz z dwóch elektrod, umieszczonych równolegle
wzglêdem siebie. W prowadzonym przez nas eksperymencie, g¹bki nanokompozytowe by³y mocowane na jednej z elektrod. W procesie kataforezy, zawieszone w zawiesinie alkoholowej nanocz¹stki, kierowa³y siê do elektrody ujemnej, infiltruj¹c umieszczon¹ na elektrodzie
g¹bkê nanokompozytow¹. Metoda elektroforezy pozwala na nanoszenie warstw o ró¿nej gruboœci i mikrostrukturze w zale¿noœci od warunków procesu, takich jak wartoœæ przy³o¿onego napiêcia, odleg³oœæ pomiêdzy elektrodami oraz w³aœciwoœci zawiesiny (wielkoœæ ³adunku na
cz¹stkach). Eksperymenty wykonano przy napiêciu 30 V,
w czasie 2 minut, wartoœæ pr¹du, mierzona w trakcie eks-
a)
b)
Rys. 2. Analiza EDS, a) g¹bki nanokompozytowej, b) po nasycaniu hydroksyapatytem – EPD.
wano rozpuszczalnik i p³ukano w wodzie destylowanej,
do ca³kowitego usuniêcia porogenu. G¹bki nanokompozytowe wytworzono podobnie, w tym wypadku do porogenu dodawano odpowiedni¹ iloœæ nanododatku, nastêpnie homogenizowano mieszaninie, któr¹ ³¹czono
z roztworem polimeru. W ten sposób otrzymano dwie
grupy porowatych próbek, a mianowicie g¹bki polimerowe oraz g¹bki wytworzone z nanokompozytu, zawieraj¹ce 10% wagowych nanododatku.
Nastêpny etap wywarzania materia³ów polega³ na
pokrywaniu powierzchni g¹bek, warstw¹ nanohydroksyapatytu, w procesie elektroforezy. Proces elektroforezy
jest wysoko wydajn¹ metod¹, pozwalaj¹c¹ otrzymywaæ
warstwy z roztworów koloidalnych. Otrzymane w tej metodzie pow³oki charakteryzuj¹ siê homogeniczn¹ mikrostruktur¹ i wysok¹ gêstoœci¹ upakowania. Elektroforeza
jest zjawiskiem, polegaj¹cym na ruchu elektrycznie na³adowanych cz¹steczek fazy sta³ej, w polu elektrycznym.
Powszechnie jest wykorzystywana do rozdzia³u mieszaniny zwi¹zków chemicznych, w biologii oraz chemii. Proces elektroforezy ma miejsce wówczas, gdy cz¹steczki zawiesiny posiadaj¹ ³adunek elektryczny, a pod³o¿e jest
przewodnikiem pr¹du elektrycznego, zaœ do elektrod
przy³o¿one jest odpowiednie napiêcia.
perymentu waha³a siê pomiêdzy; 4.5-5.5 mA. Nanokompozytowe g¹bki, oraz g¹bki nasycane w proceise elektroforezy, poddano testowi bioaktywnoœci w sztucznym
osoczu SBF (simulated body fluid), materia³y inkubowano przez 2 tygodnie w temperaturze 37 °C.
Tab. 1. Wytrzyma³oœæ na œciskanie g¹bek nankompozytowych
Rodzaj próbki
Wytrzyma³oœæ
na œciskanie [MPa]
G¹bka polimerowa
1,0 ± 0.4
G¹bka nanokompozytowa
3.2 ±0.9
G¹bka nanokompozytowa
nasycana w procesie EPD
6.1 ± 0.3
Badaniom poddano, zatem, trzy grupy g¹bek a mianowicie; g¹bkê niemodyfikowan¹, g¹bkê nanokompozytow¹ oraz g¹bkê nanokompozytow¹, modyfikowan¹
w metodzie elektroforetycznej. Wszystkie trzy grupy
próbek poddano badaniom na œciskanie (maszyna wytrzyma³oœciowa Zwick 1343), nastêpnie badaniom, z wykorzystaniem mikroskopii skaningowej (NOVA NanoSEM) i mikroanalizy rentgenowskiej EDS. Badania powierzchni g¹bek po procesie inkubacji w sztucznym oso-
Przetwórstwo Tworzyw 6 (listopad – grudzieñ) 2011
514
Diagnostyka Materia³ów Polimerowych 2011
oczu, przeprowadzono przy zastosowaniu mikroskopii
SEM. W tabeli 1 zestawiono dane uzyskane z pomiaru
wytrzyma³oœci na œciskanie, natomiast na rys. 1 zestawiono obrazy mikroskopowe g¹bek nanokompozytowych,
zaœ na rys. 2 przedstawiono wyniki analizy elementarnej
powierzchni, nanokompozytowych badanych g¹bek.
j¹cym rozwi¹zaniem, w zakresie materia³ów do leczenia
ubytków tkanki kostnej.
Praca finansowana z funduszy MNiSW – grant No.
NN507 463537.
Literatura
3. Podsumowanie
1.
Dwuetapowy proces, wytwarzania polimerowo ceramicznych materia³ów, doprowadzi³ do uzyskania porowatych pod³o¿y, o sztywnoœci znacznie przekraczaj¹cej
parametry mechaniczne, zarówno czystej g¹bki polimerowej, jak i nanokompozytowej. Powierzchnie porów, jak
wynika z analizy obrazów, uzyskanych w mikroskopii
SEM, pokryte s¹ nieci¹g³¹ warstw¹ hydroksyapatytu,
wprowadzonego na powierzchnie materia³ów w procesie
EPD (rys.1b,c). Wzrost iloœci apatytu, po procesie elektroforetycznego osadzania, w materiale uzyskanym, w dwustopniowym procesie otrzymywania, potwierdza równie¿ intensywnoœæ pików, obserwowanych na wykresach
mikroanalizy rentgenowskiej EDS (rys. 2). IntensywnoϾ
pasm chrakterystyczna dla fosforu i wapnia jest wy¿sza
w widmie EDS próbki, otrzymanej w dwuetapowym procesie wytwarzania w porównaniu niemodyfikowan¹ g¹bk¹ nanokompozytow¹.
Inkubacja g¹bek nanokompozytowych modyfikowanych powierzchniowo, w procesie EPD, w sztucznym
osoczu krwi (SBF), prowadzi do ca³kowitego pokrycia
materia³u, biomimetycznym apatytem, o typowej dla niego morfologii (rys. 1 f). Zjawiska tego nie obserwuje siê
w g¹bkach nanokompozytowych, niepokrywanych w
procesie EPD, na których powierzchni, pomimo inkubacji
w SBF, nie pojawia siê biomimetyczny apatyt (rys. 1e).
Dwuetapowa metoda wytwarzania g¹bek polimerowych, ³¹cz¹ca proces wyp³ukiwania porogenu oraz elektroforetyczn¹ infiltracje, wydaje siê byæ dobrze roku-
Lakshmi S, Cato T., Biodegradable polymers as biomaterials,
Prog. Polym. Sci. 32 (2007) 762–798
2. Murugan R., Ramakrishna S., „Development of nanocomposites for bone grafting”, Composites Science and Technology
65 (2005) 2385-2406
3. Mathieu L.M., Mueller T.L., Bourban P.-E., Pioletti D.P., Muller R., Manson J.-A.E., „Architecture and properties of anisotropic polymer composite scaffolds for bone tissue engineering”, Biomaterials 27 (2006) 905–916
4. Lijie Zhang, Webster T. J., „Nanotechnology and nanomaterials:
Promises for improved tissue regeneration”, Nano Today (2009)
4, 66—80
5. Huinan Liu, Thomas J. Webster, „Nanomedicine for implants:
A review of studies and necessary experimental tools”, Biomaterials 28 (2007) 354–369
6. P. Bordes, E. Pollet, L. Avérous, Nano-biocomposites, Biodegradable polyester/nanoclay systems, Progress in Polymer Science,
34 (2009). 125-155
7. Lo H. Ponticciello M. S., Fabrication of controlled release biodegradable foams by phase separation Tissue Eng. 1, (1995) 15-28
8. Zhang R., Ma PX, Biomimetic polymer/apatite composite scaffolds for mineralized tissue engineering, Macromol. Biosci. 4,
(2004), 100-111.
9. Yu Ema, Manabu Ikeya, Masami Okamoto, Foam processing
and cellular structure of polylactide-based nanocomposites, Polymer 47 (2007) 5350-5359
10. Stodolak-Zych E., Fraczek-Szczypta A., Blazewicz M.: Modern Polymeric Materials for Environmental Application Vol. 4
(2010), p. 169-174
Przetwórstwo Tworzyw 6 (listopad – grudzieñ) 2011