بخشی از مقاله
چکیده
این پژوهش به بررسی قابلیت تشکیل و مورفولوژی نانوالیاف پلیمری کیتوزان حاوی عصاره حنا و تأثیر لاوسون موجود در عصاره بر اندازه قطر و شکل الیاف حاصل می پردازد. محلول پلیمری کیتوزان/ پلی اتیلن اکساید با نسبت 10/90 در استیک اسید 0/5 مولار تهیه و پس از آن، عصاره حنا به میزان 1، 2 و %3 به محلول پلیمری اضافه شد. از محلول پلیمری حاصل، به روش الکتروریسی، نانوالیاف تهیه شد و از نظر مورفولوژی و قطر الیاف با کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و آنالیز تصاویر مورد بررسی قرار گرفت. همچنین برهمکنش های فیزیکوشیمیایی احتمالی بین لاوسون و پلیمر توسط مطالعات FTIR بررسی شد. طبق نتایج بدست آمده، وجود قله های مربوط به گروه کربونیل و هیدروکسیل در طیف های FTIR، حضور لاوسون را در نانوالیاف کیتوزان به اثبات می رساند. با مشاهده و تحلیل تصاویر SEM بهترین مقدار استفاده از عصاره حنا در ترکیب پلیمری کیتوزان/ پلی اتیلن اکساید %1 بدست آمد که نانوالیافی مطلوب و یکنواخت و با قطر میانگین 80nm و فاقد گره ایجاد مینماید.
واژه های کلیدی:
نانوالیاف، الکتروریسی، کیتوزان، لاوسون، FTIR
مقدمه
بیوپلیمر کیتوزان، یک هتروپلیساکارید پلیکاتیون خطی با وزن مولکولی بالا، متشکل از دو مونوساکارید -Dگلوکزآمین و تا حدودی -Nاستیل -D-گلوکزآمین با پیوندهای اتصالی - 4 1 - گلیکوزیدی میباشد. مقدار نسبی این دو مونوساکارید در کیتوزان ممکن است متفاوت باشد و نمونههایی با درجههای مختلف داستیلاسیون - %75-95 - ، وزن مولکولی - 50-2000kDa - ، ویسکوزیته، pKa و ... مختلفی میدهد .[1] کیتوزان دارای یک گروه آمین در موقعیت C2 و دو گروه هیدروکسیل اولیه و ثانویه به ترتیب در موقعیت C6 و C3، از هر واحد تکراری میباشد. محتوای آمینه، عامل اصلی ایجاد تفاوتها در ساختار و خواص فیزیکوشیمیایی کیتوزان میباشد که توزیع آن تصادفی بوده و آن را برای تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی و درون مولکولی آسان میسازد .[2] بر خلاف بسیاری از پلی ساکاریدها، کیتوزان و مشتقات آن بار مثبت دارند که به آنها اجازه میدهد تا به شدت به سطوح با بار منفی متصل شوند. این ویژگی مسئول بسیاری از فعالیتهای زیستی مشاهده شده میباشد .[3]
معمولاً برای تولید نانوالیاف پلیمری از روش الکتروریسی استفاده میشود. این روش محلولهای پلیمری یا پلیمرهای مذاب را با اعمال کشش به الیاف و با استفاده از برق با ولتاژ بالا به شکل الیاف نانومتری در میآورد. ساختار سخت گلوکزآمیدی زنجیره، بارهای مثبت مولکول و ویسکوزیته بالای کیتوزان، عوامل محدودکننده ای به شمار میروند که الکتروریسی کیتوزان خالص را با مشکل مواجه میکند .[4] استفاده از پلی اتیلن اکساید به مقدار کم میتواند به عنوان پلاستی سایزر عمل نموده و فرآیند الکتروریسی محلول کیتوزان را تسهیل نماید.
-2 هیدروکسی-1 و4 نفتاکینون - لاوسون - با فرمول C10H6O3 و وزن مولکولی 174/15 مسئول اصلی رنگ قرمز- نارنجی حنا - با نام علمی Lawsonia inermisبوده - و خاصیت ضدمیکروبی حنا عمدتاً به علت وجود این مولکول میباشد. لاوسون از برگهای حنا به دست میآید و در رنگرزی به عنوان یک ماده رنگی اسیدی مورد استفاده قرار میگیرد. حضور کینون که یک حلقهی آروماتیک با 2 کتون است، خواص رنگی حنا را ایجاد میکند. جابجایی بین دی فنون - یا هیدروکینون - و دی کتون - یا کینون - به سادگی از طریق واکنشهای اکسیداسیون و احیا اتفاق میافتد 6]،.[5
مواد و روش ها
پودر پلیمر کیتوزان با وزن مولکولی متوسط - 190 kDa - و درجه داستیلاسیون%75 -80 - شرکت سیگما -آلدریچ، ایسلند - ، پودر پلیمر پلی اتیلن اکساید - PEO - با وزن مولکولی 900 000 g/mol - شرکت سیگما-آلدریچ، آمریکا - ، استیک اسید گلاسیال با درجه خلوص %99/8 و وزن مولکولی 60/05 g/mol - شرکت مرک، آلمان - ، توئین80 - شرکت مرک، آلمان - ، عصاره الکلی برگ حنا - شرکت باریج اسانس، ایران - مورد استفاده قرار گرفت.
محلولهای wt%3 کیتوزان - Chit - و wt%3 پلی اتیلن اکساید - PEO - در استیک اسید 0/5 مولار هر یک جداگانه تهیه شدند. سپس با نسبت 90 به 10 حجمی-حجمی - کیتوزان- - PEO مخلوط، و با افزودن v/v % 0/1 توئین80، در یک بالن ژوژه ریخته و درب آن را با پارا فیلم بسته، به مدت سه ساعت بر روی استیرر - استیرر حرارتی-مغناطیسی مدل RET basic ساخت شرکت IKA آلمان - با سرعت 500 rpm و دمای 37 C هم زده شد تا محلولی یکنواخت بدست آید.
به محلول Chit/PEO 90:10 ، به میزان 1، 2 و %3 وزنی عصاره حنا اضافه شده و هر کدام به مدت سه ساعت بر استیرر با سرعت 500rpm و دمای 37 C قرار گرفت. در پایان به منظور حذف کامل حباب ها، محلولهای تهیه شده به مدت دو ساعت در دمای محیط استراحت داده شدند.
الکتروریسی محلولها با استفاده از دستگاه الکتروریس مدل Electroris ES1000 - شرکت فنآوران نانومقیاس، ایران - انجام گرفت. محلولهای پلیمری 90:10 Chit/PEO، Chit/PEO ح اوی عصاره حنا %1 ، %2 و %3 ، در سرنگ پلاستیکی 5 میلیلیتری - با قطر داخلی - 13/6mm ریخته و به یک سوزن - نازل - از جنس فولاد ضد زنگ نوک صاف با اندازه 18-gauge متصل شد. فاصله سوزن تا صفحه جمع کننده 10 cm و سرعت تزریق 0/3 L/h در نظر گرفته شد. الکتروریسی به مدت چهار ساعت و با اعمال ولتاژ 20 kV صورت گرفت. در آخر به منظور حذف حلال باقیمانده، فویل آلومینیمی حاوی نانوالیاف به مدت دو ساعت در دمای اتاق نگهداری شد.
شکل و قطر الیاف حاصل از روند الکتروریسی با استفاده از تصویربرداری با دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مدل Cam Scan MV 2300 تعیین شد. آماده سازی سطح نمونه نانوالیاف برای تصویربرداری SEM، توسط دستگاه پوششدهنده coater مدل E5200 AUTOSPUTER انجام شد. تعیین اندازه و میانگین قطر الیاف با استفاده از نرم افزار Image J و Digimizer صورت گرفت.
بررسی ساختار شیمیایی نمونههای نانوالیاف و برهمکنشهای ایجاد شده، توسط دستگاه طیفسنجی مادون قرمز تبدیل فوریه - FTIR - مدل Nicolet system 800 ساخت شرکت Nicolet انجام شد. این آزمون برای عصاره حنا - LI - ، نانوالیاف Chit/PEO و نانوالیاف Chit/PEO/LI در محدوده 4000 - 400 cm-1 انجام گرفت.
نتایج
بر اساس تصاویر SEM - شکل - 1، الکتروریسی محلول Chit/PEO 90:10 ، نانوالیافی صاف و کشیده، پیوسته و بدون گره با میانگین قطر 115nm ایجاد میکند. شکل1 نشان میدهد افزودن %1 عصاره حنا به محلول پلیمری Chit/PEO و الکتروریسی از آن تحت شرایط ذکر شده، نانوالیافی پیوسته، یکنواخت، فاقد گره و مطلوب با میانگین قطر 80nm و SD=18 ایجاد مینماید. نانوالیاف Chit/PEO حاوی %2 عصاره حنا، الیافی چندقطری غیریکنواخت، دارای گره و با میانگین اندازه 53nm بوده، الیافی با قطری در محدوده 16 تا 170 نانومتر ایجاد مینماید. نانوالیاف Chit/PEO حاوی %3 عصاره حنا، الیافی ترد و شکننده، غیریکنواخت و دارای گره با میانگین قطر 37nm میباشد. از آنجا که نانوالیاف حاوی %2 و %3 عصاره حنا الیافی نامطلوب ایجاد مینماید، برای ادامه کار از آن صرف نظر کرده و تنها از فرمولاسیون حاوی %1 عصاره حنا در نانوالیاف استفاده خواهد شد.
شکل2 نمودار توزیع فراوانی بر حسب قطر الیاف - dF - می باشد که بر اساس تصاویر SEM نانوالیاف تهیه شده از محلول Chit/PEO/LI با درصدهای 1 و 2 و % 3 عصاره حنا میباشد، یکنواختی و پراکندگی قطر نانوالیاف را توصیف می کند. جدول1 تفسیری از تصاویر SEM نانوالیاف مورد بررسی را ارائه می دهد. جهت بررسی یکنواختی و پراکندگی اندازه نانوالیاف، از شاخص های پراکندگی انحراف معیار - SD - و ضریب تغییرات - CV - استفاده شده است.
شکل:1 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - نانوالیاف تهیه شده از محلول
شکل:2 نمودار توزیع فراوانی بر حسب قطر نانوالیاف مربوط به نانوالیاف الکتروریسی شده
جدول :1 تفسیر تصاویر SEM نانوالیاف
بر اساس شکل4 در هر سه نمودار، نوار جذب قوی و پهن در ناحیه 3400-3300 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی گروه O-H میباشد که درگیر در پیوند هیدروژنی هستند. این ناحیه در نمودارهای مربوط به نانوالیاف با ناحیه جذب آمین کیتوزان همپوشانی دارد. در طیف FTIR نانوالیاف Chit/PEO ، جذب در ناحیه 1087 cm-1 مربوط به کربن گروه C-O و جذب ناحیه 1586 cm-1 مربوط به ارتعاش خمشی N-H آمین نوع اول می باشد. طیف FTIR عصاره حنا که دارای ماده مؤثره لاوسون -2 - هیدروکسی-1و4 نفتاکینون - است، جذب در ناحیه 1034 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی C-O هیدروکسیل، در ناحیه 1630 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی C=O گروه کربونیل حلقه کینون و در ناحیه 2925 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی C-H دارد. در طیف FTIR نانوالیاف Chit/PEO/LI، ارتعاشات کششی قوی C-O در ناحیه 1097 cm-1 ظاهر شده است. جذب ناحیه 1342 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی C-O در ترکیب اتری و 1242 cm-1 مربوط به ارتعاشات کششی C-O ساکاریدی کیتوزان می باشد که به علت حضور کیتوزان و پلی اتیلن اکساید در ترکیب است. جذب در ناحیه cm-1 1569 ارتعاشات کششی C=O کربونیل و ناحیه 660cm-1 ارتعاشات خمشی C-H آلکن استخلاف شده گواه بر حضور لاوسون در ترکیبات نانوالیاف می باشد. در این طیف شاهد Red shift گروه کربونیل از 1630 cm-1 به1569 cm-1 هستیم.
نتیجهگیری و جمعبندی
پلیمر کیتوزان به صورت خالص غیر قابل الکتروریسی است و این به علت انحلال پذیری ضعیف کیتوزان و ویسکوزیته بالای محلول آبی آن است. تهیه نانوالیاف با الکتروریسی کیتوزان تنها در حضور پلیمر دوم امکانپذیر است. پاکروان و همکارانش توانستند نانوالیاف با قطر 60-120nm و فاقد گره از کیتوزان با داستیلاسیون بالا در استیک اسید %50 در حضور محتوای پایین - %10 - PEO ایجاد کنند. افزایش محتوای کیتوزان نسبت به PEO در محلول، از %50 به %90 موجب کاهش چشمگیر قطر نانوالیاف Chit/PEO میشود که به خاطر کاهش ویسکوزیته و افزایش رسانایی میباشد .[7]
در این تحقیق، با روش الکتروریسی نانوالیاف Chit/PEO/LI با درصدهای مختلف عصاره برگ حنا تهیه شد که از میان آنها الکتروریسی محلول Chit/PEO/LI%1 نانوالیافی با مورفولوژی و
