تهیه و فرمول‌بندی رزین‌های نورپخت‌پذیر دارای پلی‌(اتیلن‌ گلیکول) و سیلسسکویی‌اکسان اولیگومری چندوجهی و تهیه نانوکامپوزیت‌های آن‌ها

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، دانشکده علوم پایه، گروه شیمی، کد پستی 73441-81746

2 تهران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران مرکزی، دانشکده فنی مهندسی، گروه مهندسی شیمی، صندوق پستی 768-13185

3 تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، صندوق پستی 112-14975

10.22063/jipst.2020.1766

چکیده

فرضیه: طراحی و تولید محلول‌های دارای پلی‌اتیلن‌گلیکول و سیلسسکویی‌اکسان اولیگومری چندوجهی (POSS)، با قابلیت شبکه‌ای‌شدن درجا، روشی ساده و مقرون به‌صرفه برای تولید نانوکامپوزیت‌های هیبریدی به‌منظور بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی پلی‌اتیلن‌گلیکول زیست‌تخریب‌پذیر است.
روش‌ها: نخست، نانوذرات POSS با آکریلویل‌کلرید عمل‌آوری و نانوپودر POSS-AC تهیه شد. در واکنشی دیگر، پلی‌اتیلن‌گلیکول با فوماریل کلرید برای تهیه پلی‌اتیلن‌گلیکول فومارات (PEGF) وارد واکنش پلیمرشدن‌ تراکمی شد. درستی واکنش‌های انجام‌شده با آزمون‌های FTIR و GPC تأیید شد. از پراکنش 1 و %2 وزنی POSS-AC در PEGF، در مجاورت %10 رقیق‌کننده N-وینیل پیرولیدون (NVP) و در نبود آن نمونه‌های مختلفی فرمول‌بندی شدند. سپس، نمونه‌ها برای پخت با نور آبی در مجاورت کامفورکینون به‌عنوان نور آغازگر و N،N- دی‌متیل‌آمینو‌اتیل متاکریلات به‌عنوان شتاب‌دهنده قرار گرفتند. پس از تهیه نانوکامپوزیت‌های مدنظر، اثر وجود و مقدار نانوذرات POSS، وجود رقیق‌کننده، و زمان پخت بر کیفیت پراکنش نانوذرات با آزمون‌های پراش پرتو Xو(XRD)، میکروسکوپی الکترونی عبوری (TEM)، تورم تعادلی، کشش، گرماوزن‌سنجی (TGA) و تجزیه گرمایی دینامیکی-مکانیکی (DMA) بررسی شد.
یافته‌ها: در الگوی XRD نانوکامپوزیت، هیچ پیک تیزی دیده نشد که حاکی از انبوهش نانوذرات باشد. عکس‌های TEM پراکنش مناسب نانوذرات را با اندازه ذرات در محدوده 10-50 نانومتر تأیید کرد. نتایج آزمون‌ها نشان داد، وجود نانوذرات و رقیق‌کننده موجب افزایش Tg از 16- درجه در نمونه PEGF پخت‌شده تا 13- تا -3 درجه، افزایش مقدار ژل از %45 تا %84-62، افزایش مدول ذخیره از 1.6GPa  تا 3.3-2.2، افزایش بیشینه دمای تخریب از °395 تا °432-408 و مدول یانگ از 0.46MPa  تا 1.2-1.6 شد. به‌طور خلاصه، نانوکامپوزیت طراحی‌شده در این مطالعه با خواص مکانیکی خوبی و پخت سریع که نشان داد، می‌تواند گزینه‌ مناسبی برای استفاده در کاربردهای زیستی و مهندسی بافت باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Synthesis and Formulation of Photocurable Resins Possessing Polyethylene Glycol and POSS, and Preparation of Their Related Nanocomposites

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Malakoutikhah 1
  • Seyed Amin Mirmohammadi 2
  • Javad Javad Mokhtari Aliabad 1
  • Mohammad Atai 3
  • Samahe Sadjadi 3
  • Naeimeh Bahri-Laleh 3
1 Department of Chemistry, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Posstal Code 1477893855, Tehran, Iran
2 Department of Chemical Engineering, Central Tehran Branch, Islamic Azad University, P.O. Box 13185-768, Tehran, Iran
3 Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Design and synthesis of self-curable solutions containing polyethylene glycol (PEG) and polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) is a simple and economical method to enhance the physical and mechanical properties of biodegradable PEG.
Methods: First POSS nanoparticles were treated with acryloyl chloride (AC) to obtain POSS-AC nano-powder. In another reaction, PEG was copolymerized with fumaryl chloride to prepare polyethylene glycol fumarate (PEGF). POSS-AC was subsequently dispersed in PEGF matrix in 1 and 2% (wt) in the presence and absence of N-vinyl pyrrolidone as a reactive diluent. The obtained slurries were photocured by blue light irradiation using camphorquinone as photoinitiator. The crystal structure, dispersion quality, crosslink ability, mechanical, thermal and thermomechanical characteristics of the prepared nanocomposites as well as crosslinked neat PEGF were studied by XRD, TEM, equilibrium swelling, tensile, TGA and DMTA tests, respectively.
Findings: The XRD pattern of nanocomposites did not show any sharp peak related to the aggregation and agglomeration of the nanoparticles. TEM pictures revealed good dispersion of POAA-AC nanoparticles with mean diameter within 10-50 nm range. Furthermore, the presence of POSS-AC and reactive diluent led to an
increase in the Tg of cured PEGF (as a blank system) from -16°C to a value in the range of -13 to -3°C, gel content from 45% to 62-84%, storage modulus from 1.6 GPa to 2.2-3.3 GPa, maximum decomposition temperature from 395 °C to 408-432°C, and Young's modulus from 0.46 MPa to 1.2-1.6 MPa. As a result, the nanocomposites designed in this study exhibited good mechanical properties and fast curing which would be considered as potential candidates for tissue engineering and biomedical applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • biodegradable
  • resin
  • Nanocomposite
  • photo-curable
  • polyethylene glycol
  1. Alvarado-Tenorio B., Romo-Uribe A., and Mather P.T., Microstructure and Phase Behavior of POSS/PCL Shape Memory Nanocomposites, Macromolecules., 44, 5682-5692, 2011.
  2. Irani-Kolash E., Moshiri-Gomchi N., Talebi-Liasi A., Sabahi S., Bahri-Laleh N., Mehdipour-Ataei S., Mokhtari-Aliabad J., and Mirmohammadi S.A., Preparation of an Enhanced Nanohybrid Alloy Based on Polylactic Acid/Polycarbonate/Nanosilica, Plast. Rubber. Compos., 1-8, 2020.
  3. Hanifpour A., Bahri-Laleh N., and Mirmohammadi S.A., Silica-Grafted Poly1-Hexene: A New Approach to Prepare Polyethylene/Silica Nanocomposites, Polym. Composite., 40, 1053-1060, 2019.
  4. Shirbakht S., Bahri-Laleh N., Mirmohammadi S.A., and Barough M.S., Evaluation of GS-Loaded Poly1-hexene as A New Elastomeric Drug Release System, Int. J. Polym. Anal. Ch., 24, 709-720, 2019.
  5. Mirmohammadi S., Imani M., Uyama H., and Atai M., In Situ Photocrosslinkable Nanohybrids Based on Poly(e-caprolactone fumarate)/Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane: Synthesis and Characterization, J. Polym. Res., 20, 1-13, 2013.
  6. Karamishamloo M., Mirmohammadi S.A., and Davachi S.M., Polyethylene Glycol/Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane as an In Situ Photocrosslinkable Polymeric Nanohybrid, Polym. Int., 69, 492-501, 2020.
  7. Gonçalves F.A.M.M., Fonseca A.C., Domingos M., Gloria A., Serra A.C., and Coelho J.F.J., The Potential of Unsaturated Polyesters in Biomedicine and Tissue Engineering: Synthesis, Structure-Properties Relationships and Additive Manufacturing, Prog. Polym. Sci., 68, 1-34, 2017.
  8. Wohlhauser S., Delepierre G., Labet M., Morandi G., Thielemans W., Weder C., and Zoppe J.O., Grafting Polymers from Cellulose Nanocrystals: Synthesis, Properties, and Applications, Macromolecules. 51, 6157-6189, 2018.
  9. George M.N., Liu X., Miller II A.L., Xu H., and Lu L., Phosphate Functionalization and Enzymatic Calcium Mineralization Synergistically Enhance Oligo[Poly(ethylene glycol) Fumarate] Hydrogel Osteoconductivity for Bone Tissue Engineering, J. Biomed. Mater. Res., 108, 515-527, 2020.
  10. Sabagh S., Bahramian A.R., and Madadi M.H., Improvement in Phase-Change Hybrid Nanocomposites Material Based on Polyethylene Glycol/Epoxy/Graphene for Thermal Protection Systems, Iran. Polym. J., 29, 161-169, 2020.
  11. Navarro L., Minari R.J., and Vaillard S.E., Photo-Curable Poly-(ethylene glycol)–Fumarate Elastomers with Controlled Structural Composition and Their Evaluation as Eluting Systems, RSC Adv., 9, 482-490, 2019.
  12. Hashemi Doulabi A., Mirzadeh H., Imani M., and Bagheri-Khoulenjani S., Chitosan/Polyethylene Glycol Fumarate Blend Films for Wound Dressing Application: In Vitro Biocompatibility and Biodegradability Assays, Prog. Biomater., 7, 143-150, 2018.
  13. Kawai F., Tani A., and Kimbara K., Organization and Expression of the Genes Involved in the Metabolism of Poly(ethylene glycol) and Poly(vinylalcohol), Degrad. Polym Mater., 367-383, 2006
  14. Kinard L.A., Kasper F.K., and Mikos A.G., Synthesis of Oligo(Poly(ethylene glycol) fumarate), Nature. Protocols., 7, 1219-1227, 2012.
  15. Shi S., Croutxé-Barghorn C., and Allonas X., Photoinitiating Systems for Cationic Photopolymerization: Ongoing Push Toward Long Wavelengths and Low Light Intensities, Prog. Polym. Sci., 65, 1-41, 2017.
  16. Hedayati F., Moshiri-Gomchi N., Assaran-Ghomi M., Sabahi S., Bahri-Laleh N., Mehdipour-Ataei S., Mokhtari-Aliabad J., and Mirmohammadi S.A., Preparation and Properties of Enhanced Nanocomposites Based on PLA/PC Blends Reinforced with Silica Nanoparticles, Polym. Adv. Technol., 31, 566-573, 2020.
  17. Wang D.K., Varanasi S., Strounina E., Hill D.J.T., Symons A.L., Whittaker A.K., and Rasoul F., Synthesis and Characterization of a POSS-PEG Macromonomer and POSS-PEG-PLA Hydrogels for Periodontal Applications, Biomacromolecules. 15, 666-679, 2014.
  18. Zhou H., Ye Q., and Xu J., Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane-Based Hybrid Materials and Their Applications, Mater. Chem. Front., 1, 212-230, 2017
  19. Zarezadeh-Mehrizi M., Karimi M., Kalantari Khoramdareh Z., and Nekoomanesh Haghighi M., Overview on Polymer-Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS) Composites, Polymerization, 7, 88-100, 2017.
  20. Arsalani N., Kazeminava F., Akbari A., Hamishehkar H., Jabbari E., and Kafil H.S., Synthesis of Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane Nano-Crosslinked Poly(ethylene glycol)-Based Hybrid Hydrogels for Drug Delivery and Antibacterial Activity, Polym. Int., 68, 667-674, 2019.
  21. Mirmohammadi S.A., Nekoomanesh-Haghighi M., Mohammadian Gezaz S., Bahri-Laleh N., and Atai M., In-Situ Photocrosslinkable Nanohybrid Elastomer Based on Polybutadiene/Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane, Mater. Sci. Eng. C, 68, 530-539, 2016.
  22. Engstrand J., López A., Engqvist H., and Persson C., Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS)-Poly(ethylene glycol) (PEG) Hybrids as Injectable Biomaterials. Biomed. Mater., 7, 035013, 2012.
  23. Ghafaralahi S., Ebrahimian-Hosseinabadi M., Zargar Kharazi A., Poly(glycerol-sebacate)/Poly(caprolactone)/Graphene Nanocomposites for Nerve Tissue Engineering, J. Bioact. Compat. Polym., 33, 529-542, 2018.
  24. Loste J., Lopez-Cuesta J-M., Billon L., Garay H., and Save M., Transparent Polymer Nanocomposites: An Overview on Their Synthesis and Advanced Properties, Prog. Polym. Sci., 89, 133-158, 2019.
  25. Zhang D., Liu Y., Shi Y., and Huang G., Effect of Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS) on Crystallization Behaviors of POSS/Polydimethylsiloxane Rubber Nanocomposites, RSC. Adv., 4, 6275-6283, 2014.
  26. Özdemir C. and Güner A., Solubility Profiles of Poly(ethylene glycol)/Solvent Systems, I: Qualitative Comparison of Solubility Parameter Approaches, Eur. Polym. J., 43, 3068-3093, 2007
  27. Sharifi S., Mirzadeh H., Imani M., Atai M., and Ziaee F., Photopolymerization and Shrinkage Kinetics of In Situ Crosslinkable N-Vinyl-Pyrrolidone/Poly(ε-caprolactone fumarate) Networks, J. Biomed. Mater. Res. Part A, 84A, 545-556, 2008.
  28. Tamburaci S., Kimna C., and Tihminlioglu F., Bioactive Diatomite and POSS Silica Cage Reinforced Chitosan/Na-Carboxymethyl Cellulose Polyelectrolyte Scaffolds for Hard Tissue Regeneration, Mater. Sci. Eng. C, 100, 196-208, 2019.
  29. Ayandele E., Sarkar B., and Alexandridis P., Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS)-Containing Polymer Nanocomposites, Nanomaterials, 2, 445-475, 2012.
  30. Paszkiewicz S., Pawlikowska D., Szymczyk A., Dudziec B., Dutkiewicz M., Marciniec B., Linares A., and Ezquerra T.A., Interfacial Interactions in PTT–PTMO/Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS) Nanocomposites and Their Impact on Mechanical, Thermal, and Dielectric Properties, Polym. Bull., 75, 4999-5014, 2018.
  31. Zhao Y., Jiang X., Zhang X., and Hou L.,Toughened Elastomer/Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS)-Intercalated Rectorite Nanocomposites: Preparation, Microstructure, and Mechanical Properties, Polym. Compos., 38, E443-E450, 2017.
  32. Szostak M., Mechanical and Thermal Properties of PET/POSS Nanocomposites, Arch. Mech. Technol. Automation., 33, 31-38, 2013.
  33. Lin H.C., Kuo S.W., Huang C.F., and Chang F.C., Thermal and Surface Properties of Phenolic Nanocomposites Containing Octaphenol Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane, Macromol. Rapid. Commun., 27, 537-541, 2006.
  34. Hanifpour A., Bahri-Laleh N., Nekoomanesh-Haghighi M., and Karimi M., Synthesis and Characterization of Poly1-hexene/Silica Nanocomposites, Polym. Test., 61, 27-34, 2017.