Ulvan/PVA electrospun nanofibers thermally crosslinked to promote an aqueos-resistant biomaterial

Abstract

Resumo: A electrofiação é uma técnica de fabricação de fibras electrostáticas de baixo custo e versátil, que permite a produção de nanofibras (estruturas fibrilares na faixa sub-mícron). As nanofibras exibem grande relação superfície/massa, alta porosidade e desempenho mecânico como principais características que as tornam produtos adequados para fins biotecnológicos. Apesar da electrofiação ser uma técnica versátil que permite a produção de fibras a partir de diferentes polímeros, os esforços são direcionados para substituir os polímeros sintéticos pelos naturais, visando a fabricação de produtos biocompatíveis e biodegradáveis. Dentro do grupo de polímeros naturais, a ulvana é o principal polissacarídeo sulfatado isolado de macroalgas verdes do gênero Ulva, com diversas propriedades biológicas interessantes que poderiam ser exploradas em diferentes campos. No entanto, dificuldades significativas têm sido associadas à produção de fibras a base de ulvana, adicionando importantes desafios em relação a sua aplicação devido a solubilidade da ulvana no meio aquoso. Considerando o mencionado anteriormente, estudos que vissem encontrar estratégias que possibilitem a produção por electrofiação de fibras funcionais a base de ulvana, apresentam interesse científico e tecnológico. Por esta razão, a produção de uma matriz electrofiada à base de ulvana, sua estabilização contra a exposição à água, bem como manter a disponibilidade dos grupos funcionais no biomaterial como aspectos fundamentais para propósitos de aplicação, tornam-se os principais objetivos deste trabalho. A produção de uma matriz fibrosa à base de ulvana, exibindo nanofibras com um diâmetro médio de 144 ± 33 nm, foi realizada pela electrofiação de uma mistura aquosa composta por poli(vinil álcool ou álcool polivinílico) (PVA) e ulvana (U), em uma razão de massa de 5:2 (PVA5U2). Como seria de esperar de sua composição, a matriz fibrosa PVA5U2 é prontamente desintegrada em contato com água, impedindo seu uso potencial em sistemas aquosos. Para alcançá-los, crosslinking térmico (180 °C/60 min) em vez de crosslinking químico foi usado por primeira vez neste tipo de biomaterial, limitando a dissolução em água da matriz a base de ulvana e prevenindo a formação de complexos por crosslinking dos polissacarídeos durante o tratamento de estabilização. Espectroscopia de Infravermelho e microscopia eletrônica de varredura foram usadas para caracterizar a crosslinked matriz PVA5U2, antes e depois do tratamento, evidenciando a presença de nanofibras e grupos funcionais da ulvana. Nanofibras com um diâmetro incrementado de aproximadamente 30% foram observadas depois da exposição a água. As nanofibras fabricadas à base do polissacarídeo exibiram características que as transformam em um biomaterial biotecnológico altamente versátil.

Abstract: Electrospinning is a low cost and versatile electrostatic fiber fabrication technique, that let the production of nanofibers (fibrillar structures in the sub-micron range). Nanofibers exhibit large surface-to-mass ratio, high porosity and mechanical performance as the main features that become it suitable products for biotechnological purposes. Despite electrospinning be a versatile technique that let the production of fibers from different polymers, efforts are directed to replace synthetic by natural polymers, aiming to fabricate biocompatible and biodegradable products. Within the group of natural polymers, ulvan appears as the main sulfated polysaccharide isolated from green seaweeds of genus Ulva, showing several interesting biological properties that could be exploited in different fields. Nevertheless, significant difficulties have been associated to the production of ulvan-based spun fibers, adding the important challenges for applicability purposes because of the ulvan solubility in aqueous media. Considering the previous mentioned, studies aimed at finding strategies to achieve the production of functional ulvan-based spun fibers have scientific and technological interest. For this reason, the production of a spun ulvan-based mat, its stabilization in water, as well as, maintaining the polysaccharide functional groups availability in the biomaterial, as fundamental aspects for applicability purposes, became the main objectives in this work. A fibrous ulvan-based mat exhibiting nanofibers with an average diameter of 144 ± 33 nm, was fabricated from electrospun of an aqueous mixture, composed by poly(vinyl alcohol) (PVA) and ulvan (U) in a 5:2 mass ratio (PVA5U2). As expected from its composition, PVA5U2 readily disintegrated upon contact with water, preventing potential uses in aqueous systems. To prevent the instant dissolution of the ulvan-based fibers mat in an aqueous media, thermal crosslinking (180 °C/60 min) instead of chemical crosslinking was used for the first time in this type of biomaterial, limiting the ulvan-based electrospun mat dissolution in water and preventing the formation of polysaccharides crosslinking complexes during the stabilization treatment. Fourier Transform Infrared (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM) were used to characterize the crosslinked spun mat, before and after the treatment. Nanofibers with an increase in diameter of about 30% were observed after water exposition. The polysaccharide-based nanofibers that were fabricated exhibited characteristics that turn them into a highly versatile biotechnological biomaterial.