سنتز نانوالیاف کازئینات سدیم، کیتوزان و پلیوینیل الکل به روش الکتروریسی

سابقه و هدف: از الکتروریسی برای تولید نانوالیاف با ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی ارتقاء یافته استفاده می‌گردد. به عنوان یک فن‌آوری در حال توسعه این سامانه به دلیل مکانیسم ساده و استفاده از انواع مختلفی از پلیمرها ، به عنوان قوی‌ترین روش برای صنعتی سازی در نظر گرفته می شود. در این پژوهش، الکتروریسی چند جزیی به منظور بهبود ویژگی مقاومت حرارتی باالکتروریسی سه پلیمر کازئینات‌سدیم/ کیتوزان/ پلی‌وینیل‌الکل مورد بررسی قرار گرفت.مواد و روش‌ها: ابتدا فاکتورهای دستگاه الکتروریسی شامل محدوده فاصله، ولتاژ، پس از انجام پیش تست‌های مختلف جهت تعیین شرایط بحرانی مناسب برای تولید نانوالیاف بررسی شد. پس از تعیین موارد ذکر شده یعنی فاصله 12 سانتی‌متر و ولتاژ 16 کیلوولت، و شدت جریان 0.5 میلی‌لیتر بر ساعت نسبت‌های متفاوتی از محلول سه پلیمر‌ کازئینات‌سدیم، کیتوزان و پلی‌وینیل‌الکل براساس طرح مخلوط تهیه و الکتروریسی انجام شد. مورفولوژی و قطر نانوالیاف توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه با توجه به نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی سه گروه از انانوالیاف بر اساس تفاوت در قطر (قطر کم، متوسط و زیاد) انتخاب، و ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی آن ها شامل بررسی ساختار کریستالی (پراش اشعه ایکس)، بررسی واکنش‌های مولکولی (طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه) و بررسی مقاومت به تجزیه حرارتی (آنالیز گرما وزن‌سنجی) مطالعه گردید.یافته‌ها: نانوالیاف کازئینات‌سدیم/ کیتوزان/ پلی‌وینیل‌الکل، با میانگین قطر 121 تا 192 نانومتر به خوبی الکتروریسی شد. نانوالیاف 622 (شامل 60 درصد پلی‌وینیل‌الکل، 20 درصد کیتوزان و 20 درصد کازئینات سدیم)، 811 (شامل 80 درصد پلی‌وینیل‌الکل، 10 درصد کیتوزان و 10 درصد کازئینات سدیم) و 721 (شامل 70 درصد پلی‌وینیل‌الکل، 20 درصد کیتوزان و 10 درصد کازئینات سدیم) به ترتیب حائز ببیشترین قطر (192 نانومتر)، قطر متوسط (178 نانومتر) و کمترین قطر (121 نانومتر) شدند. در بررسی نتایج، کاهش شدت پیک مشاهده شده در الگوی پراش اشعه ایکس نانوالیاف (در مقایسه با نمونه‌های پلی‌وینیل‌الکل، کیتوزان و کازئینات سدیم) را می‌توان به کاهش شدید ساختار نیمه بلوری پلی‌وینیل‌الکل به دلیل تشکیل پیوند هیدروژنی بین پلی‌وینیل‌الکل ، مولکول آب، کیتوزان و کازئینات‌سدیم، و نیز به واسطه سازگاری فاز بی نظم و بلوری در پلیمرها به خصوص کیتوزان و کازئینات‌سدیم نسبت داد. همچنین نتایج طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه نشان داد، سه پلیمر پلی‌وینیل‌الکل، کیتوزان و کازئینات‌سدیم در نانوالیاف الکترواسپان به‌طور کامل پراکنده شده‌اند. بررسی نتایج حاصل از آنالیز گرما وزن‌سنجی نیز نشان داد اگرچه نمونه بدون کیتوزان (نمونه 703) دمای شروع تخریب حرارتی بیشتری داشت، اما حضور کیتوزان باعث بهبود پایداری حرارتی و منجر به مشاهده رخدادهای حرارتی در محدوده دمایی گسترده‌تری شد. به طوری که نمونه نانوالیاف 622 (قطر 192 نانومتر)، بیشترین مقاومت به تخریب را از خود نشان داد.نتیجه‌گیری: با توجه به نتایج اشاره شده استفاده از سه پلیمر مذکور (با نسبت بهینه (622) در فاصله 12 سانتی‌متر، ولتاژ 16 کیلوولت، و شدت جریان 0.5 میلی‌لیتر بر ساعت) امکان الکتروریسی موفق و تولید نانوالیاف با ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی مناسب مانند مقاومت حرارتی بالا را فراهم می‌سازد. در نتیجه قابلیت بکارگیری نانوالیاف تولید شده در شرایط شدید حرارتی و همچنین با توجه به حضور سدیم کازئینات، امکان ریزپوشانی ترکیبات زیست فعال بویژه ترکیبات هیدروفوب با آن پیشنهاد می‌شود.

Fabrication of polyvinyl alcohol/chitosan /sodium caseinate nanofibers using electrospinning

Background and objectives: Electrospinning is used to produce multi compound nanofibers with enhanced physicochemical properties. As a promising technology, it is considered as the most potent methods for industrial development due to its humble mechanism and several applicable polymers. Accordingly, the present study investigated electrospinning of three polymers including polyvinyl alcohol / Chitosan / Sodium caseinate to bring enhanced thermal resistance multi compound nanofibers.Materials and methodsFirst, the operating factors including needle to collector distance, polymer concentration, and highvoltage were evaluated after performing various of preliminary experiments. Then, based on the DOptimal mixture design (Design of experiments (DOE), Ver 10), electrospinning was carried out at a distance of 12 cm, voltage of 16 kV, and a flow rate of 0.5 ml/h with different ratios of three polymeric solutions (Polyvinyl alcohol, Chitosan, and Sodium Caseinate). The morphology and diameter of nanofibers were investigated using scanning electron microscopy images, and according to the results, three samples were selected based on differences in diameter (low, medium, and high). Therefore, the physicochemical properties of these samples plus a chitosanfree sample were investigated using Xray diffraction (to determine crystallographic structure), Fourier transform infrared spectroscopy (to observe chemical changes) and Thermogravimetric analysis (to determine the nanofiber’s thermal stability).Results:Nanofibers of Polyvinyl alcohol / Chitosan / Sodium Caseinate were successfully electrospun with mean diameters in the range from 121 nm to 192 nm. The nanofibers 622 (i.e. 60% polyvinyl alcohol, 20% chitosan and 20% sodium caseinate), 811 (i.e. 80% polyvinyl alcohol, 10% chitosan and 10% sodium caseinate), and 721 (i.e. 70% polyvinyl alcohol, 20% chitosan and 10% sodium caseinate) exhibited the thickest, the medium size, and the thinnest sample, respectively. The observed decrease of peak intensity in nanofibers Xray diffraction pattern was attributed to the sharp decrease in the semicrystalline structure of Polyvinyl alcohol in combination with chitosan and Sodium Caseinate polymers, which is due to the formation of hydrogen bonds and crystallineamorphous phase compatibility. The Fourier transform infrared spectroscopy confirmed that all the polymers were fully dispersed in the nanofibers. The Thermogravimetric analysis results also showed that despite the higher initial decomposition temperature of chitosan free sample (i.e. 703), the presence of chitosan improves thermal stability, resulted in thermal changes occurring over a wider temperature range.Conclusion:Owing to the successful electrospinning and the appropriate physicochemical properties of the nanofibers as with proper thermal resistance, it can be propounded to employ chitosan, Polyvinyl alcohol, and specially Sodium Caseinate electrospun nanofibers for implementing in sever thermal circumstances and nanoencapsulation of bioactive compounds (like the ones with hydrophobic nature).