Elektrostatické zvlákňování netradiční postupy

Transkript

1 Elektrostatické zvlákňování netradiční postupy AC electrospinning - zvlákňování pomocí střídavého zdroje napětí Wet-electrospinning elektrostatické zvlákňování do kapaliny Electroblowing elektrostatické zvlákňování pomocí přídavných proudění vzduchu

2 Zvlákňování střídavým proudem

3 DC direct current Stejnosměrný proud AC alternating current Střídavý proud transformer AC elektrické zvlákňování: Vysokonapěťový transformátor, Proudový chránič Dávkovací pumpa, tyčová elektroda 3

4 State of art Title: Assembly of Multi-Stranded Nanofiber Threads through AC Electrospinning Author(s): Maheshwari S. and Chang H.-C. Source: Adv. Mater. 2009, 21, Title: AC Electrospinning 4

5 Materials: Poly(vinyl pyrolidine) (PVP) (12% w/w) in 1-Butanol. State of art Conclusions: Strong frequency dependence extends the applicability of AC electrospinning. Increased stabilization and alignment of the resultant fibers S. Maheshwari and H.-C. Chang, Assembly of Multi-Stranded Nanofiber Threads through AC Electrospinning, Adv. Mater. 2009, 21,

6 State of art Author AC HV Supply Experimental set-up Materilals Conclusions R. Kessick 2004 J.-H. He 2005 S. Sarkar kv, 60 Hz 10 kv, Hz 22-gaug syringe, grounded target, Distance 10 cm 27-gauge needle, drum collector PEO in water PEO in water Reduction of the fiber instability r r z 1/6 1/ 4 variation in diameter Maheshwari kv, Hz Needle, Metallic collector, Distance 2-4 cm, PVP in 1-Butanol ml/h Strong frequency dependence PEO - poly(ethylene oxide), PVP - Poly(vinyl pyrolidine) 6

7 AC needleless collector-less electrospinning method Experimental set-up Production of nanofibres without any collector Výroba nanovláken bez kolektoru 0-30 kv AC 50 Hz d = (10-30)mm 230 V Rod spinning electrode Tyčová elektroda Transformer transformátor 7

8 AC needleless collector-less electrospinning method Experimental set-up 10 mm

9 - Onset - middle phase - Termination +Onset - počátek + middle phase +Termination - ukončení Voltage, Current El. napětí, proud termination Time čas Doba mezi zánikem a vznikem nových trysek na kapce je jen 0,0006s _ 10hm% PVB v etanolu 30kV AC Onset

10 Physical principles Nanofibrous train serves as a counter electrode Nanovlákenná vlečka slouží jako protielektroda Uroboros eating its own tail Uroboros je starodávný symbol, který zobrazuje hada nebo draka požírajícího svůj vlastní ocas Virtual counter electrode Virtuální protielektroda Electric vind t 0 t

11 Physical principles Nanofibrous train serves as a counter electrode 10 mm Virtual counter electrode; collector Virtuální protielektroda; kolektor 12 mm 11

12

13

14 The apparatus for AC electrospinning. (a and b) A schematic diagram and hotograph of the AC electrospinning set-up, consisting of a metal rod (3) used as the spinning-electrode. The electrode is supplied with a polymeric solution. This is done using a syringe, which is powered by a hydraulic transmission device (5) controlled by an infusion pump (2). The high voltage supply is provided by means of a transformer (1) and a variable transformer (4). The apparatus works without an electrically active collector.

15

16

17

18

19 Zvlákňování střídavým napětím v EGÚ, a.s. Běchovice EGU - HV Laboratory a.s. V současnosti KNT maximální napětí 30kV; 50Hz frekvence není potřeba kolektor, protože se to přitahuje k 0kV ve vzduchu. Pulzuje to, protože sinusovka prochízi také nulou a pak se zvětšuje a zmenšuje. Zvlákňovali PVA,PVB (to jsou ty ponožky ) o klasických koncentracích pro zvlákňování. Kolektor je u klasického zvlákňování stejnosměrným napětím potřeba, protože jinak se vše od těch vláken nabiji a pak už by to nepřitahovalo. Tady je vidět, že se nejprve vlákna odpuzuji - ony si zafixuji náboj se kterým vznikly a pak jak to jde výš a náboj se tam už střídá tak se přitahuji.

20 Porovnání povrchové morfologie vláken AC (a) a DC (b) electrospinningu Měřítko 5 m PVB PAN (d) Změna průměru vláken po délce vlákna AC červená DC - modrá

21 Příze z PVB nanovláken z AC elespin Měřítka a) 50 m b) 500 m c) 10 m Histogram průměrů vláken z AC elspin PVB

22

23 Hybridní nitě z AC a DC elektrického zvlákňování

24 AC DC AC AC

25 Wet electrospinning Zvlákňovaný roztok Zvlákňovaný roztok Koagulační lázeň = kapalinový kolektor Zvlákňování v kapalině Zvlákňování do kapaliny M. Egashira, T. Konnno and M. Kobayashi, J. Soc. Powder Technol., 44(2007)94-100

26 Wet electrospinning

27 Wet electrospinning Klasický kolektor Kolektor kapalinový Yokoyama,Y., et al.:materials letters, Vol. 63, pp.754-6, 2009

28 WET ELECTROSPINNING ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY Zvlákňování do kapaliny nabízí možnost vytvořit 3D strukturu a nebo zvláknit polymerní roztoky, které není jinak možné zvláknit (např. celulóza) Uspořádání klasického zvlákňování z jehly na rovinný uzemněný kolektor (vlevo) a zvlákňování do kapaliny (vpravlo).

29 CÍL ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY Cílem bylo vyrobit 3D strukturu zejména jako scaffoldu pro kolenní chrupavkové implantáty a najít co nejvhodněší kapalinu kolektoru.

30 ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY USPOŘÁDÁNÍ Poly- -caprolactone (PCL) 42,500 [Mn], Sigma Aldrich Inc. solved in chloroform/ethanol mixture (9:1 by weight), concentration 15 wt%. Jako kapalinový kolektor byla použita destilovaná voda, etanol a směsi voda/ etanol v objemových kombinacích (10:0; 9:1; 8:2; 7:3; 6:4; 5:5; 4:6; 3:7; 2:8; 1:9; 0:10).

31 ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY USPOŘÁDÁNÍ A scheme and a photo of the common dry needle electrospinning set-up (a), wet electrospinning (b) and the photo of the device used in experiments (c). The scheme represents the syringe connected with the feeding pump (1); metal hypodermic needle (2); metallic or liquid collector (3) and grounded high voltage source (4).

32 VÝSLEDKY Snímky z SEM PCL z roztoku chloroform/ethanol 9:1 do water/ethanol (1:9) kapalinového kolektoru(a); řez vrstvou a (b); PCL z rozpouštědel chloroform/ethanol 9:1 na kovový plech(c); PCL jen z chloroformu do water/ethanol (1:9) kolektor(d). Scale is 120 m on the left, 20 m in the middle and 10 m on the right side. PCL - polykaprolakton

33 Bimodal vlákenná struktura Histogram of fiber diameters in the PCL fibrous material electrospun into the liquid collector (water/ethanol weight ratio 1:9).

34 ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY - VÝSLEDKY Pro spontánní vnořování vláken do kapalinového kolektoru je nutné = = kontaktní úhel 0 Jinak jsou vlákna zachytávána na povrchu kapalinového kolektoru.

35 Pro spontánní vnořování vláken do kapalinového kolektoru je nutné = = kontaktní úhel 0. Jinak jsou vlákna zachytávána na povrchu kapalinového kolektoru.

36 Pro spontánní vnořování vláken do kapalinového kolektoru je nutné = = kontaktní úhel 0. Jinak jsou vlákna zachytávána na povrchu kapalinového kolektoru.

37 Pro spontánní vnořování vláken do kapalinového kolektoru je nutné = = kontaktní úhel 0. Jinak jsou vlákna zachytávána na povrchu kapalinového kolektoru.

38 RESULTS Scanning electron images of electrospun material: PCL fibers (from chloroform/ethanol 9:1 solution) wet electrospun into distilled water only. There were used 2.5 ml of PCL polymer solution, what is five times more than for production of other samples desribed here. Scale is 240 m.

39 -Bimodal fibrous structure of wet electrospun PCL material was described and explained - The condition for dipping of electrospun fibers into liquid collector was found and thus condition for 3D fibrous materials production too. -The PCL (from chloroform/ethanol 9:1 solution at 15wt%) wet electrospun into collector consisting of water/ethanol 1:9 mixture has been successfully tested. CONLUSIONS Scanning electrone images representing wet electrospun PCL fibrous material (electrospun into 9:1 ethanol/water solution) without cells (a) and the material with 3T3 fibroblasts after 2 (b); 7 (c) and 12 (d) days of incubation. The scale represents 110 m in (a) and (d) and 120 m in (b) and (c) micrograph

40 Wet electrospinning tkáňové inženýrství Yang, X., Wang, H.: Electospun functional Nanofibrous Scaffolds for Tissue Engineering, Tissue Engineering, chapter 8, Tissue Engineering, ISBN:

41 Další možnost uspořádání zvlákňování do kapaliny

42 3D nanovlákenné struktury

43 3D nanovlákenné struktury

44 Electroblowing elektrostatické zvlákňování v kombinaci s přídavným foukáním vzduchu Electroblowing NEBO gas jacket assisted electrospinning - Teplý nebo studený vzduch strhává vlákna a pomáhá je unášet směrem ke kolektoru - Zejména pro polymery s velkou molekulovou hmotností vysoké viskozity za normálních podmínek např. polymer kyseliny hyaluronové

45 Electroblowing elektrostatické zvlákňování v kombinaci s přídavným foukáním vzduchu Electroblowing NEBO gas jacket assisted electrospinning Jehlové (tryskové) uspořádání Příklad bezjehlového uspořádání Příklad electroblowingu z taveniny

46 Electroblowing elektrostatické zvlákňování v kombinaci s přídavným foukáním vzduchu Electroblowing NEBO gas jacket assisted electrospinning - Teplý nebo studený vzduch strhává vlákna a pomáhá je unášet směrem ke kolektoru - Zejména pro polymery s velkou molekulovou hmotností vysoké viskozity za normálních podmínek např. polymer kyseliny hyaluronové

47 Electroblowing elektrostatické zvlákňování v kombinaci s přídavným foukáním vzduchu Kyselina hyaluronová Polymer Volume 46, Issue 13, 17 June 2005, Pages Effect of air-blowing rate on the morphology of HA (M w, of about 3.5 million g/mol) nanofibers from 2.5% (w/v) HA solution; (a) 35 ft 3 /h (61 C), (b) 70 ft 3 /h (57 C), (c) 100 ft 3 /h (55 C), (d) 150 ft 3 /h (56 C).

48 POZNÁMKA PORÉZNÍ VLÁKNA

49 Morfologie povrchu vláken - hladký povrch nebo porézní povrch Na morfologii povrchu elektrostaticky zvlákněných vláken má vliv: použitý polymer, aplikované napětí, rozpouštědlo a okolní podmínky.

50 Morfologie povrchu vláken - hladký povrch nebo porézní povrch Příklad PLA chloroform (porézní vlákna), PLA chloroform, DMF (hladká vlákna) Důvod formování porézních vláken je vlastně fázová separace během vytvrzování vláken. Velmi rychlé vypařování rozpouštědla a kondenzace vlhkosti na povrchu vláken = tvorba nanopórů na povrchu vláken. Jen pro velmi těkavá rozpouštědla jako chloroform, tetrahydrofuran, aceton atd.

51 Růst okolní vlhkosti znamená větší póry ve vláknech.

52 EVA polyetylen - vinylalkohol (chloroform/etanol 9/1)

53 EVA polyetylen - vinylalkohol (chloroform/etanol 9/1)

54 PŘÍKLADY Zařízení pro elektrostatické zvlákňování na trhu

55 Elmarco (Česká republika) NS, Nanospider TM

56 Tři typy zvlákňovacích elektrod: Strunová statická elektroda Strunová rotační elektroda Válcová rotační elektroda

57 Elmarco (Česká republika) Laboratorní zařízení zvlákňování ze struny

58 Contipro (Česká republika) 4SPIN

59 CONTIPRO GROUP

60 CONTIPRO GROUP

61 Zvlákňovací elektrody CONTIPRO GROUP Kolektory

62 CONTIPRO GROUP Electroblowing Technika kombinující elektrostatické zvlákňování s prouděním vzduchu kolem zvlákňovací elektrody Umožňuje: - úpravu klimatických podmínek kolem zvlákňovací elektrody -Snížení viskozity (při zvýšené teplotě proudícího vzduchu) -Zvýšení rychlosti odpařování rozpouštědla -Ovlivnění morfologie nanovláken -Atd.

63 CONTIPRO GROUP 4SPIN prezentační video WABZJaY

64 SPUR (Česká republika) SPIN Line

65

66 MECC (Japonsko) Nanon

67 Zvlákňovací elektrody MECC Jehlová elektroda - klipová Jehlová elektroda - Pro malá množství roztoku Jehlová elektroda - koaxiální

68 KOLEKTORY MECC Deskový Diskový Bubnový - válcovitý Jádrovitý pro výrobu tubulárních nanovlákenných útvarů

69 Prezentační video MECC embedded

70 FNM (Irán) Nanorassam (průmyslová výroba) Electroris (laboratorní výroba) Melt electrospinning

71 Electrospunra (Čína) Laboratorní roztok Laboratorní tavenina Ruční zařízení

72

73 TOPTEC (Jižní Korea) Zvlákňování z trysek

74 NanoStatics (Ohio, USA) Zvlákňování z trysek NanoStatics Corporation has developed advancements in electrohydrodynamic spinning (EHS) technology for the production of high through-put nanofibers. - See more at:

75 Využití elektrostaticky zvlákněných materiálů Výběr aplikací

76 Ochrana Energetika a elektronika Životní prostředí a biotechnologie Proces elektrospinningu Bioinženýrství Charakteristika finálních materiálů Výzkum ve světě týkající se elektrostatického zvlákňování 2005 Ramakrishna S., An introduction to Electrospinning and Nanofibers

77 FILTRACE Air

78 Obvazové a krycí materiály Textilie z nanovláken mohou být použity ke krytí ran, kde zajišťují průnik kyslíku, odtok exsudátu a současně brání bakteriím ve vstupu do rány. Zároveň na ně mohou být navázány některé podpůrné látky, jako jsou antimikrobiální a hemostatické léčiva nebo léčiva urychlující hojení;

79 Zvuk pohltivé materiály Basic fibrous material with the nanofibrous layers of different area densities (colored curves) vs. Basic mat erial without t he nanofibers (black curve) 1 0,8 0,6 0,4 0, f [Hz] basic material nano-1 g.m-2 nano-0,5 g.m-2 nano-0,1 g.m-2

80

81 Zemědělství Dávkování hnojiv

82 Systémy s řízeným dodáváním léčiv

83 Tkáňové inženýrství

84 Medical Textiles Tissue Engineering TEXTILIE V TKÁŇOVÉM INŽENÝRSTVÍ rohovka cévy svaly nervy játra ledviny kůže Šlachy a vazy chrupavka

85 Medical Textiles Tissue Engineering A scaffold production In vitro testing Implantation in vivo testing

86 CO JE SCAFFOLD? Dočasná konstrukce postavena kolem budovy pro pohodlí práce zaměstnanců Konstrukce pro pěstování buněk a tkání.

87 1 FUNKCE SCAFFOLDU Nevyvolával zánětlivé reakce nebo toxické reakce in vivo. Scaffold Requirements VLASTNOSTI SCAFFOLDU Musí být biokompatibilní, netoxický a nekarcinogenní. 2 Napomáhat v růstu 3-D tkáně. Specifický tvar 3-D scaffoldu. 3 Rovnoměrné velká hustota nasazených buněk. Vysoká pórovitost a propojení mezi póry. 4 Poskytnut vhodný povrch pro adhezi a rozprostření buněk. Optimální chemické a povrchové vlastnosti použitého polymeru. Velký specifický povrch. 5 Podpořit proliferaci a migraci buněk celým scaffoldem. Optimální velikost pórů umožňuje buňkám pohyb a komunikaci. Dynamické nasazení buněk. 6 Přímá orientace buněk. Regulovatelná orientace vláken uvnitř scaffoldu; chemická úprava povrchu. 7 Umožňuje přísun živin a odstranění odpadních látek ze scaffoldu. Vysoká porozita a propojení mezi póry; kromě toho elasticita materiálu. 8 Biologická vstřebatelnost scaffoldu. Rychlost degradace se rovná rychlosti formování tkáně. Produkty degradace polymeru nesmí být toxické ani podporovat zánět in vivo. 9 Zachovat si tvar in vivo s dostatečnou mechanickou pevností. Scaffold má podobné mechanické vlastnosti jako rozvíjející se tkáň.!!! Biocompatibilní, biodegradabilní (pro většinu aplikací ovšem ne pro všechny), 3D otevřená porézní struktura, vhodné mechanické vlastnosti, dobrá sterilizovatelnost, dostatečná doba do rozkladu (pro biodegradabilní materiály)

88 PES nanovlákna a kmenové buňky

89 Nonwoven material Textile scaffold In vitro testing Electrospun material - PCL

90 Orientace růstu buněk na vrstvě z orientovaných a neorientovaných elektrostaticky zvlákněných nanovláken 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,

91

92 Nejpoužívanější materiály pro výrobu elektrostaticky zvlákněných materiálů užívaných v tkáňovém inženýrství: PLA polylactid acid Kyselina polymléčná E. Košťáková, KNT, FT, TUL PGA polyglycolic acid Kyselina polyglykolová PLGA copolymer of lactid and glycolic acid Kopolymer kyseliny polyglykolové a polymléčné PCL poly- -caprolactone Polykaprolakton Chitosan chitosan Gelatine želatina Collagen kolagen Etc. Atd.

93

94 Vybavení na KNT Laboratoř tkáňového inženýrství