Preparation of plastic micro- and nanofibers by electrospinning for cell culture

Abstract

Plastic production has increased significantly over the decades and due to lack of proper and efficient waste management, it is estimated that millions of tons plastic waste ends up in oceans annually. Besides aquatic environments, plastic wastes are found in soils and uninhabited areas around the world. In nature, plastic is exposed to multiple factors that degrade plastic into the smaller pieces, micro-and nanoplastics. Plastic particles with diameter less than 5 mm are defined as microplastics and particles with diameter less than 1 µm as nanoplastics. Microplastics can be also manufactured originally to millimetric size for example to act as abrasives in skin care products. Environmental degradation of plastic is commonly divided in two categories: abiotic and biotic degradation. Microorganisms degrade plastic in biotic degradation. Other processes, such as thermal and mechanical degradations are classified as abiotic degradation. Micro- and nanoplastics are proven to end up in our food chain thorough seafood, but plastic particles are also found in other consumers as table salts and tap water. Globally contamination of food has raised public health concerns. Moreover, airborne microplastic increases the number of particles humans are exposed daily. Inhalation is notable exposure route besides ingestion. Methods to investigate microplastic are developed within the years and new imaging systems are developed to identify particles from different samples, such as sediment and biological samples. However, the field of microplastic research is still lacking the standardization, which complicates the comparison between different studies. At worst, results of the studies can be distorted due to contamination of the samples, when the sampling and separation is not performed with extra care. Microplastic exposure tests have been performed during the latest decade in laboratories and scientists are trying to understand all the mechanisms how micro- and nanoplastics might disturb systems in our body. Many studies have been performed by using commercially available polystyrene microspheres with different sizes. However, the range of polymeric materials and shapes are more complex in our environments. Notable part of microplastics is in the shape of fibers, which are usually detached from the textiles. The aim of this thesis was to investigate the possibility to manufacture cut and separated nanofibers from three common plastics: polyamide, polyethylene terephthalate, and polystyrene, for cell exposure studies. Fibers were produced by using electrospinning, and all the fiber samples were imaged using scanning electron microscopy. Also, the imaging parameters and the effect of the coating were studied. A mortar and cryomicrotome were used for cutting and breaking the fiber film to obtain separation of the fibers. Both methods were performed in frozen conditions. Liquid nitrogen was used to achieve brittle behavior of the plastic. The operating temperature of cryomicrotome was - 20°C. Mortar was suitable to cut and separate fibers from the film, but due to inefficiency of the method, the process needs improvements. Results were verified with scanning electron microscope imaging. Fibers were packed together as chunks when film was crushed in the mortar. Only a few fibers were cut and detached from the film. Cutting the film with cryomicrotome was challenging because the orientation of the film on the sample holder was impossible due to electrostatic forces and fragileness of the film. Moreover, the freezing of the sample with liquid nitrogen made the film bulge uncontrollable. Also, the distinguishing of the fiber film from the surrounding encapsulation compound was challenging due to similar color. Cut sections were imaged using SEM, but fibers were not identified from the samples and therefore the cut and separation of the fibers by using cryomicrotome could not be demonstrated.

Muovin tuotanto on noussut merkittävästi vuosikymmenten aikana ja sen takia myös muovijätettä syntyy maailmassa valtavia määriä vuosittain. Huonosta jätteenkäsittelystä johtuen on arvoitu, että vuosittain jopa kahdeksan miljoona tonnia muovijätettä päätyy meriin. Lisäksi muovijätettä päätyy maaperään ympäri maapalloa. Asutettujen alueiden lisäksi teollisesti tuotettua muovia on löytynyt syrjäisistä ja asuttamattomista paikoista, kuten jäätiköiltä ja vuoristoista. Luonnossa muovijäte altistuu erilaisille kemikaaleille, auringon valolle, lämmölle, mekaaniselle rasitukselle ja mikroeliöille, jotka hajottavat muovia mikro- ja nanomuoviksi. Mikromuoviksi luokitellaan partikkelit, joiden halkaisija on alle viisi millimetriä ja nanomuoviksi partikkelit, joiden halkaisija on alle yksi mikrometri. Mikromuovi voi olla myös alun perin valmistettu tähän kokoluokkaan. Esimerkiksi kuorivissa ihonhoitotuotteissa voidaan käyttää mikromuovirakeita. Luonnossa muovi hajoaa abioottisesti ja bioottisesti. Bioottinen hajoaminen tapahtuu mikro-organismien avulla. Abioottiseen lukeutuvat muut hajoamisprosessit, kuten mekaaninen ja kemiallinen hajoaminen. Tutkimuksissa on selvinnyt, että mikro- ja nanomuovia päätyy mereneläviin, kuten kaloihin ja simpukoihin, joita ihmiset syövät. Mereneläinten lisäksi, muovia on löydetty myös esimerkiksi suolasta sekä hana- ja pullovesistä. Tutkimukset ovat osoittaneet, että ihmiset altistuvat mikromuoveille myös hengitysteitse. Koska altistumisesta aiheutuvia mahdollisia haittoja ja pitkäaikaisvaikutuksia ei vielä kunnolla tunneta, tämä huolestuttaa tutkijoita ympäri maapalloa. Mikro- ja nanomuovien tutkimus- ja kuvantamismenetelmät erilaisista näytteistä ovat kehittyneet vuosien saatossa. Kuitenkin tutkimusalalta puuttuvat yleiset standardit, joten eri tutkimusten vertailu keskenään on haasteellista. Pahimmillaan standardien puuttuminen voi johtaa tulosten vääristymiseen, jos esimerkiksi näytteiden käsittelyssä ei noudateta erityistä huolellisuutta ja näytteet pääsevät kontaminoitumaan. Tutkijat ovat yrittäneet selvittää viime vuosien aikana, kuinka mikro- ja nanomuovi mahdollisesti häiritsee solujemme toimintaa. Mikromuoviin keskittyvissä altistuskokeissa käytetään usein polystyreeni palloja, joita on kaupallisesti saatavilla eri kokoisina. On kuitenkin huomioitavaa, että muoveja on hyvin erilaisia ja muodot vaihtelevat epäsäännöllisen muotoisista säännöllisiin. Erityisesti tekstiileistä irtoavat kuidut ovat merkittävä osuu mikromuoveista, joille altistumme päivittäin ilmateitse. Työssäni oli tavoitteena valmistaa katkottuja mikro- ja nanokuituja kolmesta yleismuovista solualtistuskokeita varten. Muoveiksi valittiin polyamidi, polyetyleenitereftalaatti ja polystyreeni. Kuidut valmistettiin sähkökehruulla ja kuidut kuvannettiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. Kuidut jäädytettiin nestetypellä ennen kuin niitä katkottiin morttelissa ja kryomikrotomilla. Kryomikrotomilla työskennellessä käyttölämpötila oli -20°C. Morttelilla saatiin kuitufilmistä irrotettua ja katkottua kuituja, mutta saatujen kuitujen määrä oli melko vähäinen. Nestetypen nopea haihtuminen sai muovikalvon lämpenemään nopeasti, jolloin suurin osa kuiduista vain pakkaantui tiiviisti yhteen, kun kuitukalvoa hierrettiin morttelissa. Kryomikrotomilla jäädytetystä näytteestä pystyttiin leikkaamaan leikkeitä, mutta kuitujen leikkaantuvuutta ei pystytty todistamaan, koska pyyhkäisyelektronimikroskooppinäytteestä ei löytynyt yhtään muovikuitua.