The effect of various conditions of dehydrothermal crosslinking on the mechanical and structural properties of electrospun collagen nanofibers

Abstract

This work compares the possibility of dehydrothermal crosslinking of electrospun collagen nanofibers in the presence of atmospheric pressure or in a vacuum. This is further extended by the possibility of combination with chemical crosslinking, where the influence of the presence or absence of atmospheric pressure in the dehydrothermal process on the subsequent crosslinking by EDC/NHS was investigated. The degree of crosslinking was evaluated using a uniaxial tensile test from which the Young's modulus and ultimate tensile strength were evaluated. Moreover, a swelling and degradation test in an aqueous environment was carried out and the weight loss was monitored, the change in the internal structure was monitored using infrared spectrometry and the morphology which was evaluated by means of an image analysis of the scanning electron micrographs. Using these methods, a significant difference in the course of dehydrothermal crosslinking in the presence of atmosphere compared to vacuum and its dependence on time was shown. Also, the results showed the effect of the presence of the atmosphere during dehydrothermal crosslinking on the subsequent chemical crosslinking using EDC/NHS. A two-parametric mathematical models were created that describes the mechanical dependence between tension and relative elongation of electrospun and dehydrothermally crosslinked collagen nanofibers in the hydrated state. This work provides a comprehensive insight into crosslinking by dehydrothermal process and its effect on different levels of collagen structure.

Táto práca prináša porovnanie možnosti dehydrotermálneho sieťovania elektrozvláknených kolagénových nanovlákien v prítomnosti atmosféry nebo vo vákuu. To je ďalej rozšírene o možnosť kombinácie s chemickým sieťovaním, kde bol skúmaný vplyv pritupú lebo absencie atmosféry pri dehydrotermálnom sieťovaní na následne sieťovanie EDC/NHS. Miera zasieťovania bola vyhodnotená pomocou jednoosej ťahovej skúšky z ktorej bol vyhodnotený Youngov modul pružnosti a medz pevnosti v ťahu, bobtnacim a degradačným testom vo vodnom prostredí, pri ktorom bola sledovaná strata hmotnosti, zmena vnútornej štruktúry bola sledovaná pomocou infračervenej spektrometrie a morfológia ktorá bola vyhodnotená pomocou obrazovej analýzy SEM. Pomocou tých to metód bolo ukázaný signifikantný rozdiel na priebeh dehydrotermálneho sieťovania v prítomnosti atmosféry v porovnaní s vákuom a jej závislosť na čase. Taktiež výsledky ukázali vplyv prítomnosti atmosféry pri dehydrotermálnom sieťovaní na následne chemické sieťovanie pomocou EDC/NHS. Bol vytvorený dvoj parametricky model, ktorý popisuje mechanickú závyslislost medzi napätím a pomerným predĺžením elektrostaticky zvlákneného a dehydrotermálne zasieťovaného nanoštrukturovaného kľaganého materiálu v hydratovanom stave. Táto práca poskytuje komplexný pohľad na zosieťovanie pomocou dehydrotermálneho sieťovania a jeho vplyv na rôzne úrovne štruktúry kolagénu.