III. Metode de caracterizare a suprafetelor biomaterialelor

1. Metoda unghiului de contact2. Spectroscopia de fotoelectroni de raze

X (XPS)3. Microscopia electronica de baleiaj

(SEM)4. Microscopia de forta atomica (AFM)5. Spectrometria in infrarosu cu

transformata Fourier (FTIR)

Dificultatea caracterizarii biomaterialelor polimerice, datorita urmatoarelor caracteristici:

* mobilitatea intrinsecă a lanturilor polimerice

* diferitii aditivi prezenti la suprafata majoritătii polimerilor

* deteriorarea indusă de radiatii în timpul desfăsurării analizelor

* natura multifunctională a suprafetelor polimerice

* interactiunea biomaterialelor cu organismul uman, prin suprafata lor proprietătile straturilor de la suprafata materialului sunt extrem de importante atât în ceea ce priveste răspunsurile biologice determinate de introducerea implantului, cât si răspunsul materialului la mediul fiziologic. Proprietătile chimice, topografice, mecanice si electrice ale materialului implantului afectează modul în care proteinele si celulele interactionează cu biomaterialul respectiv

Metode de investigare a Metode de investigare a suprafetelor suprafetelor

A. Metode directe:Spectrometria în infrarosu cu transformată Fourier (ATR-FTIR)Spectroscopia de difuzie de ioni (ISS)Spectroscopia de masă cu ioni secundari (SIMS)Spectroscopia de fotoelectroni de raze X (XPS, ESCA)Spectroscopia de electroni AugerReflectivitatea neutronilorElipsometria

B. Metode indirecte: Determinarea energiei libere de suprafată prin metoda unghiului de contactMicroscopia de fortă atomică (AFM)Microscopia electronică de baleiaj (SEM)Analiza termică diferentialăDistributia de masă moleculară

etc.

A. Tehnici spectroscopice

1. Spectroscopiile FTIR informatii privind identificarea speciilor moleculare prin intermediul stărilor lor vibrationale, informatii asupra legăturilor chimice si a orientării moleculare

metode non-destructive, necesitând o preparare minimă a esantioanelor de studiat

sensibilitatea la nivel de monostrat se atinge în conditiile mediului ambiant

adâncimea de pe care se obtin informatii cu ajutorul spectroscopiei FTIR este cuprinsă între 1000 Å până la 1 µm

2. Spectroscopia electronică pentru analize chimice (ESCA), cunoscută si ca spectroscopie de fotoelectroni de raze X (XPS) cea mai des utilizată spectroscopie de suprafată si una dintre cele mai populare tehnici valabile pentru caracterizarea suprafetei materialelor polimerice

informatii de pe o adâncime de 5–75 Å

utilizată pentru caracterizarea structurii chimice si analiza elementală a unei suprafete solide

pot fi identificate toate elementele prezente la suprafata probei studiate, cu exceptia H si He

concentratiile atomice aproximative pot fi calculate din intensitătile relative ale picurilor

din despicarea picurilor, se obtin informatii referitoare la starea chimică a atomilor

nu este necesara prepararea speciala a probelor, dar este necesar un vid inalt (10-9 Torr) biomaterialul trebuie să se găsească în stare uscată, ceea ce face imposibilă analiza probelor biologice (ex. proteine în stare nativă). Unele instrumente ce folosesc o etapă de răcire în azot lichid permit analiza probelor hidratate îngheţate

B. Tehnici microscopice

1. Microscopia electronica de baleiaj (SEM) informatii asupra topografiei suprafetei

de cele mai multe ori este necesara metalizarea esantioanelor de studiat

necesita existenta unui vid inalt nu este posibila investigarea probelor biologice în starea lor nativă

in prezent: instrumente performante, care permit vizualizarea cel puţin a probelor parţial hidratate

2. Microscopia de forţă atomică (AFM) permite achiziţionarea de imagini tridimensionale, cu rezoluţie de ordinul angstromilor sau a nanometrilor

nu necesita pregatiri suplimentare ale esantionului de studiat

poate fi folosita in condiţii ale mediului fiziologic corespunzător biomaterialului de studiat

informaţii asupra: rugozitatii suprafetei, aranjării grupelor funcţionale la suprafaţa studiată, proprietăţilor mecanice locale (ex.: rigiditatea, fricţiunea)

C. Alte tehnici

1. Determinarea energiei libere de suprafaţă prin măsurarea unghiului de contact obţinerea de informaţii de pe primii câţiva angstromi ai unei suprafeţe solide

informaţii asupra modului în care o suprafaţă interacţionează cu gazele, lichidele şi, eventual, cu biomoleculele

metoda semicantitativa de determinare a energiei libere de suprafata pentru materialele solide

informaţia obţinută nu este specifică şi nu indică caracteristicile chimice ale suprafeţelor studiate

AVANTAJE: uşurinţa utilizării acestei metode de analiză; costul relativ scăzut al metodei

D. Metode particulare folosite pentru analiza de suprafaţă a biomaterialelor

Părţi individuale ale ISO 10993 (serie de standarde privind evaluarea biologică a dispozitivelor medicale) aplicabile doar pentru dispozitivele care sunt – în mod direct sau indirect – în contact cu organismul uman sau cu fluidele biologice

Nr. Evaluare şi Testare1 Cerinţe ale siguranţei animalelor 2 Teste de genotoxicitate, carcinogenicitate şi toxicitate 3. Selecţia testelor pentru interacţiunile cu sângele 4. Teste pentru citotoxicitate – teste in vitro 5. Teste pentru efectele locale apărute în urma implantării 6. Reziduuri obţinute în urma sterilizării cu etilen oxid 7. Degradarea materialelor în urma testării biologice 8. Teste privind iritarea şi sensibilizarea9. Teste pentru toxicitatea sistemică

10. Identificarea şi cuantificarea produşilor de degradare a polimerilor 11. Design-ul studiului toxicocinetic pentru degradarea produşilor

1. Caracterizarea fizico-chimică a materialului (din punct de vedere mecanic, electric, biodegradare etc.): initial si dupa prelucrare, sterilizare, depozitare, sau orice alt proces/stadiu care ar putea să-i afecteze stabilitatea şi modul de utilizare

2. Materialele şi dispozitivele care nu satisfac aceste teste iniţiale nu vor fi evaluate, ulterior, din punct de vedere al biocompatibilităţii lor

Pasi urmati in aprecierea posibilitatii utilizarii unui material in domeniul medical:

Tehnica de analiză Fasciculul incident Fasciculul emergent Rezoluţialaterală

Rezoluţia în profunzime

Microscopia electronică de baleiaj în reflexie (SEM)

Electroni Electroni 40 Å 5 Å

Microscopia electronică de baleiaj în transmisie (TEM)

Electroni Electroni 40 Å 5 Å

Microscopia electronică cu efect tunel (STM)

Electroni Electroni 100 Å 5 Å

Microscopia de forţă atomică (AFM)

Forţe de interacţie Forţe de interacţie 1 Å 0,1 Å

Spectroscopia de fotoelectroni (XPS şi UPS)

Fotoni (X şi UV) Electroni 5 m 15 - 100 Å

Spectroscopia de electroni Auger (AES)

Electroni Electroni 100 Å 50 - 100 Å

Spectroscopia de masă a ionilor secundari (SIMS)

Ioni Ioni 100 Å 5 Å – 1 m

Spectroscopia de împrăştiere a ionilor (ISS)

Ioni Ioni 1 mm2 5 Å

Spectroscopia elipsometrică (ES) Fotoni (vizibil) Fotoni (vizibil) 1 mm2 1 Å

Spectroscopia Raman şi în infraroşu (RS şi FT-IR-ATR)

Fotoni (IR) Fotoni (IR) 10 m 1 – 5 m

Spectroscopia de împrăştiere Rutherford (RBS)

Ioni Ioni 100 Å 0,2 m

Difractometria de raze X (XRD) Fotoni (X) Imagini de difracţie 1 – 2 cm2 10 m

Măsurători de unghi de contact (CAM)

Interacţii suprafaţă-lichid

Unghi de contact 0,25 mm2 3 – 20 Å

Tehnici specifice (biologice, chimice, fizice)

Colorimetrie, spectroscopie de fluorescenţa, calorimetrie, teste ELISA, electroforeză, cromatografie, marcare cu izotopi etc.

Tehnici utilizate în analiza unui biomaterial

O singură tehnică nu oferă informaţii despre toate proprietăţile de interes ale unui biomaterial este indicată asocierea de tehnici complementare pentru a obţine maxim de informaţii despre suprafaţa de analizat

III. Metode de caracterizare a suprafetelor biomaterialelor

1. Metoda unghiului de contact2. Spectroscopia de fotoelectroni de raze

X (XPS)3. Microscopia de forta atomica (AFM)4. Spectrometria in infrarosu cu

transformata Fouriei (FTIR)

METODA UNGHIULUI DE CONTACT

Evaluarea energiei libere de suprafata a materialelor solide prin doua metode indirecte:

* Metoda unghiului de contact* Metoda cromatografiei gazoase inverse

Unghiul de contact : măsură cantitativă pentru caracterizarea udării unui solid de către un lichid

unghiul format de un lichid la contactul dintre cele trei faze gazoase, unde se întâlnesc un lichid, un gaz şi un solid

Unghiul de contact pentru diferite situaţii

90° lichidul uda solidul; solid hidrofil

90° lichidul nu uda solidul; solid hidrofob

= 0° lichidul uda complet suprafata solida

= 180° lichidul nu uda deloc suprafata solida

AVANTAJE metoda: * cea mai rapida metoda de caracterizare a suprafetelor solide* sensibilă la primii câţiva angstromi ai suprafeţei * pret scazut al aparaturii utilizate * permite realizarea de masuratori in diferite medii* informatii asupra:

* prezenţei de grupe hidrofobe (nepolare) şi hidrofile (polare) pe suprafaţă* din histerezisul unghiului de contact fracţiunea de segmente de suprafaţă polare şi nepolare, precum şi rugozitatea acelei suprafeţe * prezentei de contaminanti pe suprafata* gradului de modificare şi al stabilităţii proprietăţilor de suprafaţă obţinute în urma aplicării diferitelor metode de tratament

DEZAVANTAJE metoda: * nu ofera suficienta informatie cu privire la chimia suprafetei* metoda semicantitativa de evaluare a energiei libere de

suprafata* nu permite identificarea contaminantilor prezenti pe suprafata* ofera informatii exacte doar pentru suprafeţe ideale (rigide,

omogene şi netede)

Forma unei picaturi de lichid depuse pe o suprafata solida = f (timp, diferite tensiuni de suprafata / interfaciale)

O picătură de lichid pe o suprafaţă solidă mai multe unghiuri diferite, care variază între două valori reproductibile:* valoarea maximă - advancing angle (unghi de avansare)* valoarea minimă - receding angle (unghi de retragere)

Diferenţa dintre aceste două valori: histerezisul unghiului de contact. Histerezis mai mare impedimentul ca lichidul să curgă mai mare (rugozitate mai mare)

Histerezisul unghiului de contact informaţii asupra: energeticii suprafeţei, rugozităţii şi heterogenităţii

permite monitorizarea comportării interfeţelor polimer-lichid

Măsurători experimentale ale unghiurilor de contact

La baza măsurătorilor de unghi de contact echilibrul la interfaţa dintre trei faze diferite

Tensiunile interfaciale la contactul dintre trei medii

1805, Young ecuaţie care descrie o stare stabilă de echilibru, ecuaţie valabilă pentru o suprafaţă ideală: cosLVSLSV

SV - tensiunea de suprafaţă a solidului în echilibru cu vaporii saturaţi ai lichidului, SL – tensiunea interfacială dintre solid şi lichid, LV – tensiunea de suprafaţă a lichidului în echilibru cu vaporii saturaţi. - unghiul de contact la echilibru dintre o picătură de lichid depusă pe un solid şi suprafaţa respectivă. Lichidul neutru, a.i. să nu existe interacţiuni fizice sau chimice cu solidul.

Dupré lucrul mecanic de adeziune dintre două faze adiacente 1 şi 2:

WA12 = 1 + 2 -12

Ecuaţia Young-Dupré: WA

12 = 2 (1+ cos ) + S - SV

In cazul suprafeţelor reale, trebuie luată în considerare şi rugozitatea şi heterogenitatea acestora

caracterizate de domenii cu diferite valori ale unghiurilor de contact histerezis termodinamic = f (timp, rugozitate)

Rugozitatea creste histerezisul creste

1962, Fowkes tensiunea de suprafaţă poate fi considerată ca fiind o sumă de termeni independenţi, fiecare dintre ei reprezentând o

forţă intermoleculară particulară (ex.: la apa – legaturile de hidrogen si fortele de dispersie)

Owens şi Wendt, Kaelble, Wu fortele intermoleculare implicate in tensiunea de suprafata: fortele de dispersie si fortele polare

1987, Fowkes legătura de hidrogen este considerată ca fiind reprezentată de interacţiuni

acid-bază dab

indicele ab semnifică contribuţia interacţiunilor acid-bază şi d reprezintă contribuţiile dispersive

1987, van Oss, Chaudhury, Good componentă Lifshitz van der Waals (LW) (dispersie London, (dispersie London, forţe Keesom dipol-dipol şi forţe dipol-dipol indus forţe Keesom dipol-dipol şi forţe dipol-dipol indus

DebyeDebye))abLW

Ecuaţia Young-Good-Girifalco-Fowkes (ecuatia completa a lui Young):

2

12

12

12cos1 lSlS

LWl

LWSl

LW semnifica componenta Lifshitz van der Waals, + semnifica componenta acceptoare de electroni, - semnifica componenta donoare de electroni

Pe baza ecuatiei complete a lui Young, se evalueaza componentele energiei libere de suprafaţă a solidelor, prin măsurarea unghiurilor de contact dintre trei lichide pure diferite şi suprafaţa respectivă.

Metode folosite pentru evaluarea diferitelor componente ale energiei libere de suprafaţă a unui sistem:

* utilizarea a trei lichide polare (cu componente ale tensiunii superficiale cunoscute)

* utilizarea unui lichid nepolar care permite

determinarea LW şi două lichide polare

Lichidul LW ab + - p/d

ApăGlicerolFormamidăDiiodometanEtilen glicol-bromonaftalenDimetil sulfoxid

72.86458

50.848

44.444

21.83439

50.829

43.536

51301901908

25.53.922.28

01.92

00.5

25.557.439.6

047032

2.340.880.490.000.650.000.22

Componentele tensiunii superficiale pentru diferite lichide, la 20C în (mN/m) [Wu S. 1982, Polymer Interface and Adhesion, Dekker, New York]

Polimerul LW (mN/m)

+ (mN/m)

- (mN/m) ab (mN/m)

(mN/m)

Etilen-propilenă fluorurată (FEP)Poli(tetrafluoroetilenă) (PTFE)Poliizobutilenă (PIB)Polipropilenă (PP)Polietilenă (PE)Poli(metil metacrilat) (PMMA)Polistiren (PS)Polifluorură de vinil (PVF)Poli(vinil pirolidonă) (PVPY)Poli clorură de vinil (PVC)Poli(etilen tereftalat) (PET)Celuloză

15.4219.6025.0029.7033.0043.2042.0040.4043.4043.0043.4844.00

0.01000000

0.160.000.04

0.0030.28

0.7200

1.40

22.41.112.929.93.507.17

24.30

0.34000000

3.200.000.800.365.20

15.7119.6025.0029.7033.0043.2042.0043.6043.4043.8043.8449.20

Componentele energiei libere de suprafaţă pentru câţiva polimeri (+/- = 1 pentru apă, la 20C) [L. H. Lee 1996, Langmuir, 12, 1681]

Metode uzuale folosite pentru masurarea unghiului de contact [F. Grassy, M. Morra, E. Occhiello 2000, Polymer Surfaces. From Physics to Technology, John Wiley & Sons, Chichester]:

* metoda picăturii

* metoda suportului înclinat

* metoda picăturii captive

* metoda Wilhelmy

METODA PICATURII DE MASURAREA UNGHIULUI DE CONTACT

* permite masurarea unghiului de contact static

* histerezisul unghiului de contact – masurat prin creşterea sau descreşterea volumului picăturii, până când interfaţa dintre cele trei faze se mişcă

pe suprafaţa solidă

METODA SUPORTULUI INCLINAT DE MASURARE A UNGHIULUI DE CONTACT

suprafaţa studiată este înclinată până când picătura începe să se mişte unghiurile advancing si receding

METODA PICATURII CAPTIVE DE MASURARE A UNGHIULUI DE CONTACT

* o bula de aer sau o picătură de lichid este depusă pe o suprafaţă solida imersată într-un mediu lichid; pentru 2 lichide – nemiscibile!

* unghiurile de contact advancing şi receding se măsoară prin creşterea sau scăderea volumului picăturii până ce are loc deplasarea interfeţei dintre cele trei faze

METODA WILHELMYMETODA WILHELMY

DE MASURARE A UNGHIULUI DE CONTACTDE MASURARE A UNGHIULUI DE CONTACT

unghiurile de contact advancing şi receding sunt evaluate din forţa exercitată în momentul în care proba este

imersată sau scoasă dintr-un lichid

cos = (F – Fb) / I∙

F – forta totala masurata cu ajutorul dinamometrului; Fb – forta datorata deplasarii introducerii solidului in lichid; I – lungimea pe care suprafata solida este udata de catre lichid; - coeficientul de tensiune superficiala a lichidului; - unghiul de contact dintre suprafata solida si lichid

Tehnici folosite pentru masurarea unghiurilor de contact

pentru suprafete solide neporoase:

* Goniometria - observarea unei picături de lichid

test depuse pe o suprafaţă solidă * Tensiometria – masurarea forţelor de

interacţiune ce apar la contactul dintre un solid

şi un lichid test Sistemul optic CAM 200 de măsurare a unghiurilor de contact [http://www.kcpc.usyd.edu.au/research/equipment/surface/tensiometers]

AVANTAJE goniometrie: poate fi utilizată în multe situaţii în care

tensiometria nu poate oferi informaţii (ex.: polimeri, farmaceutice, hârtie, cosmetice, textile etc.)

testarea se poate realiza folosind cantităţi foarte mici de lichid

DEZAVANTAJE goniometrie: erori în modul în care observatorul precizează

tangenta dusă la profilul picăturii dificultatea testarii suprafeţelor sub formă de fire

pentru solidele poroase şi substanţele sub formă de pulbere

* Tensiometria tensiometru ce poate functiona in regim static sau dinamic

Tensiometru KSV Sigma 70 folosit pentru măsurarea statică a tensiunii de suprafaţă [http://www.kcpc.usyd.edu.au/research/equipment/surface/tensiometers.]

AVANTAJE tensiometrie: permite analiza firelor

DEZAVANTAJE tensiometrie: testarea se realizeaza folosind cantitati destul de

mari de lichid suprafata solida trebuie să îndeplinească o serie

de cerinţe (geometrie regulată, aceleaşi caracteristici ale suprafeţei pe toate părţile aflate în contact cu lichidul, dimensiune suficient de mică pentru a putea fi agăţat la microbalanţa tensiometrului)

tehnica nu poate fi utilizata pentru temperaturi mai mari sau egale cu 100°C

Utilizarea rezultatelor obţinute în urma măsurării unghiurilor de contact

1. Informatii referitoare la caracteristicile de

umectare ale interfeţelor solid/lichid

2. Parametrii experimentali ce pot fi aflaţi direct din valorile unghiurilor de contact şi

ale tensiunii superficiale

* Lucrul mecanic de adeziune: lucrul mecanic necesar pentru separarea fazelor lichidă şi solidă. Se foloseşte pentru a exprima intensitatea interacţiunii dintre cele două faze

cos1 aW ecuatia Young-Dupre

* Lucrul mecanic de coeziune: fiind lucrul mecanic necesar separării lichidului în două părţi; reprezintă o măsură a interacţiunilor moleculare din interiorul lichidului

2cW

* Lucrul mecanic de împrăştiere: energia liberă negativă asociată cu împrăştierea unui lichid pe o

suprafaţă solidă

1cos sW

* Tensiunea de umectare (tensiune de adeziune, lucru mecanic de umectare): măsură a raportului forţă/lungime; permite caracterizarea intensităţii interacţiunii de umectare fără a realiza măsurători separate pentru tensiunea superficială. Este o mărime foarte utilă în cazul sistemelor multicomponente cos LV

3. Caracterizarea suprafetelor solideMasurarea unghiului de contact determinarea

unei proprietati specifice suprafetei solide, proprietate care influenteaza umectarea suprafetei respective (tensiune superficiala critica, energie libera de suprafata…)

a) Tensiunea critica de suprafata

Graficul Zisman pentru LDPE

1950-1952, Zisman: cos = f () tensiunea critica de suprafaţă a solidului (pentru cos = 1 împrăştierea unei picături pe suprafaţa solidă

Substrates (High Energy)

Critical Surface Tension, mN/m

Aluminum ~500

Copper 1360

Nickel 1770

Iron oxide 1357

Beryllium oxide 1360

Lead 442

Silver 890

Glass ~1000

Substrates (Low Energy) Critical Surface Tension, mN/m

Acetal 47

Acrylonitrile butadiene styrene - ABS

35

Acrylic 41

Epoxy - typical amine cure 46

Nylon 6/6 41

Polycarbonate 46

Polyethylene terephthalate - PET

43

Polyimide 40

Polystyrene 33

Polysulfone 41

Polytetrafluoroethylene - PTFE

18

Polyvinyl chloride - PVC 39

Polyethylene 31

Polypropylene 33

Phenolic 52

Silicone 24

Styrene butadiene rubber 29

Tensiunea critica de suprafata pentru o serie de suprafete solide de energie inalta si, respectiv, mica la temperatura camerei

b) Energia libera de suprafatasuprafaţa solidă se testează pentru o serie de lichide

de umectare, de diferite polarităţi şi având tensiuni superficiale cunoscute. Formula utilizată ecuaţia completă a lui Young

c) Tensiunea interfaciala dintre sange/tesuturi si

suprafata (SL)

- informatii asupra caracteristicilor de biocompatibilitate si hemocompatibilitate ale suprafetei

- se foloseste teoria polar-dispersiva a energiei libere de suprafata

2

12

122

12

1dS

dL

pS

pLSL

p şi d sunt componentele polară şi, respectiv, dispersivă a energiei libere de suprafaţă; L şi S reprezintă lichidul şi, respectiv, solidul

Tensiunea interfacială mediu-celulă este SL = 1-3 mN/m domeniul de biocompatibilitate [1-3] mN/m ← bună compatibilitate cu o suprafaţă străină şi stabilitate mecanică adecvata a acestei interfeţe

Teoria Washburn solid poros in contact cu un lichid: pătrunderea lichidului prin porii solidului satisface ecuatia:

2

cos2M

CT

T - timpul scurs de la stabilirea contactului solid/lichid; - viscozitatea lichidului; C- constantă de material, caracteristică suprafeţei solide (reflectă numărul şi orientarea porilor prezenţi pe suprafaţa solidă sau gradul de împachetare a particulelor în cazul pulberilor); - densitatea lichidului; - tensiunea superficială a lichidului; - unghiul de contact; M – masa de lichid absorbită în solid

Aprecierea unghiului de contact in cazul fibrelor plasarea unei picaturi de lichid pe suprafata fibrei

• se folosesc picaturi foarte mici• se analizează forma unei picături de lichid ce înconjoară fibra

respectivă [Hoecker, F., and Karger-Kocsis, J. 1996, J Applied Polymer Sci., 59, 139] metoda mai adecvata pentru obtinerea de rezultate mai corecte

Fotografia unei picături de lichid pe un monofilament de PA-6 [Dumitrascu, N., and Borcia, C. 2006, J. Colloid Interface Sci., 294, 418]

Suprafaţa fibrei trebuie să fie considerată un cilindru perfect (monofilament), rigid, neted, omogen şi izotrop (un solid ideal). Picătura de lichid se presupune a avea o formă simetrică în raport cu axa x, fiind coaxială cu filamentul; se neglijeaza efectul gravităţii. Când se atinge echilibrul mecanic şi termodinamic al picăturii, diferenţa de presiune P dintre fazele lichida si de vapori este descrisă prin ecuaţia lui Young-Laplace:

2

1

1

1

RRLVP

γLV - energia liberă a interfeţei lichid-vapori şi (1/R1 + 1/R2) - curbura totală a acestei interfeţe

Concluzii

Metoda unghiului de contact este, probabil, cea mai comună metodă folosită pentru măsurarea energiei libere de suprafaţă a suprafeţelor solide. Măsurătorile de unghi de contact, în special în cazul materialelor polimerice, pot fi realizate cu aparate având un preţ relativ scăzut şi prin tehnici simple. Chiar dacă această metodă oferă doar informaţii semicantitative, s-a dovedit a fi o metodă adecvată pentru obţinerea de rezultate privind energetica suprafeţelor, rugozitatea, heterogenitatea, precum şi dinamica suprafeţelor, permiţând astfel să se monitorizeze comportarea interfeţelor solid-lichid.

III. Metode de caracterizare a suprafetelor biomaterialelor

1. Metoda unghiului de contact2. Spectroscopia de fotoelectroni de raze

X (XPS)3. Microscopia electronica de baleiaj

(SEM)4. Microscopia de forta atomica (AFM)5. Spectrometria in infrarosu cu

transformata Fourier (FTIR)

SPECTROSCOPIA DE FOTOELECTRONI DE RAZE X (XPS)

Cea mai potrivita tehnica pentru analiza suprafeţelor polimerice * sensibila la suprafaţă * posibilitatea de identificare cantitativă a grupelor prezente la suprafata şi a stării chimice a acestora* condiţii non-destructive pentru suprafata studiata

Tehnica foarte utila pentru studiul proprietăţilor polimerilor în domenii în care proprietăţile de suprafaţă sunt definitorii pentru interacţiunea materialului cu mediul înconjurător (ex.: biocompatibilitatea, caracterul hidrofil/hidrofob obţinut în urma aplicării a diferite tehnici de tratament, compoziţia suprafeţei şi segregarea copolimerilor bloc, interacţiunile acid-bază în relaţie cu adeziunea etc.)

Principiul metodei

Raze X moi (în general, AlK sau MgK) - folosite pentru a iradia o suprafaţă, aflată în condiţii de vid înaintat (de obicei, 10-9 Torr).

Interacţiunea raze X - atomi din proba iradiată producerea de fotoionizări şi de electroni liberi eliberaţi. Fotoelectronii emişi colectaţi cu ajutorul unui ansamblu de lentile electronice, analizaţi din punct de vedere al energiei şi număraţi.

Nivelele energetice – cuantificate spectrul rezultat constă din picuri discrete, asociate cu stările energetice electronice ale probei iradiate. Picurile din spectrul de fotoelectroni obţinuţi în urma iradierii cu raze X grupate în trei categorii: * picuri datorate fotoemisiei de pe nivelele de profunzime ale atomului* picuri datorate fotoemisiei de pe nivelul de valenţă* picuri datorate emisiei Auger

Energia cinetica a electronilor emisi:

BEKE hKE - energia cinetică a fotoelectronului emis, h - energia fotonului incident, BE – energia de legătură a electronului şi - lucrul mecanic de extracţieKE se masoara se determina BE pentru fotoelectronii de pe nivelele de profunzime identificarea elementelor prezente pe suprafaţă

LIMITARE XPS: nu permite identificarea H si He de pe suprafata

* BE depinde de mediul specific în care sunt localizate grupele funcţionale [Beamson, G., and Briggs, D. 1992, High Resolution XPS of Organic Polymers: The Scienta ESCA300 Database, Wiley, Chichester].

* BE C1s creşte monoton cu numărul de atomi de oxigen legaţi de carbon, adică:

C-C < C-O < C=O < O-C=O < O-(C=O)O- carbonul devine mai pozitiv din punct de vedere

electric odată cu creşterea numărului de atomi de oxigen legaţi de carbon

* Măsurători precise ale BE informaţii asupra structurii electronice a probei de studiat

* Picul de referinţă în spectrele XPS: linia C1s dintr-un lanţ de hidrocarbură (C-C, C-H), care are în general o valoare de 285.0 eV

Legătura sau grupa funcţională BE (eV)

carbon-hidrogen CH, CC 285.0

sulf-carbon CS 285.4

carbon-azot în amine CN 286.0

carbon-oxigen în alcool, eter CO 286.5

nitril CN 286.7

clor-carbon CCl 287.0

azot-carbon-oxigen NCO 287.8

fluor-carbon CF 287.9

carbonil C=O 288.0

azot-carbon-oxigen în amide NC=O 288.1

2 clor-carbon CCl2 288.6

uree 288.8

carboxil în acid, ester OC=O 289.0

Energii de legătură tipice C1s pentru legături covalente din compuşi organici

Legătura sau grupa funcţionalăBE

(eV)

carbonilC=O,

OC=O532.3

oxigen-carbon în alcool, eter

COH, COC 532.8

ester COC=O 533.7

Energii de legătură tipice O1s pentru legături covalente din compuşi organici

Analiză cantitativă utilizând XPS

Intensitatea picului XPS (aria integrată de sub picul de fotoelectroni) - proporţională cu cantitatea de atomi din volumul detectat integrând aria de sub un pic dat, poate fi realizată analiza elementară a materialului

studiat

Aplicaţii ale XPS în domeniul polimerilor

1. Probleme specifice în studiul suprafeţei polimerilor

• utilizarea unei surse de raze X monocromatice, în scopul reducerii potenţialelor efecte de degradare ale suprafeţei

• polimerii organici - deterioraţi în urma expunerii la raze X, în funcţie de compoziţia şi structura lor ex.: - polimerii aromatici (ex.: polistirenul) se degradează foarte lent, în timp ce degradarea polimerilor ce conţin halogen se desfăşoară foarte rapid - majoritatea polimerilor ce conţin oxigen se degradează, pierzând oxigen

2. Informaţii referitoare la nivelele de

profunzime

Atomi frecventi in componenta polimerilor: carbon, oxigen, fluor, sulf identificarea structurii chimice a polimerilor se bazează, în

practică, pe deconvoluţia spectrului C1s

Spectrul general pentru un film subţire (0,05 mm grosime) de polietilen tereftalat (PET) [Borcia, G., rezultate nepublicate]

* permite detectarea energiilor tuturor electronilor emişi

* cuantificarea ariilor picurilor respective conduce la o compoziţie elementară C : O = 2.5 : 1

Spectrul XPS (C1s) pentru un film de PET [Borcia, G., rezultate nepublicate]

Unitatea structurala repetitivă în PET (indicii superscript de pe atomii de C şi O corespund componenţilor XPS C1s şi O1s)

Trei tipuri principale de carbon în spectrul C1s: atomii de carbon din inelul benzenic (C1), cei din grupul CH2 legat de oxigen în gruparea tereftalat (C2) şi cei din gruparea carboxil (C3) - atomi aflati într-un mediu electrostatic diferit au energii de legătură diferite.

In urma deconvoluţiei picului C1s general (printr-o metodă matematică) trei picuri, atribuite acestor trei tipuri de atomi de carbon

Diferenţele de mediu chimic pentru cele două tipuri de atomi de oxigen reflectate în spectrul O1s prin două picuri, unde atomii de oxigen din gruparea carboxil (O2) au o energie de legătură mai mare decât cei ce leagă gruparea tereftalat şi atomii glicol (O1)

Spectrul XPS (O1s) pentru un film de PET [Borcia, G., rezultate nepublicate]

Energiile de legătură ale atomilor de carbon şi de oxigen din PET pot fi folosite ulterior ca valori de referinţă pentru identificarea grupelor funcţionale de tipul celor prezente în PET, în alte materiale organice

C1s O1s

C1 C2 C3 O1 O2

BE (eV) 285.0 286.6 288.9 532.2 533.6

Aria (%) 59 21 20 51 49

Energiile de legătură şi ariile relative ale picurilor C1s şi O1s din PET

Informaţii cantitative asupra suprafeţelor polimerice pot fi obţinute din raportul ariilor cuprinse sub picurile din spectrele de înaltă rezoluţie

3. Metoda XPS utilizată sub un anumit unghi de incidenţă (Angle-resolved XPS) (AR-XPS)

metodă folosita, atât calitativ cât şi cantitativ, pentru investigarea variaţiilor în compoziţia unei suprafeţe în funcţie de adâncimea de penetrare

permite determinarea profilelor de adâncime din primii câţiva nanometri (în general <10

nm) ai suprafeţele plane

tehnica non-distructiva

DOMENII DE INTERES IN STUDIUL SUPRAFETELOR POLIMERICE PRIN

XPS

1. Compoziţia de suprafaţă şi segregarea suprafeţei

- metodă cantitativă efectivă pentru examinarea interfeţelor aer-polimer de câteva zeci de nanometri grosime, în scopul investigării compoziţiei suprafeţei şi a segregării (separarea componentilor unui material) acesteia în sistemele polimerice cu mai multe faze

2. Biomateriale

- metoda foarte utila in aprecierea biocompatibilităţii polimerilor, dezvoltarea de polimeri folosiţi în implanturi medicale, precum şi înţelegerea fundamentelor biointeracţiunilor

Exemple de aplicatii ale XPS in caracterizarea Exemple de aplicatii ale XPS in caracterizarea biomaterialelorbiomaterialelor: :

1. determinarea grosimii stratului de polimer adsorbit la suprafata unui medicament hidrofob (ex.: analizarea sferelor de polistiren (PS) (folosite în scop de eliberare a medicamentelor, dar utilizate şi în procesarea pulberilor), acoperite cu oxid de polietilenă (PEO), calculându-se grosimea stratului de PEO pe sferele de PS )

2. determinarea compoziţiei chimice a unui strat de suprafata hidrofil, de compoziţie dorită, dimensiune şi grupe chimice potrivite pentru legarea biomoleculelor (studii realizate asupra particulelor de latex cu un strat interfacial hidrofil, compuse din diferiţi polimeri hidrofili cu grupe reactive la capetele macromoleculelor sau la fiecare unitate de monomer de-a lungul catenei)

3. aprecierea performantelor (compozitie chimica, grosime, uniformitate) filmelor de polimeri folosite pentru incapsularea de molecule de medicament

4. studiul sistemelor de matrici polimerice complexe, cum ar fi amestecurile folosite în farmacologie (ex.: studiul matricilor amestecurilor de polietilen oxid (PEO) şi acid poli (L-lactic) (PLLA), cu biocompatibilitate interfacială si activitate biologică îmbunătăţite, facilitând interacţiunea dintre celule şi biodispozitivele polimerice şi protejând medicamentele solubile în apă din polimerii hidrofobi sub forma unei micele sau capsule)

5. caracterizarea chimică şi structurală a suprafeţelor polimerice modificate în scopul

imobilizării de specii biologice

6. indicator eficient privind crearea de suprafeţe ce conţin grupe funcţionale amino (ex.: studiul imbunatatirii imobilizarii heparinei (anticoagulant) la suprafata diferitelor materiale de catre grupele amino)

7. aprecierea performantelor biosenzorilor pe baza de polimeri (ex.: polifenilacetilena (PPA), acoperită cu un strat de grupe –OH, cu rol în imobilizarea componenţilor biologici, favorizând adsorbţia proteinelor)

3. Modificarea suprafeţei polimerilor

- tehnica XPS a îmbunătăţit semnificativ înţelegerea efectelor metodelor de modificare a suprafeţelor polimerice şi a oferit una dintre cele mai importante modalitati pentru optimizarea şi dezvoltarea acestor

tehnici (ex.: evaluarea procedurilor chimice pentru introducerea de grupe funcţionale pe suprafaţa poliamidei (PA), funcţionalizarea hidrofilă a membranelor de polifluorură de

viniliden (PVDF))

Concluzii

Spectroscopia de fotoelectroni de raze X (XPS) s-a dovedit a fi una dintre cele mai importante metode pentru studiul structurii electronice a moleculelor, solidelor şi suprafeţelor, având implicaţii practice în diferite domenii, cum ar fi chimia suprafeţelor sau ştiinţa materialelor, cu contribuţii semnificative în înţelegerea principiilor de bază în fizica stării solide. In particular, XPS apare ca fiind cea mai importantă tehnică de caracterizare non-destructivă utilizată pentru studiul suprafeţelor polimerice.