Aplikace elektrostaticky zvlákněných materiálů (dokončení výrobci, trh) Výroba polymerních nanovláken jinými způsoby

Transkript

1 Aplikace elektrostaticky zvlákněných materiálů (dokončení výrobci, trh) Výroba polymerních nanovláken jinými způsoby 6.Přednáška LS 15/16 Eva Kuželová Košťáková KNT, FT, TUL

2 FILTRACE Air

3

4 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;

5 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

6

7 Zemědělství Dávkování hnojiv

8 Membrány pro oděvnictví Paropropustnost Ret 1,5 Pa.m2.W-1, hydrostatická odolnost mm, 100% větruodolnost

9 Systémy s řízeným dodáváním léčiv

10 Tkáňové inženýrství

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

12 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)

13 TEXTILIE V TKÁŇOVÉM INŽENÝRSTVÍ svaly rohovka cévy nervy játra ledviny kůže Šlachy a vazy chrupavka

14 Textilní výroba scaffoldů Textile scaffolds are extremely versatile (všestranný, přizpůsobivý) and therefore ideal, for encouraging cells to recreate the tissue geometry. Scaffolds can be knitted, woven, nonwoven, braided, embroidered or a combination of these techniques. They are easily adapted to meet the different cell requirements, for example by altering the fibre diameter and length or substituting the polymer.

15 PES nanovlákna a kmenové buňky

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

17 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,

18

19 Textilní výroba scaffoldů Elektrostatické zvlákňování orientovaná vlákna

20 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.

21

22 A scaffold production In vitro testing Implantation in vivo testing

23 foam Textile scaffold In vitro testing Cytoplasts red dots =is the inner part of the cell

24 Nonwoven material Textile scaffold In vitro testing

25 Electrospun material - PCL Textile scaffold In vitro testing

26 Normal and new cartilage Textile scaffold In vivo testing 80x

27 Textile scaffold In vivo testing Mag. 40x New cartilage Old cartilage Chondrocytes has to penetrated to the scaffold, created structures typical for cartilage (collage type II), has to treat osteochondral defects..

28 Výzkum na KNT Elektrostatické zvlákňování scaffoldy pro tkáňové inženýrství (chrupavka) Ing. Jiří Chvojka, Ph.D.

29 Vzorovaná vrstva z PCL

30 Electrospun PCL - Nanospider Snímky z elektronového mirkoskopu Patterned electrospun PCL - Nanospider X-ray micro-tomography of electospun PCL classic layer and patterned layers. Micro-CT was used to visualize difference in porosity on electrospun PCL. The object (darker) in the left part of image is a part of sample fixation. Rampichova, M. et al.: Cell Proliferation, 46 (2012)23 37

31 Sledování průchodu buněk skrz nanovlákenné vrstvy Vrstva nanovláken Vzorovaná vrstva nanovláken Sklíčko Kultivační jamka Držáček Both electrospun layers have the same surface density 5g/m 2.

32 Penetration of MSCs through electrospun layers. Průnik mezenchymálních kmenových buněk a) b) c) d) Confocal microscopic observation of penetrated cells. Confocal microscopic observation of cells penetrating through the nanofibrous layers of the 2D (c) and patterned (d) layer on day 7; cells were stained using DiOC6 (green colour) and propidium iodide (red colour). Colour-coded projection of cells adhered to the 2D (a) and 3D (b) scaffolds on day 7. Scale bar 200 micrometers. Rampichova M. et al.: Cell Proliferation, 46 (2012)23 37

33 Penetration of P3 (condrocytes) through electrospun layers. Průnik chondrocytů a) b) c) d) Confocal microscopic observation of penetrated cells. Confocal microscopic observation of cells penetrating through the nanofibrous layers of the 2D (c) and patterned (d) layer on day 7; cells were stained using DiOC6 (green colour) and propidium iodide (red colour). Colour-coded projection of cells adhered to the 2D (a) and 3D (b) scaffolds on day 7. Scale bar 200 micrometers.

34 PATTERNED PCL ELECTROSPUN LAYER Kombinace 3D tisku a nanovlákenné vzorované vrstvy PRINTED PCL GRIDS

35 Kombinace 3D tisku a nanovlákenné vzorované vrstvy Poly- -caprolactone Mw, Sigma Aldrich melted for 3D printing and solved in chloroform/ethanol for electrospinning. + 3D printing Electrospinning from stationary wire elecrode Nanospider TM 10 mm

36 SEM - Kombinace 3D tisku a nanovlákenné vzorované vrstvy

37 Day 28 Day 7 Day 1 3D printing 3D printing + electrospun layer 3D printing + patterned electrospun layer Vizualizace buněk

38 Day 28 Day 7 Day 1 3D printing + electrospun layer 3D printing + patterned electrospun layer Barevné kódování vizualizace buněk Blue colour = cells onto electrospun layers

39 Day 28 Day 21 Day 14 3D printing + electrospun layer 3D printing + patterned electrospun layer Electrospun layer Presence of collagen II Patterned Electrospun layer Collagen II green Cell nuclei - red

40 Conclusions 3D printed materials shows very low cell viability and proliferation = surface roughness of the printed grids Both electrospun materials (classical and patterned) provides a suitable environment for the growth of chondrocytes and promotes the synthesis of extracellular matrix. Scaffolds combining 3Dprinting and electrospun nanofibers shows very good cells viability. 3D printing provides suitable thickness of the sample and the patterned electrospun layers allows cells penetration into the scaffold. The structure stimulates chondrocytes to synthesize procollagen II. The 3D printed grid consists of a sparse structure which facilitates the penetration of the cell and supplying the scaffold mechanical resistance (strength) and provides sufficient space for the formation of new tissue. In-vivo test (rabbits) are in progress Future work bone regeneration combination 3D printing+electrospinning+sputtering of HAp

41 Výzkum na KNT Elektrostatické zvlákňování scaffoldy pro tkáňové inženýrství (cévy) PCL Mgr. Jana Horáková, Ing. Petr Mikeš, Ph.D. CS

42 Výzkum na KNT Elektrostatické zvlákňování scaffoldy pro tkáňové inženýrství (cévy) Mgr. Jana Horáková Endothelial cells growing on the inner wall of nanofibrous blood vessels, picture taken by Physiology Institute, Academy of Sciences under the leadership of Doc. MD. Bačáková, PhD.

43 Výzkum na KNT Kompozitní a nanokompozitní materiály pro tkáňové inženýrství ELEKTROSTATICKY ZVLÁKNĚNÁ NANOVLÁKNA Nanovlákna s integrovanými liposomy obohacenými růstovými faktory. Až do in-vivo testů (prasata) Filova, E.; Rampichova, M.; Litvinec, A.; Drzik, M.; Mickova, A; Buzgo, M.; Kost'akova, E; Martinova, L.; Usvald, D.; Prosecka, E.; Uhlik, J.; Motlik, J.; Vajner, L.; Amler, E.: A cell-free nanofiber composite scaffold regenerated osteochondral defects in miniature pigs; INTERNATIONAL JOURNAL OF PHARMACEUTICS; Volume: 447;Issue: 1-2;Pages: , 2013

44 Výzkum na KNT Kompozitní a nanokompozitní materiály pro tkáňové inženýrství NETKANÉ TEXTILIE Time-dependent acidification Rampichová M, Košťáková E, Filová E, Prosecká E, Ocheretná L, Lytvynets A, Lukáš D, Amler E. Nonwoven PGA/PVA Fibrous Mesh as an Appropriate Scaffold for Chondrocyte Proliferation; Physiol. Res.; Vol.59, Issue 5; pg (2010), ISSN: , IF =1.555 (11)

45 Kompozitní a nanokompozitní materiály pro tkáňové inženýrství PĚNY 15.den

46

47 Přehled aplikací polymerních nanovláken

48 Přehled aplikací polymerních nanovláken

49 Přehled aplikací polymerních nanovláken

50 KONKRÉTNÍ VÝROBCI A VÝROBKY Z ELEKTROSTATICKY ZVLÁKNĚNÝCH NANOVLÁKEN PŘÍKLADY

51 NANOVIA (Litvínov, ČR) Firma Nanovia s. r. o. je první firma v ČR a prakticky i první v Evropě disponující kapacitou pro průmyslovou výrobu nanovlákenných materiálů. Tuto kapacitu využívá pro výrobu bariérových textilií uváděných na trh pod vlastními obchodními značkami Nanovia AntiAllergy, Nanovia AntiMicrobe, Nanovia Waterproof a filtrační materiály Nanovia.

52 Lůžkoviny s nanovlákny, hračky

53 Ústenky, ústní roušky prodejce výrobce

54

55 Nafigate Acne Invisible - produkt

56

57 Zvaná přednáška Ing. Roman Knížek

58 NANOFIBER solution (Ohio, USA) Ohio, USA Scaffoldy pro tkáňové inženýrství sterilizované v kultivačních jamkách 6-Well culture plate. Nanofiber Matrix - 700nm diameter electrospun polycaprolactone (PCL). Aligned fiber matrix (NanoAligned, mimics white matter of the brain ), random orientation (NanoECM, mimics native decellularized tissue).

59 Oxford, UK Scaffoldy pro tkáňové inženýrství sterilizované v kultivačních jamkách The Electrospinning Company (OXFORD, UK) develops and manufactures electrospun polymer scaffolds, which provide an ideal environment for supporting the growth of cells in 3D. We sell a range of ready-to-use, sterile tissue culture plates containing the Mimetix scaffold for tissue engineering, regenerative medicine and drug discovery research. In 2013 we launched a 96-well plate containing the Mimetix scaffold, laser-welded by a proprietary process into the base for use in drug discovery, where more predictive in vitro 3D cell-based assays could reduce the rate of expensive clinical failures and replace certain animal studies. We also provide a bespoke scaffold development service where we can tailor the biomaterial or architecture to suit the application. We can produce fibres with diameters ranging from 500 nm to about 5 μm. The larger the fibre diameter, the larger the pores.

60 Jižní Karolína, USA Filtrace vzduchu i kapalin

61 stent Jižní Karolína, USA stenty

62 Vsuvka: stenty s nanovlákny Výhody stentu s nanovlákny - Minimální odpor při zavádění stentu - Podélně uspořádaná nanovlákna snižují tření mezi stěnou stentu a krevní cévy - Biologicky rozložitelný materiál, který se vstřebá v těle In-vitro studie prokázaly vynikající endothelizaci nanovlákenné povrchu (endotel buněčná vrstva vystýlající vnitřek cév) - Možnost začlenění léčiv do nanovláken

63 Co to je intrakoronární stent? Jedná se o jakousi výztužku tepny, která má strukturu složitého pletiva a je vyrobena ze speciální a velmi kvalitní oceli. Velmi zjednodušeně si ji lze představit jako pružinku na průpisce. Intrakoronární stent je ve svinutém stavu výrobcem namontován na nám již dobře známý balónkový katétr. Implantuje se nafouknutím balónku stejně jak bylo výše popsáno. obr. č. 3 Po sfouknutí a stažení balónku však zůstává vtlačen do stěny tepny, kterou vyztužuje a udržuje požadovaný průsvit (obr. č. 4). Zavedením stentů do běžné klinické praxe se výrazně zvýšila účinnost a bezpečnost prováděných PCI. Zvláštní skupinu tvoří poslední generace tzv. lékem potažených stentů, které jsou používány v některých specifických případech (viz níže). Během výkonu, zejména při roztahování, můžete pociťovat bolest nebo tlak na hrudi. Je to normální reakce na snížení průtoku danou tepnou, která rychle ustupuje po odstranění balónku. obr. č. 4

64 Produkty: MIMETIX (ceny březen 2014) NÁHODNÁ ORIENTACE VLÁKEN JEDNOSMĚRNÁ ORIENTACE VLÁKEN

65 Ohio, USA Filtrace vzduchu