Influence of physicochemical arrangement on mechanical, morphological and biological properties of electrodeposited chitosan and chitosan : PEO thin films

Cathodic electrodeposition is a versatile bottom-up technique for the production of chitosan thin films. This study verified the possibility of a co-deposition in order to obtain thin films made of Chitosan blended Poly ethyilene Oxide in various ratio. With the same technique, the production of grid patterned chitosan films was successfully achieved only for a grid dimension of 100 μm x 400 μm. In both of the two conditions, the electrodeposition were optimized in term of solution preparation (citric acid and chitosan concentration), deposition time, galvanostatic or potentiostatic mode and post deposition treatment. A relation between citric acid and chemical structure of deposited samples was found by spectroscopic analysis. FT-IR and Raman Spectroscopy were used to characterized quantitatively the chemical arrangement of the molecules in the blends. H-bonds formations between chitosan and PEO were found as well as ionic interaction occurring between chitosan and citric acid molecules. This structure influenced both morphological and mechanical properties. More precisely, the morphological characterization was carried on with AFM Tapping Mode, Optical Microscope and SEM and a reduction of nanoroughness was measured increasing PEO content. The mechanical analysis was performed with AFM Tapping mode and Herzt model was applied in order to obtain the Young Modulus at nanometric scale. Here, a reduction of stiffness and elastic modulus was measured in sample with increasing PEO content. In addition, the similarity in the maximum and minimum stiffness trend and the homogeneous distribution in the stiffness maps were taken as evidences of the single-phase nature of the material (coherent with chemical structure hypothesized). Concerning the patterned samples, a relation between the area of the grid holes and the peeling off technique was found as well as no mechanical difference between patterned and smooth films were measured. Finally a preliminary analysis on films biological properties was performed with osteoblast-like SaOS2. The resulting low viability is still unclear and it may depends on the staining technique used.

L’elettrodeposizione catodica è un’innovativa tecnica bottom-up legata alla produzione di film sottili di chitosano. Questo lavoro ha verificato la possibilità di una co-deposizione di chitosano con poly ethyleneoxide (PEO) in varie concentrazioni. Allo stesso modo le potenzialità dell’elettrodeposizione sono state verificate nell’ambito della produzione di film con un pattern a griglia 100μm x 400μm. In entrambe le applicazioni, l’elettrodeposizione è stata ottimizzata in termini di soluzioni utilizzate (acido citrico e concentrazione di chitosano), tempo di deposizione, controllo galvanostatico o potenziostatico ed trattamento in NaOH. In particolare, è stata individuata una relazione tra la presenza di acido citrico e la struttura chimica. In questo senso, spettroscopie FT-IR e Raman hanno permesso di caratterizzare a livello quantitativo le caratteristiche e l’organizzazione delle molecole nei film. E’ stata individuata la formazione di legami a idrogeno tra chitosano e PEO così come di interazioni ioniche tra le molecole di chitosano e quelle di acido citrico. Questa struttura influenza sia le proprietà morfologiche che quelle meccaniche. Per quanto riguarda le caratterizzazione morfologica, AFM Tapping Mode, microscopia ottica e SEM mostrano una riduzione della rugosità a livello nanometrico aumentando la quntitità di PEO nei campioni. La caratterizzazione meccanica (AFM Tapping mode) mostra, invece, una riduzione della rigidezza e del modulo elastico (modello di Hertz) per elevati quantitativi di PEO. In più, lo stesso andamento della rigidezza massima e minima così come la distribuzione omogenea sui campioni, hanno verificato l’organizzazione dei due materiali in una sola fase (coerente con la struttura chimica proposta). Per ciò che riguarda i pattern, il mantenimento della forma è stato messo in relazione con il processo di distacco del catodo e nessuna differenza a livello meccanico è stata individuata in paragone a campioni continui. Infine, uno studio preliminare sulle proprietà biologiche è stato effettuato con una coltura di SaOS2. La bassa vitalità risultante è ancora poco chiara e probabilmente legata al tecniche di staining usate