Влияния различных условий на электроспиннинг хитозана и на морфологию образующихся волокон

Введение

Электроспиннинг (ЭС) – прямой и универ­сальный метод получения нановолокон (НВ) из различных растворов полимеров, который приводит к формированию ультратонких волокон в результате действия электростатических сил на электрически заряженную струю полимерного раствора [11].

Электроспиннинг – интересный процесс, который обеспечивает получение нетканого волок­нистого материала, а изучение условий проведения электроспиннинга является очень важным аспектом при формировании качественных нановолокон без дефектов.

На настоящий момент электроспиннинг можно назвать передовым способом получения нано­волокон из полимеров. Процесс электроформования из раствора довольно прост и не требует применения сверхсложных технологий и условий, что делает этот метод чрезвычайно привлекательным для создания нановолокон.

К настоящему времени в направлениях по получению материалов, и в частности нановолокон, на основе хитозана (ХЗ) и его производных работают многие учёные по всему миру. Это обусловлено тем, что такие нановолокна из- за особенности структуры обладают своеобразными свойствами, поверх­ностной активностью и высокой пористостью.

Хитозан известен своей биоразлагаемостью и биосовместимостью, а также низкой токсичностью и заслужил огромное внимание как возобновляемый полимер с разносторонним применением в фармацевтике и биомедицине при иммобилизации и очистке ферментов, при создании сорбентов [2; 9; 7], на химических заводах при обработке воды [10] и в пищевой промышленности как вяжущий, геле­образующий и стабилизирующий агент [6].

Известно множество работ по оптимизации условий формирования нановолокон хитозана методом электроспиннинга путём манипулирования различными факторами, влияющими на процесс электроспиннинга [3; 12; 14].

Torres-Geiner и др. [13] установили прямую зависимость морфологии и диаметра нановолокон от условий проведения процесса (молекулярная масса полимера, концентрация раствора, соотношение растворителей и расстояние между накопителем и шприцем).

Ohkawa и др. [8] в своей работе исследовали электроспиннинг хитозана в растворителе муравьиная кислота, но процесс электроспиннинга стал возможным только при добавлении малого количества ПВА. Гомогенные (неразветвлённые, без дефектов) волокна со средним диаметром 120 нм были достигнуты при соотношении ХЗ и ПВА 50:50. Исключительно при использовании в качестве растворителя трифторуксусной кислоты (ТФУК) из 8% раствора ХЗ наблюдалось формирование нановолокон с средним диаметром 480 нм. Дихлорметан (ДХМ) был добавлен в ТФУК с целью повышения качества нановолокон. Соотношение растворителей ТФУК/ДХМ 70:30 было найдено оптимальным, при котором формировались ровные нановолокна со средним диаметром 330 нм.

Zhang и др. [15] удалось получить волокна ПВА методом электроспиннинга в субмикронном размере. Повышение напряжения электрического тока приводит к увеличению среднего диаметра волокон. Изменение расстояния между накопителем и шприцем не оказало заметного влияния на морфологию волокон.

Geng и др. [1] получили нановолокна из водного раствора хитозана с использованием концентри­рованной уксусной кислоты в качестве растворителя. Здесь концентрация уксусной кислоты сыграла важнейшую роль при формировании стабильной струи в процессе ЭС через понижение поверхностного натяжения раствора ХЗ и повышение заряженности раствора. Однородная волокнистая масса со средним диаметром волокон 130 нм была получена из 7% раствора хитозана в 90% водном растворе уксусной кислоты при напряжении электрического тока 4 кВ/см. Из всех образцов ХЗ при формировании ровных качественных волокон был эффективен раствор с молекулярной массой ХЗ, равной 106.0 г/моль. Была определена закономерность уменьшения среднего диаметра нановолокон при повышении напряжения.

Целью данной работы является изучение влияния условий проведения процесса электро­спиннинга на морфологию получаемых волокон.

Экспериментальная часть

Материалы и оборудование

Креветочный хитозан был приобретён у местной компании Китая Aladdin chemistry Сo.Ltd (степень ацетилирования (СА)=20, Mw=276400), трифторуксусная кислота (ТФУК) – у компании Aladdin chemistry Сo.Ltd., уксусная кислота – производства Beijing Chem.Works, Beijing SHIJI.

Для определения молекулярной массы образцов был использован вискозиметр Уббелоде. ГПХ проводили на жидкостном хроматографе компании Waters. ЯМР спектрометр Bruker 600 MHz использовался для изучения химического строения, функциональных групп первичного хитозана и её деполимеризованных образцов. Микроскопические исследования для изучения морфологии волокон и вычисления их диаметров проводили на скани­рующем электронном микроскопе марки JSM-5610.

Процесс деполимеризации

С целью получения образцов хитозана с различной молекулярной массой первичный хитозан был фракционирован деполимеризацией с помощью нитрита натрия по методу Mohammad R. Kassai и др. [4]. Для этого 1.0%-й раствор первичного хитозана в 0.1М растворе уксусной кислоты был обработан раствором NaNO₂ в различных концентрациях (1.45·10^-4M; 1.15·10^-3M; 3.15·10^-3M; 2.15·10^-3M) в течение 4 часов при 40 ^oC. Далее реакционная смесь была нейтрализована 1.0н раствором NaOH до достижения рН=8.0 и с последующим осаждением хитозана. Осаждённый хитозан был отцентри­фугирован, промыт дистиллированной водой несколько раз и высушен лиофилизацией. При этом соответственно были получены 4 образца с условными обозначениями СS-2, СS-3, СS-4 СS-5. Исходный хитозан обозначен как СS-1.

¹H ЯМР-спектроскопия

5 мг первичного хитозана СS-1 и образца СS-5 с самой низкой молекулярной массой (М=25059) полученного деполимеризацией хитозана были помещены в пробирки ЯМР-спектрометра, содержащие по 0.5 мл раствора 2% DCl в D₂O, и были отложены на 3 часа при 25 ^oC для полного растворения.

¹H ЯМР-спектр был получен спектрометром при 600 MHz и 25 ^oC. Степень деацетилизации была определена при помощи относительных интегралов ацетил N-ацетил и AcOH и суммированных Н2-Н6 протонов согласно методу Mohammada R. Kasaai [5].

После деполимеризации ¹HЯМР-спектр образцов показал отсутствие различий в пиках образцов 2-5 в сравнении с первичным хитозаном. Структура 2-4 образцов дала пики, соответствующие структуре хитозана. После деполимеризации степень диспер­сности первичного хитозана резко уменьшилась с 2.02 до 1.65, затем постепенно увеличилась (2.31, 2.35 и 2.14), и СА была немного выше, чем у первичного хитозана. Причиной этого, вероятно, является изменение содержания NH₂ групп в полимере.

a)

b)

Рисунок 1. ¹H ЯМР-спектр первичного хитозана СS-1(a) и образца СS-5 (b) (М=25059)
при условиях 600 МHz, 25 ^oC и 90^o пульсах

Вязкость образцов хитозана была определена в ацетатном буфере в качестве растворителя 0.5М СН₃СООН/0.5М СН₃СООNa при 25 ^oC с помощью вискозиметра Уббелоде. Характеристическая вязкость понижается постепенно с уменьшением MM образцов. Характеристическая вязкость [h] образцов: CS-1, CS-2, CS-3, CS-4, CS-5 соответ­ственно была 9.92; 5.87; 1.45; 1.02 и 0.51 дл/г.

Гель-проникающая хроматография

Молекулярная масса и степень полидиспер­сности образцов были определены с помощью ГПХ на жидкостном хроматографе компании Waters. Скорость потока была установлена 0.50 мл/мин под давлением 612 psi. Система хроматографа снабжена насосом Waters 1515 HPLS и рефрактометрическим детектором Waters 2414. Колонки WATO11545 компании Waters с измерением 300 mm х 7.8 mm. Заданная температура колонки равна 35 ^oC. Полиэтиленгликоль был использован в качестве стандарта для калибровки. Растворителем послужил 0.5M CH₃COONa/0.5M СН₃СООН.

Таблица 1.

Молекулярные массовые характеристики исследованных образцов хитозана

Электроспиннинг растворов хитозана

При электроспиннинге раствора был исполь­зован шприц объемом 5 мл. Алюминиевая фольга использовалась в качестве накопителя, к которому был подведён электрический ток. Генератор высокого напряжения (0-40kВ) был применён для генерации электрического поля. В наших экспериментах напряжение варьировало между 15-40 kВ, расстояние между шприцем и накопителем – от 100 до 200 мм, а также диаметр игл – между 4-9 мм.

Результаты и обсуждения

¹H ЯМР-спектроскопия деполимеризованных образцов не выявила существенного влияния процесса деполимеризации на структуру полимера и СА хитозана. Значение СА было вычислено при помощи относительных интегралов ацетил (N- ацетил и AcOH) и H₂-H₆ протонов.

Среди растворителей, использованных при электроспиннинге хитозана (уксусная кислота (УК), трифторуксусная кислота (TФУК), муравьиная кислота (МК) и их смеси с дихлорметаном в различном соотношении), ни один из них не дал видимую струю даже при подведении высокого напряжения электрического тока. Только в случае образцов, в которых в качестве растворителя использовался ТФУК, волокна хитозана были собраны на накопителе.

Причиной этому является то, что ТФУК образует соли с аминогруппами хитозана, а также высокая испаряемость ТФУК, что создаёт условия для максимального вытягивания нановолокон. При понижении значения подведённого напряжения с 40 до 30 kВ, при расстоянии между накопителем и шприцем от 200 до 150 мм и уменьшении диаметра иглы с 7 до 5 мм при одинаковой концентрации образца CS-1 (2% в ТФУК) средний диаметр волокон увеличился от 147 до 201 нм (снимки 1-2 на рис. 2). Когда подведённое напряжение было изменено с 30 до 15 kВ, расстояние между накопителем и шприцем – от 200 до 100 мм при той же концентрации, а также диаметр иглы – от 9 до 5 мм, средний диаметр волокон увеличился с 136 до 174 нм.

Рисунок 2. Морфологические изменения в волокнах первичного хитозана CS-1 (Mw-276406) в ТФУК 2% с напряжением тока 40 kВ, расстояние между накопителем и шприцем равно 200 mm при диаметре иглы 7 мм (средний диаметр волокон 147 нм (1 снимок); CS-1 в TФУК 2% с напряжением тока 30 kВ, расстояние между накопителем и шприцем равно 150 мм, диаметр иглы равен 5 мм (средний диаметр волокон равен 201 nm) (2 снимок); CS-1 в ТФУК 1.5% при напряжении тока 30 kВ, расстояние между накопителем и шприцем 200 мм, диаметр иглы 5 мм (средний диаметр волокон равен 136 нм) (3 снимок); CS-1 в TФУК 1.5% при напряжении тока 15 kВ, диаметр иглы 5 мм, расстояние между накопителем и шприцем 100 mm (средний диаметр волокон равен 174 нм) (4 снимок)

Согласно методу Kousaku Ohkawa и др. 2004. [8] малое количество органического растворителя дихлорметана (ДХМ) было добавлено в растворитель ТФУК в различном объёмном соотношении (рис. 3).

С повышением количества ТФУК в смеси волокна стали гомогенными, но всё ещё можно было наблюдать формирование коротких нитей и разветвлённых волокон. Наиболее подходящим условием для формирования качественных волокон в субмикронном размере была концентрация раствора образца CS-1, равная 2% в смеси растворителей ТФУК: ДХМ в объёмном соотношении 90:10 с подведённым напряжением тока 25 kВ, расстояние между накопителем и шприцем 150 мм (средний диаметр полученных волокон 230 нм, диаметр распределения 180-420 нм).

Рисунок 3. Морфологические изменения в волокнах первичного хитозана CS-1 (Mw-276406) с концентрацией 2% с добавлением дихлорметана (ДХМ) (1 снимок) в объёмном соотношении ТФУК:ДХМ 70:30, при напряжении тока 15 kВ (средний диаметр волокон 115 нм) (2 снимок); CS-1 в объёмном соотношении ТФУК:ДХМ 80:20 CS-1 (средний диаметр волокон 218.6 нм); CS-1 в объёмном соотношении ТФУК:ДХМ 90:10, при напряжении тока 15 kВ и расстоянии между накопителем и шприцем 100 mm (средний диаметр волокон равен 244.5 нм) (3 снимок); CS-1 в объёмном соотношении ТФУК:ДХМ 90:10, при напряжении 25 kВ и расстоянии между накопителем и шприцем 150 мм (средний диаметр волокон равен 230 нм) (4 снимок)

Раствор образца хитозана CS-5 с самой низкой молекулярной массой, равной Mw-25059, был подвержен электроспиннингу в различных концентрациях и условиях процесса.

Раствор образца CS-5 с концентрацией 10% при напряжении тока 20 кВ был найден самым оптимальным условием при формировании качественных волокон, с отсутствием дефектов в виде бусинок и разветвленных нановолокон со средним диаметром волокон 282 нм и диаметром распределения 220-480 нм (рис. 4).

Рисунок 4. Морфологические изменения в волокнах из образца CS-5 (Mw-25059) 7% концентрации раствора в ТФУК при напряжении тока 30 кВ, расстояние между накопителем и шприцем 150 mm, диаметр иглы 7 мм (средний диаметр волокон 173 нм) (1 снимок); раствор CS-5 в ТФУК в концентрации 10% при напряжении тока 20 kВ, расстояние от накопителя до шприца 150 мм, диаметр иглы 7 мм (средний диаметр волокон 282 нм) (2 снимок)

Получение нановолокон из растворов CS-2 (Mw-103389) с разной концентрацией было изучено в различных условиях. Воздействие электрического тока и диаметра иглы на средний диаметр волокон образца CS-2 (Mw-103389) при одинаковой концентрации растворов, равной 4% в ТФУК, на одинаковом расстоянии между накопителем и шприцем 150 мм изображено на снимках 1-2 рис 5.

Уменьшение напряжения тока и увеличение диаметра иглы способствует увеличению диаметра полученных волокон. Когда концентрация раствора была понижена с 4 до 2%, средний диаметр волокон уменьшился до 96 нм (3 снимок).

Рисунок 5. Морфологические изменения в волокнах из 4% раствора образца CS-2 (Mw-103389) в ТФУК при напряжении тока 40kВ, расстояние между накопителем и шприцем было 150 мм, диаметр иглы 5 мм (средний диаметр волокон был равен 156 нм) (1 снимок); 4% раствор в ТФУК образца CS-2 при напряжении тока 30 kВ, расстояние между накопителем и шприцем было 150 mm, диаметр иглы 7 мм (средний диаметр волокон равен 187 nm) (2 снимок); 2% раствор CS-2 В ТФУК:ДХМ при напряжении тока 25 kВ, расстояние между накопителем и шприцем было 150 мм, диаметр иглы 7 мм (средний диаметр волокон равен 96 нм) (3 снимок)

Для образцов хитозана CS-3 и CS-4 с молеку­лярными массами 615000 и 483000 соответственно, с варьированием вышеприведенных условий проведения электроспиннинга также было исследовано образование волокон.

Раствор образца CS-3 с концентрацией 6% при напряжении тока 15 кВ был найден оптимальным для формирования качественных волокон без дефектов в виде бусинок со средним диаметром волокон 240 нм. Наиболее подходящим условием для формирования качественных волокон в субмикронном размере была концентрация раствора образца CS-4, равная 8% в смеси растворителей ТФУК: ДХМ в объёмном соотношении 70:30 при напряжении 20 kВ, расстояние между накопителем и шприцем 150 мм. При этом средний диаметр полученных волокон составил 265 нм.

Выводы

В работе была показана возможность получения однородного нановолокна хитозана с различными характеристиками без дефектов при подборе соответствующих условий. Растворитель ТФУК для электроспиннинга хитозана был найден самым эффективным из всех опробованных растворителей, а добавление органического растворителя ДХМ позволило улучшить качество волокон.

Не образовавшаяся видимая струя при электроспиннинге хитозана с применением муравьиной и уксусной кислот показала, что для хитозана с определенными характеристиками эти кислоты не соответствуют в качестве растворителя для электроспиннинга хитозана даже в различных концентрациях.

При электроспиннинге раствора образца CS-5 (Mw-25059) в различных концентрациях 10% и напряжение тока 20 kВ были найдены самыми подходящими для получения качественных нано­волокон в субмикронном размере, без дефектов в виде бусинок и разветвленных нановолокон со средним диаметром волокон, равным 282 нм и с диаметром распределения 220-480 нм.

Самым оптимальным условием для получения качественных неразветвлённых волокон в пределах нанометра был найден 2%-й раствор хитозана с Mw-276406 в смеси растворителей ТФУК:ДХМ в объёмном соотношении 90:10 при напряжении тока 25kВ и расстоянии между накопителем 150 мм (средний диаметр волокон 230 нм, диаметр распределения 180-420 нм).

Когда напряжение было изменено с 40 до 30 kВ, расстояние между накопителем и шприцем с 200 до 150 и диаметр иглы был уменьшен с 7 до 5 мм в одинаковой концентрации образца CS-1, равной 2%, в ТФУК средний диаметр волокон увеличился с 147 до 201нм (снимок 1-2). Когда напряжение было изменено с 30 до 15 kВ, расстояние между накопителем и шприцем от 200 до 100 в той же концентрации и диаметр иглы с 9-5 мм, средний диаметр волокон увеличился с 136 до 174 нм. Уменьшение напряжения и увеличение диаметра иглы способствовало увеличению диаметра волокон.