Production and properties of biopolymer based fibers and films

Abstract

Bilim ve teknolojideki gelişmeler, işlevsel ve yenilikçi materyaller aracılığıyla yeniuygulamalara imkan sağlamaktadır. Nano ölçekli malzemelerin imalatı ve geliştirilmesi günümüzde önemli konulardır. Nanofiberler, yüksek yüzey-hacim oranı, gözenekli yapı, düşük ağırlık ve fiziksel veya kimyasal işlevsellik için kolayca geliştirilebilen özelliklerinden dolayı gelecek vaat eden malzemelerdir. Elektro eğirme, yüksek üretim hızına sahip ve sürekli yapıda nanofiber imal etmek için en uygun yöntemlerden biridir. Ayrıca, lif çapı nanometreden mikronlara kadar ayarlanabilir. Elektro eğirme tekniği, viskoelastik akışkanın elektrostatik kuvvet kullanılarak bir rotada çekilmesi ile inceltilmesine dayanır. Genellikle, polimer esaslı malzemeler bu işlemde kullanılmaktadır, aynı zamanda farklı öncüllerin uygulanması metal, seramik ve cam nanofiberlerin imalatını arttırmaktadır. Çıkan ürünün morfolojisini ve üretim sürecini etkileyen bir çok etken vardır, bu etkenler üç ana grupta incelenebilir bunlar çözelti özellikleri, işlem koşulları ve çevresel faktörlerdir. Elektro eğirme ile üretilen nanofiberler, yüksek gözeneklilik ve yüksek yüzey alanı gibi sıvı sızmasının kontrolünü sağlayan özellikleri, gazların matın içinden geçmesini sağlarken mikroorganizmaların istilasını engelleyebilen yararlı özellikleri sayesinde yara örtüsünde kullanılmak üzere iyi bir malzeme olabilir. Ayrıca, tıbbi iyileşme veya antibakteriyel özellik için nanofiberlere ilaç ve katkı maddeleri eklenebilir. Son zamanlarda, yaraların tedavisinde mikrobiyal saldırıyı engelleyen, sürekli nem ve gaz değişim ortamı sağlayan, ek olarak bir enfeksiyon ortaya çıktığında antibakteriyel ajanların veya ilaçların salınmasını sağlayan malzemeler amaçlanmaktadır. Nanofiberin umut verici özelliklerinin yanı sıra liflerin mekanik mukavemeti istediğimiz özellikte değiller, bu nedenle polimer filmler bu çalışmaya eklenmiştir. Polimer filmlerin biyomedikal ve gıda ambalajlama uygulamaları için umut verici özellikleri vardır. Bu filmler doğal ve/veya sentetik polimerler ile üretilir. Polimer bağlantısı, kimyasal veya fiziksel olarak gerçekleştirilebilir. Esneklik, geçirgenlik, termal ve boyutsal stabilite, biyouyumluluk, biyolojik bozunabilirlik, mekanik özellikler ve bozunma hızı, film oluşturma için uygun polimerlerin önemli özelliklerindendir. Solvent dökme yöntemi ile çözücünün uzaklaşması ile polimer film fiziksel çapraz bağlı oluşturulabilir.Özellikle doğal polimerler, biyouyumlu, biyo-bozunabilir, toksik olmayan, çevre dostu ve kolay üretilebilen gibi umut verici özellikleri nedeniyle endüstride ve ilaçta yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Gıda endüstrileri, tüketicilerin ve pazarın talepleri üzerine ambalaj teknolojisinde çeşitli alternatifler aramaktadır. Yüksek kaliteli, uzun raf ömrüne sahip ve gıda ürünlerinin tazeliğini koruyan, daha kolay, daha ucuz ve geri dönüştürülebilir malzemelerle imal edilen güçlü ve uzun ömürlü ambalajlar üretmek bu talepleri karşılayacaktır. Polimerlerin ve doğal malzemelerin gıda ambalaj malzemesi olarak kullanılması, geleneksel materyallerden üstün özellikleri sayesinde artmıştır. Her bir gıda ürününün özel ihtiyaçları, çok çeşitli malzemeler ve farklı bileşimlerle en uygun paketleme çözümü ve tasarımı ile sağlanabilir. Gelişen polisakkarit bazlı filmler, yenilebilir ambalaj filmlerinin üretimi için uygundur. Biyobozunur filmler sayesinde petrolden üretilen sentetik plastik yerine doğal ürünlerden biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerin kullanımı petrol tüketimini azaltacak, sentetik plastik atık miktarı azalacak ve doğal malzemelerin işlenmesi ekonomik olarak avantajlı olacaktır. Agar denizel kırmızı alglerden elde edilen bir polisakkarittir. Biyomedikal ve gıda uygulamalarında iyi biyo-uyumluluk, biyo-bozunabilirlik ve toksik olmamaları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Polivinil alkol (PVA), tekstil, kağıt ve biyomedikal alanlarda yaygın olarak kullanılan renksiz, suda çözünebilen, toksik olmayan, biyo-uyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilen sentetik bir polimerdir. Aloe vera önemli şifalı bitkilerden biridir. Kimyasal analizler, Aloe vera'nın oldukça önemli bileşenleri ve antibakteriyel maddeleri içerdiğini ortaya koymaktadır. A.vera bitkisinin özleri tıbbi amaçlarla, yaralar ve yanıklar gibi deri hastalıklarının tedavisinde kullanılır. Ayrıca, Aloe vera, sülfür dioksit gibi sentetik koruyucu maddelere karşı güvenli ve çevre dostu bir alternatiftir.Bu çalışmada, elektro eğirme işlemi ile titanyum (IV) izopropoksit veya titanyum (IV) bütoksit öncül maddelerinden sol-jel yöntemi ile elde edilen TiO2, PVP ve Aloe vera içeren çeşitli biyopolimer tabanlı fiberler hazırlandı. İşlemi etkileyen parametreler optimize edilmiştir. Literatürde, TiO2 ve Aloe vera'nın antibakteriyel özellikleri mevcut olduğu bilinmektedir. Fiberler fırında 500 ° C'de 3 saat süreyle tavlandı ve polimer yapı uzaklaştırılarak anataz fazda TiO2 fiberler elde edildi. Liflerin mikro ve nano yapısal karakterizasyonu SEM ile analiz edildi ve kristalografik karakterizasyon XRD ile yapıldı. Öncül madde olarak titanyum (IV) izopropoksit içeren fiberler, ısıtmadan sonra olumsuz yapı sergiledi. Böylece Aloe vera titanyum (IV) bütoksit solüsyonuna ilave edildi. Fiberlerin Gram negatif Escherichia coli (E.coli) ve Gram pozitif Staphylococcus aureus (S.aureus) 'a karşı antibakteriyel etkinliği incelendi. Aloe vera'nın eklenmesi fiberlerin antibakteriyel etkisini son derece arttırmıştır. Ayrıca, Aloe vera eklenmiş agar ve PVA filmleri solvent döküm yöntemi ile hazırlanmıştır. Yenilebilir, şeffaf, kuvvetli ve antibakteriyel filmler, farklı miktarlarda Aloe vera jelinin (0, 10, 20, 30%) polimer filmlere ilave edilmesiyle hazırlandı. Filmler fiziksel, morfolojik ve antibakteriyel özelliklerinin Aloe vera içeriğine bağımlılığı ile karakterize edildi. Agar filmlerin yüzey analizi SEM ile yapılmıştır ve Aloe vera eklenmesinin film yapısına zarar vermediği gözlemlenmiştir. Kimyasal karakterizasyonları FTIR ile analiz edildi. Mekanik testleri incelendi ve kopma mukavemeti, kopma uzaması, Young modülü ve tan delta değerleri elde edildi. Filmlerin hidrofilik özellikleri temas açısı ölçümleriyle belirlendi. Aloe vera eklenmesi, Gram negatif Eschericia coli (E.coli) ve Gram pozitif Staphylococcus aureus (S.aureus)'a karşı antibakteriyel aktiviteyi arttırdı. Agar filmlerinin oksijen geçirgenliği ve su buharı geçirgenliği araştırıldı. Filmlerin ışık geçirimi spektrofotometre ile ölçüldü. Şişlik ve bozunma testleri yapıldı. Böylelikle, Aloe vera içeren biyopolimer tabanlı filmlerin, yara örtüsü veya aktifyenilebilir filmler şeklinde ambalaj malzemeleri olarak potansiyel kullanımları gözlemlendi.

Advances in science and technology lead to new applications through producing functional and innovative materials. Fabrication and improvement of nanoscale materials are important subjects nowadays. Nanofibers are promising materials due to their particular properties such as large surface-to-volume ratio, porous structure, low weight, and can be easily developed for physical or chemical functionalization. They are valuable and useful materials in medical and technical areas. Nanofibers can be produced by the top-down or the bottom up approach. Among the nanofiber fabrication techniques, electrospinning is one of the most suitable methods. Electrospinning technique is based on thinning of viscoelastic fluid by pulling it in a route with the use of electrostatic force. Generally, polymer-based materials are used in this process, but also application of different precursors increase fabrication of metal, ceramic and glass nanofibers. Besides all the promising properties of the nanofiber, the mechanical strength of fibers is not sufficient; therefore, the biopolymer films were added to this study. Polymer films have promising properties for biomedical and food-packaging applications. They are fabricated by natural and synthetic polymers. Flexibility, permeability, thermal and dimensional stability, biocompatibility, biodegradability, mechanical properties and degradation rate are the important properties of suitable polymers for film forming. The use of polymers and natural materials as food packaging materials has increased mainly due to their promising assets over the traditional materials. Desirable quality, extended shelf life, freshness of the food products can be provided with the ease of handle, strong and long-lasting packaging fabricated with lighter, cheaper and recyclable materials. Aloe vera is one of the important medicinal plants. Chemical analysis reveals that Aloe vera contains quite important ingredients and antibacterial agents. It contains water soluble and fat-soluble vitamins, enzymes, organic acids, minerals and phenolic compounds. Extracts of A.vera plant is used for medical intents and treatment of skin disorders such as wounds and burns. Furthermore, Aloe vera is a safe and environmentally friendly alternative to synthetic preservative substances. In this study, various biopolymer based fibers containing TiO2 that prepared from titanium (IV) isopropoxide or titanium (IV) butoxide precursors, PVP and Aloe vera were obtained by electrospinning process. It is known from the literature, TiO2 and Aloe vera present antibacterial properties. Fibers were annealed in oven at 500°C for 3 hours. Micro and nano structural characterization of fibers were analyzed by SEM and crystallographic characterization was analyzed by XRD. Fibers that contains titanium(IV)isopropoxide as a precursor showed unfavourable structure after heating. So, Aloe vera was added to titanium(IV) butoxide solution. The antibacterial activity of the fibers against Gram negative Escherichia coli (E.coli) and Gram positive Staphylococcus aureus (S.aureus) was examined. The addition of Aloe vera extremely increased the antibacterial activity of fibers. Also, Aloe vera added agar and PVA films were prepared by solvent casting method. Edible, transparent, strong and antibacterial biopolymer based films were prepared by addition of different amounts of Aloe vera (0, 10, 20, 30%) to polymer films. The films were characterized for the dependence of their physical, morphological and antibacterial properties on their Aloe vera content. The surface analysis of agar films were made via SEM. Chemical characterization were analyzed by FTIR. Their mechanical testing were examined and obtained tensile strength, elongation at break, Young's modulus and tan delta characters. Hydrophilic features of films were determined with contact angle measurements. Aloe vera addition had positive effect on antibacterial activity against Gram negative Eschericia coli (E.coli) and Gram positiveStaphylococcus aureus (S.aureus). Oxygen permeability and water vapor permeability of agar films were investigated. Light transmissions of films were measured by spectrophotometer. Their swelling and degradation tests were made. Hereby, the biopolymer based films containing Aloe vera can be potentially observed as wound dressing and active edible films as packaging materials.