Production of Chitosan-Based Non-Woven Membranes Using the Electrospinning Process

Le chitosane est un polymère naturel modifié produit à partir de la chitine, un des matériaux organiques le plus abondant dans la nature. Les applications biomédicales du chitosane tels que les échafaudages en génie tissulaire et les pansements d'aide à la cicatrisation ont beaucoup attiré l'attention ces derniers temps en raison de l'origine naturelle du chitosane et ses propriétés exceptionnelles telles que la biodégradabilité, la biocompatibilité et la non-toxicité. Les mats nanoporeuses de chitosane présentent les propriétés physico-chimiques spécifiques du matériau de base et bénéficient aussi des caractéristiques physiques de ces membranes en raison de leur morphologie et de grande surface spécifique. Réaliser ces structures en satisfaisant à des exigences essentielles telles que la flexibilité et une porosité élevée reste toujours difficile. L'électrofilage est une nouvelle technique développée récemment pour générer des fibres de polymères de taille nanométrique. Grâce à cette technique, des mats non-tissés poreux ayant une surface nettement élevée par rapport à la masse (généralement de 40 à 100 m2 Le but de ce travail est de fabriquer des membranes microporeuses non-tissées à base de nanofibres de chitosane pour des pansements de cicatrisation et pour filtrer les ions métalliques lourds de l'eau potable. Par conséquent, la préparation de nanofibres à haute teneur en chitosane à partir de solutions aqueuses est un objectif à atteindre pour ces applications. Dans cette thèse, deux approches ont été utilisées pour préparer les nanofibres à base de chitosane: l'électrofilage d'un mélange d'une solution de chitosane avec une solution facilement électrofilable telle qu'une solution aqueuse d'oxyde de polyéthylène (PEO) – et l'électrofilage co-axial des deux solutions. /g) sont produits. Toutefois, la capacité d'électrofiler le chitosane est limitée principalement en raison de sa nature polycationique et de sa structure chimique rigide. Plusieurs démarches entreprises pour préparer des nanofibres électrofilées de chitosane n'ont pas réussi car les membranes préparées sont facilement dissoutes dans des solvants aqueux neutres et faibles acide, les propriétés des nanofibres sont affaiblies à cause de l'importante quantité de l'agent de co-électrofilage ou parce que les procédés utilisant des solvants nocifs dont les résidus peuvent se retrouver dans le produit final sont des préoccupations importantes. Par conséquent, l'interprétation du comportement des phases et la miscibilité des solutions aqueuses acides de chitosane et de PEO et leurs mélanges est d'une importance cruciale, vi puisqu'une séparation de phases ayant lieu pendant le procédé d'électrofilage change grandement la morphologie et les propriétés physico-mécaniques des produits finaux. Premièrement, l'approche rhéologique a été utilisée sur une solution aqueuse de PEO bien caractérisée pour élaborer le protocole expérimental. En comparant les points critiques observés avec ceux obtenus par d'autres techniques expérimentales, nous avons montré que des mesures rhéologiques peuvent détecter de manière sensible les stades précoces de séparation de phases. Par conséquent, le procédé a été appliqué à des solutions de PEO, de chitosane ou du mélange des deux à différents ratios, dilués dans une solution d'acide acétique à 50% en masse. Ces solutions ont montré une température critique de solubilité inférieure (LCST) sur le diagramme de phase, qui est attribuée à l'existence de liaisons hydrogène entre les groupes actifs du chitosane, la chaîne principale du PEO et le solvant. Les températures de séparation de phase critiques des points binodaux et spinodaux ont été estimées à partir d'expériences isochrones en balayage de température. Les températures binodales obtenues confirment que les solutions de chitosane / PEO sont miscibles et stables à des températures modérées et que la séparation de phases a lieu à des températures plus élevées de 60 – 75 °C. Alors, nous voulions comprendre de manière approfondie les propriétés de la solution chitosane / PEO qui permet d'obtenir un électrofilage réussi, c'est à dire continu et stable, et qui produit des nanofibres sans défaut et uniformes, des fibres sans relief ou non-perlées. Les effets de la composition du mélange et de la concentration en acide acétique sur les propriétés telles que la tension de surface et la conductivité, sur la possibilité d'électrofiler ces solutions ont été étudiés. Un chitosane fortement désacétylé (DDA = 97,5%) dans une solution d'acide acétique à 50% a été utilisé, c'est le degré le plus élevé de désacétylation du chitosane pour lequel il a été signalé que la préparation de nanofibres de chitosane était possible. Les caractéristiques rhéologiques de la solution de chitosane et de PEO, étant des paramètres importants du procédé d'électrofilage, ont été examinées et leurs relations avec la possibilité d'électrofiler ou non sont été évaluées. Comme nous avons montré que les solutions chitosane / PEO sont miscibles et stables à des températures modérées, un dispositif modifié pour électrofiler à des températures modérées (25-70 °C) a été conçu, permettant d'atteindre une quantité maximale de 90% en masse de chitosane dans des nanofibres non-perlées de chitosane / PEO ayant des diamètres de 60-80 nm de diamètre. Il a également été constaté que l'augmentation du rapport chitosane / vii PEO de 50/50 à 90/10 a conduit à une réduction remarquable du diamètre des nanofibres de 123 à 63 nm à température ambiante. En outre, nous avons constaté que des températures de procédé modérées (40-70 °C) aident à stabiliser le processus électrofilage de ces solutions et à produire des nanofibres non-perlées. Cependant, à des températures plus élevées (70-80 °C), le jet électrofilé est devenu instable et des fibres avec une morphologie perlée ont été obtenues. Ce phénomène a lieu dans une même gamme de températures que celle de la séparation de phases, déterminée précédemment par des études rhéologiques. Donc, la séparation de phases des solutions induite par la température est considérée comme à l'origine de cette observation. D'autre part, une étude par spectroscopie infra rouge à transformée de Fourier (FTIR) sur des films obtenu par évaporation du solvant et des nanofibres du mélange chitosane / PEO obtenues à la température ambiante a montré la présence d'interactions par liaison hydrogène entre le chitosane et le PEO. Ceci pourrait être une autre indication de la miscibilité entre ces deux polymères en solution à des températures modérées. Enfin, afin d'éliminer l'étape de mélange, et pour réduire la quantité de chitosane utilisé et positionner le chitosane sur la surface extérieure des nanofibres en vue des applications visées, la technique d'électrofilage coaxial a été utilisée. En utilisant le procédé en une étape d'électrofilage coaxial, des nanofibres avec une structure coeur-enveloppe de PEO / chitosane ont pour la première fois été produites à partir de solutions aqueuses, le chitosane étant l'enveloppe (couche extérieure) et le PEO le coeur (couche intérieure). Des nanofibres uniformes et sans défauts de 100-190 nm de diamètre ont été produites. La nanostructure coeur-enveloppe et la présence de chitosane à la surface ont été confirmées par des images TEM obtenues avant et après le lavage à l'eau du PEO contenu. La présence du chitosane à la surface des nanofibres composites a aussi été confirmée par des analyses XPS. L'analyse de la composition, de manière générale ou locale, a été effectuée par thermogravimétrie (TGA) et par FTIR, respectivement, pour examiner l'homogénéité des nanofibres. De plus, il a été montré que les nanofibres de chitosane creuses ont pu être obtenues par l'extraction du PEO dans les nanofibres coaxiales de PEO / chitosane, ce qui pourrait être d'un grand intérêt dans des applications comme la purification du sang en hémodialyse.

Abstract

Chitosan is a modified natural polymer mainly produced from chitin, one of the most abundant organic materials in the world. Highly porous chitosan mats present the specific physicochemical properties of the base material and also benefit from the physical characteristics of nanoporous membranes. Electrospinning is a novel technique developed long time ago and revisited recently that can generate polymeric fibers with nanometric size. The ultimate purpose of this work is to fabricate microporous non-woven chitosan membranes for wound healing dressings and heavy metal ion removal from drinking water. In this dissertation, two approaches have been utilized to prepare chitosan-based nanofibers; blending and co-axial electrospinning of chitosan solution with a readily electrospinnable solution, i.e. an aqueous solution of polyethylene oxide (PEO). Consequently, understanding the phase behavior and miscibility of aqueous acidic solutions of chitosan and PEO and their blends is of crucial importance, as any phase separation occurring during the electrospinning process greatly changes the morphology and physico-mechanical properties of the final products. First we employed the rheological approach on a well-known aqueous PEO solution to develop the experimental protocol. By comparing these critical points with that obtained from other experimental techniques, we showed that rheological measurements can sensitively detect early stages of phase separation. Subsequently the method was applied to 50 wt% aqueous acetic acid solutions of PEO, chitosan and their blends at different ratios. These solutions showed a lower critical solution temperature (LCST) phase diagram that is attributed to the existence of hydrogen bonds between active groups on chitosan and PEO backbone and the solvent. Critical decomposition temperatures for binodal and spinodal points were estimated from isochronal temperature sweep experiments. The obtained binodal temperatures confirmed that chitosan/PEO solutions are miscible and stable at moderate temperatures and phase separate at higher temperatures of 60-75 °C. Then, we intended to obtain a thorough understanding of chitosan/PEO solution properties that lead to a successful electrospinning process, i.e. continuous and stable, and which produces defect free uniform beadless nanofibers. The effect of blend composition and acetic acid ix concentration on properties such as surface tension and conductivity and, ultimately, on electrospinnability were investigated. A highly deacetylated chitosan (DDA=97.5 %) in 50% acetic acid was used, which is the maximum deacetylated chitosan grade that has been reported for the preparation of electrospun chitosan-based nanofibers. The rheological characteristics of the chitosan/PEO solutions as a controlling parameter in the electrospinning process were examined and their relationships to electrospinnability presented. As we showed that chitosan/PEO solutions are miscible and stable at moderate temperatures, a modified electrospinning set up to electrospin at temperatures of 25-70 °C was designed to achieve content as high as 90 wt% of chitosan in beadless chitosan/PEO nanofibers of 60-80 nm in diameter. It was also found that increasing chitosan/PEO ratio from 50/50 to 90/10 led to a remarkable diameter reduction from 123 to 63 nm at room temperature. Additionally, we found that moderate process temperatures help to stabilize the electrospinning process of these solutions and produce beadless nanofibers. However, at higher temperatures, the electrospun jet became unstable and beaded fiber morphology was obtained. This phenomena occurs closely at the temperature range of phase separation, previously determined by rheology studies. Therefore, temperature-induced phase separation of these solutions is considered as the reason for that observation. On the other hand, an FTIR study at room temperature on cast films and nanofibers of chitosan/PEO blends at room temperature showed the presence of hydrogen bonding interactions between chitosan and PEO that could be an another indication of miscibility between these two polymers in solution at moderate temperatures. Finally, in order to remove the blending step, reducing the amount of chitosan used and also to put chitosan right on the outer surface of the nanofibers for further related applications, a co-axial electrospinning technique was employed. By using a one-step co-axial electrospinning process, for the first time core-shell structured PEO-chitosan nanofibers from aqueous solutions were produced in which chitosan is located at the shell (outer layer) and PEO at the core (inner layer). Uniform sized defect-free nanofibers of 100-190 nm diameter were produced. The core-shell nanostructure and existence of chitosan on the shell layer were confirmed by TEM images obtained before and after washing the PEO content with water. The presence of chitosan on the surface of the composite nanofibers was further supported by XPS studies. Bulk and local compositional analysis is performed by thermal gravimetry (TGA) and Fourier transform infra-red spectroscopy (FTIR) techniques, respectively, to examine the homogeneity of the nanofibers. x Additionally, it was shown that hollow chitosan nanofibers could be obtained by PEO washing of the co-axial PEO/chitosan nanofibers, which could also be of great interest in applications such as blood purification in hemodialysis.