Electrospinning of smart pla-based nanocomposites reinforced with magnesium oxide and hydroxide nanoparticles
- Autores: Adrián Luis Leonés Gil
- Directores de la Tesis: Laura Peponi (dir. tes.), Marcela Lieblich Rodríguez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Internacional Menéndez Pelayo (UIMP) ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Maria del Rosario Benavente Castro (presid.), Jesús María García Martínez (secret.), Luigi Torre (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología por la Universidad Internacional Menéndez Pelayo
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
En las últimas décadas, han ido desarrollándose nuevos materiales electrohilados con diferentes morfologías y propiedades inteligentes avanzadas, como la memoria de forma. En concreto, han suscitado especial interés los nanocompuestos electrohilados reforzados con nanopartículas, NPs, basadas en magnesio debido a las características específicas de este metal alcalino, como su densidad, disipación de calor, rigidez u osteoconductividad. En esta tesis doctoral, se han revisado los principales campos de aplicación donde se pueden utilizar este tipo de materiales, centrándose en las aplicaciones biomédicas y los requisitos indispensables para este fin.
El trabajo presentado en esta tesis doctoral se centra en el diseño de nanocompuestos electrohilados biodegradables con memoria de forma activada térmicamente a una temperatura cercana a la del cuerpo humano para su uso futuras en aplicaciones biomédicas.
Para conseguir este objetivo se han seguido dos estrategias: en primer lugar, el uso del oligómero del ácido láctico, OLA, como plastificante en una matriz de poli(ácido láctico), PLA, para adaptar adecuadamente la temperatura de transición vítrea del PLA, y, en segundo lugar, el uso de nanopartículas basadas en magnesio, como refuerzo para mejorar las propiedades mecánicas de las fibras electrohiladas a base de PLA. Una vez caracterizada la composición óptima de la matriz de PLA:OLA, es decir PLA:OLA 80:20, se estudió su degradación hidrolítica en condiciones fisiológicas recreadas hasta alcanzar su completa degradación a los 322 días. Además, para aumentar las propiedades mecánicas de las fibras electrohiladas basadas en PLA, se agregaron nanopartículas de MgO y Mg(OH)2 y los nanocompuestos obtenidos fueron caracterizados térmica y mecánicamente. Se estudió el efecto de la adición de nanopartículas sobre el comportamiento de memoria de forma activada térmicamente de las fibras electrohiladas basadas en PLA, obteniendo el mejor efecto de memoria de forma a T = 45 °C con una cantidad de MgO de 1%wt. Además, la degradación hidrolítica completa de los nanocompuestos electrohilados basados en PLA se logró después de 226 días para las muestras de MgO y 175 días para las muestras de Mg(OH)2. La bioactividad de los nanocompuestos electrohilados basados en PLA se demostró al reportar el crecimiento de hidroxiapatita en la superficie de las fibras después de 28 días en fluido corporal simulado, SBF. Finalmente, se estudió la actividad antibacteriana de ambas nanopartículas, MgO y Mg(OH)2 NPs en fibras electrohiladas basadas en PLA, mostrando tanto MgO como Mg(OH)2 NPs, una respuesta relativamente buena contra E.coli (Gram-negativo).
Para terminar, en esta tesis doctoral se presenta el estudio estadístico de los componentes OLA y MgO NPs y sus interacciones con el fin de determinar sus efectos sobre la matriz de PLA. Se utilizó un diseño de experimento de Box-Wilson tomando como variables dependientes el diámetro promedio de fibra, la temperatura de transición vítrea y el grado de cristalinidad de las fibras electrohiladas. Estos resultados ponen en evidencia que no solo los dos componentes juegan un papel importante en la evolución de las propiedades de las fibras, sino también un efecto sinérgico y relacionado con la proporción entre las cantidades de MgO y OLA. Resumiendo, esta tesis doctoral aporta un enfoque científico integral para diseñar nanocompuestos electrohilados basados en PLA con comportamiento de memoria de forma considerando su uso futuro en aplicaciones biomédicas.
In the last few decades, the development of new electrospun materials with different morphologies and advanced smart properties such as shape memory behavior, are emerging. In particular, in this PhD thesis, the attention has been focused on electrospun nanocomposites reinforced with nanoparticles, NPs, based on magnesium due to the specific characteristics of this alkaline metal such as low density, heat dissipation, stiffness or osteoconductivity. With this aim, the main applications fields of the electrospun magnesium-based materials are reviewed, focusing on their biomedical applications.
The work presented in this PhD thesis is focused on the design of biodegradable electrospun nanocomposites with thermally-activated shape memory behavior at temperature close to that of the human body for potential use in biomedical applications.
To achieve this goal, two strategies haven been followed: firstly, the use of oligomer lactic acid, OLA, as plasticizer in poly(lactic acid), PLA, in order to properly tailor the glass transition temperature of PLA, and, secondly, the use of magnesium-based nanoparticles, Mg-based NPs, as nanofillers to enhance the mechanical properties of PLA-based electrospun fibers. Once characterized the different compositions of PLA:OLA matrices as well as their thermally-activated shape memory response, their hydrolytic degradation under recreated physiological conditions was studied until reaching their complete degradation after 322 days. At this regards, the optimal composition seems to be PLA:OLA 80:20. Moreover, in order to increase the mechanical properties of PLA-based electrospun fibers, MgO and Mg(OH)2 NPs were added and thermally and mechanically characterized. The effect of the addition of nanoparticles on the thermally-activated shape memory behavior of PLA-based electrospun fibers was studied too, obtaining the best shape memory effect at T = 45 °C with MgO amount of 1 wt%. The complete hydrolytic degradation of PLA-based electrospun nanocomposites was achieved after 226 days for MgO and 175 days for Mg(OH)2 samples. The bioactivity of PLA-based electrospun nanocomposites was proved by reporting the hydroxyapatite growth on the surface of fibers after 28 days in simulated body fluid, SBF. In addition, the antibacterial activity of MgO and Mg(OH)2 NPs in PLA-based electrospun fibers was studied, showing both, MgO and Mg(OH)2 NPs, a relative good response against E.coli (Gram-negative).
Finally, this PhD thesis also deals with the statistical study of the OLA and MgO NPs components and their interactions in order to study their effects on the PLA matrix. A Box-Wilson design of experiment was used taking as dependent variables the average fiber diameter, the glass transition temperature and the degree of crystallinity of PLA-based electrospun fibers. These results put into evidence that not only the two components play an important role in the evolution of the fiber properties, but also a crossed effect linked to the processing step and related to the ratio between both the MgO and the OLA amounts.
In summary, this PhD thesis provides a comprehensive scientific approach to design PLA-based electrospun nanocomposites with thermally-activated shape memory behavior considering their potential use in biomedical applications.
