Aplikace elektrostaticky zvlákněných materiálů (dokončení – výrobci, trh)
Výroba polymerních nanovláken jinými způsoby 6.Přednáška – LS 15/16 Eva Kuželová Košťáková KNT, FT, TUL
FILTRACE
Air
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;
Zvuk pohltivé materiály
Basic fibrous material with the nanofibrous layers of different area densit ies (colored curves) vs. Basic mat erial without t he nanofibers (black curve)
1
0,8
0,6 0,4
0,2
0 100
1000
10000
f [Hz] basic material
nano-1 g.m-2
nano-0,5 g.m-2
nano-0,1 g.m-2
http://www.protext.cz/english/zprava.php?id=7674
Zemědělství Dávkování hnojiv
Membrány pro oděvnictví
Paropropustnost Ret 1,5 Pa.m2.W-1, hydrostatická odolnost 55 000 mm, 100% větruodolnost
Systémy s řízeným dodáváním léčiv
Tkáňové inženýrství
CO JE SCAFFOLD?
Dočasná konstrukce postavena kolem budovy pro „pohodlí“ práce zaměstnanců
Konstrukce pro pěstování buněk a tkání.
Scaffold Requirements FUNKCE SCAFFOLDU
VLASTNOSTI SCAFFOLDU
1
Nevyvolával zánětlivé reakce nebo toxické reakce in vivo.
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)…
rohovka
TEXTILIE V TKÁŇOVÉM INŽENÝRSTVÍ cévy svaly
játra nervy ledviny
Šlachy a vazy kůže
chrupavka
http://web.iitd.ac.in/~sourabhg/research.php
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.
PES nanovlákna a kmenové buňky
Nonwoven material
Textile scaffold
In vitro testing Electrospun material - PCL
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.456-463, 2006,
http://sites.google.com/site/biophysicsgroupucl/Home/recent-publications-1
Textilní výroba scaffoldů
Elektrostatické zvlákňování „orientovaná vlákna“
http://www.bio2.rwth-aachen.de/research/mey_2007.htm
E. Košťáková, KNT, FT, TUL
Nejpoužívanější materiály pro výrobu elektrostaticky zvlákněných materiálů užívaných v tkáňovém inženýrství: PLA – polylactid acid Kyselina polymléčná 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.
http://www.spellmanhv.com/en/About/Typical-Applications/Electrospinning.aspx
A scaffold production
In vitro – testing Implantation – in vivo testing
Textile scaffold foam
In vitro testing
Cytoplasts – red dots =is the inner part of the cell
Textile scaffold Nonwoven material
In vitro testing
Textile scaffold
In vitro testing Electrospun material - PCL
Textile scaffold
In vivo testing Normal and new cartilage
80x
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..
Výzkum na KNT Elektrostatické zvlákňování – scaffoldy pro tkáňové inženýrství (chrupavka)
Ing. Jiří Chvojka, Ph.D.
Vzorovaná vrstva z PCL
Patterned electrospun PCL - Nanospider
Electrospun PCL - Nanospider
Snímky z elektronového mirkoskopu
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
Sledování průchodu buněk skrz nanovlákenné vrstvy
Vrstva nanovláken
Vzorovaná vrstva nanovláken
Kultivační jamka Sklíčko Držáček Both electrospun layers have the same surface density 5g/m2.
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
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.
Kombinace 3D tisku a nanovlákenné vzorované vrstvy
PATTERNED PCL ELECTROSPUN LAYER
PRINTED PCL GRIDS
Kombinace 3D tisku a nanovlákenné vzorované vrstvy Poly--caprolactone 45.000Mw, Sigma Aldrich – melted for 3D printing and solved in chloroform/ethanol for electrospinning.
+ 3D printing
Electrospinning from stationary wire elecrode Nanospider TM
10 mm
SEM - Kombinace 3D tisku a nanovlákenné vzorované vrstvy
Vizualizace buněk
Day 28
Day 7
Day 1
3D printing
3D printing + electrospun layer
3D printing + patterned electrospun layer
3D printing + electrospun layer
3D printing + patterned electrospun layer
Day 28
Day 7
Day 1
Barevné kódování – vizualizace buněk
Blue colour = cells onto electrospun layers
3D printing + electrospun layer
3D printing + patterned electrospun layer
Presence of collagen II Patterned Electrospun layer
Day 28
Day 21
Day 14
Electrospun layer
Collagen II – green Cell nuclei - red
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
Výzkum na KNT Elektrostatické zvlákňování – scaffoldy pro tkáňové inženýrství (cévy)
PCL
Mgr. Jana Horáková, Ing. Petr Mikeš, Ph.D.
CS
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.
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: 139-149, 2013
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.773-781 (2010), ISSN: 08628408, IF =1.555 (11)
Kompozitní a nanokompozitní materiály pro tkáňové inženýrství
PĚNY
15.den
Přehled aplikací polymerních nanovláken
http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=1280
Přehled aplikací polymerních nanovláken
http://jbnu-eng.designmind.co.kr/include/subPage.php?pageID=ID13316201981
Přehled aplikací polymerních nanovláken
http://www.nano109.com/arge.php?argecategoryId=47&argeId=167
KONKRÉTNÍ VÝROBCI A VÝROBKY Z ELEKTROSTATICKY ZVLÁKNĚNÝCH NANOVLÁKEN PŘÍKLADY
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. http://www.nanovia.cz/
www.nanoSPACE.cz Lůžkoviny s nanovlákny, hračky
www.nanoSPACE.cz
prodejce
Ústenky, ústní roušky
výrobce
Nafigate Acne Invisible - produkt
https://www.youtube.com/watch?v=JnrUbkwIH34
9.5.2016 Zvaná přednáška Ing. Roman Knížek
NANOFIBER solution (Ohio, USA)
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).
Ohio, USA Scaffoldy pro tkáňové inženýrství sterilizované v kultivačních jamkách
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.
http://www.electrospinning.co.uk/
We can produce fibres with diameters ranging from 500 nm to about 5 μm. The larger the fibre diameter, the larger the pores.
Jižní Karolína, USA Filtrace vzduchu i kapalin
Jižní Karolína, USA stenty
stent
Vsuvka: stenty s nanovlákny http://blogs.scientificamerican.com/observations/2010/02/12/how-do-coronary-stents-work/
http://www.bioeng.nus.edu.sg/nanobio/new_technologies/HEM_technologies.htm
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
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 http://www.ikem.cz/www?docid=1003993
Produkty: MIMETIX (ceny březen 2014)
NÁHODNÁ ORIENTACE VLÁKEN
JEDNOSMĚRNÁ ORIENTACE VLÁKEN
Ohio, USA Filtrace vzduchu
