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

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

1. 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.
2. 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.
3. Jones JR, and Hench LL 2003. Regeneration of trabecular bone using porous ceramics. Current Opinion Solid State and Materials Science, 7: 301-307.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.