Propiedades físicas de las soluciones precursoras

Finalmente, a valores altos de velocidad de corte (~1000 s^-1), la presencia de nanopartículas no tuvo un efecto considerable en la viscosidad de las soluciones de PLA.

Figura 39. Viscosidad como función de la velocidad de corte de la solución al 15% en peso de PLA en TFE conteniendo distintas concentraciones de nanopartículas de ZnO

Si bien se analizó un amplio intervalo de velocidades de corte, es posible obtener una comparación más realística calculando la velocidad de corte usada durante la fabricación de las fibras de PLA, esto mediante la siguiente ecuación:

ߛሶ ൌ Ͷܳ

ߨܴ^ଷ

donde ߛሶ es la velocidad de corte, Q es el flujo, y R es el radio de la aguja.

Considerando que Q es igual a 2.69 mL·h^-1 y R es igual a 0.445 mm, la velocidad de corte calculada es 10.8 s^-1. Por lo tanto, tomando en cuenta los resultados de la velocidad de corte, la viscosidad de la soluciones de PLA con 1, 3 y 5% en peso es igual a 0.769, 0. 598 y 0.850 Pa·s, respectivamente, mientras que para el caso de la solución en ausencia de nanopartículas, la viscosidad es igual a 0.760 Pa·s.

En lo concerniente a la conductividad eléctrica, en primera instancia se determinó los valores de dicha propiedad para el TFE únicamente en presencia de distintas concentraciones de ZnO. Se observó que la conductividad aumenta proporcionalmente con el contenido de nanopartículas siendo de 13.7 ȝS·cm^-1 para el FTE puro y 20.8, 42.5 y 66.2 ȝS·cm^-1 en presencia de 1, 3 y 5% en peso de nanopartículas (respecto al PLA a incorporar), respectivamente. Dicho incremento en la conductividad eléctrica se debe a que el carácter anfótero de la nanopartículas de ZnO podría promover la ionización de grupo hidroxilo del TFE, lo cual se traduce en un incremento de especies iónicas.^{194, 195} Posteriormente, al determinar la conductividad de la solución PLA/TFE esta fue de 6.2 ȝS·cm^-1, mientras que para la mezcla PLA/TFE/nano-ZnO fue 3.2, 3.4 y 4.4 ȝS·cm^-1, respectivamente. En la literatura está indicado que la incorporación de polímeros puede disminuir la movilidad de los iones presentes en una solución¹⁹⁶, lo cual explica la disminución de la conductividad eléctrica de las soluciones de PLA en TFE, además, las cadenas del mencionado poliéster pueden impedir que las partículas de ZnO promuevan la ionización del TFE, esto mediante interacciones interfaciales.

3.5.1.2. Morfología de las fibras compuestas basadas en PLA y nanopartículas de ZnO elaboradas mediante electrohilado

Con el afán de lograr un mejor entendimiento de la relación entre las propiedades físicas de la solución precursora (viscosidad y conductividad) y la morfología final de las fibras de PLA, se recurrió a distintas técnicas experimentales, es decir, SEM, TEM y porosimetría de intrusión de mercurio. En este sentido, la Figura 40 muestra las imágenes SEM de las fibras de PLA derivadas del proceso de electrohilado. Las fibras poseen una morfología relativamente bien definida con algunos defectos ovoides. En cuanto al diámetro promedio de las fibras (ܦഥ_௙), para el caso del PLA sin nanopartículas fue de 0.81±0.34 ȝm, mientras que las fibras compuestas fueron de 0.71±0.33, 0.72±0.35 y 0.79±0.32 ȝm para aquellas con un contenido de 1, 3 y 5% en peso, respectivamente. Adicionalmente, en la Figura 40 se desglosan las distribuciones de diámetro de fibra, en ellas pudo observarse que los diámetros variaron desde 0.35 hasta 1.9 ȝm. Otra característica morfológica de suma importancia es la porosidad de los materiales fibrosos, que en el caso de los materiales

basados en PLA aquí expuestos, los respectivos valores fueron de 89, 76, 85 y 87% para el blanco, fibras con 1, 3 y 5 % en peso de ZnO, respectivamente.

Si bien la incorporación de nano-ZnO en soluciones de PLA tuvo un ligero efecto en las propiedades físicas de las correspondientes soluciones poliméricas, dicho efecto no fue importante como para alterar los parámetros morfológicos de las fibras, ya que el diámetro y la distribución de diámetros de fibra estuvieron dentro del mismo rango de valores, con variaciones menores al 13%, lo cual también se vio reflejado en los porcentajes de porosidad muy similares, con variación menor al 13%. Es importante recalcar que la porosidad lograda es adecuada para la permeación de cierta cantidad de oxígeno y humedad, los cuales son necesarios para aplicaciones relacionadas con apósitos para la sanación de heridas. Otro punto necesario de resaltar, es que las fibras no presentaron una completa homogeneidad morfológica, por lo que se puede asumir que la concentración del polímero en la solución no es la óptima como para producir un flujo continuo durante el electrohilado.

En cuanto a la distribución de las nanopartículas dentro de las fibras de PLA, en la Figura 41 se observa la estructura interna de las fibras conteniendo 3 y 5% en peso de nanopartículas de ZnO. En el caso de las fibras con la menor concentración de nanopartículas, es posible apreciar una distribución moderada de éstas dentro de la matriz estudiada, puesto que se aprecian algunos aglomerados de entre 100-200 nm, sin embargo, éstos son de un tamaño relativamente pequeño considerando el diámetro de las nanopartículas (aproximadamente 12 nm). En el caso de las fibras de PLA con la mayor concentración, la aglomeración de las nanopartículas se hizo más evidente, puesto que se pueden encontrar aglomerados de hasta 200-300 nm, e interesantemente, éstos se han posicionado muy cerca de la superficie de la fibra (semi-expuestas). Adicionalmente, se pueden observar los espectros EDX obtenidos de las fibras, y en ellos aparecen las señales típicas del óxido de zinc a valores de energía de 1, 8.6 y 9.6 keV, corroborando así que se trata de las nanopartículas del óxido metálico de interés. Dado que las fibras poseen tanto nanopartículas embebidas como semi-expuestas, estos materiales podrían ser aplicados como apósitos o andamios de liberación controlada de agentes antimicrobianos, puesto que

las partículas semi-expuestas podrían atacar de manera inmediata, mientras que las embebidas podrían ser gradualmente liberadas/expuestas conforme el polímero se degrada.

Figura 40. Imágenes SEM de las fibras de PLA derivadas de proceso de electrohilado de soluciones en TFE conteniendo (a) 0, (b) 1, (c) 3 y (d) 5% en peso de nanopartículas de ZnO.

Figura 41. Imágenes TEM de las fibras de PLA derivadas del electrohilado conteniendo (a,b) 3 y (d,e) 5% de nanopartículas de ZnO y los correspondientes espectros EDX (obtenidos de b y e).

3.5.1.3. Propiedades térmicas de las fibras de PLA y PLA/ZnO derivadas del proceso de electrohilado

La estabilidad térmica de los materiales fibrosos utilizados como implantes médicos, apósitos, gasas, etc. es de suma importancia puesto que, previo a su colocación, generalmente son esterilizados. Entre uno de los procesos de esterilización se encuentra la colocación del material en un autoclave dentro del cual se somete a altas temperaturas, típicamente 120-170°C durante 4-150 min, bajo una atmósfera totalmente seca o húmeda.¹⁹⁷ Dicho lo anterior, a continuación se presentará un análisis de la estabilidad térmica de los nanocompuestos fibrosos basados en PLA y nano-ZnO, los cuales fueron fabricados mediante electrohilado.

En la Figura 42, se pueden apreciar los patrones de degradación (obtenidos mediante TGA bajo atmósfera de nitrógeno) de las fibras de PLA puras así como de aquellas conteniendo diferentes cantidades de nanopartículas de ZnO. En primera instancia, es importante

recordar que las nanopartículas de ZnO no sufren descomposición alguna luego de los 580- 590°C, por lo que el porcentaje de residuos formados luego del calentamiento de las fibras basadas en PLA/ZnO podría asociarse con el contenido experimental de las nanopartículas.

En el caso de las fibras de PLA sin nanopartículas, éstas dejan un residuo carbonoso que representa el 0.35% en peso, mientras que los residuos de la degradación de las fibras compuestas representaron un 1.20, 3.10 y 5.65% en peso, estos valores están muy acordes con el contenido teórico inicial de la solución precursora.

Concerniente al comportamiento de la degradación de las fibras, con fines comparativos se estableció como referencia la temperatura a la cual se degrada un 5% de la masa de la muestra (Td,5%), cuyos valores se desglosan en la Tabla 1. En el caso del PLA puro el valor de Td,5% fue de 313°C, mientras que en el caso de las fibras compuestas se evidenció que la presencia de las nanopartículas promovió la degradación del PLA, puesto que la T_d,5% tiene valores de hasta 67°C por debajo de aquella correspondiente a las fibras sin nanopartículas.

Incluso, se puede notar cierta tendencia, es decir, a medida que se incrementa la concentración de nanopartículas los valores de T_d,5% van disminuyendo. Este fenómeno ha sido reportado por otros autores^{198, 199}, y lo atribuyeron a que el ZnO favorece las reacciones de transesterificación y depolimerización del PLA. Murariu et al.¹⁹⁸ también encontraron una concentración de ZnO máxima crítica a la cual la T_d,5% no sigue disminuyendo, lo cual fue atribuido a la aglomeración de las nanopartículas, lo que provoca la disminución del área superficial efectiva para que tomen lugar las reacciones de transesterificación. En el caso de las fibras compuestas aquí presentadas, puede considerarse que dicha concentración crítica de nanopartículas es de 5%, puesto que el valor de la correspondiente Td,5% es muysimilar a aquella de las fibras conteniendo 3% de nanopartículas (Tabla 1).

Conociendo las temperaturas de degradación de las fibras basadas en PLA y sabiendo que las nanopartículas de ZnO son causantes de reacciones degradantes, se puede sugerir que los materiales aquí elaborados pudieran ser esterilizados en una autoclave bajo condiciones moderadas tanto de temperatura como de tiempo de esterilización, además de que la

esterilización debería realizarse bajo la ausencia de humedad, ya que es bien sabido que la combinación de altas temperaturas y agua también es promotora de la hidrólisis del PLA.²⁰⁰

Figura 42. Análisis termogravimétrico de las fibras de PLA obtenidas mediante electrohilado de las correspondientes soluciones en TFE conteniendo diferente concentración de nanopartículas de ZnO.

Tabla 1. Temperaturas de degradación y contenido residual de las fibras de PLA/ZnO, cuyos valores fueron obtenidos de los correspondientes TGA.

Contenido teórico de nano-ZnO

(% en peso)

T_d,5%

(°C)

Residuos a 600°C (% en peso)

0 313 0.30

1 259 1.20

3 248 3.10

5 246 5.65

En lo relacionado a las transiciones térmicas de las fibras de PLA, en la Figura 43 se muestran los termogramas del ciclo de calentamiento-enfriamiento-calentamiento. El termograma obtenido del primer calentamiento de las fibras de PLA mostró un pico endotérmico justo después de la T_g del PLA (56.3°C) el cual Stoclet et al.²⁰¹ han

demostrado que está asociado con la “fusión” de una mesofase altamente orientada, la cual es obtenida mediante el estiramiento uniaxial de películas de PLA, en el caso de los materiales elaborados en este trabajo de tesis, dicha orientación se produce durante el proceso de electrohilado y la evaporación rápida del solvente. Posteriormente, el termograma exhibió una transición exotérmica adjudicada a la cristalización fría del PLA, cuya estructura cristalina se origina a partir de la mesofase. Finalmente, se manifestó la fusión de la fase cristalina formada cuyo pico endotérmico se centró en 138°C. El comportamiento descrito se presentó en el resto de las muestras que contenían nanopartículas de ZnO y las transiciones térmicas tuvieron lugar en el mismo intervalo de temperatura. Algo importante de notar es que la endoterma de la mesofase es más prominente en el PLA blanco, lo cual indica que las nanopartículas interfieren ligeramente en la formación de estructuras altamente alineadas. En cuanto al efecto de las nanopartículas sobre la cristalinidad del PLA, éstas tuvieron un efecto muy sutil ya que la cristalinidad desarrollada en ausencia de nanopartículas fue de 8.3% (tomando en cuenta que el valor de ¨Hm para un PLA completamente cristalino es de 93.1 J·g^-1, según lo reportado por Ribeiro et al.²⁰²), mientras que para el PLA en presencia de 1, 3 y 5% de ZnO fue de 8.8, 8.1 y 8.6%, respectivamente.

Por otro lado, durante el ciclo de enfriamiento, se observa únicamente un cambio en C_p adjudicado a la Tg, cuyo valor oscila en 55.2°C y es independiente de la presencia de las nanopartículas. Durante el segundo calentamiento se pudo observar nuevamente la transición vítrea a una temperatura de 56°C, la cual tiene un incremento de aproximadamente 2°C en presencia de las nanopartículas, lo cual podría significar que éstas restringen ligeramente el movimiento molecular de las cadenas de PLA.

Figura 43. Gráficas de DSC de las fibras de PLA obtenidas mediante electrohilado de una solución conteniendo diferente concentración de nanopartículas de ZnO: (a) primer calentamiento, (b) enfriamiento y (c) segundo calentamiento.

3.5.1.4. Propiedades mecánicas de las fibras de PLA y PLA/ZnO derivadas del proceso de electrohilado

Los materiales fibrosos destinados a aplicaciones tales como apósitos deberían exhibir buenas propiedades mecánicas puesto que ellos son sujetos a esfuerzos de tensión no solamente durante su manipulación sino una vez que son colocados en tejidos. En este contexto la Figura 44 muestra las curvas esfuerzo-desplazamiento de los materiales de PLA y PLA/ZnO elaborados mediante la técnica de electrohilado. De las curvas puede establecerse que existe una concentración óptima para el mejoramiento tanto de la

resistencia máxima a la tensión como de la elongación, dado que la incorporación de la concentración más baja de nanopartículas incrementó ligeramente la elongación del PLA, posteriormente, la adición de 3% de nano-ZnO provocó un aumento tanto del esfuerzo como de la elongación y finalmente, la presencia de 5% de nanopartículas no tiene efecto significativo sobre las propiedades mecánicas de las fibras. Es importante hacer mención que hay reportes en los cuales se indica que el diámetro de la fibra incide fuertemente en la respuesta mecánica de los materiales fibrosos, fundamentalmente cuando se tienen diámetros menores a 500 nm.²⁰³ Pese a esta aseveración, las fibras obtenidas en este trabajo de investigación tuvieron valores de diámetro muy similares, lo cual también se reflejó en los valores de porosidad, y las respectivas desviaciones también estuvieron en el mismo orden de magnitud, por lo que la influencia de este factor morfológico puede descartarse.

De igual manera, se demostró que la variación de la cristalinidad es insignificante en presencia de las nanopartículas, de tal modo que el mejoramiento de las propiedades puede deberse a la formación de puentes de hidrógeno entre los hidroxilos que se encuentran en la superficie de las nanopartículas y los grupos carbonilo de la cadena del PLA,²⁰⁴ mientras que al incrementarse la concentración, se provoca la aglomeración de las partículas disminuyendo así el área superficial y consecuentemente, las interacciones partícula- polímero se ven mermadas. Anteriormente, se había sugerido que dichas interacciones también tienen un ligero efecto en la viscosidad de las soluciones precursoras, las cuales pueden verse favorecidas en los materiales en bruto dado que se disminuye la distancia entre las partículas y las cadenas poliméricas.

Figura 44. Gráfica esfuerzo-desplazamiento obtenidas de las pruebas de tensión de las fibras compuestas de PLA y distintos contenidos de nano-ZnO.

3.5.1.5. Actividad antibacteriana de las fibras de PLA y PLA/ZnO derivadas del proceso de electrohilado

Con el objetivo de determinar la actividad antibacteriana, los materiales fibrosos de PLA y PLA/ZnO fueron inmersos durante 24 h en un caldo de cultivo conteniendo una determinada concentración de bacterias. Para dicho análisis se utilizaron cepas de E. coli y S. aureus, dado que son bacterias de interés médico y poseen morfología/composición distinta, dado que la primera se trata de una bacteria gram-negativa y la segunda gram- positiva.

En la Figura 45 se exhibe la inhibición del crecimiento de ambas bacterias como función de la concentración de nanopartículas de ZnO embebidas en las fibras de PLA. En dichas gráficas se pueden notar dos comportamientos: comparando el tipo de bacteria, la cepa de E. coli mostró una menor sensibilidad a las fibras compuestas de PLA/ZnO que la cepa de S. aureus. Otro comportamiento interesante es que la inhibición de crecimiento bacteriano

es proporcional al contenido de nanopartículas alcanzando una inhibición de hasta del 95%

para el caso del S. aureus.

La menor sensibilidad de la bacteria E. coli comparada con S. aureus es un tema controversial, y se han establecido varias teorías para explicar la diferencia. Brayner et al.²⁰⁵ argumentaron que la E. coli tiene la habilidad de metabolizar bajas concentraciones de Zn²⁺ y usarlo como oligoelemento promoviendo su proliferación. Por su parte, Amna et al.²⁰⁶ han atribuido la resistencia de la mencionada bacteria a la estructura de su pared celular, la cual es más compleja que aquella del S. aureus. Adicionalmente, se ha reportado que la carga neta de la S. aureus es menos negativa que la de E. coli, permitiendo así la penetración de especies reactivas de oxígeno (hidróxidos, peróxidos, hidroperóxidos) las cuales causan la disrupción de la bacteria. Otro aspecto importante que se debe tomar en cuenta es la interacción bacteria-polímero, que en el caso del PLA, la presencia de los grupos éster incrementa la densidad electrónica, por lo tanto, la repulsión electrostática entre la E. coli y las fibras de PLA no permite un buen desempeño como material antibacteriano. Otra tendencia observada es que la población bacteriana disminuye conforme se incrementa el contenido de nanopartículas, en el caso de la E. coli, se logró una inhibición del crecimiento bacteriano de 9, 26 y 15% para el caso de las fibras de PLA con 1, 3 y 5% en peso de ZnO, respectivamente. Por otro lado, la inhibición de crecimiento de la S. aureus fue de 0, 27 y 95% en presencia de las fibras conteniendo 1, 3 y 5% de nanopartículas. Este comportamiento concuerda con reportes previos relacionados con la actividad antimicrobiana de nanocompuestos fibrosos basados en diferentes matrices poliméricas y ZnO^{207, 208}, cuya explicación está basada en una mayor liberación de iones Zn²⁺ y/o la formación de especies reactivas de oxígeno.

Figura 45. Porcentaje de inhibición del crecimiento de las bacterias E. coli y S. aureus en presencia de los materiales fibrosos conteniendo distintas concentraciones de nanopartículas de ZnO.

3.5.1.6. Foto-degradación de las fibras de PLA y PLA/ZnO derivadas del proceso de electrohilado

Tal como se comentó en la sección anterior, la implantación/colocación de materiales fibrosos en heridas o como andamios para la regeneración de tejidos requiere una esterilización previa. La irradiación con luz UV es una técnica de esterilización alternativa a aquella en la que se usan altas temperaturas, sin embargo, dicha radiación pudiera conducir a la foto-degradación del material.²⁰⁹ En el caso de este trabajo de investigación, la incorporación de nanopartículas puede alterar el comportamiento degradativo de la matriz constituida por PLA, debido a ello a continuación se presentarán los resultados relacionados con el envejecimiento UV de las fibras de PLA y PLA/ZnO.

En lo referente al aspecto físico de las muestras, éstas no presentaron cambios en color, sin embargo, mostraron cierto grado de encogimiento, quizá debido a que las pruebas de foto- degradación fueron conducidas a una temperatura ligeramente superior a la T_g del PLA (60°C), provocando así que se perdiera la orientación de las cadena de PLA causada

durante proceso de electrohilado. Por otro lado, las posibles modificaciones de la estructura química del PLA y nanocompuestos PLA/ZnO luego de ser expuestos a la luz UV fueron monitoreadas mediante FTIR-ATR, cuyos espectros resultantes se muestran en la Figura 46. Luego del envejecimiento del PLA se originaron cambios principalmente en dos zonas específicas, la primera en el intervalo de 3200 a 3600 cm^-1, cuya señal se intensificó ligeramente respecto al PLA blanco sin envejecer. La segunda zona se situó al lado de la señal típica del carbonilo del PLA (1755 cm^-1), en la cual apareció un pequeño pico centrado en 1845 cm^-1. Thérias et al.^{210, 211} ha investigado arduamente la foto-degradación de nanocompuestos de PLA y han adjudicado el incremento en intensidad de la señal del estiramiento del enlace O-H (3200 a 3600 cm^-1) a la presencia de diferentes ácidos orgánicos de bajo peso molecular (ácido oxálico, ácido carbónico, ácido acético, ácido fórmico) formados a partir de la escisión de la cadena de PLA, mientras que la segunda señal (1845 cm^-1) la han atribuido a la formación de especies de tipo anhídrido también derivadas de la degradación del PLA.

Si bien la intensidad de la señal correspondiente a los grupos -OH puede ser considerada un indicio de la degradación, la presencia de estos mismos grupos en la superficie de las nanopartículas puede contribuir a dicho incremento dirigiendo a conclusiones no precisas.

Por otro lado, un signo ineludible de la degradación de las fibras de PLA aquí estudiadas, es la aparición de la señal correspondiente al carbonilo de las especies de tipo anhídrido.

Considerando las evidencias espectroscópicas de los materiales aquí estudiados, se podría decir que la presencia de bajas concentraciones (1 y 3% en peso) de nanopartículas de ZnO no favoreció la estabilidad de las fibras de PLA frente a radiación UV, puesto que la banda en 1845 cm^-1 está presente en las muestras correspondientes. Sin embargo, para el caso de las fibras con la concentración más alta de nanopartículas la señal bajo estudio es casi imperceptible. Dicha mitigación de la degradación UV puede ser debido a que las nanopartículas de ZnO a altas concentraciones están semi-expuestas, lo cual ha sido comprobado mediante las respectivas micrografías TEM, protegiendo así al PLA mediante la absorción de la radiación.