Characterization of the rheology of polymer/bioactive glass solutions and fabrication of nanocomposite materials

Year 2018, Volume: 1 Issue: 1, 1 - 6, 15.08.2018

Melek Erol Taygun Gül Hatinoğlu Aybüge Pelin Öztürk Nuray Yerli , Sadriye Küçükbayrak

Abstract

Nanotechnology is used in the fields of physics,
chemistry, medicine, electronics, computers, materials, textiles and medicine,
as well as in food and agriculture. In nanotechnological studies, nanofibers
are defined as structures with diameters below 100 nanometers. Nanofibers can
be produced by different methods and among these methods, electrospinning is
the most common production technique. Nanofibers, which are produced by this
technique, are widely used in applications such as food and tissue engineering.
Synthetic and natural biopolymers are commonly used in the fabrication of
nanofibers. The aim of this study is to produce polymer/glass nanocomposite
material which can be used in different fields such as tissue engineering or
food engineering by using electrospinning method. For this purpose, rheological
characterization of the polymer solutions has been performed at the first stage.
The effects of acetic acid and formic acid concentrations on rheological
properties of gelatin/ polycaprolactone (PCL) solution and the effect of
alginate concentration on rheological properties of gelatin/PCL/alginate
solution were investigated. Furthermore, the rheological properties of the
gelatin /PCL and gelatin/PCL/alginate solution with the addition of bioactive
glass were studied. Gelatin/PCL, gelatin/ PCL/alginate solutions and the
bioactive glass doped gelatin/ PCL and gelatin/ PCL/alginate solutions were
resulted to be Newtonian type fluids. After the reological characterization of
the solutions, nano-composite materials were fabricated by electrospinning
method and the morphology of the obtained materials was investigated by
scanning electron microscopy (SEM). It was resulted that the gelatin/PCL
nanocomposite, which was formed by using 100% formic acid without bioactive
glass, is favorable to be used as a food packaging material. Accordingly, the
average diameter of selected nanofiber is 315 nm. Bioactive glass doped
nano-materials can be good candidates for bone tissue engineering applications.
For this purpose, gelatin/PCL nanofiber containing 5% bioactive glass by weight
was chosen. The average diameter of the selected nanofiber is 480 nm. As a
result of this study, the produced nanofibers can be used in both bone tissue
engineering and food engineering applications.

Keywords

Reology, Polymer, Bioactive glass

Polimer/Biyoaktif Cam Çözeltilerinin Reolojik Karakterizasyonlarının Yapılması ve Nanokompozit Malzeme Üretimi

Abstract

Nanoteknoloji fizik, kimya, ilaç, elektronik, bilgisayar,
malzeme, tekstil ve tıp alanında kullanıldığı gibi, gıda ve ziraat alanlarında
da uygulanmaktadır. Nanoteknolojik çalışmalarda nanolifler, çapları 100
nanometrenin altında olan yapılar olarak ifade edilmektedir. Nanolifler, farklı
yöntemler ile üretilebilmektedir. En yaygın olan yöntem elektrospinning
(elektrodöndürme) yöntemi ile nanolif üretim tekniğidir. Bu teknik ile üretilen
nanolifler, gıda ve doku mühendisliği gibi uygulama alanlarında yaygın olarak
kullanılmaktadır. Nanolif üretiminde yaygın olarak sentetik polimerler ve doğal
biyopolimerler kullanılmaktadır. Bu çalışmanın amacı, elektrospinning
yönteminin uygulanması ile doku mühendisliği veya gıda mühendisliği gibi farklı
alanlarda kullanılabilecek polimer/cam nanokompozit malzeme üretiminin
gerçekleştirilmesidir. Bu amaçla, öncelikle hazırlanacak polimer çözeltilerinin
reolojik karakterizasyonu yapılmıştır. Gerçekleştirilen deneyler ile
jelatin/Polikaprolakton (PCL) çözeltisinde çözücü olarak kullanılan asetik asit
ve formik asitin derişiminin, jelatin/PCL/aljinat çözeltisinde aljinat
derişiminin ve jelatin/PCL ile jelatin/PCL/aljinat çözeltilerine biyoaktif cam
ilavesinin reolojik özelliklere etkisi incelenmiştir. Jelatin/PCL,
Jelatin/PCL/aljinat çözeltileri, biyoaktif cam ilaveli jelatin/PCL ve
jelatin/PCL/Aljinat çözeltilerinin Newtonian tipi akışkan olduğu saptanmıştır.
Reolojik karakterizasyonu yapılan bu çözeltilerin elektrospinning cihazı
yardımı ile nanokompozit malzeme üretimi gerçekleştirilmiş ve taramalı elektron
mikroskobu (SEM) çalışmaları ile morfolojileri incelenmiştir. Gıda ambalaj
maddesi olarak kullanımı için, biyoaktif cam ilavesiz %100 formik asit
kullanılarak oluşturulan jelatin/PCL nanokompozit yapının en uygun olduğuna
karar verilmiştir. Buna göre seçilen nanolifin ortalama çapı 315 nm’dir. Kemik
doku mühendisliğinde kullanılmak üzere biyoaktif cam ilaveli numuneler tercih
edilmiştir. Bu amaç için, ağırlıkça %5 biyoaktif cam içeren jelatin/PCL
nanolifi seçilmiştir. Seçilen nanolifin ortalama çapı 480 nm’dir. Yapılan çalışmalar
sonucunda, üretilen nanoliflerin hem kemik doku mühendisliği hem de gıda
mühendisliği alanlarında kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Keywords

Reoloji, Polimer, Biyoaktif Cam

References

• Armentano I, Dottori M, Fortunati E, Mattoli S, Kenny JM 2010. Biodegradable polymer matrix nanocomposites for tissue engineering: A review. Polymer Degradation and Stability, 95: 2126-2146.
• Gao C, Gao Q, Li Y, Rahaman MN, Teramoto A, Abe K 2013. In vitro evaluation of electrospun gelatin-bioactive glass hybrid scaffolds for bone regeneration. Journal of Applied Polymer Science, 127: 2588-2599.
• Jones JR, and Hench LL 2003. Regeneration of trabecular bone using porous ceramics. Current Opinion Solid State and Materials Science, 7: 301-307.
• Loh XJ, Peh P, Liao S, Sng C, Li J 2010. Controlled drug release from biodegradable thermoresponsive physical hydrogel nanofiber. Journal of Controlled Release, 143: 175-182.
• Moraru CI, Panchapakesan CP, Huang Q, Takhistov P, Liu S, Kokini JL 2003. Nanotechnology: A new frontier in food science. Food Technology. 57 (12): 24-29.
• Rezwan K, Chen QZ, Blaker JJ, Boccaccini AR, 2006. Biodegradable and bioactive porous polymer/inorganic composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials, 27: 3413-3431.
• Zhu Y. and Kaskel S 2009. Comparison of the in vitro bioactivity and drug release property of mesoporous bioactive glasses (MBGs) and bioactive glasses (BGs) scaffolds. Microporous and Mesoporous Materials, 118: 176-182.