The Effect of Different Solvents on the Structure of Silk Fibroin-PVA Composite Foams

Year 2019, Volume: 26 Issue: 115, 224 - 232, 30.09.2019

Onur Aras Murat Kazancı

Abstract

To be able to obtain silk fibroin in different forms (film, fiber, sponge etc.), fibroin should be dissolved in suitable

solvents. Different solvents are used for this process. Very few of the studies in the literature were investigated on the effects of the

solvent system on the structure of the final product. This work aimed to fulfil this deficiency. For this reason, the main purpose of this

work is to investigate the effect of different solvents on the obtained structure of fibroin / Polyvinyl Alcohol (PVA) composite

sponges. Since this study’s final goal is to use the obtained composite sponges as a wound dressing, this presented work is the first

part of the planned study that mainly consists of preliminary preparation steps. Fibroin / PVA composite sponges were obtained by

using lyophilisation (freeze drying) method in this work. Silk fibroin based sponges with high porosity were produced by employing

this technique. In this preliminary study, first the effects of different solvents that are used in the dissolution of silk fibroin on the

general structure of the obtained material and the composite structures that are formed by mixing with PVA were investigated. Then,

produced composite sponge structures were characterized by using Scanning Electron Microscopy (SEM), Fourier Transform Infrared

Spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) methods. When the composite

sponge structures, obtained in Calcium Chloride (CaCl2)-Ethanol-H2O, were examined, it was observed that the secondary

structure was dominated mainly by β sheet. The FTIR results showed that the Amide I and Amide II bands had changes in their

location and values after mixing with PVA. These results demonstrated that the interaction between fibroin molecules and PVA

molecules is quite strong. The silk fibroin, dissolved in Lithium Bromide (LiBr), mainly consisted the random coil structures and the

structure had not transformed into a β sheet conformation during the formation of the composites, which affected the ratio of the

crystal structure to the amorphous structure and thermal stability of the composite sponges. The thermal properties of the material

were analyzed using TGA and DSC. In summary, when the fibroin solution, obtained by dissolving fibroin in the solvent system of

CaCl2-Ethanol-H2O, with the fibroin solutions, obtained by dissolving fibroin in the solvent system of LiBr are compared, it is found

that their secondary structural conformation and morphologies were different and the fibroin structures that were obtained from

CaCl2-Ethanol-H2O solvent system formed more stable and strong complexes with PVA.

Keywords

Silk Fibroin, Composite, Sponge, PVA, Silk Decoding Systems

Kullanılan Farklı Çözücülerin İpek Fibroin-PVA Kompozit Süngerlerin Yapısına Olan Etkisi

Abstract

İpek fibroini farklı formlarda elde edebilmek için (film, fiber, sünger vs. ), fibroinin uygun çözücüler içinde çözünmesi

gerekmektedir. Bu işlem için farklı çözücüler kullanılmaktadır. Literatürde yer alan çalışmalardan çok azı, kullanılan çözücü sistemin,

son ürünün yapısı üzerindeki etkilerini incelemiştir. Yapılan bu çalışma ile bu eksikliğin giderilmesi hedeflenmektedir. Bu nedenle,

kullanılan farklı çözücülerin, elde edilen fibroin / Polivinilalkol (PVA) kompozit süngerlerin yapısı üzerine etkisinin araştırılması, bu

çalışmanın temelini teşkil etmektedir. Elde edilen kompozit süngerlerin yara örtüsü olarak kullanılması hedeflendiğinden, yapılan bu

çalışma, planlanan çalışmanın ilk aşaması olup, daha çok ön hazırlık aşamalarını kapsamaktadır. Bu çalışmada, fibroin/PVA kompozit

yapılı süngerler, liyofilizasyon (dondurarak kurutma) yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Bu yöntem ile yüksek ve düzgün gözenekli

ipek fibroin temelli süngerler üretilmiştir. Yapılan bu ön çalışmada, ilk olarak ipek fibroinin çözünmesinde kullanılan farklı

çözücülerin, elde edilen malzemenin genel yapısını ve PVA ile oluşturduğu kompozit yapıya olan etkileri araştırılmıştır. Daha sonra,

üretilen kompozit sünger yapılar; Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR),

Termogravimetrik Analiz Cihazı (TGA) ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) metotları kullanılarak karakterize edilmiştir.

Kalsiyum Klorür (CaCl2)-Etanol-H2O den elde edilen kompozit sünger yapılar incelendiğinde ikincil yapının β sheet ağırlıklı olduğu

görülmüştür. FTIR sonuçları, PVA ile karıştırıldıktan sonra Amid I ve Amid II bantlarının yerlerinde ve değerlerinde değişiklikler

olduğunu göstermiştir. Bu sonuçlar, fibroin molekülleri ile PVA molekülleri arasındaki etkileşimin oldukça kuvvetli olduğunu

göstermiştir. Lityum Bromür (LiBr) içerisinde çözünen ipek fibroin de ise, düzensiz (random coil) yapının ağırlıkta olduğu, kompozit

oluşumu sırasında β tabakalarına (sheet) dönüşmediği görülmüştür ve bu da kristal yapının amorf yapıya oranını ve termal

kararlılığını etkilemektedir. Malzemelerin ısıl özellikleri TGA ve DSC kullanılarak analiz edilmiştir. Özet olarak, CaCl2-Etanol-

H2O’dan oluşan sistem içinde çözülerek elde edilen fibroin çözeltisi, LiBr içinde çözülerek elde edilen fibroin çözeltileri ile

karşılaştırıldığında, ikincil yapı konformasyonlarının ve morfolojilerinin farklılık gösterdiği ve ilk çözeltiden (CaCl2-Etanol-H2O) elde

edilen fibroin yapıların PVA ile daha sağlam daha kararlı kompleks yapılar oluşturduğu gözlemlenmiştir.

Keywords

İpek Fibroin, Kompozit, Sünger, PVA, İpek Çözücü Sistemleri

References

• -