Caracciolo P.

2do Encuentro de Jóvenes Investigadores en Ciencia y Tecnología de Materiales – Posadas – Misiones, 16 - 17 Octubre 2008.
MATRICES POLIURETÁNICAS NANOFIBROSAS OBTENIDAS POR EL
PROCESO DE ELECTROSPINNING
P. C. Caracciolo, F. A. Buffa y G. A. Abraham
Director: G. A. Abraham
División Polímeros, INTEMA (Universidad Nacional de Mar del Plata – CONICET)
Av. Juan B. Justo 4302. B7608FDQ Mar del Plata, Pcia. de Buenos Aires.
Email: [email protected]
TÓPICO: BIOMATERIALES
RESUMEN
El diseño de materiales porosos completamente biorreabsorbibles ha tenido un impulso importante en
los últimos años debido a la necesidad de disponer de biomateriales que actúen como matriz extracelular
artificial. Esta matriz es fundamental para estimular las funciones celulares que conducen a la reparación o
regeneración de tejidos y órganos (ingeniería de tejidos). Aunque existe una amplia variedad de técnicas
para fabricar matrices porosas, el procesamiento de nanofibras mediante electrospinning resulta versátil y
altamente atractivo para la preparación de membranas hiladas no tejidas de polímeros naturales o
sintéticos, cerámicos o compuestos, con morfología y funcionalidad controladas. El empleo de nanofibras
presenta además la ventaja de generar estructuras con elevada relación área/volumen. Los poliuretanos
segmentados utilizados, sintetizados a partir de un poliéster y diisocianato alifáticos y extendedores de
cadena de tipo diol, fueron previamente caracterizados fisicoquímica, térmica y mecánicamente. El presente
trabajo se centra en la preparación de matrices poliuretánicas biorreabsorbibles mediante electrospinning
de soluciones poliméricas. Con este objetivo se variaron diversos parámetros de interés del proceso (tipo de
solvente, viscosidad intrínseca, concentración de la solución, voltaje aplicado, distancia aguja-colector y
velocidad de flujo) analizando la morfología de los sistemas obtenidos mediante microscopía SEM.
Palabras clave: Poliuretanos Biorreabsorbibles, Matrices Porosas, Nanofibras, Electrospinning, Ingeniería
de Tejidos.
INTRODUCCIÓN
En los últimos años ha surgido un gran interés en el procesado de materiales poliméricos a escala
nanométrica. Una de las áreas con mayor expansión se ha basado en la tecnología de las nanofibras. Existen
diferentes técnicas que pueden emplearse para la fabricación de nanofibras poliméricas, como por ejemplo el
templado de fibras, templado en húmedo, autoensamblado y electrospinning, siendo esta última la más
ampliamente utilizada [1-4].
En 1934 Anton Formhals describió por primera vez un método de electrospinning para producir fibras
poliméricas empleando fuerzas electrostáticas. A pesar de estos tempranos descubrimientos, la técnica no
recibió mucho interés hasta mediados de la década de 1990. Esta vía permite obtener fibras continuas con
diámetros que se encuentran en el rango de micrones hasta unos pocos nanómetros. También se pueden
procesar una diversidad de materiales, entre los que se incluyen polímeros naturales o sintéticos, cerámicos y
materiales compuestos (a partir de cargas tales como agentes cromóforos, nanopartículas o agentes
bioactivos), lo que confiere a esta técnica una elevada versatilidad. Las fibras producidas resultan de gran
interés no sólo debido a su diámetro nanométrico, sino también a su alta relación área/volumen (por ejemplo,
las nanofibras con diámetros de 100 nm presentan un área superficial de 100 m2/g) y al pequeño tamaño de
poros obtenidos por superposición de fibras. A partir de una adecuada elección del material a procesar (ya
sea en solución o fundido), se pueden obtener matrices con una combinación única de una elevada área
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superficial específica, flexibilidad, tenacidad y resistencia a la tracción. Esto permite numerosas aplicaciones
tales como filtrado, catálisis, fibras compuestas para reforzar materiales, óptica y nanocables para
aplicaciones en nanoelectrónica y dispositivos biomédicos, entre otras [5]. En el campo biomédico, las
aplicaciones potenciales de las nanofibras son enormes y prometedoras [6-8]: matrices para regeneración y/o
reparación de tejidos y órganos (injertos vasculares, nervios, piel, cartílago, huesos, músculos cardíacos,
córneas, expansión y diferenciación de células madres), vectores para liberación de principios activos,
dispositivos biomédicos biodegradables implantables, instrumentación y diagnóstico médico, tejidos de
protección contra agentes infecciosos y medioambientales, aplicaciones dentales y cosméticas. Los
dispositivos para ingeniería de tejidos comprenden materiales sintéticos o naturales con una química y
arquitectura apropiadas que sirvan como matriz extracelular artificial (andamiaje o scaffold) que permita
crecer, diferenciar y estructurar espacialmente poblaciones de células de tejidos concretos. Para alcanzar esta
importante función, los materiales deben poseer microestructura porosa, espesor y área superficial de pared,
morfología y química superficial, velocidad de degradación (generalmente biorreabsorción), estabilidad
mecánica y arquitectura espacial adecuadas a la aplicación.
Los soportes constituidos por nanofibras pueden fabricarse con geometrías que permitan rellenar
defectos anatómicos y su arquitectura puede diseñarse para obtener las propiedades mecánicas necesarias
para soportar el crecimiento, proliferación, diferenciación y movilidad celular. Una propiedad inherente de
las nanofibras es su alta capacidad de imitar la matriz extracelular de los tejidos y órganos; un complejo
compuesto formado por proteínas fibrosas, proteínas solubles y otras moléculas bioactivas que permiten la
adhesión y el crecimiento celular. Sin embargo, los estudios de las interacciones célula-nanofibra, la
elucidación y el entendimiento completo de la influencia de las nanofibras en las rutas bioquímicas y los
mecanismos de las señales que regulan el comportamiento celular requieren de mayor investigación. Los
actuales soportes tridimensionales están muy lejos de ser ideales. La falta de estabilidad mecánica y la falta
de canales de interconexión que permitan a las células penetrar en la matriz son algunos de los numerosos
factores esenciales que todavía no satisfacen los soportes actuales.
Fundamentos de la técnica de electrospinning
A primera impresión, la técnica de electrospinning de polímeros parece ser una vía sencilla y
fácilmente controlable para la producción de fibras de dimensiones del orden nanométrico. Sin embargo, es
un proceso sumamente complejo que depende de una gran cantidad de parámetros.
El equipo básico se compone de cuatro componentes (Figura 1). Consta de un reservorio de solución
o material fundido que se conecta a un tubo capilar (aguja de diámetro interno del orden de los 400 µm a 800
µm), una bomba de infusión a jeringa que permite suministrar un flujo constante y determinado, una fuente
de alto voltaje y una placa metálica conectada a tierra para colectar el material electrohilado.
Figura 1. Equipo básico para la técnica de electrospinning.
Cuando se aplica un voltaje del orden de 10 a 30 kV, la gota de la solución de polímero (o del fundido)
pendiente de la aguja se electrifica fuertemente, y las cargas inducidas se distribuyen uniformemente sobre la
superficie. En consecuencia, la gota experimenta dos tipos de fuerzas electrostáticas: la fuerza de repulsión
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entre las cargas superficiales y la fuerza coulómbica ejercida por el campo eléctrico externo. Bajo la acción
de estas interacciones, la gota se distorsiona en forma de un objeto cónico, conocido como cono de Taylor.
En estas condiciones, la tensión superficial y la fuerza eléctrica están en equilibrio. Una vez que la
resistencia del campo eléctrico alcanza un determinado valor crítico, las fuerzas electrostáticas repulsivas
pueden superar la tensión superficial de la solución de polímero. Esta situación es inestable, provocando la
expulsión de un microchorro líquido cargado de la boquilla de la aguja. Este microchorro electrizado sufre
estiramiento y movimientos tipo latigazo (whipping), dando lugar a la formación de hilos largos y delgados.
A medida que el chorro líquido se deforma continuamente y se evapora el solvente (o solidifica el fundido),
el diámetro de las fibras se reduce drásticamente. El estrechamiento del chorro durante el proceso de
electrospinning se debe a la presencia diversas inestabilidades asociadas con el microchorro electrizado.
Particularmente, la regularidad y el diámetro final de las fibras dependerán fuertemente de la inestabilidad de
whipping, que es el modo inestable por excelencia en electrospinning. La aparición de esta inestabilidad
genera una flexión del microchorro. La obtención de fibras con pequeños diámetros se consigue gracias al
estiramiento y aceleración del filamento fluido en la región de la inestabilidad.
Dependiendo de las propiedades reológicas de la solución pueden producirse diferentes estructuras:
gotas, fibras con gotas y fibras. Estas propiedades están determinadas por la concentración y las
características moleculares del polímero (peso molecular, polidispersidad, grado de ramificación) y del
solvente (buen o mal solvente). El conjunto de estas características juega un papel vital en la iniciación y
estabilización de una estructura fibrosa. Para cualquier peso molecular, el efecto de la concentración en la
ruptura del microchorro de solución puede describirse por medio de dos concentraciones críticas, Ci y Cf, que
definen la transición morfológica de una estructura que solo contiene gotas dispersas a una de fibras
esencialmente libres de gotas. Por debajo de Ci, se producen solamente gotas debido a un insuficiente
enmarañamiento de cadenas en la solución (entanglement). A valores de C entre Ci y Cf, se observa una
combinación de gotas y fibras, y cuando la concentración se aumenta por encima de Cf se producen
solamente fibras [9,10]. El número de Berry (Be) proporciona una indicación importante de la conformación
molecular y juega un rol fundamental en la capacidad de formar fibras y en el control del diámetro de las
mismas. Este número adimensional es el producto de la viscosidad intrínseca y la concentración de la
solución polimérica (Be = [η].C). Para cada sistema existen rangos de Be entre los cuales la conformación de
las cadenas poliméricas en solución permite obtener diversas morfologías mencionadas anteriormente.
El control de la morfología y textura superficial de las nanofibras producidas por el proceso de
electrospinning depende de un gran número de parámetros, entre los que se encuentran:
• aspectos termodinámicos del solvente y del polímero, tales como la presión de vapor, temperatura de
cristalización y de transición vítrea, solubilidad del polímero en el solvente o mezcla de solventes, su
peso molecular y su distribución de pesos moleculares;
• propiedades intrínsecas de la solución: viscosidad intrínseca, concentración, conductividad eléctrica y
tensión superficial;
• variables del proceso: intensidad del campo eléctrico aplicado, distancia entre la aguja y la placa
colectora, velocidad de flujo de la solución;
• parámetros ambientales: temperatura de la solución y humedad en la cámara de electrospinning.
En el presente trabajo se variaron los parámetros del procesamiento mediante electrospinning de dos
materiales poliuretánicos de interés biomédico para la preparación de membranas nanofibrosas. En primer
lugar, se puso a punto el equipamiento y las condiciones operativas empleando polímeros comerciales de
distinto peso molecular (Mn). Posteriormente, se prepararon soluciones de diferente concentración (C) y
empleando distintos solventes y materiales poliuretánicos sintetizados en nuestro laboratorio. Las soluciones
obtenidas se procesaron variando los siguientes parámetros del proceso: velocidad de flujo de la solución (v),
distancia de la aguja a la placa colectora (h), intensidad del campo eléctrico aplicado (V).
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se emplearon los siguientes materiales poliméricos: policaprolactona diol (PCL) de Mn = 80 kDa y
42,5 kDa (Aldrich), y dos poli(esteruretanos) segmentados biorreabsorbibles sintetizados en nuestro
laboratorio. Los poliuretanos empleados (PHH y PHD) se obtuvieron a partir de PCL diol (Mn = 2250),
hexametilen diisocianato (HDI) y dos extendedores de cadena (AE–H–AE y D–E–D). El extendedor AE–H–
AE es un diurea-diol, mientras que D–E–D es un diéster-difenol [11]. Los solventes empleados fueron N,Ndimetilacetamida (DMAc), N,N-dimetilformamida (DMF), tetrahidrofurano (THF), acetona e isopropanol.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Inicialmente, se puso a punto el equipamiento mediante el procesado de soluciones de PCL
comerciales de distinto Mn, empleando DMF/THF (50/50) como mezcla de solventes de alto y bajo punto de
ebullición. Como se puede observar en la Figura 2, para el caso de PCL 42,5 kDa se obtuvo un sistema
compuesto por fibras y gotas (a) en todas las condiciones experimentales empleadas, mientras que en el caso
de PCL 80 kDa (b) se formaron nanofibras sin la presencia de gotas. La variación en los parámetros del
proceso no modificó este tipo de morfologías, sino que tuvo un efecto en la distribución del diámetro de las
fibras.
a)
b)
Figura 2. Micrografías SEM (x1000) obtenidas para a) PCL 42,5 kDa y b) PCL 80 kDa.
C = 15% p/v, h = 15 cm, V = 15 kV, v = 1 ml/h. (10 µm
).
Estos resultados indican que el enmarañamiento de cadenas en PCL 42,5 kDa no es suficiente para
formar solamente fibras. Si se tiene en cuenta la concentración de polímero y el valor de Be se puede
representar esta situación con el punto A de la Figura 3, el cual se encuentra en la región donde se obtiene
una morfología de fibras y gotas. Por otro lado, en el caso de PCL 80 kDa, el grado de enmarañamiento es
suficiente para conducir a la formación de fibras, indicando que el valor de Be es tal que el sistema alcanza el
punto B del gráfico.
Figura 3. Diagrama cualitativo del efecto de C y Be sobre la morfología del sistema obtenido para el
procesamiento mediante electrospinning de PCL con distinto Mn.
Posteriormente se realizó el procesamiento de soluciones del poli(ésteruretano urea) PHH ([η] = 0,38
dl/g). Se trabajó con soluciones de C = 1, 5, 10, 20 y 30 % p/v empleando DMAc. En todos los casos se
observó una morfología de gotas (Figura 4). El empleo de soluciones de distinta concentración, permitió
obtener valores de Be entre 0,38 y 11,4. Sin embargo, resulta evidente que no se pudo alcanzar el valor de Ci,
necesario para ingresar en la región de fibras y gotas.
Paralelamente, se estudió el comportamiento de soluciones del poli(ésteruretano) PHD ([η] = 0,49
dl/g). Se emplearon C = 10% p/v y mezclas de DMAc/isopropanol (60/40), DMAc/acetona (60/40) y
DMF/THF (50/50). La utilización de mezclas de solventes de alto y bajo punto de ebullición se realizó para
favorecer la evaporación durante el procesamiento.
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Figura 4. Micrografía SEM (x1000) para PHH
C = 30% p/v, h = 15 cm, V = 12 kV, v = 1 ml/h.
(10 µm
).
Figura 5. Micrografía SEM (x3000) para PHD
C = 10% p/v en DMF/THF (50/50), h = 15 cm,
V = 20 kV, v = 1 ml/h. (5 µm
).
Al igual que en los ensayos anteriores, aquí también se formaron microgotas. A pesar de esto, en el
caso de la mezcla de DMF/THF (50/50), modificando los parámetros del proceso fue posible obtener “gotas
dendríticas”, o gotas que se conectan a través de hilos nanométricos (Figura 5). Este resultado indica que la
concentración de trabajo en el sistema es muy próxima a Ci, por lo que al emplear soluciones más
concentradas deberían obtenerse fibras y gotas, y finalmente fibras.
En otro estudio, se procesaron soluciones de PHD/PCL 42,5 kDa (50/50) de diferentes
concentraciones y en distintos solventes. El agregado de un segundo polímero se realizó con el objeto de
favorecer el enmarañamiento de cadenas poliméricas para lograr morfologías de fibras. Para ello se empleó
PCL, que presenta la misma estructura que los segmentos blandos del poliuretano segmentado sintetizado.
a)
b)
c)
d)
Figura 6. Micrografías SEM para PHD/PCL 42,5 kDa (50/50): empleando DMAc/Ac (60/40) con a) C =
10% p/v (x3000) y b) C = 20% p/v (x1000), y empleando DMF/THF (50/50) con c) C = 10% p/v (x3000) y
d) C = 20% p/v (x1000). h = 15 cm, V = 15 kV, v = 1 ml/h. (x1000: 10 µm
; x3000: 5 µm
).
Como puede observarse en la Figura 6, las soluciones de C = 10% p/v (a y c) generaron sistemas de
microgotas y una baja densidad de nanofibras, indicando que los sistemas se encuentran ligeramente por
encima de Ci. Por su parte, los sistemas obtenidos a partir de las soluciones de C = 20% p/v (b y d)
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exhibieron una morfología de microgotas y una densidad de nanofibras mucho mayor que en el caso de las
soluciones más diluidas. En estos casos, las C se encuentran en un punto intermedio entre Ci y Cf. Para el
sistema b) las microgotas resultaron de menor tamaño que para el sistema d), lo que indica que la mezcla de
solventes DMAc/acetona (60/40) favorece el procesamiento de la mezcla de polímeros en mayor medida que
DMF/THF (50/50), es decir, que para la mezcla DMAc/acetona C se encuentra más próxima a Cf que en el
caso de la mezcla DMF/THF.
Si se comparan las morfologías obtenidas a partir de las soluciones de PHD de C = 10% p/v (Figura
5) y PHD/PCL 42,5 kDa (50/50) de C = 10% p/v (Figura 6c) en DMF/THF (50/50), puede observarse que
en esta última la densidad de nanofibras es mayor, lo cual permite suponer que el empleo de PCL 42,5 kDa
favorece el procesamiento del poliuretano PHD. Una membrana producida a partir de la mezcla de estos
polímeros debería presentar elasticidad y tenacidad mayores que la compuesta por PCL.
A la fecha se continúa trabajando en la variación de la concentración y calidad del solvente para lograr
soluciones que permitan obtener nanofibras a partir de los materiales poliuretánicos sintetizados, y
alternativamente, en el agregado de otro polímero biodegradable que favorezca el proceso de formación de
fibras continuas y homogéneas.
CONCLUSIONES
La técnica de electrospinning permite la obtención de matrices hiladas nanofibrosas no tejidas
(nanomats) a partir de soluciones poliméricas, seleccionando de manera adecuada los parámetros del proceso
(propiedades intrínsecas de la solución y condiciones o variables operacionales). Para los materiales
poliuretánicos estudiados, los valores de viscosidad intrínseca y la concentración de las soluciones (que
determinan el número de Berry) condujeron, en todas las condiciones experimentales exploradas, a la
formación de sistemas constituidos por micro y nanogotas y, en algunos casos, por nanofibras con gotas
intercaladas.
Resulta entonces importante determinar el rango de propiedades intrínsecas de las soluciones que
explican las diferentes morfologías de los sistemas obtenidos y la selección apropiada de los solventes y las
condiciones experimentales para la formación de estructuras exclusivamente nanofibrosas.
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