نانوذرات میله ای زیست فعال به عنوان یک پرکننده جدید برای بهبود خواص پلی استر ابرمولکولی: سنتز و کاربرد

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

دانشگاه شیراز

چکیده
موضوع تحقیق: استفاده از نانوذرات هیدروکسی ­آپاتیت (HAp) در پلیمرهای سنتی به­ عنوان فاز تقویت­ کننده گزارش شده است. در حالیکه تعداد گزارشات در رابطه با تاثیر مورفولوژی HAp بر روی خواص مکانیکی ماتریس پلیمری محدود است، تاکنون تحقیقی در رابطه با این اثر بر روی پلیمرهای ابرمولکولی ارائه نشده است. این مطالعه این فرضیه را بررسی می­ کند که واردسازی نانوذرات HAp رشد یافته از یک جهت (نانوذرات میله­ ای، rHAp) به درون پلی­ کاپرولاکتون ابرمولکولی (SPCL) منجر به سنتز یک ساختمان جدید زیست فعال می­شود.

روش تحقیق: برای این منظور، ابتدا نانوذرات rHAp با روش میکروامولسیون سنتز شدند و سپس با گروه­ های 2-یوریدو-4-]1-هیدروژن[پیریمیدینون (UPy) عامل­ دار شدند. همچنین عامل­ دار کردن PCL و تبدیل آن به ساختارهای ابرمولکولی با واکنش دادن گروه­ های انتهایی هیدروکسیل با گروه ­های UPy انجام گرفت. در نهایت با روش ریخته ­گری محلول نانوکامپوزیت­ های SPCL/rHAp سنتز شدند و ساختار و خواص آنها با طیف­سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه بازتاب کلی تضعیف شده (ATR-FTIR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، دستگاه آزمون عمومی و مایع شبیه ­سازی شده بدن (SBF) مورد بررسی قرار گرفت.

نتایج اصلی: بر اساس نتایج به­ دست آمده میکروامولسیون یک روش کارآمد برای سنتز نانوذرات میله ­ای با خلوص فازی زیاد است. از طرف دیگر بر اساس نتایج عامل ­دار کردن این نانوذرات با UPy امکان­پذیر است. تست کشش نشان داد که با واردسازی این نانوذرات اصلاح شده به SPCL یک افزایش معنی ­دار هم در مدول الاستیک و هم در استحکام کششی مشاهده می­شود. در واقع در حالی که PCL اولیه یک جامد مومی شکل بود، اصلاح با UPy و سپس واردسازی نانوذرات اصلاح شده، آن را به یک ماده الاستیک تبدیل می­کند. در نهایت، نتایج به­ دست آمده فعالیت زیاد زیستی نانوکامپوزیت­ های ابرمولکولی را در مقایسه با نمونه فاقد پرکننده نشان داد. بنابراین نانوکامپوزیت­ های ابرمولکولی SPCL/rHAp با خواص زیست فعالی و ماهیت پویا می­توانـند به­ عنوان جایگزینی مناسب برای ضایعه ­های بافت استخوانی مورد استفاده قرار گیرند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Bioactive rod-like nanoparticles as novel filler for improving the properties of supramolecular polyester: synthesis and application

نویسندگان English

Mehdi Sadat-Shojai
Saeed Ghadiri-Ghalenazeri
Shiraz University
چکیده English

Research subject: The use of hydroxyapatite nanoparticles (HAp) in traditional polymers as reinforcing agent has been reported. While there are a limited number of reports regarding the effect of HAp morphology on the mechanical properties of the polymeric matrix, no research on this effect on supermolecular polymers has been reported so far. This study investigates the hypothesis that incorporation of unidirectionally grown HAp nanoparticles (rod-like nanoparticles, rHAp) into supramolecular polycaprolactone (SPCL) leads to the synthesis of a new bioactive construct.

Research approach: For this, rHAp nanoparticles were first synthesized by microemulsion method and then functionalized with 2-ureido-4[1H]-pyrimidinone (UPy) groups. Moreover, PCL was functionalized and converted to supramolecular structures by reacting the hydroxyl terminal groups with UPy groups. Finally, SPCL/rHAp nanocomposites were synthesized by solution casting method and their structure and properties were examined using attenuated total reflection-Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), universal testing machine and simulated body fluid (SBF).

Main results: According to the results, microemulsion is an efficient procedure for the synthesis of rod-like nanoparticles with high phase purity. On the other hand, based on the results, it is possible to functionalize these nanoparticles with UPy. Tensile test showed that by incorporation of these modified nanoparticles into SPCL, a significant increase in both elastic modulus and tensile strength can be observed. In fact, while the initial PCL was a waxy solid, modification with UPy and then incorporation of modified nanoparticles made it an elastic material. Finally, the obtained results indicated high bioactivity of supramolecular nanocomposites compared to the sample without filler. Therefore, supramolecular SPCL/rHAp nanocomposites with bioactive properties and dynamic character can be used as a suitable replacement for bone tissue defects.

کلیدواژه‌ها English

Nanocomposite
rod-like nanoparticles
Hydroxyapatite
Polycaprolactone
Bioactivity
[1] Weigel T., Schinkel G., Lendlein A., Design and Preparation of Polymeric Scaffolds for Tissue Engineering, Expert Review of Medical Devices, 3, 835-851, 2006.
[2] Sadat-Shojai M., Controlled Pattern of Cell Growth in Modulated Protein Nanocomplexes: Regulating Cells Spreading in Three Dimensions, Materials Today, 21, 686-688, 2018.
[3] Nair L.S., Laurencin C.T., Biodegradable Polymers As Biomaterials, Progress in Polymer Science, 32, 762-798, 2007.
[4] Kouya T., Tada S.I., Minbu H., Nakajima Y., Horimizu M., Kawase T., Lloyd D.R., Tanaka T., Microporous Membranes of PLLA/PCL Blends for Periosteal Tissue Scaffold, Materials Letters, 95, 103-106, 2013.
[5] Hooshmand-Ardakani A., Talaei-Khozani T., Sadat-Shojai M., Bahmanpour S., and Zarei-fard N., In Vitro Characterization of Multilamellar Fibers with Uniaxially Oriented Electrospun Type I Collagen Scaffolds, Advances in Materials Science and Engineering, 2020, 1-13, 2020.
[6] Sahoo N.G., Pan Y.Z., Li L., He C.B., Nanocomposites for Bone Tissue Regeneration, Nanomedicine, 8, 639-653, 2013.
[7] Bosman A.W., Sijbesma R.P., Meijer E.W., Supramolecular Polymers At Work, Materials Today, 7, 34-39, 2004.
[8] Mehmanchi M., Shokrollahi P., Atai M., Omidian H., Bagheri R., Supramolecular Polycaprolactone Nanocomposite Based on Functionalized Hydroxyapatite, Journal of Bioactive and Compatible Polymers, 27, 467-480, 2012.
[9] Sadat-Shojai M., Ghadiri-Ghalenazeri S., A Modular Strategy for Fabrication of Responsive Nanocomposites Using Functionalized Oligocaprolactones and Hydroxyapatite Nanoparticles, New Journal of Chemistry, 44, 20155-20166, 2020.
[10] Folmer B.J., Sijbesma R.P., Versteegen R.M., Van der Rijt J.A.J., Meijer E.W., Supramolecular Polymer Materials: Chain Extension of Telechelic Polymers Using a Reactive Hydrogen‐Bonding Synthon, Advanced Materials, 12, 874-878, 2000.
[11] Cho Y.S., Choi S., Lee S.H., Kim K.K., Cho Y.S., Assessments of Polycaprolactone/Hydroxyapatite Composite Scaffold with Enhanced Biomimetic Mineralization by Exposure to Hydroxyapatite via a 3D-Printing System and Alkaline Erosion, European Polymer Journal, 113, 340-348, 2019.
[12] Sadat-Shojai M., Calcium Phosphate Reinforced Polyester Nanocomposites for Bone Regeneration Applications, in: Depan, D. (Ed.), Biodegradable Polymeric Nanocomposites: Advances in Biomedical Applications, Taylor & Francis Publisher (CRC Press), USA, 1-34, 2015.
[13] Wutticharoenmongkol P., Pavasant P., Supaphol P., Osteoblastic Phenotype Expression of MC3T3-E1 Cultured on Electrospun Polycaprolactone Fiber Mats Filled With Hydroxyapatite Nanoparticles, Biomacromolecules, 8, 2602-2610, 2007.
[14] Thomas P.C., Thomas S.P., George G., Thomas S., Kuruvilla J., Impact of Filler Geometry and Surface Chemistry on the Degree of Reinforcement and Rhermal Stability of Nitrile Rubber Nanocomposites, Journal of Polymer Research, 18, 2367-2378, 2011.
[15] Sadat‐Shojai M., Moghaddas, H., How Geometry, Size, and Surface Properties of Tailor‐Made Particles Control The Efficiency of Poly (3‐Hydroxybutyrate‐Co‐3‐Hydroxyvalerate)/Hydroxyapatite Nanocomposites, Journal of Applied Polymer Science, 137, 49810, 2020.
[16] Catros S., Guillemot F., Lebraud E., Chanseau C., Perez S., Bareille R., Amédée J., Fricain J.C., Physico-Chemical and Biological Properties of a Nano-Hydroxyapatite Powder Synthesized at Room Temperature. IRBM, 31, 226-233, 2010.
[17] Padmanabhan S.K., Balakrishnan A., Chu M.C., Lee Y.J., Kim T.N., Cho S.J., Sol–gel Synthesis and Characterization of Hydroxyapatite Nanorods, Particuology, 7, 466-470, 2009.
[18] Blackwood D, Seah K., Electrochemical Cathodic Deposition of Hydroxyapatite: Improvements in Adhesion and Crystallinity, Materials Science and Engineering C, 29, 1233-1238, 2009.
[19] Štulajterova R, Medvecky L, Effect of Calcium Ions on Transformation Brushite to Hydroxyapatite in Aqueous Solutions, Colloids and Surfaces A, 316, 104–9, 2008.
[20] Ali A.F., Alrowaili Z.A., El-Giar E.M., Ahmed M.M., El-Kady A.M., Novel Green Synthesis of Hydroxyapatite Uniform Nanorods via Microwave-Hydrothermal Route Using licorice Root Extract as Template, Ceramics International, 47, 3928-3937, 2021.
[21] Prakash V.C.A., Venda I., Thamizharasi V., Sathya E., A New Attempt on Synthesis of Spherical Nano Hydroxyapatite Powders Prepared by Dimethyl Sulfoxide-Poly Vinyl Alcohol Assisted Microemulsion Method, Materials Chemistry and Physics, 259, 124097, 2021.

[22] Sun Y., Guo G., Tao D., Wang Z., Reverse Microemulsion-Directed Synthesis of Hydroxyapatite Nanoparticles Under Hydrothermal Conditions, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 68, 373-377, 2007.
[23] Kokubo T., Takadama H., How Useful is SBF in Predicting in Vivo Bone Bioactivity? Biomaterials, 27, 2907-2915, 2006.
[24] Pang Y.X., Bao X., Influence of Temperature, Ripening Time and Calcination on the Morphology and Crystallinity of Hydroxyapatite Nanoparticles, Journal of the European Ceramic Society, 23, 1697-1704, 2003.
[25] Person A., Bocherens H., Mariotti A., Renard M., Diagenetic Evolution and Experimental Heating of Bone Phosphate, Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 126, 135-149, 1996.
[26] Sadat-Shojai M., Moghaddas H., Modulated Composite Nanofibers with Enhanced Structural Stability for Promotion of Hard Tissue Healing, Iranian Journal of Science and Technology, Transaction A, Science, 45, 529-537, 2021.
[27] Li G., Wie J.J., Nguyen N.A., Chung W.J., Kim E.T., Char K., Mackay M.E., Pyun J., Synthesis, Self‐Assembly and Reversible Healing of Supramolecular Perfluoropolyethers, Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 51, 3598-3606, 2013.
[28] Xu S., Chang P., Zhao B., Adeel M., Zheng S., Formation of Poly(ε-Caprolactone) Networks via Supramolecular Hydrogen Bonding Interactions, Chinese Journal of Polymer Science, 37, 197-207, 2019.