Materiály pro tkáňové inženýrství

Transkript

1 Materiály pro tkáňové inženýrství (Vlákenné nosiče) 8. přednáška Katedra netkaných textilií Fakulta textilní Technická univerzita v Liberci Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

2 Vlákenné materiály pro tkáňové inženýrství Textilní technologie výroby vhodné a využívané pro výrobu materiálů pro TI Vlákenné sítě a metody pojení vláken (Fibre meshes or fibre bonding methods): Naplavování výroby NT mokrou cestou (Wet laid technology); Elektrostatické zvlákňování (Electrospinning); Výroba netkaných textilií suchou cestou (Nonwoven manufacturing); Tkaní, pletení, vyšívání výroba krajek Weaving; Knitting; Embroidery; Kompozitní materiály Composite materials;

3 Vlákenné materiály používané pro TI 1. Přírodní hedvábí 2. Nanovlákna (PCL, PVA, PVGA, Chitosan, kolagen ) 3. Nanotrubice 4. Nanocompozitní materiály (nanovlákna s inkorporovanými částicemi (aktivní uhlí, hydroxylapatit, růstové faktory, lipozomy ) Rozdělení materiálů dle aplikace Vnější kryty ran Vnitřní implantáty, náhrady

4 Textilní výroba scaffoldů Vlákenný materiál přírodní vlákna, syntetická vlákna Délkové textilie Výroba netkaných textilií Tkaniny Pleteniny

5 Textilní materiály v tkáňovém inženýrství proč? Textilní materiály jsou extrémně všestranné (versatile) s možností přizpůsobení na míru (změna délky vláken, průměru vláken, technologie výroby, základní materiál atd.) a proto ideální pro povzbuzení buněk k vytváření nových tkání různých geometrií.

6 Textilní výroba scaffoldů Klasické textilní technologie Production of Nonwovens, Weaving; Knitting; Embroidery;

7 Textilní výroba scaffoldů Klasické textilní technologie 3D tkanina 3D structures were woven by interlocking multiple layers of two perpendicularly oriented sets of inplane fibres (x- or warp direction, and y- or weft direction) with a third set of fibres in the z-direction. a, Schematic diagram; b, surface view of the X Y plane (scanning electron microscope); c, cross-sectional view of the Y Z plane;d, cross-sectional view of the X Z plane. Porcine articular chondrocytes in a fibrereinforced 2% agarose (small pore scaffold) show a spatially uniform initial distribution of cells with rounded morphology (fluorescent labelling with calcein-am). A biomimetic three-dimensional woven composite scaffold for functional tissue engineering of cartilage; Franklin T. Moutos, Lisa E. Freed and Farshid Guilak Nature Materials 6, (2007)

8 Výroba plošných textilií Výroba netkaných textilií

9 Textilní výroba scaffoldů Elektrostatické zvlákňování Lidský vlas Bavlněné vlákno

10 Lily

11 Jirsák, O. Sanetrník, F. Lukáš, D. Kotek, V. Marinová, L. Chaloupek, J. (2005) WO A Method of Nanofibres Production from A Polymer Solution Using Electrostatic Spinning and A Device for Carrying out The Method. E general r r R r 2 R Er cos 1 2 r r R 2Ecos

12 33 m/min

13 Bubble Electrospinning Yong Liu, Ji-Huan He International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation, 8(3),2007

14 Textilní výroba scaffoldů Elektrostatické zvlákňování

15 Elektrostatické zvlákňování extrémně zředěných roztoků k tzv. perličkovému efektu. Viskoelastické síly v trysce jsou příliš malé k udržení vlákenné struktury. Rayleighova nestabilita V extrému = elektrospraying (např. voda)

16 Textilní výroba scaffoldů Elektrostatické zvlákňování Řízení orientace vláken

17 Výroba paralelních vláken a výroba nanopřízí pro použití v tkáňovém inženýrství

18 Take up and twisting setup Parallelization Take down Preparation for twisting Twisting Produced yarn Storing

19 PVA PVDF

20 Textilní výroba scaffoldů Elektrostatické zvlákňování treads

21 Textilní výroba scaffoldů Elektrostatické zvlákňování nitě Orientation of cell growing on different type of electrospun nanofiber webs a b c d Zhong, S., Teo, W., E., Zhu, X., Beuerman, R., W., Ramakrishna, S., Yung, L., Y., L.: An aligned nanofibrous collagen scaffold by electrospinning and its effects on in vitro fibroblast culture, Journal of Biomedical Materials Research Part A, pg , 2006,

22 Textilní výroba scaffoldů Elektrostatické zvlákňování orientovaná vlákna

23 Textilní výroba scaffoldů Elektrostatické zvlákňování orientovaná vlákna Representative DRG stained for neurofilament (green) after 3 days of culture on PLL coated A.) glass and B.) fibers. Scale bars = 200 μm.

24 Textilní výroba scaffoldů Elektrostatické zvlákňování porézní vlákna Příklad PLA chloroform (porézní vlákna), PLA chloroform, DMF (hladká vlákna)

25 Růst okolní vlhkosti znamená větší póry ve vláknech.

26 Textilní výroba scaffoldů Kompozitní nanovlákna Hybridní příze

27 Hybridní příze Jedna z možností výroby

28 Alternativa výroba dutých vláken Vlákna vyrobená koaxiálním el.zvlákňováním pro medicínu

29 Nanokompozitní materiály Nanokompozity jsou materiály složené ze dvou nebo více různých složek, z nich alespoň jedna se v materiálu vyskytuje ve formě částic o velikostech jednotek až desítek nanometrů. Většinou se jedná o nanočástice aktivní látky (tj. látky se zajímavými magnetickými, elektrickými a jinými vlastnostmi) rovnoměrně rozptýlené v inertní matrici. V našem případě se budeme bavit o nano/mikro částicích inkorporovaných v/mezi nanovlákna.

30 Nano/mikro částice je možné do/mezi vlákna inkorporovat následujícími způsoby 1) Koaxiálním zvlákňováním jako materiál jádra 2) Zvlákňování z polymerní disperze 3) Elektrickým naprašováním 4) Elektrickým sprejováním (nanokapsle, enkapsulace)

31 Koaxiální zvlákňování Koaxiální zvlákňování je metoda výroby nanovláken typu jádro/plášť. Tato metoda umožňuje zvlákňování materiálů, které jsou běžným způsobem nezvláknitelné. Oba materiály musí být vzájemně nemísitelné. Z toho důvodu je důležité vybrat vhodný plášťový materiál. Výhodou této metody je větší množství materiálu uvniř vláken oproti zvlákňování z disperze. Nevýhodou je poměrně složitý proces dávkování obou látek. Použití Cílená doprava léčiv s řízeným uvolňováním Inteligentní scaffoldy obsahující podpůrné látky (růstové faktory, lipozomy a pod)

32 Výroba bikomponentních vláken jádro-plášť jehlovým zvlákňováním Schematic illustration of the setup for electro-spun fibers having core/sheath structure. (a) The spinneret was manufactured from two coaxial capillaries, through which healing agent (core) and polymer solution(sheath) were simultaneously ejected to form a continuous coaxial jet. Two different SEM images of healing agent encapsulated fibrous structures; (b) beads on string and (c) smooth tube, respectively. Inset figure of Fig. (b) and (c) is schematic of corresponding core/sheath structures, respectively.

33 Jehlové zvlákňování 10% PCL - plášť, 9% PVA- jádro

34 Bez-jehlové zvlákňování Výroba bi-komponentních nanovláken typu jádro/plášť Plášť = zvláknitelný polymerní materiál Jádro = polymerní i nepolymerní materiál, pevné částice, léčivo, buňky Polymerní dvoj-vrstva Více Taylorových kuželů Vyšší produktivita

35 Výhody Zvláknění nezvláknitelných/obtížně zvláknitelných materiálů Inkorporace materiálů Dutá nanovlákna Převzato z: Dror, Y. and kol., One-Step Production of Polymeric Microtubes by Co-electrospinning, Journal of Applied PolymerScience, Vol.114, (2009) 50 µm Převzato z: Moghe, A. K., Gupta, B. S., Co axial Electrospinning for Nanofiber Structures: Preparation and Applications, Polymer Reviews, 48, (2008)

36 Zvlákňování z polymerní disperze Druhou možností výroby nanokompozitních materiálů je inkorporace nano/mikro částic do polymerního roztoku a následné elektrostatické zvlákňování. Výhodou této metody je možnost inkorporace částic desítek/jednotek nanometrů do nanovláken. Je možné inkorporovat jak prokariotní tak eukariotní buněčné kultury. Nevýhodou této metody je omezené množství materiálu (1-3%), které lze dispergovat, neboť se vzrůstajícím množstvím částic roste viskozita, která zabraňuje následnému zvlákňování. Další nevýhodou je, že částice mají snahu aglomerovat. Je proto nutná dostatečná dispergace částic například metodou ultrazvuku.

37 Koloidní částice polyanilínu (Vesmír 2011) Kvasinka inkorporovaná v nanovláknu PVA Nanoželezo inkorporované nanovlákenech z polyuretanu

38 Nanovlákenné materiály s inkorporovanými částicemi v mezivlákenném prostoru Částice nejsou uvnitř vláken, ale v prostoru mezi vlákny. To umožňuje značné zvýšení množství inkorporovaného materiálu. Částice nejsou překryté vrstvou polymeru což může být výhodou i nevýhodou. Omezení je ve velikosti inkorporovaných částic Nanokompozitni materialy, hydroxylapatit, aktivni uhli, antibakterialni uprava, 3D vrstvy

39

40 - Electrospraying Electrospraying Electrospraying is an old method for production of nano/micro droplets Depending on used polymer and solvent, it is possible to create submicron droplets with narrow distribution. Possibility of incorporation of liquit agents using coaxial electrospraying. Several parameters are responsible for production of small droplets with narrow distribution of its sizes.

41 Polyvinylpyrrolidone (PVP) PVP is water soluble, biocompatible and biodegradable polymer practically used in pharmaceutical industry. Ethanol or other polar solvents can be used as well for elecrtrospraying. Ethanol has low surface tension and low molar enthalpy of vaporization comparing to the water. It is not toxic and environmentally friendly solvent.

42 Průměr částic resp. vláken [nm] Electrospraying (PVP) Ethylalkohol- částice Ethylalkohol- vlákna Koncentrace [hm. %]

43 PVP with different molecular weights 40 ths m.w. 1% 3% 5% 360 ths m.w. 1% 3% 5% 1300 ths m.w. 1% 3% 5%

44 Inkorporaion of FITC-Dextran into PVP capsules

45 Combination of spraying and spinning

46 Polyvinylalcohol (PVA) Another polymer which can be used for drug delivery systems is polyvinyl alcohol. PVA is simle water soluble biocompatible and biodegradable polymer. It can be easily chemically modified due to its OH groups. Problem for PVA is its difficult solubility in alcohols. Maximally about 30 40% of ethanol can be added to water. More ethanol cause coagulation of PVA. Some other solvents like DMSO, DMAC or DMF can be used, But it is not very good choice for medical applications To find a good solvent for PVA is a key for future applications

47 Electrospinning by alternating voltage

48 Cetrifugal spinning

49 Výroba nanovláken metodou tažení (Drawing) Klasická metoda: elektrostatické zvlákňování» nanovlákenná vrstva Ze vzniklé vrstvy však nelze jednotlivá nanovlákna oddělit bez jejich poškození Drawing metoda: dloužení z kapky polymeru» ojednocená nanovlákna

50 POSTUP: A. Nanesení kapky polymerního roztoku na podkladový materiál Pohyb mikropipety, jehly nebo drátku směrem k okraji kapky B. Kontakt mikropipety s povrchem kapky polymeru C. Tažení vlákna z kapky polymeru určitou rychlostí, v závislosti na typu použitého polymeru - po nanesení kapky na podklad dochází k pomalému odpařování rozpouštědla a po několika minutách se kontaktní linie kapky stává více koncentrovaná - bez předchozího vypaření se kapalinový tok většinou rozpadá - výsledný průměr vlákna velmi závisí na přesném složení materiálu, rychlosti dloužení a rychlosti vypařování (případně chlazení)

51 Drawing pro taveniny: - teplota tání PTT poly(trimethyltereftalátu)= 225 C - teplota vyhřívací destičky kolem 250 C - kovová tyčinka je ponořena do taveniny a tažena zpět - tažené vlákno je rychle zchlazeno a dlouženo

52 Katedra netkaných textilií Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky