Polymers in Medicine

Polim. Med.
Scopus CiteScore: 3.5 (CiteScore Tracker 3.6)
Index Copernicus (ICV 2023) – 121.14
MEiN – 70
ISSN 0370-0747 (print)
ISSN 2451-2699 (online) 
Periodicity – biannual

Download PDF

Polymers in Medicine

2014, vol. 44, nr 1, January-March, p. 29–37

Publication type: original article

Language: Polish

Zastosowanie pomiarów kąta zwilżania i swobodnej energii powierzchniowej do charakterystyki powierzchni polimerów wykorzystywanych w medycynie

The Use of Contact Angle and the Surface Free Energy as the Surface Characteristics of the Polymers Used in Medicine

Aneta Liber-Kneć1,A,B,C,D,E,F, Sylwia Łagan1,A,B,C,D,E,F

1 Zakład Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki, Instytut Mechaniki Stosowanej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska, Kraków, Polska

Streszczenie

Wprowadzenie. W procesie oddziaływania implant–organizm żywy istotną rolę pełni warstwa wierzchnia materiału. Wiele badań z dziedziny inżynierii biomateriałów dotyczy chemii powierzchni.
Cel pracy. Ocena zmiany właściwości warstwy wierzchniej polimerów na skutek procesu degradacji hydrolitycznej na podstawie pomiarów kąta zwilżania i kalkulacji swobodnej energii powierzchniowej.
Materiał i metody. Badania zwilżalności przeprowadzono dla dwóch typów polimerów: polilaktydu (PLA) i polihydroksyalkanianu (PHA) poddanych procesowi degradacji hydrolitycznej przez 27 miesięcy. Na podstawie oznaczonych kątów zwilżania obliczono wartości swobodnej energii powierzchniowej metodą Owensa-Wendta oraz określono krytyczne napięcie powierzchniowe.
Wyniki. Powierzchnia obu badanych polimerów ma charakter hydrofilowy. Degradacja hydrolityczna wpływa na zwiększenie wartości swobodnej energii powierzchniowej oraz krytycznego napięcia powierzchniowego.
Wnioski. Zastosowana metodyka może stanowić łatwo dostępną metodę wstępnej oceny materiału z punktu widzenia zdolności do adhezji komórek oraz postępu procesu degradacji.

Abstract

Background. In the interaction process between implant and a living organism an important role is covered by the material layer. Many studies in the field of chemical engineering concern biomaterials surface.
Objectives. Changes estimation of properties of polymers surface layer due to hydrolytic degradation on the base on measurements of contact angles and calculation of the surface free energy.
Material and Methods. Contact angle measurements were made for the two polymers: polylactide (PLA) and polyhydroxyalkanoate (PHA) undergoing the hydrolytic degradation process over a period of 27 months. Based on the measured values of contact angles, surface free energy by the Owens-Wendt method and the critical surface tension were calculated.
Results. The surface for both tested polymers is hydrophilic. Hydrolytic degradation influences the growth of the surface free energy and the critical surface tension.
Conclusion. Methodology can be a easily available for the initial assessment of the material from the point of view of the ability to cell adhesion and the progress of the degradation process.

Słowa kluczowe

kąt zwilżania, swobodna energia powierzchniowa, biomateriały, polimery biodegradowalne

Key words

contact angle, surface free energy, biomaterials, biodegradable polymers

References (41)

  1. Żenkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2000.
  2. Park J.B., Bronzino J.D.: Biomaterials: Principles and applications, CRC Press, Nowy Jork, USA 2003.
  3. Ratner B.D. et al.: Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine. Elsevier, New York, USA 2004.
  4. Goddard, J.M., Hotchkiss, J.H.: Polymer surface modification for the attachment of bioactive compounds. Progress Polym. Sci. 2007, 32, 698–725.
  5. Xu, L.C.: Effect of surface wettability and contact time on protein adhesion to biomaterial surfaces. Biomaterials 2007, 28, 3273–3283.
  6. Kaczmarek H., Bajer K.: Metody badania biodegradacji materiałów polimerowych. Polimery 2006, 51, (10), 716–721.
  7. Kim M.S., Khang G., Lee H.B.: Gradient polymer surfaces for biomedical applications. Progress Polym. Sci. 2008, 33, 1, 138–164.
  8. Baier R.E.: The role of surface energy in thrombogenesis. Bull. N.Y. Acad. Med. 1972, 48, 2, 257–272.
  9. Van Oss C.J.: Hydrophobicity and hydrophilicity of biosurfaces. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 1997, 2, 503–512.
  10. Hazer B., Hazer D.B., Kilicay E.: Poly(3-hydroxyalkanoates)s: Diversification and biomedicalapplications. A state of art review. Materials Science and Engineering C 2012, 32, 637–647.
  11. Ishii D., Hui Ying T., Yamaoka T., Iwata T.: Characterization and biocompatibility of biopolyester nanofibers. Materials 2009, 2, 1520–1546.
  12. Keshavarz T., Roy I.: Polyhydroxyalkanoates: bioplastics with a green agenda. Curr. Opin. Microbiol. 2010, 13, 321–326.
  13. Lyu S., Untereker D.: Degradability of Polymers for Implantable Biomedical Devices. Int. J. Mol. Sci. 2009, 10, 4033–4065.
  14. Li S., Girard A., Garreau H., Vert M.: Enzymatic degradation of polylactide stereocopolymers with predominant d-lactyl contents. Polym. Degrad. Stab. 2000, 71 (1), 61–67.
  15. Tsuji H.: Autocatalytic hydrolysis of amorphous-made polylactides: effects of l-lactide content, tacticity, and enantiomeric polymer blending. Polymer 2002, 43, 1789–1796.
  16. Nowak B., Pająk J.: Biodegradacja polilaktydu (PLA). Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska 2010, 12 (2), 1–10.
  17. Vieira A.C., Vieira J.C., Ferra J.M., Magalhaes F.D., Guedes R.M., Marques A.T.: Mechanical study of PLA–PCL fibers during in vitro degradation. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2011, 4 (3), 451–460.
  18. Saha S.K., Tsuji H.: Enhanced Crystallization of Poly(L-lactide-co-ecaprolactone) in the Presence of Water. J. Appl. Polym. Sci. 2009, 112, 715–720.
  19. Farrar D.F., Gilson R.K.: Hydrolytic degradation of polyglyconate B: the relationship between degradation time, strength and molecular weight. Biomaterials 2002, 23, 3905–3912.
  20. Szaraniec B., Ziąbka M., Morawska-Chochół A., Chłopek J., Zdebiak P., Piątek M., El Fray M.: Badania degradacji hydrolitycznej in vitro włókien resorbowalnych przeznaczonych na implanty medyczne. Inżynieria Biomateriałów/Engineering of Biomaterials 2007, 69–72, 114–117.
  21. Ziąbka M., Szaraniec B., Chłopek J.: Resorbowalne kompozyty polimerowe dla chirurgii kostnej. Przegl. Lek. 2007, 64, 216–219.
  22. Żenkiewicz M.: Analiza głównych metod badania swobodnej energii powierzchniowej materiałów polimerowych. Polimery 2007, 52, 10, 760–767.
  23. Pinto A.M., Moreira S., Goncalves I.C., Gama F.M., Mendes A.M., Magalhaes F.D.: Biocompatibility of poly(lactic acid) with incorporated graphene-based materials. Coll. Surf. B: Biointerfaces 2013, 104, 229–238.
  24. Kang I.K., Choi S.H., Shin D.S., Yoon S.C.: Surface modification of polyhydroxyalkanoate films and their interaction with human fibroblasts. Int. J. Biol. Macromol. 2001, 28, 205–212.
  25. Zheng Z., Bei F.F., Tian H.L., Chen G.Q.: Effects of crystallization of polyhydroxyalkanoate blend on surface physicochemical properties and interactions with rabbit articular cartilage chondrocytes. Biomaterials 2005, 26, 3537–3548.
  26. Wan Y., Yang J., Yang J., Bei J., Wang S.: Cell adhesion on gaseous plasma modified poly-(l-lactide) surface under shear stress field. Biomaterials 2003, 24, 3757–3764.
  27. Correlo V.M., Pinho E.D., Pashkuleva I., Bhattacharya M., Neves N.M., Reis R.L.: Water absorption and degradation characteristics of chitosan-based polyesters and hydroxyapatite composites. Macromol. Biosci. 2007, 7, 354–363.
  28. Pamuła E., Dryzek E., Dobrzyński P.: Hydrolytic degradation of poly(L-lactide-co-glycolide) studied by positron annihilation lifetime spectroscopy and other techniques. ACTA Physica Polonica A 2006, 110(5), 631–640.
  29. Busscher H.J., Weerkamp A.H., Van Der Mei H.C., Van Steenberghe D., Quirynen M., Pratt I.H., Marechal M., Rouxhet P.G.: Physico-chemical properties of oral streptococcal cell surfaces and their relation with adhesion to solid substrata in vitro and in vivo Coll. Surf. 1989, 42, 345–353.
  30. Ryan J.A.: Evolution of Cell Culture Surfaces. BioFiles 2008, 3.8, 21.
  31. Xu L.C, Siedlecki C.A.: Effects of surface wettability and contact time on protein adhesion to biomaterial surfaces. Biomaterials 2007, 28, 3273–3283.
  32. Combe E.C, Owen B.A., Hodges J.S.: A protocol for determining the surface free energy of dental materials. Dent. Mater. 2004, 20, 262–268.
  33. Harnett E.M., Alderman J., Wood T.: The surface energy of various biomaterials coated with adhesion molecules used in cell culture. Coll. Surf. B: Biointerfaces 2007, 55, 90–97.
  34. Fuse Y., Hirata I, Kurihara H., Okazaki M.: Cell Adhesion and Proliferation Patterns on Mixed Self-assembled Monolayers Carrying Various Ratios of Hydroxyl and Methyl Groups. Dent. Mater. J. 2007, 26(6), 814–819.
  35. Namen F., Galan J., Oliveira J., Cabreira R.: Surface Properties of Dental Polymers: Measurements of Contact Angles, Roughness and Fluoride Release. Mater. Res. 2008, 11, 3, 239–243.
  36. Chen G.Q., Wu Q.: The application of polyhydroxyalkanoates as tissue engineering materials. Biomaterials 2005, 26, 6565– 6578.
  37. Zhao K., Deng Y., Chen G.Q.: Effects of surface morphology on the biocompatibility of polyhydroxyalkonates. Biochem. Engineer. J. 2003, 16, 115–123.
  38. Sendil D., Gursel I., Wise D.L., Hasirci V.: Antibiotic release from biodegradable PHBV microparticles. J. Control. Release 1999, 59, 207–217.
  39. Wang Y.W., Yang F., Wu Q., Cheng Y.C., Yu P., Chen J., Chen G.Q.: Effect of composition of poly(3-hydroxybutyrateco3-hydroxyhexanoate) on growth of fibroblast and osteoblast. Biomaterials 2005, 26, 755–761.
  40. Deng Y., Zhao K., Zhang X.F., Hu P., Chen G.Q.: Study on the threedimensional proliferation of rabbit articular cartilagederived chondrocytes on polyhydroxyalkanoate scaffolds. Biomaterials 2002, 23, 4049–4056.
  41. Wang Y.C., Lin M.C., Wang D.M., Hsieh H.J.: Fabrication of a novel porous PGA-chitosan hybrid matrix for tissue engineering. Biomaterials 2003, 24, 1047–1057.
© Wroclaw Medical University