Badania biopolimerów technikami spektroskopii oscylacyjnej

Transkrypt

1 Badania biopolimerów technikami spektroskopii oscylacyjnej 493 Czes³awa PALUSZKIEWICZ Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. Mickiewicza 30, Kraków Wydzia³ In ynierii Materia³owej i Ceramiki, Katedra Chemii Krzemianów i Zwi¹zków Wielkocz¹steczkowych cpalusz@agh.edu.pl Badania biopolimerów technikami spektroskopii oscylacyjnej Streszczenie: W prezentowanej pracy pokazano mo liwoœci zastosowania metod spektroskopii oscylacyjnej tj. fourierowskiej spektroskopii w œrodkowej podczerwieni (FTIR) oraz fourierowskiej spektroskopii Ramana (FT-Raman) do identyfikacji i modyfikacji biopolimerów i ich kompozytów. Analizowano biopolimery takie jak poli(2-deoksy-2-aminoglukoza) popularnie nazywana chitozanem (CS) oraz polikaprolakton (PCL), które stanowi³y matryce do otrzymywania nanokompozytów. Jako modyfikatory stosowano: glinokrzemian warstwowy montmorylonit (K5) oraz hydroksyapatyt (HAp). Nanokompozyty na bazie biopolimerów otrzymano metod¹ odlewania. Badaniom metodami spektroskopii oscylacyjnej poddano zarówno materia³y wyjœciowe jak i produkty reakcji. Wykazano, e na podstawie przeprowadzanych analiz technikami spektroskopii oscylacyjnej mo na uzyskaæ informacje uœrednione z ca³ego polimeru oraz z jego powierzchni. Zastosowane metody spektroskopii oscylacyjnej pozwoli³y równie na ocenê biozgodnoœci i degradacji badanych materia³ów. STUDY OF BIOPOLYMERS USING VIBRATIONAL SPECTROSCOPY TECHNIQUES Abstract: The paper presents the possibility of application of vibrational spectroscopy methods, such as Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Fourier Transform Raman Spectroscopy (FT Raman) to identify and determine modification of biopolymers and their composites. Biopolymers, namely chitozan and polycaprolacton were used as matrices in the preparation of nanocomposites. Monmorylonite (K5) and hydroxyapatite (HAp) were applied as nanoparticles. The nanocomposite materials were obtained by casting method. In this study biopolymer matrices as well as modifiers and modification products were analyzed. It is shown that application of spectroscopic techniques allows to receive information from the surface and the bulk of the materials. Application of these methods permits us to characterize dispersion of nanoparticles in a polymer matrix as well as biocompatibility and degradation of the analyzed materials. 1. Wstêp Nowo wytwarzane materia³y bazuj¹ce na biopolimerach takich jak chitozan czy polikaprolakton s¹ z sukcesem stosowane w wielu dziedzinach np. w in ynierii tkankowej, w otrzymywaniu membran pó³przepuszczalnych czy biosensorów. Materia³y takie charakteryzuj¹ siê dobr¹ biokomatybilnoœci¹ oraz biodegradowalnoœci¹ [1-8]. Jednak e, czêsto wymagaj¹ one udoskonalenia w celu poprawienia ich w³asnoœci mechanicznych i termicznych czy odpowiedniej trwa³oœci w warunkach œrodowiska naturalnego. W tym celu w matryce biopolimerowe wprowadza siê modyfikatory, którymi mog¹ byæ ceramiczne nano-nape³niacze [4-7]. Chemiczna struktura biopolimerów zawieraj¹cych grupy hydroksylowe, karbonylowe, karboksylowe, aminowe, amidowe stwarza mo liwoœæ nowych wi¹zañ pomiêdzy ³añcuchami polimerowymi i cz¹stkami modyfikatorów [5,6]. Nawet niewielki udzia³ nano-nape³niaczy w matrycy polimerowej mo e poprawiæ jej w³aœciwoœci jak i spowodowaæ jej zmiany strukturalne. Jednak e, preparatyka takich materia³ów stwarza wiele problemów zwi¹zanych z dyspersj¹ dodatku w matrycy polimerowej. Modyfikacja biopolimerów oraz ich charakterystyka wymaga stosowania ro - nych metod badawczych w celu okreœlenia prawid³owej interpretacji zmian strukturalnych, jakie mog¹ zachodziæ pomiêdzy polimerem i nanododatkiem. W pracy przedstawiono mo liwoœci zastosowania metod spektroskopii oscylacyjnej fourierowskiej spektroskopii w podczerwieni (FTIR) oraz fourierowskiej spektroskopii Ramana (FT-Raman) w identyfikacji, ocenie modyfikacji i degradacji materia³ów kompozytowych bazuj¹cych na biopolimerach. 2. Materia³y i metody Jako matryce stosowano polimery takie jak handlowy polikaprolakton (PCL) i chitozan (CS). Komercyjny krzemian Al 2 [(OH) 2 Si 4 O 10 ]*nh 2 O (K5) oraz fosforan wapnia Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (HAp), by³y u yte jako modyfikatory. Zastosowano zarówno polimery jak i nanododatki firmy Sigma Aldrich. Materia³y nanokompozytowe w postaci cienkich folii zosta³y otrzymane metod¹ odlewania. W celu uzyskania lepszej dyspersji nieorganicznego dodatku w biopolimerze, mieszaniny homogenizowano na drodze wielostopniowego mieszania: mechanicznie na przemian z mieszaniem ultradÿwiêkowym w mediach, jakim by³y 2% kwas octowy w przypadku chitozanu i dichlorometan w przypadku polikaprolaktonu. Folie nanokompozytowe suszono w powietrzu przez okres 48 godzin. Otrzymane folie by³y równie neutralizowane w NaOH oraz przetrzymywane w sztucznym osoczu (SBF, Simulated Body Fluids) w celu okreœlenia ich degradacji. Pomiary materia³ów wyjœciowych przeprowadzono metod¹ spektroskopii fourierowskiej w podczerwieni (FTIR) technik¹ transmisyjn¹ w zakresie cm -1, w spektrometrze Excalibur firmy Bio-Rad z detektorem DTGS z zastosowaniem metody dyspersji badanego

2 494 Diagnostyka Materia³ów Polimerowych 2011 materia³u w KBr. Folie polimerowe i kompozytowe analizowano technik¹ transmisyjn¹ i refleksyjn¹ W pomiarach technik¹ refleksyjn¹ (ATR) w zakresie cm -1 zastosowano przystawkê wysokociœnieniow¹ firmy PIKE z kryszta³em diamentowym. Wszystkie pomiary FTIR wykonywano przy zdolnoœci rozdzielczej wynosz¹cej 4cm -1. Analizy FT-Ramana polimerów i modyfikatorów oraz wytworzonych kompozytów, realizowano w spektrometrze FTS6000 firmy Bio-Rad z przystawk¹ ramanowsk¹ stosuj¹c wzbudzenie laserem Nd-YAG (1064 nm) i detektor germanowy. 3. Rezultaty Metody spektroskopii oscylacyjnej, zarówno FTIR jak i Ramana, s¹ powszechnie stosowane w analizie materia- ³ów organicznych oraz nieorganicznych w formie cieczy, foli, proszków czy gazów. Metody te wzajemnie siê uzupe³niaj¹ i dostarczaj¹ szeregu cennych informacji o strukturze badanych materia³ów. Rysunek 1 przedstawia widma biopolimerów tj. chitozanu (poli(2-deoksy-2-aminoglukozy) i polikaprolaktonu (-[-(CH 2 ) 5 C(O)O-]-). Na rysunku widoczne s¹ pasma pochodz¹ce od drgañ rozci¹gaj¹cych C-H grup CH 3 ich 2 w zakresie cm -1, oraz drgañ deformacyjnych w zakresie cm -1 [6]. Drgania grup karbonylowych C=O mo na zaobserwowaæ w zakresie cm -1, natomiast drgania ugrupowañ C-C, C-O-C C-O-H w zakresie cm -1. W zakresie cm -1 mo na zauwa yæ pasma NH i NH 2.Pasma ok cm -1 szczególnie dobrze widoczne w widmach FTIR œwiadcz¹ o obecnoœci wody w badanym uk³adzie [6]. Widma oscylacyjne nieorganicznych modyfikatorów tj. K5 krzemianu Al 2 [(OH) 2 Si 4 O 10 ]*nh 2 O oraz HAp fosforanu wapnia Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 przedstawiono na rysunku 2. Intensywne pasma w zakresie cm -1 œwiadcz¹ o obecnoœci drgañ rozci¹gaj¹cych Si-O i P-O odpowiednio dla modyfikatorów K5 i HAp [6, 9,10]. Drgania deformacyjne tych ugrupowañ widoczne s¹ poni ej 700 cm -1. Te ostatnie mog¹ byæ pasmami analitycznymi w widmach kompozytów bazuj¹cych na biopolimerach, gdzie modyfikatory nieorganiczne stanowi¹ jedynie ma³y procent (do 3% wagowych). Intensywne pasma drgañ rozci¹gaj¹cych ok cm -1 tych zwi¹zków nie mog¹ byæ pasmami analitycznymi, poniewa pokrywaj¹ siê z pasmami w tym zakresie badanych biopolimerów, co ilustruje rysunek 3. Na rysunku 3 przedstawiono widma FTIR I FT-Ramana foli chitozanowych przed i po modyfikacji. Pasma o najwiêkszej intensywnoœci na widmach FTIR podobnie jak na rysunku 1 pochodz¹ od drgañ wi¹zañ glikozydowych C-O-C ok cm -1 oraz w przypadku widm Ramana od drgañ CH 2 ich 3 w zakresie cm -1. Pasma modyfikatora (jakim by krzemian) w widmach widoczne s¹ jedynie w zakresie poni ej 600 cm -1 (Rys. 3b i 3d). Technika transmisyjna spektroskopii w podczerwieni mo e byæ zastosowana w analizie folii polimerowych jedynie, gdy ich gruboœæ umo liwia czyteln¹ rejestracjê widm. Grubsze folie mo na analizowaæ technikami refleksyjnymi w tym technik¹ ATR (os³abionego ca³kowitego odbicia), wówczas otrzymujemy g³ównie informacjê Rys. 1. Widma polimerów: FTIR a) chitosanu, c) polikaprolaktonu; FT-Ramana b) chitozanu, d) polikaprolaktonu

3 Badania biopolimerów technikami spektroskopii oscylacyjnej 495 Rys. 2. Widma modyfikatorów: FTIR a) K10 c) HAp; FT-Ramana b) K10, d) HAp Rys. 3. Widma folii chitozanowych wyjœciowych: a (FT-Raman) i c (FTIR) oraz modyfikowanych krzemianem b (FT-Raman) i d (FTIR)

4 496 Diagnostyka Materia³ów Polimerowych 2011 Rys. 4. Widma FTIR ATR foli chitozanowej zmodyfikowanej (b i a) i wyjœciowej (d i c) odpowiednio przed i po neutralizacji w NaOH. Rys. 5. Widma folii polikaprolaktonowych wyjœciowych: a (FT-Raman) i d (FTIR) oraz degradowanych 7i14dni b,c(ft-raman) i e, f (FTIR)

5 Badania biopolimerów technikami spektroskopii oscylacyjnej 497 spektroskopow¹ z powierzchni badanego materia³u [11]. Pozwala to na ocenê materia³u w zakresie jego homogenicznoœci w relacji dyspersji nanododatku w matrycy polimerowej oraz ocenê aglomeryzacji modyfikatora jak i zmian strukturalnych zachodz¹cych w badanym polimerze [6]. Modyfikowane biopolimery czy nanokompozyty mog¹ byæ stosowane, jako biomateria³y w tym przypadku przed badaniami in vitro i in vivo materia³y takie powinny byæ zneutralizowane. Metoda FTIR pozwala kontrolowaæ proces neutralizacji, co ilustruje rysunek 4. Na rysunku tym przedstawiono widma folii zneutralizowanych (Rys.4a i 4c) oraz kwaœnych (Rys. 4b i 4d) zarejestrowanych technik¹ refleksyjn¹ (ATR). Widoczne jest zmniejszenie intensywnoœci pasm w zakresie cm -1 pochodz¹cych od grup kwasowych utworzonych w czasie procesu otrzymywania folii. Zmiany pod wp³ywem ph mo na równie obserwowaæ analizuj¹c zachowanie biomateria³u przetrzymywanego w sztucznym osoczu (SBF simulated body fluids). Materia³ mo e ulegaæ degradacji a jego widma oscylacyjne bêd¹ zmieniaæ siê. Przyk³adowo widma folii polikaprolaktonowych przetrzymywanych w SBF 7 i 14 dni pokazano na rysunku 5. Zarówno na widmach FTIR jak i FT-Ramana (Rys. 5b,c,e,f) widoczne jest zmniejszenie intensywnoœci pasm pochodz¹cych od biomateria³u i powstawanie nowych pasm w zakresie cm -1,pochodz¹cych od drgañ grup PO 4, œwiadcz¹cych o tworzeniu siê na powierzchni fosforanów w wyniku oddzia³ywania sztucznego osocza z biopolimerem. 4. Podsumowanie Metody spektroskopii oscylacyjnej tj spektroskopii fourierowskiej w podczerwieni (FTIR) jak i spektroskopii fourierowskiej Ramana (FT-Raman) umo liwiaj¹ analizê strukturaln¹ biopolimerów i ich kompozytów. Metody te dostarczaj¹ informacje uœrednione jak i z powierzchni badanego materia³u na temat jednorodnoœci folii czy te aglomeracji dodatków w matrycy polimerowej. W pracy wykazano, e techniki te umo liwiaj¹ ocenê biozgodnoœci jak i stopnia degradacji biopolimerów oraz prawid³ow¹ interpretacjê zjawisk zachodz¹cych w czasie ich modyfikacji. Podziêkowanie Praca zosta³a sfinansowana ze œrodków Ministerstwa Szkolnictwa Wy szego w ramach projektu N N Literatura 1. Malheiro V.N., Caridade S.G., Alves N.M., i inni, New poly ( -caprolactone) /chitosan blend fibers for tissue engineering applications, Acta Biomaterialia 2010, 6, Elzein T., Nasser-Eddine M., Delaite C., i inni, FTIR study of polcaprolactone chain organization at interfaces, Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 273, Stodolak E., Paluszkiewicz C., B³a ewicz M., In vitro biofilms formation on polymer matrix composites Journal of Molecular Structure 2009, , Gumula T., Paluszkiewicz C., B³a ewicz S., Study on thermal decomposition processes of polisiloxane polymers from polimer to nanosized silikon carbide, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2009, 86, Stodolak E., Paluszkiewicz C., Bogun M., B³a ewicz M., Nanocomposite fibers for medical applications, Journal of Molecular Structure, 2009, , Paluszkiewicz C., Stodolak E., Hasik M. i inni, FTIR Study of montmorillonite chitosane nanocomposite materials, Spectrochimica Acta, 2011,79, Ch³opek J., Morawska A., Paluszkiewicz C., i inni, FTIR and NMR study of poly(lactide-co-glycolide) and hydroxyapatite implant degradation under in vivo condition Polymer Degradation and Stability, 2009, 94, Paluszkiewicz C., Bla ewicz M., Podporska J., i inni, Nucleation of hydroxyapatite layer on wolastonite material surface: FTIR Studies, Vibrational Spectroscopy, 2008, 48, Paluszkiewicz C., Kwiatek W.M., D³ugoñ E., i inni, Surface Study of Selected Biomaterials Using Vibrational Spectroscopy, Acta Physica Polonica A, 2009, 115, Paluszkiewicz C., Œlósarczyk A., Pijocha D., i inni, Synthesis, Structural Properties and Thermal Stability of Mn-Doped Hydroxyapatite, Journal of Molecular Structure 2010, 976, Sim L.H., Gan S.N., Chan C.H., Yahya R., ATR-FTIR studies on ion interaction of lithium perchlorate in polyacrylate/poly(ethylene oxide) blends, Spectrochimica Acta Part A 76 (2010)