Polimeri predstavljajo veliko skupino materialov, ki so močno zastopani v našem vsakdanjiku in so velikega pomena. Polimeri so makromolekule, ki so sestavljene iz velikega števila gradbenih enot, monomerov. Monomeri ali ponavljajoče se enote se združujejo in med seboj tvorijo kemijske vezi. Tako nastajajo dolge verige, imenovane makromolekule ali polimeri. Razlog za široko uporabnost teh materialov so njihove značilnosti, pri katerih izstopajo dobra odpornost na kemikalije, dobra toplotna in električna izolativnost, enostavna obdelava, stroškovna ugodnost ipd.
Polimeri zajemajo veliko skupino materialov, ki jo lahko delimo glede na značilnosti. Zanimiva skupina polimerov so zagotovo tisti, ki prihajajo iz naravnih virov in so biološko razgradljivi pod vplivom mikroorganizmov. Njihova uporaba na področju biomedicine velja za zelo obetavno. Poleg biološke razgradljivosti je zelo pomembna lastnost teh polimerov biokompatibilnost. Ta lastnost predstavlja sposobnost uskladitve teh materialov z živim tkivom ali organizmom kot celoto. Materiali tako niso strupeni, škodljivi, reaktivni in ne povzročajo imunske zavrnitve v organizmu. V zadnjem času je uporaba teh polimerov v medicinske namene privedla do optimizacije električnih lastnosti teh materialov. Piezoelektrični učinek je pojav, pri katerem na površini materiala, ki je izpostavljen mehanskemu pritisku, nastane električni naboj in pride do deformacije materiala.
Poli (mlečna) kislina je polimer, ki ga dandanes najpogosteje pridobivamo iz naravnih virov. Je biokompatibilna, biološko razgradljiva, nestrupena kislina, ki se lahko reciklira. Gre za enega redkih polimerov, ki ga je zaradi svojih dobrih lastnosti za medicinsko uporabo odobrila Evropska medicinska agencija (EMA) ter Ameriška uprava za hrano in zdravila (Federal Agency for Food and Drugs FDA). Izkazala se je tudi kot zelo dober material za aplikacije v tkivnem inženirstvu, regenerativni medicini, vsadkih, celjenju kože, tetiv ipd.
Glede na način uporabe je mogoče mehanske lastnosti poli (mlečne) kisline manipulirati s stopnjo kristalizacije. Le-ta ima veliko trdnost in togost, kar je pomembno pri izdelavi biokompozitov. Tudi poli (mlečna) kislina je kiralna molekula. Lahko jo najdemo v kar 3 optičnih izomerih, kot sta stereoizomera, poli (l-mlečne) kisline in poli (d-mlečne) kisline ter poli (d, l-mlečne) kisline. Levi (L) enantiomer in desni (D) enantiomer imata podobne lastnosti, dokazano pa je bilo, da le poli (l-mlečna) kislina kaže piezoelektrični učinek, medtem ko pri poli (d-mlečni) kislini to še ni dokazano. Poli (d, 1-mlečna) kislina je bila pridobljena s polimerizacijo drugih dveh stereoizomerov in ima višjo vsebnost amorfne faze kot L in D enantiomera.
Zaradi navedenih razlogov in splošnih značilnosti poli(mlečne) kisline sem se osredotočila na poli(l-mlečno) kislino kot osnovo pri eksperimentalnem delu magistrske naloge.
Poli (l-mlečna) kislina lahko kristalizira v različnih oblikah, bodisi urejenih oblikah , in , bodisi neurejeni ’ obliki. Stopnja kristalizacije je zelo pomembna lastnost, saj vpliva na vse lastnosti tega polimera in se dokazano povečuje z zmanjšanjem molekulske mase. Po drugi strani pa raztegovanje teh polimerov izboljša stopnjo kristalizacije in orientacijo makromolekularnih verig. Prav tako raztegovanje pospešuje piezoelektrični odziv danih polimerov.
S tvorbo kompozitov se lahko izboljšajo nekatere lastnosti poli (l-mlečne) kisline, kot so stopnja kristalizacije, piezoelektrične lastnosti in povečanje temperature steklastega prehoda.
Kalcijev fosfat, bolj znan kot kalcijev hidroksiapatit (HAp), je anorganska mineralna sol, ki ima funkcijo vezave in s tem utrjevanja kostnega matriksa. Ob tvorbi kompozitov z določenimi polimeri so znanstveniki opazili, da dodatek hidroksiapatita zmanjša -kristalno fazo, kar dejansko pomeni, da dodatek HAp zmanjša celotno stopnjo kristaliničnosti kompozita glede na stopnjo kristaliničnosti čistih polimerov.
Za nadaljnje izboljšanje lastnosti hidroksiapatita (HAp) se je skupina znanstvenikov odločila, da omenjeni kalcijev hidroksiapatit dopira z nanodelci zlata. Na ta način nastanejo kompoziti z visoko antibakterijsko aktivnostjo, visoko citokompatibilnostjo in dobro stabilnostjo v fiziološkem okolju.
Zaradi svoje majhnosti, dobrih lastnosti in enostavne izdelave, so magnetni nanodelci med drugim uporabni na področju biomedicine. Nanodelci železovega oksida so pritegnili pozornost znanstvenikov zaradi svoje biokompatibilnosti in možnosti razgradnje. Dokazano je tudi, da lahko spinelni feriti zagotavljajo izboljšano koercitivnost in anizotropijo materialov. Od različnih delcev spinelnih feritov so nanodelci kobaltovega ferita (CoFe2O4) izstopali po svoji dobri kemični in toplotni stabilnosti. Pokazalo se je tudi, da dodajanje teh nanodelcev poli (l-mlečni) kislini deluje kot sredstvo za nukleacijo pri kristalizaciji polimerov. Po drugi strani pa so znanstveniki prišli do zaključka, da lahko ta dodatek zmanjša stopnjo kristalizacije polimerov, ker lahko ustvari preveč kristalizacijskih centrov in tako moti proces kristalizacije in pravilno zlaganje molekul.
Glede na podane podatke, sem se tako v magistrski nalogi, kot tudi v eksperimentalnem delu, ukvarjala z izdelavo polimernih filmov iz poli(l-mlečne) kisline in kompozitov na osnovi omenjenega polimera in hidroksiapatita (HAp), hidroksiapatita dopiranega z nanodelci zlata in kobaltovega ferita, dopiranega z različnimi kovinami (Ga, Zn). V magistrskem delu sem se osredotočila na optimizacijo strukture PLLA plasti, izdelanih s postopkom toplega raztegovanja, in njihovih kompozitov.
Dva polimera, ki sta bila izbrana za to raziskavo, sta imela različno molekulsko maso. Polimer PLLA (500 kDa) je imel večjo molekulsko maso (Mw = 500 kDa), PLLA (250 kDa) pa manjšo molekulsko maso (Mw = 250 kDa). Ukvarjala sem se z optimizacijo obdelave plasti polimera. Poleg tega sem se ukvarjala z določanjem procesnih parametrov, kot so optimalna temperatura taljenja, temperatura stiskanja, temperatura raztegovanja in optimalna dolžina raztegovanja pod določeno napetostjo. Namen je bil ugotoviti, kako parametri vplivajo na strukturo polimernih plasti in kompozitov. Naredila sem tudi kompozite z omenjenimi polimeri kot matrico. Cilj je bil določiti, kako različna polnila, predvsem oksidni nanomateriali, kot sta hidroksiapatit in kobaltov ferit dopiran z različnimi kovinami (Zn, Ga), vplivajo na določene lastnosti kompozitov. Raziskala sem njihov vpliv na hitrost kristalizacije, orientacijo polimernih verig in površinske lastnosti. Nazadnje sem preučila piezoelektrični odziv PLLA plasti ter kompozitov. S to raziskavo je bilo pridobljenih veliko pomembnih podatkov, vključno z najboljšimi pogoji sinteze.
Kot rezultat raziskave se je izkazalo, da je polimer z večjo molekulsko maso PLLA (500 kDa), pokazal boljše lastnosti v skoraj vseh pogledih v primerjavi z polimerom z nižjo molekulsko maso PLLA (250 kDa). Pomembno je poudariti, da so bili vsi polimerni filmi raztegnjeni 5-krat svoje začetne dolžine (DR5). Stopnja kristaliničnosti, usmerjenost polimernih verig in optimalna stopnja fleksibilnosti so lastnosti, ki so se izkazale za boljše pri polimernih filmih, ki so bili narejeni iz PLLA (500 kDa).
Pri izdelavi samega kompozita, je bilo PLLA (500 kDa) mogoče kombinirati z različnimi dodatki do 5 ut. %. Polimer z nizko molekulsko maso PLLA (250 kDa) pa lahko tvori kompozite z največ 2 ut. % aditiva. Pri višjih masnih koncentracijah je kompozit počil. Iz tega razloga in tudi obstojnosti same matrice, so me bolj zanimali kompoziti, v katerih je bila matrica PLLA (500 kDa). V skladu s tem so najboljše rezultate pokazali kompoziti s hidroksiapatitom, dopiranim z zlatimi nanodelci in kobaltovim feritom, dopiranim z galijem. Pokazali so dobro stopnjo kristaliničnosti in usmerjenosti polimernih verig. Prav tako so že pri 1 ut. % aditiva prav aditivi uspeli zmanjšati hidrofobnost površine kompozita.
Piezoelektrične meritve so pokazale, da so dimenzije vzorcev zelo pomemben dejavnik. Zaradi majhnih površin vzorcev veliko meritev piezoelektričnega odziva ni bilo mogoče izvesti. Čeprav mi je uspelo izdelati večje vzorce, so se zaradi raztegovanja zožili in s tem zmanjšali površino osrednjega dela vzorca, ki je najbolj primeren za te meritve. Od meritev piezoelektričnega odziva je najboljši rezultat pokazal kompozit z matrico iz PLLA (250 kDa) z 1 ut. % hidroksiapatita kot aditivom. V primerjavi s podatki iz literature lahko sklepamo, da je napetost, ki nastane na površini kompozita zadovoljiva za uporabo na področju biomedicine.
Prihodnje raziskave bi lahko razširile in optimizirale postopek priprave kompozitov ter izboljšale metode raztegovanja polimernih filmov in kompozitov. Ocenjujem, da je moja magistrska naloga pripeljala do zanimivih opažanj in dala podlago in perspektivo za nadaljnje raziskave na tem področju.
|
