SUPERVISOR
مهران غیاثی (استاد مشاور) سعید نوری خراسانی (استاد راهنما) حمید مهدوی (استاد راهنما)
STUDENT
Narges Bahrami
نرگس بهرامی مقصودبیکی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
Polyurethane surface modification by applying low pressure plasma treatment and collagen and chitosan biomolecules deposition with layer-by-layer self-assembly process
Polyurethane films used in wound dressings often have good traarency, flexibility, blood compatibility and permeability to water vapor and oxygen, but surface modifications must be made to enhance biocompatibility. For this purpose, traarent films prepared from polyurethane synthesized from castor oil and Desmodur® N75, after assuring complete polymerization reaction by ATR-FTIR spectra results, polyurethane pieces in dimensions 2×2 cm 2 were treated with low pressure nitrogen plasma, at pressure of 0.2 mbar and power of 60 W. By measuring the static contact angle of water at different times during the plasma process, which was directly related to the amount of peroxide formed, also the use of two types of oxygen and nitrogen gas, optimized plasma process conditions were investigated. The lowest contact angle was related to the use of nitrogen gas after 120 s. The films after undergoing the plasma process and forming peroxide groups on the surface, immersed in 10%, 30%, 50%, 70% and 90% (w/v) acrylic acid solution, then grafted onto the surface by polymerization reaction at 80?C in an oven. Based on the results of ATR-FTIR, SEM images and contact angle measurements, acrylic acid solution with 70% concentration was considered for bonding with the polyurethane film surfaces. Acrylic acid grafted films were first activated by EDC/NHS solution and then reacted with collagen and chitosan biomolecules separately. The results of ATR-FTIR, contact angle measurements, SEM and AFM images, qualitative and quantitative results of fibroblast cell culture and antibacterial properties of untreated polyurethane film compared with modified polyurethane films were evaluated. The results demonstrated that collagen and chitosan-modified films increased the growth and proliferation of fibroblast cells. Chitosan immobilized film showed stronger antibacterial properties than collagen immobilized film, therefore, in layer by layer self-assembly of biomolecules on the film surface, chitosan was considered as the outermost layer. In the second part of this study, collagen and chitosan as polycationic, as polyanionic between each of the two biomolecule layers were deposited on the polyurethane film surface by performing the layer by layer self-assembly, in three and five steps layer deposition. Prior to the layering process, the film surface was first modified by three different methods, A, B and C. In Method A, the film grafted with polyacrylic acid was converted to a negatively charged carboxylate ion by immersing in NaOH solution, in method B, polyacrylic acid grafted film was first reacted with collagen and then immersed in solution containing negative charge. In method C, the film grafted with polyacrylic acid, after reaction with hexamethylene diamine was aminolized and by immersion in solution contained negative charge. Before the LbL self-assembly process, in the first section of this, the collagen and chitosan biomolecules were stained by quantum dots, and in the second section, biomolecule staining was performed with fluorescent material. The results of FESEM, confocal microscopy images, AFM and ellipsometry tests showed that the best method was related to LbL self-assembly process when the film surface was aminolized in method C and more layers of chitosan and collagen biomolecules had been deposited. However, greater presence of these biomolecules increased the rate of growth and proliferation of fibroblast cells, but notable point is that in all three methods used in the LbL self-assembly process, the three-layer mode exhibited better cell proliferation and cell viability than the five-layer mode. In terms of antibacterial properties, generally films containing more layers of collagen and chitosan showed less resistance to Gram-positive and Gram-negative bacteria. therefore, surface modification of polyurethane film by performing LbL self-assembly of collagen and chitosan biomolecules, increased the cytocompatibility of the film even compared to the film coated with the monolayer of these biomolecules, but in terms of antibacterial properties it was better only than untreated polyurethane film. Keywords: Polyurethane, Low pressure plasma treatment, Collagen, Chitosan, Sodium polystyrene sulfonate, Layer-by-Layer self-assembly
فیلم های پلی یورتان مورد استفاده در کاریرد زخم پوش ها، غالبا از شفافیت، انعطاف پذیری، خون سازگاری و نفوذپذیری خوبی نسبت به بخار آب و اکسیژن برخوردار هستند اما اصلاحاتی بر روی سطح آن ها در جهت افزایش زیست سازگاری باید انجام پذیرد. به این منظور در انجام این پژوهش ابتدا از پلی یورتان حاصل از سنتز روغن کرچک و دزمودور N75، فیلم های شفاف تهیه گردید، پس از بررسی طیف حاصل از آزمون ATR-FTIR و اطمینان از انجام کامل واکنش پلیمریزاسیون، قطعات در ابعاد cm 2 2×2 تحت فرآیند پلاسمای گازی کم فشار، تحت فشار mbar 2/0 و توان W 60 قرار گرفتند. با انجام فرآیند پلاسما در زمان های مختلف و همچنین استفاده از دو نوع گاز اکسیژن و نیتروژن و سپس اندازه گیری زاویه تماس آب در هر مرحله که ارتباط مستقیمی با میزان پروکسید تشکیل شده دارد، شرایط بهینه فرآیند پلاسما مورد بررسی قرار گرفت. کمترین زاویه تماس استاتیک آب مربوط به حالت استفاده از گاز نیتروژن در مدت زمان 120 ثانیه بود. فیلم ها پس از قرار گرفتن تحت فرآیند پلاسما و تشکیل گروه های پروکسید بر روی سطح فیلم، درون محلول اکریلیک اسید با غلظت های مختلف وزن به حجم 10%، 30%، %50، 70% و 90% غوطه ور گردید و سپس با انجام واکنش پلیمریزاسیون درون آون تحت دمای C?80 بر روی سطح پیوند زده شد. با توجه به نتایج آزمون های ATR-FTIR، تصاویر SEM و اندازه گیری زاویه تماس آب، محلول اکریلیک اسید با غلظت 70% برای پیوند با سطح فیلم در نظر گرفته شد. فیلم پیوند خورده با اکریلیک اسید ابتدا توسط محلول کربودی ایماید و N- هیدروکسی ساکسین ایماید(NHS /EDC ) فعال گردید، و سپس با زیست مولکول های کلاژن و کیتوسان به طور جدا گانه واکنش داده شد. نتایج آزمون های ATR-FTIR، اندازه گیری زاویه تماس، تصاویر SEM و AFM،آزمون های کیفی و کمی رشد سلول های فیبروبلاست بر روی فیلم پلی یورتان خالص در مقایسه با فیلم های پلی یورتان اصلاح شده مورد ارزیابی و مقایسه قرار گرفتند. نتایج نشان داد فیلم های اصلاح شده با کلاژن و کیتوسان باعث افزایش میزان رشد و تکثیر سلول های فیبروبلاست گشته است. نتایج آزمون ضدباکتریایی پس از کشت باکتری گرم مثبت و گرم منفی روی فیلم تثبیت شده با کیتوسان، کلاژن و نمونه فیلم اصلاح نشده نشان داد فیلم تثبیت شده با کیتوسان در مقایسه با کلاژن خواص ضدباکتریایی قوی تری از خود نشان داده است، از این رو در مرحله لایه نشانی زیست مولکول ها روی سطح فیلم، کیتوسان به عنوان بیرونی ترین لایه در نظر گرفته شد. در قسمت دوم این پژوهش زیست مولکول های کلاژن و کیتوسان به عنوان پلی کاتیونیک با انجام فرآیند خودآرایی لایه به لایه و استفاده از پلی آنیونیک پلی سدیم استایرن سولفونات () بین هر دو لایه زیست مولکول، به تعداد سه مرحله و پنج مرحله لایه نشانی بر روی سطح فیلم پلی یورتان رسوب داده شدند. قبل از شروع فرآیند لایه نشانی، ابتدا با سه روش مختلف A، B و C سطح فیلم ها اصلاح گردید. در روش A فیلم پیوند خورده با پلی اکریلیک اسید توسط محلول سود به یون های کربوکسیلات با بار الکتریکی منفی تبدبل شد، در روش B ابتدا فیلم پیوند خورده با پلی اکریلیک اسید توسط کلاژن تثبیت و با غوطه وری درون محلول حاوی بار الکتریکی منفی شد و در روش C فیلم پیوند خورده با پلی اکریلیک اسید پس از واکنش با هگزامتیلن دی آمین، آمین دار و با غوطه وری درون محلول آبی اسید هیدروکلریک حاوی بار الکتریکی مثبت گردید و مجدد با قرار گرفتن درون محلول حاوی بار الکتریکی منفی شد. قبل از انجام فرآیند خودآرایی، در مرحله اول کلاژن و کیتوسان توسط ذرات کووانتوم دات به ترتیب به رنگ های سبزآبی و سبز نشان دار شدند و در مرحله دوم، فرآیند نشان دار شدن توسط مواد فلورسنت انجام پذیرفت. نتایج تصاویر FESEM، کانفوکال، AFM و آزمون بیضی سنجی نشان داد بهترین روش فرآیند خودآرایی زمانی انجام گرفته است که سطح فیلم پیش از فرآیند آمین دار گردید و با انجام فرآیند لایه نشانی تعداد لایه های بیشتر کیتوسان وکلاژن رسوب داده شد. هر چند حضور بیشتر این زیست مولکول ها باعث افزایش میزان رشد و تکثیر سلول های فیبروبلاست گشته اما نکته قابل توجه اینست که در هر سه روش مورد استفاده در انجام فرآیند خودآرایی، حالت سه لایه، میزان رشد و تکثیر سلولی بهتری نسبت به حالت پنج لایه از خود نشان داده است. از نظر خواص ضدباکتریایی، به طور کلی فیلم های حاوی تعداد لایه های بیشتر کلاژن و کیتوسان، مقاومت کمتری در برابر باکتری های گرم مثبت و گرم منفی از خود نشان داده اند. بنابراین اصلاح سطح فیلم پلی یورتان با انجام فرآیند خودآرایی لایه به لایه زیست مولکول های کلاژن و کیتوسان، باعث افزایش میزان سلول سازگاری فیلم حتی در مقایسه با فیلم پوشش داده شده با تک لایه این زیست مولکول ها گردید اما از نظر خواص ضد باکتریایی در مقایسه با فیلم پلی یورتان فرآیند نشده تاثیر بهتری از خود نشان داده اند. کلید واژه: پلی یورتان، فرآیند پلاسمای گازی کم فشار ، کلاژن، کیتوسان، پلی استایرن سدیم سولفونات، فرآیند خودآرایی لایه به لایه