Fiber average size and distribution dependence on the electrospinning parameters of poly(vinylidene fluoride trifluoroethylene)) membranes for biomedical applications

Poly(vinylidene fluoride-trifluoethylene) electrospun membranes were obtained from a blend of dimethylformamide (DMF) and methylethylketone (MEK) solvents. The inclusion of the MEK to the solvent system promotes a faster solvent evaporation allowing complete polymer crystallization during the jet travelling between the tip and the grounded collector. Several processing parameters were systematically changed to study their influence on fiber dimensions. Applied voltage and inner needle diameter do not have large influence on the electrospun fiber average diameter but in the fiber diameter distribution. On the other hand, the increase of the distance between the needle tip to collector results in fibers with larger average diameter. Independently on the processing conditions, all mats are produced in the electroactive phase of the polymer. Further, MC-3T3-E1cell adhesion was not inhibited by the fiber mats preparation, indicating their potential use for biomedical applications.

Influence of electrospinning parameters on Poly(hydroxybutyrate) electrospun membranes fiber size and distribution

Poly(hydroxybutyrate) (PHB) obtained from sugar cane was dissolved in a blend of chloroform and dimethylformamide (DMF) and electrospun at 40 ºC. By adding DMF to the solution, the electrospinning process for the PHB polymer becomes more stable, allowing complete polymer crystallization during the jet travelling between the tip and the grounded collector. The influence of processing parameters on fiber size and distribution was systematically studied. It was observed that an increase of tip inner diameter promotes a decrease of the fiber average size and a broader distribution. On the other hand, an increase of the electric field and flow rate produces an increase of fiber diameter until a maximum of ~2.0 m, but for electric fields higher than 1.5 kV.cm-1, a decrease of the fiber diameter was observed. Polymer crystalline phase seems to be independent of the processing conditions and a crystallinity degree of 53 % was found. Moreover, thermal degradation of the as-spun membrane occurs in single step degradation with activation energy of 91 kJ/mol. Furthermore, MC-3T3-E1 cell adhesion was not inhibited by the fiber mats preparation, indicating their potential use for biomedical applications.

Viability of mesenchymal stem cells during electrospinning

Tissue engineering is a technique by which a live tissue can be re-constructed and one of its main goals is to associate cells with biomaterials. Electrospinning is a technique that facilitates the production of nanofibers and is commonly used to develop fibrous scaffolds to be used in tissue engineering. In the present study, a different approach for cell incorporation into fibrous scaffolds was tested. Mesenchymal stem cells were extracted from the wall of the umbilical cord and mononuclear cells from umbilical cord blood. Cells were re-suspended in a 10% polyvinyl alcohol solution and subjected to electrospinning for 30 min under a voltage of 21 kV. Cell viability was assessed before and after the procedure by exclusion of dead cells using trypan blue staining. Fiber diameter was observed by scanning electron microscopy and the presence of cells within the scaffolds was analyzed by confocal laser scanning microscopy. After electrospinning, the viability of mesenchymal stem cells was reduced from 88 to 19.6% and the viability of mononuclear cells from 99 to 8.38%. The loss of viability was possibly due to the high viscosity of the polymer solution, which reduced the access to nutrients associated with electric and mechanical stress during electrospinning. These results suggest that the incorporation of cells during fiber formation by electrospinning is a viable process that needs more investigation in order to find ways to protect cells from damage.

Electrospinning and characterization of self-assembled inclusion complexies

L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC).

Electrospinning and characterization of supramolecular poly(4-vinyl pyridine)-small molecule complexes

La chimie supramoléculaire est basée sur l'assemblage non covalent de blocs simples, des petites molécules aux polymères, pour synthétiser des matériaux fonctionnels ou complexes. La poly(4-vinylpyridine) (P4VP) est l'une des composantes supramoléculaires les plus utilisées en raison de sa chaîne latérale composée d’une pyridine pouvant interagir avec de nombreuses espèces, telles que les petites molécules monofonctionnelles et bifonctionnelles, grâce à divers types d'interactions. Dans cette thèse, des assemblages supramoléculaires de P4VP interagissant par liaisons hydrogène avec de petites molécules sont étudiés, en ayant comme objectifs de faciliter l'électrofilage de polymères et de mieux comprendre et d'optimiser la photoréponse des matériaux contenant des dérivés d'azobenzène. Une nouvelle approche est proposée afin d'élargir l'applicabilité de l'électrofilage, une technique courante pour produire des nanofibres. À cet effet, un complexe entre la P4VP et un agent de réticulation bifonctionnel capable de former deux liaisons hydrogène, le 4,4'-biphénol (BiOH), a été préparé pour faciliter le processus d’électrofilage des solutions de P4VP. Pour mieux comprendre ce complexe, une nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge (IR) a d'abord été développée pour quantifier l'étendue de la complexation. Elle permet de déterminer un paramètre clé, le rapport du coefficient d'absorption d'une paire de bandes attribuées aux groupements pyridines libres et liées par liaisons hydrogène, en utilisant la 4-éthylpyridine comme composé modèle à l’état liquide. Cette méthode a été appliquée à de nombreux complexes de P4VP impliquant des liaisons hydrogène et devrait être généralement applicable à d'autres complexes polymères. La microscopie électronique à balayage (SEM) a révélé l'effet significatif du BiOH sur la facilité du processus d’électrofilage de P4VP de masses molaires élevées et faibles. La concentration minimale pour former des fibres présentant des perles diminue dans le N, N'-diméthylformamide (DMF) et diminue encore plus lorsque le nitrométhane, un mauvais solvant pour la P4VP et un non-solvant pour le BiOH, est ajouté pour diminuer l'effet de rupture des liaisons hydrogène causé par le DMF. Les liaisons hydrogène dans les solutions et les fibres de P4VP-BiOH ont été quantifiées par spectroscopie IR et les résultats de rhéologie ont démontré la capacité de points de réticulation effectifs, analogues aux enchevêtrements physiques, à augmenter la viscoélasticité de solutions de P4VP pour mieux résister à la formation de gouttelettes. Cette réticulation effective fonctionne en raison d'interactions entre le BiOH bifonctionnel et deux chaînes de P4VP, et entre les groupements hydroxyles du BiOH complexé de manière monofonctionnelle. Des études sur d’autres agents de réticulation de faible masse molaire ont montré que la plus forte réticulation effective est introduite par des groupes d’acide carboxylique et des ions de zinc (II) qui facilitent le processus d’électrofilage par rapport aux groupements hydroxyles du BiOH. De plus, la sublimation est efficace pour éliminer le BiOH contenu dans les fibres sans affecter leur morphologie, fournissant ainsi une méthode élégante pour préparer des fibres de polymères purs dont le processus d’électrofilage est habituellement difficile. Deux complexes entre la P4VP et des azobenzènes photoactifs portant le même groupement tête hydroxyle et différents groupes queue, soit cyano (ACN) ou hydrogène (AH), ont été étudiés par spectroscopie infrarouge d’absorbance structurale par modulation de la polarisation (PM-IRSAS) pour évaluer l'impact des groupements queue sur leur performance lors de l'irradiation avec de la lumière polarisée linéairement. Nous avons constaté que ACN mène à la photo-orientation des chaînes latérales de la P4VP et des azobenzènes, tandis que AH mène seulement à une orientation plus faible des chromophores. La photo-orientation des azobenzènes diminue pour les complexes avec une teneur croissante en chromophore, mais l'orientation de la P4VP augmente. D'autre part, l'orientation résiduelle après la relaxation thermique augmente avec la teneur en ACN, à la fois pour le ACN et la P4VP, mais la tendance opposée est constatée pour AH. Ces différences suggèrent que le moment dipolaire a un impact sur la diffusion rotationnelle des chromophores. Ces résultats contribueront à orienter la conception de matériaux polymères contenant des azobenzène efficaces.

Conducting nanofibres produced by electrospinning

Electrospun fibres based on polypyrrole have been prepared. The incorporation of preformed polypyrrole into fibres electrospun from a carrier polymer can only be achieved when materials are prepared with particulates smaller than the cross-section of the fibre; even so there are some problems, with the substantial loss of material from the electrode tip. As an alternative approach, soluble polypyrroles can be prepared but these are not of sufficient viscosity to prepare electrospun fibres, once again a carrier polymer must be employed. More effective loadings are gained by the process of coating the outer surface of a pre-spun fibre; in this way electrospun fibres coated with polypyrrole can be prepared. This approach has been adapted to produce silver coated polymer fibres by the use of copolymers of styrene and 3-vinyl benzaldehyde.

Electrospinning atactic polystyrene: A neutron scattering study

Electrospinning is a method used to produce nanoscale to microscale sized polymer fibres. In this study we electrospin 1:1 blends of deuterated and hydrogenated atactic-Polystyrene from N,N-Dimethylformamide for small angle neutron scattering experiments in order to analyse the chain conformation in the electrospun fibres. Small angle neutron scattering was carried out on randomly orientated fibre mats obtained using applied voltages of 10kV-15kV and needle tip to collector distances of 20cm and 30cm. Fibre diameters varied from 3mm - 20mm. Neutron scattering data from fibre samples were compared with bulk samples of the same polymer blend. The scattering data indicates that there are pores and nanovoiding present in the fibres; this was confirmed by scanning electron microscopy. A model that combines the scattering from the pores and the labelled polymer chains was used to extract values for the radius of gyration. The radius of gyration in the fibres is found to vary little with the applied voltage, but varies with the initial solution concentration and fibre diameter. The values for the radius of gyration in the fibres are broadly equivalent to that of the bulk state.

Electrospinning atactic polystyrene: a neutron scattering study

Electrospinning is a method used to produce nanoscale to microscale sized polymer fibres. In this study we electrospin 1:1 blends of deuterated and hydrogenated atactic- Polystyrene from N,N-Dimethylformamide for small angle neutron scattering experiments in order to analyse the chain conformation in the electrospun fibres. Small angle neutron scattering was carried out on randomly orientated fibre mats obtained using applied voltages of 10kV-15kV and needle tip to collector distances of 20cm and 30cm. Fibre diameters varied from 3μm – 20μm. Neutron scattering data from fibre samples were compared with bulk samples of the same polymer blend. The scattering data indicates that there are pores and nanovoiding present in the fibres; this was confirmed by scanning electron microscopy. A model that combines the scattering from the pores and the labelled polymer chains was used to extract values for the radius of gyration. The radius of gyration in the fibres is found to vary little with the applied voltage, but varies with the initial solution concentration and fibre diameter. The values for the radius of gyration in the fibres are broadly equivalent to that of the bulk state.

Using an additive to control the electrospinning of fibres of poly(epsilon-caprolactone)

Electrospinning is a route to polymer fibres with diameters considerably smaller than available from most fibre-producing techniques. We explore the use of a low molecular weight compound as an effective control additive during the electrospinning of poly(epsilon-caprolactone). This approach extends the control variables for the electrospinning of nanoscale fibres from the more usual ones such as the polymer molecular weight, solvent and concentration. We show that through the use of dual solvent systems, we can alter the impact of the additive on the electrospinning process so that finer as well as thicker fibres can be prepared under otherwise identical conditions. As well as the size of the fibres and the number of beads, the use of the additive allows us to alter the level of crystallinity as well as the level of preferred orientation of the poly(epsilon-caprolactone) crystals. This approach, involving the use of a dual solvent and a low molar mass compound, offers considerable potential for application to other polymer systems. (C) 2010 Society of Chemical Industry

The potential of electrospinning in rapid manufacturing processes

We review the process of electrospinning and how this new technique for generating a rich morphology of nano and micro scale fibres sits alongside established procedures for rapid manufacturing. We introduce the key elements of electrospinning and how these influence the nature and distribution of the fibres produced. We describe the range of polymers available for electrospinning and the limitations to the use of these materials. Using this base we review the potential approaches to using electrospinning as part of a broader rapid manufacturing system and the possible applications for such a hybrid system.

Development of orientation during electrospinning of fibres of poly(ε-caprolactone)

We explore the influence of a rotating collector on the internal structure of poly(ε-caprolactone) fibres electrospun from a solution in dichloroethane. We find that above a threshold collector speed, the mean fibre diameter reduces as the speed increases and the fibres are further extended. Small-angle and wide-angle X-ray scattering techniques show a preferred orientation of the lamellar crystals normal to the fibre axis which increases with collector speed to a maximum and then reduces. We have separated out the processes of fibre alignment on the collector and the orientation of crystals within the fibres. There are several stages to this behaviour which correspond to the situations (a) where the collector speed is slower than the fibre spinning rate, (b) the fibre is mechanically extended by the rotating collector and (c) where the deformation leads to fibre fracture. The mechanical deformation leads to a development of preferred orientation with extension which is similar to the prediction of the pseudo-affine deformation model and suggests that the deformation takes place during the spinning process after the crystals have formed.

Chapter 16: Electrospinning of polymer solutions

Electrospinning is a technique that involves the production of nanoscale to microscale sized polymer fibres through the application of an electric field to a droplet of polymer solution passed through a spinneret tip. This chapter considers the optimisisation of the electrospinning process and in particular the variation with solution concentration. We show the strong connection between overlapping chains and the successful spinning of fibres. We use small-angle neutron scattering to evaluate the molecular conformations in the solutions and in the fibres.

Enhancing the crystallization and orientation of electrospinning poly (lactic acid) (PLLA) by combining with additives

PLLA is a thermoplastic biopolymer and can be used in industrial applications for medical and filtration applications. The brittleness of PLLA is attributed to slow crystallization rates and its glass transition temperature (Tg) is high (60 °C); for this reason, its applications are limited. The orientation, morphology, and crystal structure of the electrospun fibers was investigated by SEM, POM, DSC, FTIR, XRD, and SAXS. Combining with additives leads to a large decrease of fiber diameter, viscosity, and changes of fiber morphology and crystal structure compared to pure PLLA. DSC showed that the Tg of PLLA decreased about 15 °C and there was no change in relaxation enthalpy by the addition of plasticizer. FT-IR indicate a strong interaction between PLLA and additives; a new band appears in the PLLA blend at 1,756 cm−1 at room temperature as a crystalline band without any annealing. In addition, WAXD indicated that the intensities of the two peaks at (200/110) and (203) increased for the blend at room temperature without any annealing in comparison with PLLA; this means that PHB crystallizes in the amorphous region of PLLA. The POM experiments agree with the results from DSC, FTIR, and WAXS measurements, confirming that adding PHB results in an increase in the number of nuclei with much smaller spherulites and enhances the crystallization behavior of this material, thereby improving its potential for applications.