Preparation and characterization of biodegradable blends of Poly(L-lactic) acid and Chitosan

Abstract

Poly-(L-lactic acid) (PLLA) has been widely used for various biomedical applications due to its properties such as its biocompatibility, biodegradability, processability and its mechanical behaviour. Blending this polymer with chitosan (CHT) that, besides being biodegradable and hydrophilic, can interact with anionic glycosaminoglycans, proteoglycans and other negatively charged molecules of the extracellular matrix, could represent a good way to improve the biological performance of PLLA in these kinds of applications. When the PLLA_CHT blends are combined with success we hope that the CHT improves the biological properties of PLLA, and in the other hand, that the PLLA improves the mechanical properties of CHT. The present work reports the optimization of a method for the preparation of PLLA and CHT blends, previously developed at 3B’s research group. This method uses a common solvent for the two polymers, hexafluor-2-propanol (HFIP), to produce a homogeneous solution containing PLLA and CHT and the obtention of the films by solvent casting. Films with different fractions of each component were successfully prepared with the optimized method and didn’t show visible phase separation. The effect of the blend composition on the wetability and morphology of the films was investigated by contact angle (CA) measurements and scanning electron microscopy (SEM), respectively. Swelling measurements were also conducted on the prepared samples. The influence of the blend composition on their thermal properties and miscibility was analysed by differential scanning calorimetry (DSC). Isothermal crystallization studies were also performed by DSC in order to enhance the comprehension about the effect of the presence of the CHT fraction on the PLLA crystallization process. The miscibility of the films as a function of their composition was evaluated in further detail by optical microscopy (OM) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy imaging. Moreover, the viscoelastic behaviour of the developed PLLA_CHT films was studied for the first time by dynamical mechanical (DMA) in an unconventional way. Namely the mechanical properties of these films were measured while they were immersed in gradient compositions of water/ethanol mixtures. This procedure allowed the analysis of the glass transition dynamics of the CHT fraction, which would not be possible with conventional DMA tests. DMA temperature scans for the samples in the wet state were also conducted. The prepared films evidenced a good miscibility at a microscope level. Moreover, it was found that crystallization is almost suppressed when the CHT fraction is equal or above 50%. Regarding the DMA results, it was possible to observe that the PLLA presence in the films improved their storage modulus.

O Poli(ácido láctico) (PLLA) tem sido bastante usado em várias aplicações biomédicas devido ás suas propriedades como a sua biocompatibilidade, biodegrabilidade e as suas propriedades mecânicas. Combinando este polímero com o quitosano (CHT) que além de ser biodegradável e hidrofilico, interatua com moléculas da matriz extracelular carregadas negativamente, pode ser uma boa maneira de melhorar a performance biológica do PLLA neste tipo de aplicações. Quando combinadas com sucesso, as membranas de PLLA_CHT espera-se que o CHT melhore as propriedades biológicas do PLLA, e que, o PLLA melhore as propriedades mecânicas do CHT. Este trabalho apresenta a optimização de um método de preparação de misturas contendo PLLA e CHT desenvolvido no grupo de investigação 3B’s. Este método simples de preparação dos filmes de PLLA e CHT utiliza um solvente comum aos dois polímeros, o hexafluor-2-propanol (HFIP) para produzir uma solução homogénea contendo PLLA e CHT. Os filmes foram obtidos por evaporação de solvente. Foram preparados com sucesso filmes com diferentes composições de cada componente da mistura que não apresentavam separação de fases a nível macroscópico. O efeito da composição dos filmes na sua molhabilidade e na sua morfologia foi analisada através da medição de ângulos de contacto (CA) e microscopia eletrónica de varrimento (SEM) respectivamente. A influência da composição dos filmes nas suas propriedades térmicas e na sua miscibilidade foi analisada por calorimetria diferencial de varrimento (DSC). Estudos da cristalização isotérmica foram efectuados por DSC com o intuito de perceber o efeito da fração de CHT na cristalização do PLLA. A miscibilidade dos filmes foi analisada com mais detalhe por microscopia óptica (OM) e análise de imagem da espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR). O comportamento viscoelástico dos filmes de PLLA_CHT foi analisado por análise mecânica dinâmica (DMA) através de um método não convencional. Neste método, as propriedades mecânicas dos filmes foram medidas com estes imersos em misturas de água/etanol. Esta análise possibilitou a perceção da dinâmica de transição vítrea da fração de CHT, o que não seria possível com os testes convencionais de DMA. Foram também realizados varrimentos de temperatura com as amostras molhadas. Os filmes preparados evidenciavam uma boa miscibilidade a nível microscópico. Além disso, observou-se que o processo de cristalização é praticamente suprimido quando a fração de CHT nos filmes é igual ou superior a 50%. Em relação aos resultados de DMA, foi possível observar que a presença de PLLA nos filmes melhora o seu módulo de elasticidade.