نانوکامپوزیت های پلیمری زیست تخریب پذیر: نقش نانورس ها در خواص ترمومکانیکی و ساختار الیاف الکترواسپان
نانوکامپوزیت ها های پلیمری با پایه پلی کاپرولاکتون (PCL) و مونت موریلنت اصلاح شده آلی با روش اینترکلیشن (میان افزایی) محلول تهیه شدند. پایداری حرارتی این مواد آماده شده با تحلیل ترموگراویمتری ارزیابی شد. بررسی خواص مکانیکی آنها نشان داد که ترکیب موقت ورق های مونت موریلونت با نسبت بالا در ماتریس باعث افزایش استحکام پلیمر بدون آسیب به شکل پذیری آن می شود. غشاهای فیبری از نانوکامپوزیت PCL با فرایند الکترواسپینینگ ساخته شدند. در این مقاله تأثیر ولتاژ اعمال شده، غلظت محلول و محتوای رس در مواد نانوکامپوزیت بر ساختار فیبری نهایی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل شده نشان داد که ورود فیلر معدنی و افزایش ولتاژ اعمال شده از 7.5 به 15 کیلو وات باعث سهولت در تشکیل الیاف خالص با نقص مهره کمتر می شود. وجود نانورس منجر به توزیع الیاف نازک تر شد؛ اگرچه قطر متوسط الیاف تغییر قابل توجهی نداشته است. همچنین افزایش غلظت محلول منجر به تشکیل ساختارهای یکنواخت تر و افزایش جزئی در متوسط قطر الیاف شد. علاوه براین، فرایند الکترواسپینینگ با افزایش فاصله بین لایه ای در مواد معدنی، ساختار مواد نانوکامپوزیت را بطور قابل ملاحظه ای تغییر داد.
الکترواسپینینگ یک روش نسبتآ ساده و چند منظوره برای الیاف پلیمری با عملکرد بالا است. این فرایند در یک میدان الکتریکی با ولتاژ بالا انجام می شود؛ ولتاژ بالا باعث خروج محلول پلیمر یا مذاب می شود. در ادامه، باعث ایجاد جت می شود که از اسپینرت به طرف نقطه جمع آوری حرکت می کند. الیاف پلیمری به دلیل تخریب سریع حلال، سرد شدن سریع و جامد شدن ذوب پلیمر به دست می آیند. معمولآ این روش غشاهای پلیمری با قطر الیاف تا چند صد نانومتر را فراهم می کند. نانوالیاف های پلیمری نسبت سطح به حجم بالایی را ارائه می دهند که دامنه کاربرد آنها را افزایش داده و شامل مواردی همچون فیلتراسیون، سنسورها، کاتالیز، لباس های محافظ، کاربردهای فضایی و وسایل اپتوالکترونیک میکرو و نانو می شود. ازطرفی، نسبت ابعاد بالا در ترکیب با سطح وسیع موجود و پراکندگی همگن بالقوۀ نانو الیاف در سراسر ماتریس پلیمری آنها را بعنوان محتواهای تقویت کننده در مواد کامپوزیتی معرفی می کند. با این حال، استفاده از غشاهای نانوالیاف بعنوان داربست در مهندسی بافت را میتوان تنها کاربردی دانست که بسیار مورد توجه محققان قرار گرفته است. برای مثال این داربست ها سعی می کنند از کلاژن که یک ماتریس طبیعی خارج سلولی در هر بافت است، تقلید کنند و یک ماتریس خارج سلولی مصنوعی برای پیوند، تکثیر و عملکرد سلولی ارائه دهند. علاوه براین، متهای پلیمری زیست تخریب پذیر اغلب در سیستم دارورسانی کنترل شده کاربرد دارند. الکترواسپینینگ چنین پلیمرهایی را میتوان برای کپسوله کردن انواع مختلف دارو در صنعت داروسازی مورد استفاده قرار داد. بر همین اساس، الکترواسپینینگ بسیاری از پلیمرهای زیست تخریب پذیر مصنوعی مورد بررسی قرار داد.
پلی (اسید لاکتیک)، کوپلیمر لاکتیک، اسید گلیگولیک، پلی (هیدروکسی بوتیرات) و پلی کاپرولاکتون را میتوان بعنوان پلیمرهای متداول مطالعه شده نام برد. همچنین الکترواسپینینگ بیوپلیمرهایی مانند ابریشم، سلولز، کیتین و کلاژن نیز گزارش شده است. افزایش خواص مکانیکی در برخی از کاربردهای ذکر شده در بالا بسیار ضروری است که این فاکتور با کمک ترکیب نانوذرات مانند نانولوله های کربنی یا سیلیکات های لایه ای قابل دستیابی است. این نانوذرات ممکن است در محلول پلیمری پراکنده شوند که در ادامه با کمک الکترواسپان، الیاف نانوکامپوزیتی را تشکیل می دهند. نانوهیبریدهای پلیمری/ سیلیکات لایه ای اخیرآ بسیار مورد توجه دانشگاهیان و صنعت قرار گرفته اند. افزودنی های کم حجم (معمولآ کمتر از 5 درصد) از این نانوذرات بسیار ناهمسانگرد پیشرفت های قابل توجهی در رابطه با پلیمر ارائه می دهند که با موارد حاصل از 30-50 درصد فیلر سنتی قابل قیاس است. پلی کاپرولاکتون (PCL) یک پلی استر آلیفاتیک خطی و زیست تخریب پذیر است که سرعت تخریب کندی داشته و اغلب بعنوان یک ایمپلنت بلند مدت در کاربردهای انتشار کنترل شده استفاده می شود. علاوه براین، سرعت تخریب آهسته خواص مکانیکی را افزایش می دهد و PCL را بعنوان پلیمر مناسب در مهندسی بافت استخوان معرفی می کند؛ جایی که داربست ها بایستی خواص مکانیکی و فیزیکی را تا 6 ماه حفظ کنند. داربست های فیبری PCL نیز کاربردهای بسیاری در مهندسی بافت دارند. بنابراین، الکترواسپینینگ نانولوله های کربن- PCL، کلاژن- هیدروکسی آپاتیت و نانوکامپوزیت های کلسیم کربنات- PCL گزارش شده است. هدف از این مطالعه توسعه مواد اولیه نانوکامپوزیت PCL ازطریق الکترواسپینینگ و بررسی تأثیر محتوای رس معدنی، ولتاژ اعمال شده و غلظت محلول بر روی ساختار فیبری نهایی است. نانوهیبریدها با محلول PCL با بارهای مختلف مونت موریلونیت (MMT) ساخته شده و واکنش ترمومکانیکی مواد نیز مورد بررسی قرار گرفت.
تغییرات در فواصل بین لایه ای با تجزیه و تحلیل XRD تشخصی داده شد. در اینجا الگوهای انشعاب رس معدنی و نانوکامپوزیت های آماده شده بیان شده است. الگوی رس اصلاح شده با سطح اورجینال دارای پیک مشخصه با فاصله بیسال 18.6 Å است. با معرفی پلیمر، این پیک به سمت مقادیر کمتر از 2θ منتقل شده و نشان می دهد که زنجیره های پلیمری در گالری های خاک رس به هم جوش خورده و ساختار خاک رس را گسترش داده اند. این بدان معنا است که مورفولوژی این کامپوزیت ها عمدتآ اینترکلیشن شده اند؛ حتی اگر پلاکت های رس لایه بندی شده در کنار هم وجود داشته باشند. برخلاف نانوکامپوزیت های پلی اسید لاکتیک، که در آنها فاصله بین لایه ای بشدت به غلظت آلی بستگی دارد، فاصلۀ d در نانوکامپوزیت هایPCL بطور قابل توجهی تحت تأثیر بارگذاری ماینرال قرار نمی گیرد. در این مقاله تجزیه حرارتی لایه های نانوکامپوزیت PCL با بارهای مختلف رس معدنی در جوّ بی اثر را بررسی کردیم. PCL خالص از لحاظ حرارتی به فرآورده های حجمی بالای 300 درجه سلسیوس تبدیل می شود. به نظر می رسد که مقادیر بسیار کم (حدود 1 درصد وزنی) مواد غیرآلی ارگانوفیلیک باعث افزایش پایداری حرارتی در پلیمر می شود. افزایش بار ارگانوکلای با کاهش دمای شروع تجزیه باعث بی ثباتی ماتریس پلیمری می شود. این امر ممکن است به دلیل افزایش محتوای مواد آلی باشد که دمای تجزیه اولیه را در مقایسه با پلیمر بکر کاهش می دهد. حتی اگر گزارش شده باشد که وجود پلاکت های معدنی پراکنده معمولآ انتشار اکسیژن از هوا به توده پلیمر را به تأخیر انداخته و در نتیجه پایداری پلیمری را بهبود می بخشند، در این مقاله معرفی ورقه های سیلیکات منجر به افزایش سرعت فرّار شدن توده پلیمری می شود.
فیلم های نانوکامپوزیت از محلول PCL با غلظت های مختلف مونت موریلنیت اصلاح شدۀ ارگانو ساخته شدند. بررسی خواص مکانیکی مواد نشان داد که این فیلم ها بدون تغییر در روند شکل پذیری شان، مقاومت بالایی دارند. غشاهای فیبری PCL و نانوکامپوزیت های PCL با فرایند الکترواسپینگ تولید شدند. در همه موارد، افزودن فیلرهای معدنی منجر به تشکیل فیلم های بیشتر با نقص مهره کمتر و توزیع الیاف نازک تر شد. با این حال، میانگین قطر الیاف تغییر قابل توجهی نداشته است. این مشاهدات به افزایش هدایت الکتریکی و ویسکوزیته محلول نسبت داده شدند که با افزدون فیلر غیرمعدنی ایجاد شد. بنابراین، تولید الیاف بیشتر با مهره های کمتر با افزایش ولتاژ از 7.5 به 15 کیلو وات تسهیل شد؛ در حالی که افزایش غلظت محلول منجر به تشکیل ساختارهای الیاف یکنواخت تر و افزایش جزئی در میانگین قطر الیاف شد. فرایند الکترواسپینینگ ساختار مواد نانوکامپوزیت اولیه تهیه شده را با افزایش فاصله بیسال مونت موریلونیت اصلاح شدۀ معدنی تغییر داد.
