Elektrické zvlákňování netradiční postupy

Transkript

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

2 POZNÁMKA PORÉZNÍ VLÁKNA

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

4 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.

5 Růst okolní vlhkosti znamená větší póry ve vláknech.

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

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

8 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

9 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

10 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

11 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).

12 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

13 Wet electrospinning

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

15 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).

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

17 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).

18 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).

19 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

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

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

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

25 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.

26 -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

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

28 Další možnost uspořádání zvlákňování do kapaliny

29 3D nanovlákenné struktury

30 3D nanovlákenné struktury

31 Zvlákňování střídavým proudem

32 DC direct current Stejnosměrný proud AC alternating current Střídavý proud transformer AC elektrické zvlákňování: Vysokonapěťový transformátor, Proudový chránič Dávkovací pumpa, tyčová elektroda 32

33 DC direct current Stejnosměrný proud AC alternating current Střídavý proud transformer AC elektrické zvlákňování: Vysokonapěťový transformátor, Proudový chránič Dávkovací pumpa, tyčová elektroda 33

34 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 34

35 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,

36 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 1/ 6 r z r 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) 36

37 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 37

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

39 - 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

40 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 wind t 0 t

41 Physical principles Nanofibrous train serves as a counter electrode 10 mm Virtual counter electrode; collector Virtuální protielektroda; kolektor 12 mm 41

42

43

44 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.

45

46

47

48

49 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.

50 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

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

52

53 Hybridní nitě z AC a DC elektrického zvlákňování

54 AC DC AC AC