Elektrostatické zvlákňování – netradiční postupy AC electrospinning - zvlákňování pomocí střídavého zdroje napětí Wet-electrospinning – elektrostatické zvlákňování do kapaliny Electroblowing – elektrostatické zvlákňování pomocí přídavných proudění vzduchu
Zvlákňování střídavým proudem
DC – direct current
AC – alternating current
Stejnosměrný proud
Střídavý proud
transformer AC elektrické zvlákňování: Vysokonapěťový transformátor, Proudový chránič Dávkovací pumpa, tyčová elektroda 3
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, 349–354.
Title: AC Electrospinning
4
State of art Materials: Poly(vinyl pyrolidine) (PVP) (12% w/w) in 1-Butanol.
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, 349–354
5
State of art
Author
AC HV Supply
R. Kessick 7.5 kV, 2004 60 Hz
Experimental set-up
Materilals Conclusions
22-gaug syringe , grounded target, Distance 10 cm
PEO in water
r z 1/ 6 r 1/ 4
J.-H. He 2005 S. Sarkar 2007
10 kV, 500-103 Hz Maheshwari 6 kV, 2009 30 – 103 Hz
•Reduction of the fiber instability
27-gauge needle, drum collector
PEO in water
•variation in diameter
Needle, •0.15 - 0.5 mL/h PVP in Metallic collector, 1-Butanol •Strong Distance 2-4 cm, frequency dependence
PEO - poly(ethylene oxide), PVP - Poly(vinyl pyrolidine) 6
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 Rod spinning electrode Tyčová elektroda
230 V
Transformer transformátor 7
AC needleless collector-less electrospinning method
Experimental set-up
10 mm
+Termination - ukončení
- Termination
- middle phase
termination
Onset
+ middle phase
+Onset - počátek
Voltage, Current El. napětí, proud
Time čas
Doba mezi zánikem a vznikem nových trysek na kapce je jen 0,0006s _ 10hm% PVB v etanolu – 30kV AC
Onset
Physical principles Nanofibrous “train“ serves as a counter electrode Nanovlákenná „vlečka“ slouží jako protielektroda
Uroboros eating its own tail
Virtual counter electrode Virtuální protielektroda
Uroboros je starodávný symbol, který zobrazuje hada nebo draka požírajícího svůj vlastní ocas
- - Electric vind
+
+ +
t0
+
+
t0 + 0.005
Physical principles Nanofibrous “train“ serves as a counter electrode
12 mm
10 mm
Virtual counter electrode; collector Virtuální protielektroda; kolektor
11
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.
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.
Porovnání povrchové morfologie vláken AC (a) a DC (b) electrospinningu Měřítko 5m PVB PAN (d)
Změna průměru vláken po délce vlákna AC –červená DC - modrá
Příze z PVB nanovláken z AC elespin
Měřítka a) 50 m b) 500 m c) 10 m
Histogram průměrů vláken z AC elspin PVB
Hybridní nitě z AC a DC elektrického zvlákňování
DC AC
AC
AC
Wet electrospinning
Zvlákňovaný roztok
Zvlákňovaný roztok
Koagulační lázeň = kapalinový kolektor
Zvlákňování v kapalině http://www.nims.go.jp/imel/jp/group/15.php M. Egashira, T. Konnno and M. Kobayashi, J. Soc. Powder Technol., 44(2007)94-100
Zvlákňování do kapaliny
Wet electrospinning
http://www.youtube.com/watch?v=lDUy4vbZR-s
Wet electrospinning Klasický kolektor
Kolektor kapalinový
Yokoyama,Y., et al.:Materials letters, Vol. 63, pp.754-6, 2009
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).
CÍL – ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY
Cílem bylo vyrobit 3D strukturu zejména jako scaffoldu pro kolenní chrupavkové implantáty a najít co nejvhodněší kapalinu kolektoru.
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).
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).
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
Bimodal vlákenná struktura
Histogram of fiber diameters in the PCL fibrous material electrospun into the liquid collector (water/ethanol weight ratio 1:9).
ZVLÁKŇOVÁNÍ DO KAPALINY - VÝSLEDKY
Pro spontánní vnořování vláken do kapalinového kolektoru je nutné = = kontaktní úhel 0° Jinak jsou vlákna zachytávána na povrchu kapalinového kolektoru.
Pro spontánní vnořování vláken do kapalinového kolektoru je nutné = = kontaktní úhel 0°. Jinak jsou vlákna zachytávána na povrchu kapalinového kolektoru.
Pro spontánní vnořování vláken do kapalinového kolektoru je nutné = = kontaktní úhel 0°. Jinak jsou vlákna zachytávána na povrchu kapalinového kolektoru.
Pro spontánní vnořování vláken do kapalinového kolektoru je nutné = = kontaktní úhel 0°. Jinak jsou vlákna zachytávána na povrchu kapalinového kolektoru.
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.
CONLUSIONS -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 .
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
Wet electrospinning – tkáňové inženýrství
Yang, X., Wang, H.: Electospun functional Nanofibrous Scaffolds for Tissue Engineering, Tissue Engineering, chapter 8, Tissue Engineering, ISBN: 978-953-307-079-7
Další možnost uspořádání zvlákňování do kapaliny
http://iopscience.iop.org/1468-6996/12/1/013002/pdf/1468-6996_12_1_013002.pdf
3D nanovlákenné struktury
3D nanovlákenné struktury
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
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
http://electrospintech.com/electroblowing.html#.VQav9eHP0Vg
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
Electroblowing – elektrostatické zvlákňování v kombinaci s přídavným foukáním vzduchu Kyselina hyaluronová
Polymer Volume 46, Issue 13, 17 June 2005, Pages 4853–4867
Effect of air-blowing rate on the morphology of HA (Mw, of about 3.5 million g/mol) nanofibers from 2.5% (w/v) HA solution; (a) 35 ft3/h (61 °C), (b) 70 ft3/h (57 °C), (c) 100 ft3/h (55 °C), (d) 150 ft3/h (56 °C).
POZNÁMKA
PORÉZNÍ VLÁKNA
Morfologie povrchu vláken - hladký povrch nebo porézní povrch
Na morfologii povrchu elektrostaticky zvlákněných vláken má vliv: použitý polymer, aplikované napětí, rozpouštědlo a okolní podmínky.
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.
Růst okolní vlhkosti znamená větší póry ve vláknech.
EVA – polyetylen vinylalkohol (chloroform/etanol 9/1)
EVA – polyetylen vinylalkohol (chloroform/etanol 9/1)
PŘÍKLADY Zařízení pro elektrostatické zvlákňování na trhu
Elmarco (Česká republika) NS, NanospiderTM
Tři typy zvlákňovacích elektrod: Strunová statická elektroda Strunová rotační elektroda Válcová rotační elektroda
Elmarco (Česká republika) Laboratorní zařízení – zvlákňování ze struny
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=R01BLyqrWlQ http://www.youtube.com/watch?v=IRc120Ceq9o&feature=player_embedded
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=R01BLyqrWlQ
Contipro (Česká republika) 4SPIN®
CONTIPRO GROUP
CONTIPRO GROUP
Zvlákňovací elektrody
Kolektory
CONTIPRO GROUP
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.
CONTIPRO GROUP
4SPIN prezentační video http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=40WWABZJaY
SPUR (Česká republika) SPIN Line
http://www.spur-nanotechnologies.cz/video/Spur1.swf
MECC (Japonsko) Nanon
Zvlákňovací elektrody
Jehlová elektroda - klipová
Jehlová elektroda - koaxiální
MECC
Jehlová elektroda - Pro malá množství roztoku
KOLEKTORY
Deskový
Bubnový válcovitý
MECC
Diskový
Jádrovitý – pro výrobu tubulárních nanovlákenných útvarů
Prezentační video MECC http://www.youtube.com/watch?v=KBvHJs3A9k4&feature=player_ embedded
FNM (Irán) Nanorassam ® (průmyslová výroba) Electroris ® (laboratorní výroba)
Melt electrospinning
Electrospunra (Čína) Laboratorní – roztok Laboratorní – tavenina Ruční zařízení
TOPTEC (Jižní Korea) Zvlákňování z trysek
http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/23289.pdf
www.toptec.co.kr
NanoStatics (Ohio, USA) Zvlákňování z trysek
http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/23289.pdf NanoStatics Corporation has developed advancements in electrohydrodynamic spinning (EHS) technology for the production of high through-put nanofibers. - See more at: http://www.bioohio.com/directory/nanostaticscorporation/#sthash.tMkb3O7p.dpuf
Využití elektrostaticky zvlákněných materiálů Výběr aplikací
http://www.elmarco.com/nano/industry-applications
Ochrana Energetika a elektronika
Životní prostředí a biotechnologie
Proces elektrospinningu
Charakteristika finálních Bioinženýrství materiálů Výzkum ve světě týkající se elektrostatického zvlákňování – 2005 Ramakrishna S., An introduction to Electrospinning and Nanofibers
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
Systémy s řízeným dodáváním léčiv
Tkáňové inženýrství
Medical Textiles – Tissue Engineering
TEXTILIE V TKÁŇOVÉM INŽENÝRSTVÍ
rohovka
cévy
svaly
játra
nervy ledviny
Šlachy a vazy kůže chrupavka
http://web.iitd.ac.in/~sourabhg/research.php
Medical Textiles – Tissue Engineering A scaffold production
In vitro – testing Implantation – in vivo testing
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)…
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
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
Vybavení na KNT Laboratoř tkáňového inženýrství
