Electrospun gelatin cross-linked by glucose

Abstract

Biolagunevad nanokiudmaterjalid võimaldavad lisaks mitmetele uutele rakendustele, näiteks koeanaloogide valmistamine meditsiini rakendusteks ja vigastatud taimede ravimine, ka paljude keskkonnaohtlike materjalide asendamist keskkonnale täiesti ohutute materjalidega, mida võib nimetada bioplastideks. Želatiin on proteiin, mida saadakse kollageeni hüdrolüüsi tulemusel, mis on sidekoe üks peamine komponent. Želatiin on seega täiesti looduslik ja sellest saab valmistada biolagunevaid, bioühilduvaid nanokiudmaterjale, mis ühtlasi on väga vastupidavad ja kasutatavad mitmes valdkonnas lisaks regeneratiivsele meditsiinile ja bioloogiale, näiteks kangana igapäevaelus ja filtritena tööstuses. Käesolevas töös valmistati želatiinist nanokiudmaterjal elektrospinnimise meetodil. Želatiin on vees lahustuv. Lahustumatuks saab želatiini muuta, tekitades polümeeriahelate vahele ristsidemed. Käesolev dissertatsioon põhineb avastusel, et elektrospinnitud želatiini on võimalik ristsidestada glükoosi abil, kuumutades materjali ahjus temperatuuril 170°C. Töö tulemusena leiti, et ristsidestumise määr sõltub glükoosikontsentratsioonist ja kuumutamise kestvusest. Maksimaalne ristsidestumise ulatus saavutatakse umbes 3 tunni kuumas ahjus hoidmise järel. Kangataolist, kergesti käsitletavat materjali on võimalik saada kuni 15% glükoosi sisaldavatest segudest. Keskmised kiudude läbimõõdud jäävad vahemikku 200-700 nm olenevalt želatiini ja lisandite kontsentratsioonist elektrospinnimise lahuses. Leiti, et glükoosiga ristsidestamine suurendab oluliselt elektrospinnitud želatiini mehaanilist tugevust. AlK(SO4)2 lisamine muudab glükoosiga ristsidestatud elektrospinnitud želatiini mehaaniliselt veelgi tugevamaks. Rakendusuuringute tulemusena leiti, et glükoosiga ristsidestatud elektrospinnitud želatiin on sobiv regeneratiivse meditsiini rakendusteks.Nano-structured biodegradable materials can be used in several applications, including regenerative medicine and biology, and as bioplastics - an environment-friendly replacement to plastics. Gelatin is a protein derived by hydrolysis from collagen, a naturally occurring protein most abundant in connective tissue. Therefore, gelatin is totally natural and can be used to prepare biodegradable, biocompatible nanostructured materials, which are durable enough to be used as fabrics in everyday life. Gelatin fabrics were prepared by electrospinning. However, electrospun gelatin is water-soluble and must be cross-linked to make it usable. The current dissertation is based on the discovery that electrospun gelatin fibres can be thermally cross-linked by glucose at 170°. Average fibre diameter varied from 200 nm to 700 nm depending on the concentration of the electrospinning solution. Easy to handle fabrics can be obtained from gelatin-glucose blends containing up to 15% glucose. The extent of cross-linking depends on glucose concentration and duration of thermal treatment. Maximum extent of cross-linking is reached after nearly 3 h of thermal treatment. It was found that cross-linking by glucose increases elastic modulus of electrospun gelatin. The addition of alum further increases mechanical strength of electrospun gelatin cross-linked by glucose. Preliminary short-term cell culture experiments indicate that electrospun gelatin cross-linked thermally by glucose is suitable for tissue engineering applications.