Mikrostruktura i parametry powierzchni materiałów

Jak wspomniano wcześniej, parametry powierzchni biomateriału, obejmujące topografię, chropowatość, zwilżalność, czy energię powierzchniową, w znacznym stopniu determinują wczesną odpowiedź biologiczną obejmującą adsorpcję specyficznych białek, adhezję, proliferację oraz różnicowanie komórek danej tkanki, a także aktywację komórek układu odpornościowego, które odgrywają zasadniczą rolę w procesach regeneracyjnych, szczególnie tkanki kostnej. W przypadku membran, odpowiednia porowatość z jednej strony umożliwia wczesne wrastanie naczyń krwionośnych, a także zapewnia swobodną wymianę substancji odżywczych oraz metabolitów, a z drugiej zapobiega penetracji tkanki miękkiej w miejsce ubytku kości. Mikrostruktura przestrzennego rusztowania, obejmująca porowatość, rozkład, kształt oraz wielkość porów, a także stopień ich połączenia, stanowi o jego biofunkcyjności, determinując między innymi zdolność zasiedlania materiału przez komórki, przerastania go nowo formującą się tkanką, skutecznego transportu substancji odżywczych, metabolitów oraz czynników wydzielanych przez komórki (cytokin), czy wrastania i formowania się nowych naczyń krwionośnych.

Przeprowadzone badania wskazują, że obecność cząstek bioaktywnych szkieł w matrycy polimerowej folii w znacznym stopniu modyfikuje mikrostrukturę, topografię oraz zwilżalność obu powierzchni (AS oraz GS) materiałów [D3,D5]. Większe cząstki szkieł (<45 µm) ulegają sedymentacji w roztworze polimeru podczas procesu otrzymywania materiałów, dlatego obserwowane są przede wszystkim na powierzchni GS folii, powodując istotny wzrost jej chropowatości [D3]. Zmiany mikrostruktury oraz chropowatości obserwowane dla powierzchni AS folii związane były przede wszystkim z różnicami w gęstości nukleacji polimeru, a zatem wielkością sferolitów PCL, indukowanymi wprowadzeniem fazy rozproszonej o zróżnicowanej frakcji ziarnowej (<3 µm i <45 µm) [D5] oraz różnym udziale objętościowym (12 i 21 %obj.) [D3]. Wprowadzenie do osnowy wypełniacza prowadziło do powstawania licznych, mniejszych sferolitów, przy czym wraz ze wzrostem udziału cząstek szkieł, a także spadkiem ich wielkości obserwowano wyższą gęstość zarodkowania PCL. Wzrost koncentracji modyfikatora o frakcji <45 µm skutkował wzrostem chropowatości powierzchni AS [D3]. Z kolei dla kompozytów zawierających cząstki szkieł o wielkości <3 µm obserwowano redukcję wartości parametrów chropowatości tej powierzchni w porównaniu do folii polimerowych oraz materiałów modyfikowanych cząstkami o wielkości <45 µm [D5]. W przypadku folii polimerowej otrzymanej przy zastosowaniu dichlorometanu, dobrze wykształcone sferolity obserwowane były wyłącznie na powierzchni AS, co mogło wynikać z gradientu koncentracji polimeru i rozpuszczalnika w przekroju prostopadłym do szklanego podłoża, powstającego w materiale podczas odparowywania DCM. Dodatkowo

C Z Ę Ś Ć D O Ś W I A D C Z A L N A | 49

sedymentacja cząstek szkła o wielkości <45 µm przy powierzchni GS w foliach kompozytowych mogła skutkować ograniczeniem mobilności łańcuchów PCL, a tym samym ich zdolności do przegrupowania i wzrostu sferolitów [D3]. Obecność równomiernie rozmieszczonych cząstek szkła o wielkości <3 µm w matrycy polimerowej ograniczyła również proces formowania się sferolitów na powierzchni AS folii [D5].

Zmiany kąta zwilżania obu powierzchni (AS oraz GS) folii kompozytowych z jednej strony można powiązać ze wspomnianymi wyżej różnicami w topografii powierzchni materiałów, a z drugiej z obecnością hydrofilowej fazy modyfikującej w hydrofobowej osnowie polimerowej. W pierwszym przypadku, wzrost hydrofobowości powierzchni AS folii wraz z dodatkiem cząstek szkieł o wielkości <45 µm wyjaśnić można podwyższeniem chropowatości tej powierzchni [D3,D5]. W drugim przypadku, charakter powierzchni w dużym stopniu zależy od rozmieszczenia cząstek modyfikatora w matrycy PCL, uwarunkowanego ich wielkością. Sedymentacja większych cząstek hydrofilowych szkieł (<45 µm) przy powierzchni GS prowadziła do polepszenia jej zwilżalności, pomimo jednoczesnego wzrostu chropowatości [D3]. Z kolei, równomierne rozmieszczenie wypełniacza o frakcji <3 µm, a zatem jego ekspozycja na obu powierzchniach kompozytów, skutkowała obniżeniem kąta ich zwilżania [D5]. Kolejnym rozważanym czynnikiem odpowiadającym za różnice w zwilżalności pomiędzy powierzchnią AS i GS folii był proces ich syntezy, w tym hydrofobowy charakter zastosowanego rozpuszczalnika (dichlorometanu) i hydrofilowy charakter podłoża, na które odlewany był roztwór polimeru (szklanej szalki Petriego), prawdopodobnie prowadzący do uprzywilejowanej ekspozycji niepolarnych (silnie hydrofobowych) grup metylenowych łańcucha PCL przy powierzchni AS oraz grup estrowych o większej polarności przy powierzchni GS [D3].

Wykazano również, że istotnym parametrem determinującym mikrostrukturę, topografię oraz zwilżalność powierzchni AS folii polimerowych był rozpuszczalnik zastosowany do otrzymania roztworów PCL [D5]. Odmienne właściwości zastosowanych rozpuszczalników w znacznym stopniu wpłynęły na proces zarodkowania i wzrostu sferolitów PCL, rzutując tym samym na mikrostrukturę, w tym porowatość, a także chropowatość powierzchni AS folii polimerowych. Mogło to wynikać ze zróżnicowanej zdolności danego rozpuszczalnika do rozpuszczania polimeru warunkowanej powinowactwem rozpuszczalnik-PCL, wyznaczonym na podstawie parametrów Hansen’a. Co ważne, odnotowano zależność pomiędzy zwilżalnością powierzchni AS folii polimerowych a polarnością zastosowanego rozpuszczalnika - wartości kąta zwilżania wzrastały wraz ze spadkiem polarności rozpuszczalnika. Prawdopodobnie związane było to ze wspomnianym wyżej zjawiskiem uprzywilejowanej ekspozycji grup funkcyjnych PCL o zróżnicowanej polarności, w zależności od charakteru danego rozpuszczalnika.

C Z Ę Ś Ć D O Ś W I A D C Z A L N A | 50

Rozpatrując właściwości porowatych membran kompozytowych, wykazano że zarówno metoda ich otrzymywania (TIPS, NIPS), jak również zastosowanie wybranej na podstawie wcześniejszych badań koncentracji (21 %obj.) cząstek szkła o zróżnicowanej frakcji (<3 µm, <45 µm) w znaczący sposób wpływają na ich mikrostrukturę, a także zwilżalność powierzchni [D6]. Zróżnicowana mikrostruktura materiałów wytworzonych przy zastosowaniu techniki TIPS i NIPS wynika z różnych mechanizmów formowania się porów w materiale, a wprowadzenie wypełniacza do matrycy polimerowej skutkuje znaczną modyfikacją porowatości, a także kształtu i wielkości porów. Z jednej strony, obecność cząstek szkieł, poprzez ograniczenie zdolności krystalizacji rozpuszczalnika, prowadziło do redukcji porowatości powierzchni GS membran otrzymanych metodą TIPS, a także zmniejszenia wielkości porów obserwowanych na powierzchni AS. Z drugiej strony, w przypadku membran uzyskanych na drodze separacji faz indukowanej nierozpuszczalnikiem (NIPS), wypełniacz nie powodował znaczących zmian w mikrostrukturze powierzchni AS, modyfikując z kolei wielkość porów obecnych na powierzchni GS, w zależności od zastosowanej frakcji ziarnowej szkła. Wydaje się, że duże znaczenie w kształtowaniu właściwości otrzymanych membran kompozytowych, w tym mikrostruktury i zwilżalności obu ich powierzchni, miała szybkość ich formowania się, determinująca w bezpośredni sposób rozmieszczenie modyfikatora w matrycy polimerowej, zwłaszcza jego większych cząstek (<45 µm). Zaobserwowano, że podobnie jak w przypadku folii, cząstki szkieł ulegają wyraźnej sedymentacji w roztworze polimeru, szczególnie w metodzie TIPS. Jeżeli chodzi o zwilżalność powierzchni membran, materiały wytworzone metodą NIPS wykazywały większą hydrofilowość w porównaniu do membran otrzymanych techniką TIPS. Może to być konsekwencją między innymi różnic w polarności rozpuszczalników zastosowanych do sporządzenia roztworów polimeru, ekspozycji roztworu polimeru na silnie polarną ciecz – nierozpuszczalnik (wodę) w metodzie NIPS, czy też zróżnicowanie w topografii, porowatości powierzchni oraz wielkości porów. Wzrost hydrofilowości, wynikający z obecności cząstek szkła w matrycy polimerowej, był znacznie wyraźniejszy dla materiałów uzyskanych na drodze separacji faz indukowanej nierozpuszczalnikiem (NIPS), a wprowadzenie mniejszych cząstek szkła skuteczniej polepszało zwilżalność obu powierzchni membran. Podobnie jak w przypadku folii, prawdopodobnie wynikało to z równomiernego rozmieszczenie hydrofilowego modyfikatora w matrycy polimerowej, w tym jego ekspozycji na obu powierzchniach materiałów.

Podobnie jak w przypadku porowatych membran, zastosowanie różnych metod wytwarzania (SCPL, TIPS, NIPS) pozwala na uzyskanie przestrzennych rusztowań o wysoce zróżnicowanej mikrostrukturze [D2]. Wykazano, że zastosowanie zaproponowanej koncentracji (21 %obj.) modyfikatora matrycy polimerowej w postaci cząstek szkieł o wielkości <45 µm i zróżnicowanym składzie chemicznym (A2, S2) nie prowadzi do znaczących zmian porowatości efektywnej rusztowań, a także rozkładu wielkości oraz kształtu porów w obrębie

C Z Ę Ś Ć D O Ś W I A D C Z A L N A | 51

danej metody otrzymywania. Te odmienne obserwacje w odniesieniu do zmian w mikrostrukturze membran otrzymanych analogicznymi technikami (TIPS i NIPS) wraz z wprowadzeniem modyfikatora mogły wynikać bezpośrednio z przestrzennej formy materiału (3D), a także równomiernego rozmieszczenia cząstek szkieł w jego matrycy (braku sedymentacji cząstek o wielkości <45 µm obserwowanych szczególnie w przypadku membran wytworzonych metodą TIPS). Proces sedymentacji wypełniacza w matrycy polimerowej rusztowań nie był obserwowany prawdopodobnie z uwagi na szybszy proces formowania się rusztowania – zastosowania znacznie niższej temperatury chłodzenia roztworów polimeru (- 196ºC) w porównaniu do temperatury zastosowanej w procesie wytwarzania membran (- 80ºC).

Wyniki przeprowadzonych badań pozwoliły ustalić szereg współzależności pozwalających na sterowanie mikrostrukturą oraz właściwościami powierzchniowymi biomateriałów w różnej formie. Wykazano, że parametry powierzchniowe folii determinowane są bezpośrednio obecnością modyfikatorów o odmiennych w stosunku do osnowy właściwościach (np. zwilżalności), a także w dużej mierze zmianami w procesie nukleacji i wzrostu sferolitów osnowy polimerowej powodowanymi zastosowaniem różnych rozpuszczalników oraz wprowadzeniem fazy rozproszonej. Wykazano, że istotną rolę odgrywa tu zarówno udział cząstek szkła, jak również ich wielkość. W przypadku membran ich właściwości warunkowane są odmiennymi mechanizmami formowania się porów na skutek zastosowania różnych metod wytwarzania materiałów, modyfikowanymi dodatkowo obecnością zróżnicowanych pod względem wielkości cząstek wypełniacza. Z kolei w przypadku rusztowań dominującym czynnikiem decydującym o ich mikrostrukturze jest metoda otrzymywania.