خواص فیزیکی و مکانیکی نانوالیاف پلی‌(لاکتیک اسید) تهیه‌شده با الکتروریسی در مجاورت نانوذرات لاستیک سیلیکون

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 قم، دانشگاه صنعتی قم، دانشکده مهندسی پلیمر، صندوق پستی 1519-37195

2 تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، پژوهشکده فناوری‌های نو، صندوق پستی 4413-15875

3 3- تهران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 4435-11365

چکیده

فرضیه‌: امروزه استفاده از ﻧﺎﻧﻮاﻟﻴﺎف پلیمری در صنایع مختلف به‌ویژه صنعت پزشکی کاربرد زیادی پیدا کرده است. الکتروریسی روشی ساده، توانمند و مقرون به‌صرفه برای ﺗﻬﻴﻪ ﻧﺎﻧﻮاﻟﻴﺎف است. در کاربردهای زیستی همچون مهندسی بافت استفاد از پلیمر زیست‌تخریب‌پذیر و زیست‌سازگار پلی‌(لاکتیک اسید) (PLA) توجه زیادی را جلب کرده است. می‌توان با افزودن نانوذرات خواص فیزیکی و مکانیکی نانوالیاف PLA را اصلاح کرد.
روش‌ها: نانوالیاف PLA با روش الکتروریسی تهیه شد. برای افزایش رسانندگی الکتریکی محلول ریسندگی و تهیه الیافی ظریف‌تر نمک نقره نیترات اضافه شد. به‌منظور بهبود شکل‌شناسی و خواص مکانیکی الیاف حاصل، نانوذرات لاستیک سیلیکون (NSR) به محلول ریسندگی اضافه شد. آزمون میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM) و عبوری (TEM) برای بررسی شکل‌شناسی الیاف و پخش نانوذرات به‌کار گرفته شدند. خواص گرمایی و مکانیکی نانوالیاف به‌ترتیب با آزموهای گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC) و کشش مطالعه شد. 
یافته‌ها: برای تهیه نانوالیاف الکتروریسی‌شده پلی(لاکتیک اسید) با شکل‌شناسی مناسب محلول‌سازی با ترکیب حلال‌های دی‌کلرومتان و دی‌متیل فرمامید با نسبت حجمی 3 به 2 انجام شد. با کاهش غلظت PLA تا %7 و افزودن %0.5 نمک نقره نیترات به محلول ریسندگی الیافی بی‌نقص با قطر کمتر از  200nm تهیه شد. با افزودن نانوذرات لاستیک سیلیکون تا %1 الیاف ظریف‌تر شده و میانگین قطر ذرات به‌مقدار حدود 123nm کاهش می‌یابد. دلیل آن را می‌توان به افزایش کشسانی محلول ریسندگی با افزودن نانوذرات به‌دلیل ماهیت لاستیکی آن‌ها نسبت داد. افزودن نانوذرات لاستیک سیلیکون، در ترکیب درصدهای مختلف، موجب کاهش مقدار بلورینگی و افزایش دمای بلورینگی شد. چقرمگی نانوالیاف در مقادیر کم نانوذرات لاستیک سیلیکون بدون کاهش شایان توجه مدول و استحکام کششی به‌طور چشمگیری افزایش یافت که نشان‌دهنده کارایی زیاد این نانوذرات به‌عنوان اصلاح‌کننده ضربه است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Physical and Mechanical Properties of Electrospun PLA Nanofibers in the Presence of Silicone Rubber Nanoparticles

نویسندگان [English]

  • Zahra Sadat Mahdavi Moghadam 1
  • Jafar Khademzadeh Yeganeh 1
  • Saeedeh Mazinani 2
  • Mohammad Reza Kalaee 3
1 Department of Polymer Engineering, Qom University of Technology, P.O. Box 1519-37195, Qom, Iran
2 New Technologies Research Center (NTRC); Amirkabir University of Technology, P.O. Box 15875-4413, Tehran, IRAN
3 Department of Polymer Engineering, Faculty of Engineering, South Tehran Branch, Islamic Azad University, P.O. Box 11365-4435, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Nowadays, polymer nanofibers have been extensively used in different industries especially for medical applications. Electrospinning is a simple, versatile and cost-effective technique to prepare nanofibers. For biomedical applications such as tissue engineering poly(lactic acid) (PLA), a biocompatible and biodegradable polymer, has gained great interest. To improve the physical and mechanical properties of electrospun PLA, nanofibers and nanoparticles can be included.
Methods: PLA nanofibers were prepared through electrospinning. Silver nitrate was added to increase the conductivity of electrospinning solution, resulting in finer nanofibers. To improve morphology and mechanical properties of the electrospun fibers, silicone rubber nanoparticles (NSR) were added into the electrospinning solution. Scanning and transmission electron microscopies (SEM and TEM) were employed to investigate the morphology of electrospun nanofibers and dispersion of nanoparticles, respectively. To investigate thermal and mechanical properties of the obtained nanofibers, differential scanning calorimetry (DSC) and tensile test were used.
Findings: To obtain poly(lactic acid) electrospun nanofibers with fine and defect-free morphology, PLA was dissolved in a mixture of dichloromethane and dimethylformamide (DCM/DMF) solvents with a volumetric ratio of 3/2 Electrospinning solution with 7% poly(lactic acid) containing 0.5% (by wt) silver nitrate led to defect-free nanofibers with a diameter of less than 200 nm. Inclusion of silicone rubber nanoparticles of 1% resulted in finer nanofibers with a diameter of about 123 nm. This was attributed to enhanced elasticity of the solution with addition of elastomeric nanoparticles. Adding silicone rubber nanoparticles increased the cold crystallization temperature and decreased the crystallinity of polylactic acid. Toughness of nanofibers considerably increased in the presence of silicone rubber nanoparticles without sacrificing modulus and strength, indicating high capability of NSR as an impact modifier

کلیدواژه‌ها [English]

  • poly(lactic acid)
  • electrospinning
  • silicone rubber nanoparticles
  • morphology
  • mechanical properties

مراجع

  1. Shi S., Si Y., Han Y., Wu T., Iqbal M.I., Fei B., Li R.K., Hu J., and Qu J., Recent Progress in Protective Membranes Fabricated via Electrospinning: Advanced Materials, Biomimetic Structures, and Functional Applications, Mater., 34, 2107938, 2022.
  2. Farhadi F., Abbasi M., Haghi A.K., and Nasouri K., Determination of Morphological and Microstructural Properties of Polyacrylonitrile/Single-Walled Carbon Nanotubes Composite Nanofibers, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 27, 267-279, 2014.
  3. Abdul-Hameed M.M., Mohamed-Khan S.A., Thamer B.M., Rajkumar N., El-Hamshary H., and El-Newehy M., Electrospun Nanofibers for Drug Delivery Applications: Methods and Mechanism, Adv. Technol., 34, 6-23, 2022.
  4. Wade R.J. and Burdick J.A., Advances in Nanofibrous Scaffolds for Biomedical Applications: From Electrospinning to Self-Assembly, Nano Today, 9, 722-742, 2014.
  5. Rostamloo M., Nouri M., and Mokhtari J., Effect of Nanoclay on the Electrospinning of Poly(ε-caprolactone), J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 24, 231-240, 2011.
  6. Seraji A.A., Goharpey F., and Khademzadeh-Yeganeh J., Highly Crystallized and Tough Polylactic Acid Through Addition of Surface Modified Cellulose Nanocrystals, Appl. Polym. Sci., 139, 52871, 2022.
  7. Lohrasbi P. and Khademzadeh-Yeganeh J., Synergistic Toughening of Poly(lactic acid)/Poly(ethylene vinyl acetate)(PLA/EVA) by Dynamic Vulcanization and Presence of Hydrophobic Nanoparticles, Adv. Technol., 32, 4326-4339, 2021.
  8. Moradi S. and Khademzadeh-Yeganeh J., Highly Toughened Poly(lactic acid)(PLA) Prepared Through Melt Blending with Ethylene-co-Vinyl Acetate (EVA) Copolymer and Simultaneous Addition of Hydrophilic Silica Nanoparticles and Block Copolymer Compatibilizer, Test., 91, 106735, 2020.
  9. Yang Z., Li X., Si J., Cui Z., and Peng K., Morphological, Mechanical and Thermal Properties of Poly(lactic acid)(PLA)/Cellulose Nanofibrils (CNF) Composites Nanofiber for Tissue Engineering, Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed., 34, 207-215, 2019.
  10. McCullen S.D., Stano K.L., Stevens D.R., Roberts W.A., Monteiro-Riviere N.A., Clarke L.I., and Gorga R.E., Development, Optimization, and Characterization of Electrospun Poly(lactic acid) Nanofibers Containing Multi-Walled Carbon Nanotubes, Appl. Polym. Sci., 105, 1668-1678, 2007.
  11. Ranjbar-Mohammadi M., Shaki H., and Kargozar S., Fabrication of Nanofibrous Hybrid Scaffolds from Polylactic Acid-Graphene and Gelatin for Application in Bone Tissue Engineering, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 31, 563-574, 2019.
  12. Cai N., Dai Q., Wang Z., Luo X., Xue Y., and Yu F., Toughening of Electrospun Poly(L-lactic acid) Nanofiber Scaffolds with Unidirectionally Aligned Halloysite Nanotubes, Mater. Sci., 50, 1435-1445, 2015.
  13. Pereira F.A., Salles G.N., Rodrigues B.V., Marciano F.R., Pacheco-Soares C., and Lobo A.O., Diamond Nanoparticles into Poly(lactic acid) Electrospun Fibers: Cytocompatible and Bioactive Scaffolds with Enhanced Wettability and Cell Adhesion, Lett., 183, 420-424, 2016.
  14. Qiao J., Elastomeric Nano-Particle and Its Applications in Polymer Modifications, Ind. Eng. Polym. Res., 3, 47-59, 2020.
  15. Liu Y., Zhang X., Wei G., Gao J., Huang F., Zhang M., Guo M., and Qiao J., Special Effect of Ultra-Fine Rubber Particles on Plastic Toughening, Chinese J. Polym. Sci., 20, 93-98, 2002.
  16. Wang Q., Zhang X., Dong W., Gui H., Gao J., Lai J., Liu Y., Huang F., Song Z., and Qiao J., Novel Rigid Poly(vinyl chloride) Ternary Nanocomposites Containing Ultrafine Full-Vulcanized Powdered Rubber and Untreated Nano-Sized Calcium Carbonate, Lett., 61, 1174-1177, 2007.
  17. Zhao Q., Ding Y., Yang B., Ning N., and Fu Q., Highly Efficient Toughening Effect of Ultrafine Full-Vulcanized Powdered Rubber on Poly(lactic acid)(PLA), Test., 32, 299-305, 2013.
  18. Casasola R., Thomas N.L., and Georgiadou S., Electrospinning of Poly(lactic acid): Theoretical Approach for the Solvent Selection to Produce Defect-Free Nanofibers, Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., 54, 1483-1498, 2016.
  19. Casasola R., Thomas N.L., Trybala A., and Georgiadou S., Electrospun Poly(lactic acid) (PLA) Fibres: Effect of Different Solvent Systems on Fibre Morphology and Diameter, Polymer, 55, 4728-4737, 2014.
  20. Biomedical Nanostructures, Gonsalves K., Halberstadt C., Laurencin C.T. and Nair L. (Eds.), John Wiley and Sons, New Jersey, 391-394, 2008.
  21. Nagy Z.K., Nyúl K., Wagner I., Molnár K., and Marosi G., Electrospun Water Soluble Polymer Mat for Ultrafast Release of Donepezil HCL, Express Polym. Lett., 4, 763-772, 2010.
  22. Heidari M., Bahrami S.H., Ranjbar-Mohammadi M., and Milan P.B., Smart Electrospun Nanofibers Containing PCL/Gelatin/Graphene Oxide for Application in Nerve Tissue Engineering, Sci. Eng. C, 103, 109768, 2019.
  23. Dhandayuthapani B., Krishnan U.M., and Sethuraman S., Fabrication and Characterization of Chitosan-Gelatin Blend Nanofibers for Skin Tissue Engineering, Biomed. Mater. Res., Part B: Appl. Biomater., 94, 264-272, 2010.
  24. Qin X.H. and Wang S.Y., Filtration Properties of Electrospinning Nanofibers, Appl. Polym. Sci., 102, 1285-1290, 2006.
  25. Sharma A., Kumar S.R., Katiyar V.K., and Gopinath P., Graphene Oxide/Silver Nanoparticle (GO/AGNP) Impregnated Polyacrylonitrile Nanofibers for Potential Application in Air Filtration, Nano-Struct. Nano-Objects, 26, 100708, 2021.
  26. Baskan H., Esentürk I., Dösler S., and Sarac A.S., Karakas H., Electrospun Nanofibers of Poly(acrylonitrile-co-itaconic acid)/Silver and Polyacrylonitrile/Silver: In Situ Preparation, Characterization, and Antimicrobial Activity, Ind. Text., 50, 1594-1624, 2021.
  27. Jian H.Y., Fridrikh S.V., and Rutledge G.C., The Role of Elasticity in the Formation of Electrospun Fibers, Polymer, 47, 4789-4797, 2006.
  28. Scaffaro R. and Lopresti F., Properties-Morphology Relationships in Electrospun Mats Based on Polylactic Acid and Graphene Nanoplatelets, Part A: Appl. Sci. Manuf., 108, 23-29, 2018.
  29. Lopresti F., Pavia F.C., Ceraulo M., Capuana E., Brucato V., Ghersi G., Botta L., and La Carrubba V., Physical and Biological Properties of Electrospun Poly(D,L-lactide)/Nanoclay and Poly(D,L-lactide)/Nanosilica Nanofibrous Scaffold for Bone Tissue Engineering, Biomed. Mater. Res. Part A, 109, 2120-2136, 2021.
  30. Khan B.A., Chevali V.S., Na H., Zhu J., Warner P., and Wang H., Processing and Properties of Antibacterial Silver Nanoparticle-Loaded Hemp Hurd/Poly(lactic acid) Biocomposites, Part B: Eng., 100, 10-8, 2016.
  31. Yu H.Y., Yang X.Y., Lu F.F., Chen G.Y., and Yao J.M., Fabrication of Multifunctional Cellulose Nanocrystals/Poly(lactic acid) Nanocomposites with Silver Nanoparticles by Spraying Method, Polym., 140, 209-219, 2016.
  32. Salas-Papayanopolos H., Morales-Cepeda A.B., Sanchez S., Lafleur P.G., and Gomez I., Synergistic Effect of Silver Nanoparticle Content on the Optical and Thermo-Mechanical Properties of Poly(L-lactic acid)/Glycerol Triacetate Blends, Bull., 74, 4799-4814, 2017.
  33. Petchwattana N., Covavisaruch S., and Euapanthasate N., Utilization of Ultrafine Acrylate Rubber Particles as a Toughening Agent for Poly(lactic acid), Sci. Eng. C, 532, 64-70, 2012.
  34. Saleesung T., Saeoui P., and Sirisinha C., Mechanical and Thermal Properties of Thermoplastic Elastomer Based on Low Density Polyethylene and Ultra-Fine Fully-Vulcanized Acrylonitrile Butadiene Rubber Powder (UFNBRP), Test., 29, 977-983, 2010.

 

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار