Analisi parametri ottimali processo di reticolazione

Il processo di reticolazione delle strutture elettrofilate in gelMA (sintetizzato con metodo Convenzionale) ha richiesto una serie di valutazioni e analisi su un numero rilevante di parametri differenti, quali: Phl utilizzato e la sua concentrazione, il volume della soluzione d’incubazione, la temperatura e la durata d’incubazione e la durata d’esposizione agli UV.

Scelta del solvente

Una prima analisi del processo di reticolazione delle strutture elettrofilate in gelMA riguarda la scelta del solvente impiegato in fase d’incubazione delle strutture in gelMA elettrofilate con il Phl. I solventi che sono stati individuati come ottimali per il processo di reticolazione sono: CE, ed una soluzione di isopropanolo ed etanolo in due diversi rapporti volumetrici, ossia 40:60 (chiamato ISO40_ETA60) e 20:80 (chiamato ISO20_ETA80). La principale caratteristica che ha consentito di discriminare i solventi scelti da quelli presenti in letteratura è la capacità del solvente di mantenere invariate le proprietà topologiche e morfologiche della struttura elettrofilata. Tale condizione non è garantita dall’etanolo, il solvente maggiormente utilizzato in letteratura. In Figura 3, è possibile osservare una variazione dimensionale rilevante (circa del 65%) delle strutture elettrofilate poste in bagno di etanolo.

Prima Dopo

Figura 3 : Valutazione dimensionale delle strutture gelMA elettrofilate prima e dopo il bagno in etanolo

Al contrario il CE, l’ISO40_ETA60 e l’ISO20_ETA80 sembrano favorire invece, il mantenimento a livello macroscopico della forma e della dimensione della struttura in gelMA dopo il bagno nella soluzione (solvente e Phl) e anche a fine processo di reticolazione (Fig.4).

Le variazioni dimensionali pre e post-reticolazione della struttura elettrofilata osservate per i campioni incubati in CE e in ISO40_ETA60 sono rispettivamente una riduzione del 10 e del 2%. Al contrario i campioni incubati in ISO_ETA_20_80 hanno mostrato una diminuzione del volume della struttura pari a circa il 36%. Tale risultato può essere legato alla concentrazione di isopropanolo presente nella soluzione. Durante le prove è stato osservato, infatti, che una concentrazione maggiore di isopropanolo contrasta l’effetto di “shrinking” delle strutture in gelMA dovuto alla presenza dell’etanolo, la cui presenza è comunque necessaria per consentire una dispersione uniforme del Phl a causa dell’immiscibilità del Phl nell’isopropanolo.

CE ISO40_ETA60 ISO20_ETA80

Figura 4: Strutture di gelMA elettrofilate prima e dopo l'esposizione agli UV

Dai risultati ottenuti è possibile dunque concludere che il CE e la miscela ISO40_ETA60 possono essere candidati sostitutivi dell’etanolo, impiegato per la maggior parte dei processi di reticolazione di strutture elettrofilate.

Scelta del fotoiniziatore

Il Phl da utilizzare è stato selezionato in funzione della sua solubilità nel solvente. L’idea di partenza era quella di utilizzare un unico Phl per i tre differenti solventi, in modo da garantire un confronto diretto tra le tre strutture ottenute. Tra i possibili Phl maggiormente impiegati sono stati individuato l’Irgacure 2959 e l’LAP. Gli esperimenti hanno indicato che l’Irgacure 2959 è solubile in etanolo e in CE, mentre l’LAP soltanto in etanolo. Tale risultato ha portato a selezionare l’Irgacure 2959 come Phl comune per le tre tipologie di solvente.

La determinazione della concentrazione ottimale del Phl è il risultato di una serie di prove “trial and error” effettuate aumentando gradualmente la concentrazione del Phl e valutando il risultato in termini di completa reticolazione della struttura. Per le tre differenti soluzioni, è stata individuata una concentrazione del Phl del 4% w/v per la soluzione in CE e del 10% w/v per le due soluzioni ISO40_ETA60 e ISO20_ETA80. Queste concentrazioni hanno infatti consentito di ottenere una

reticolazione completa delle strutture, confermata dalla stabilità delle strutture immerse in acqua ultrapura a 37°C per 15 minuti.

Scelta della quantità del fotoiniziatore

La scelta del volume ottimale della soluzione contenente il Phl è risultato un parametro rilevante durante la fase di incubazione soprattutto per i campioni immersi in CE.

Un aumento del volume della soluzione, e dunque di Phl, ha mostrato un una reticolazione uniforme delle strutture elettrofilate, esse infatti apparivano uniformi nel colore e stabili in ambiente acquoso.

Nello specifico, un volume pari a 5 mL è stato utilizzato nel caso della soluzione a base di CE e un volume pari a 2mL nel caso delle soluzioni a base di ISO40_ETA60 e ISO20_ETA80.

Valutazione della temperatura di incubazione

La temperatura, sia in fase d’incubazione che di esposizione agli UV, ha assunto un ruolo fondamentale per i campioni immersi in CE. I campioni sono stati mantenuti ad a una temperatura non superiore ai 37 °C, in quanto è stato ipotizzato che la temperatura di processo possa provocare un danneggiamento delle fibre con probabile rottura o deterioramento. E’ possibile infatti che formazione di cristalli di CE per temperature inferiori ai 37 °C così come temperature superiori alla temperatura fisiologica possano modificare la distribuzione iniziale delle fibre elettrofilate.

La temperatura d’incubazione non ha presentano una particolare influenza nel caso delle strutture in ISO40_ETA60 ed ISO20_ETA80. Entrambe le soluzioni sono state infatti trattate a temperatura ambiente.

Scelta del tempo di esposizione agli UV

La durata d’incubazione è stata mantenuta costante in tutte e tre le soluzioni per consentirne un confronto diretto. Dai dati presenti in letteratura non è emersa una durata comune d’incubazione (varia all’incirca dai 20 minuti alle 2 ore) [2, 3]; nel

presente lavoro di tesi è stata scelta una durata complessiva d’incubazione delle strutture elettrofilate pari ad 1 ora.

La scelta del tempo d’esposizione agli UV è stata definita, come nel caso della valutazione della corretta concentrazione del Phl, dopo una serie d’esperimenti svolti aumentandone gradualmente la durata. Nello specifico per i campioni in CE è stata definita un’esposizione di 3 minuti per lato del campione, mentre di 2 minuti per lato per le soluzioni ISO20_ETA80 e ISO40_ETA60 rispettivamente. È possibile ipotizzare che tali scelte abbiano permesso una reticolazione completa della struttura come è possibile osservare dalle immagini di Fig.4. Le strutture dopo l’esposizione agli UV appaiono di colorazione bianca uniforme e non mostrano evidenti variazioni dimensionali rispetto alla forma iniziale. Una descrizione riassuntiva dei parametri ottimali del processo di reticolazione è esposta in tabella 1.

Tabella 1 Parametri ottimali del processo di reticolazione del gelMA elettrofilato (ottenuto con metodo Convenzionale)

Soluzione Incubazione

CE ISO20_ETA80 ISO40_ETA60

Phl Irgacure 2959 Irgacure 2959 Irgacure 2959 Concentrazione Phl 4% p/v 10% p/v 10% p/v Volume d’incubazione 5 mL 2 mL 2 mL Temperatura d’incubazione 36 °C Temperatura ambiente Temperatura ambiente Durata incubazione 1 h 1h 1h Durata esposizione agli UV 3 minuti per