RECENZJA. rozprawy doktorskiej mgr inż. Michała Wojasińskiego. pt. Inżynieria rusztowań tkankowych otrzymywanych w procesie rozdmuchu roztworu

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Hanna Kierzkowska-Pawlak, prof. PŁ Politechnika Łódzka Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska ul. Wólczańska 213, Łódź Łódź, r. RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Michała Wojasińskiego pt. Inżynieria rusztowań tkankowych otrzymywanych w procesie rozdmuchu roztworu polimeru (Promotor: dr hab. inż. Tomasz Ciach, prof. PW) Wzrost zainteresowania zastosowaniem nano- i mikrowłókien polimerowych w wielu obszarach, takich jak elektronika, magazynowanie i wytwarzanie energii, inżynieria środowiska oraz inżynieria biomedyczna, sprzyja rozwojowi technik ich wytwarzania. Wśród nowych, obiecujących technik pozwalających na produkcję takich włókien z wydajnością większą niż tradycyjna metoda elekroprzędzenia, wymienia się między innymi metodę rozdmuchu polimeru. W niniejszej pracy doktorskiej autor skupia się nad doborem parametrów procesowych techniki rozdmuchu roztworu polimeru w celu otrzymania rusztowań tkankowych o zaprojektowanej strukturze przeznaczonych do regeneracji tkanek kostnych i tkanek naczyniowych. Poruszana problematyka wymaga interdyscyplinarnego podejścia z zakresu inżynierii chemicznej, chemii polimerów i nauk medycznych, a badania dotyczące możliwości sterowania właściwościami produktu w procesie jego wytwarzania techniką rozdmuchu polimeru stanowią ambitne i aktualne zagadnienie o dużym znaczeniu nie tylko w obszarze inżynierii tkankowej. Podjęcie tematu dotyczącego opracowania rozwiązań procesowych pozwalających na wytwarzanie określonych struktur włókien polimerowych w kontrolowanych warunkach jest uzasadnione i ma duży potencjał aplikacyjny. Rozprawa doktorska mgr inż. Michała Wojasińskiego pt. Inżynieria rusztowań tkankowych otrzymywanych w procesie rozdmuchu roztworu polimeru napisana jest w języku angielskim. Od strony formalnej praca doktorska została opracowana z typowym podziałem na część teoretyczną i doświadczalną. Opracowanie obejmuje 191 stron, z czego 70 stron to przegląd literatury, 1

2 natomiast materiały i metody, przedstawienie wyników i podsumowanie liczą również 70 stron. Całość otwiera zwięzłe 1-stronicowe streszczenie oraz kończy lista około 350 pozycji literaturowych, załączniki z wybranymi danymi pomiarowymi i informacja o źródłach finansowania badań. Rozdział pierwszy stanowi wprowadzenie do zagadnień inżynierii tkankowej. W kolejnym rozdziale autor omówił wymagania, jakie muszą spełniać biomateriały w formie rusztowań, aby zapewnić skuteczną regenerację tkanek. Szczególną uwagę zwrócił na materiały włókniste stanowiące obiecujący rodzaj takich biomateriałów. Rozdział 3 zawiera opis technik otrzymywania włókien polimerowych i ich zastosowań. Autor podkreślił, że technika rozdmuchu polimeru, będąca przedmiotem badań w ramach niniejszej rozprawy doktorskiej, umożliwia zwiększenie wydajności wytwarzania włókien w porównaniu do elekroprzędzenia i pozwala na łatwe powiększanie skali. Opis aktualnego stanu wiedzy zamieszczony w części teoretycznej zawiera elementy analizy wpływu właściwości roztworu i parametrów operacyjnych procesu rozdmuchu polimeru na średnicę włókien, z którego wynika, że problemy związane z przewidywaniem właściwości produktu nie są do tej pory rozwiązane. Rozdział 4 zawiera wnioski z przeglądu literatury. Podsumowując, przegląd aktualnego stanu badań dokonany w pracy jest wyczerpujący i świadczy o dużej wiedzy autora z zakresu technik wytwarzania, właściwości i zastosowań polimerowych materiałów włóknistych. W rozdziale 5 autor zdefiniował problem badawczy i zaproponował metody jego rozwiązania. Jasno określił cel i zakres planowanych badań. Doktorant sformułował dwie podstawowe tezy, w których zakłada, że (1) możliwe jest zaprojektowanie procesu rozdmuchu roztworu polimeru przez dobranie odpowiednich parametrów procesowych, tak aby otrzymać włókna o rozmiarach submikronowych, co powinno umożliwić wytworzenie włóknistych rusztowań użytecznych w inżynierii tkankowej oraz (2), że dla dowolnego roztworu polimeru istnieje tzw. okno przędzalności określające zakres stężeń roztworu, w którym zachodzi właściwe formowanie włókien. Takie praktyczne podejście do zagadnienia jest bardzo cenne i podjęcie interdyscyplinarnej tematyki w ramach pracy doktorskiej uważam za warte podkreślenia, gdyż wiąże elementy badawcze z aplikacyjnymi. Część doświadczalną rozpoczyna opis układu do prowadzenia procesu rozdmuchu polimeru oraz stosowanych metod eksperymentalnych. Do produkcji włókien wykorzystano roztwory dwóch polimerów: poli-l-kwasu mlekowego (PLLA) i poliuretanu (PU). Wybór materiałów nie był przypadkowy. Oba polimery charakteryzują się wysoką biozgodnością z tkankami człowieka. Biodegradowalny polimer PLLA przeznaczony jest do wytwarzania rusztowań w celu regeneracji tkanek, natomiast niebiodegradowalny PU do formowania trwałych rusztowań pełniących funkcję rekonstrukcyjną. 2

3 W celu wyznaczenia okna przędzalności roztworów, wykonano badania reologiczne dla szerokiego zakresu stężeń roztworów obu polimerów. Właściwości sprężystolepkie roztworów mają wpływ na morfologię i strukturę formowanych włókien polimerowych, dlatego też określenie tych właściwości jest niezwykle istotne w projektowaniu procesu wytwarzania włóknistych rusztowań tkankowych. Omawiana część pracy doświadczalnej obejmowała pomiary przy wykorzystaniu reometrii ścinającej i reometrii rozciągającej. Określono krzywe płynięcia dla każdego z testowanych roztworów, krzywe zmian lepkości w funkcji szybkości ścinania oraz czas relaksacji. Otrzymane dane posłużyły do obliczenia wartości liczb kryterialnych, liczby Debory (De) i liczby Ohnesorga (Oh), w celu analizy zakresu stężeń stosowanych polimerów, dla których zachodzi przędzenie włókien. Omówienie wyników zawiera określenie krytycznego stężenia polimeru, powyżej którego następuje gwałtowna zmiana właściwości reologicznych roztworu wynikająca z oddziaływań pomiędzy łańcuchami polimeru, co pozwala na skuteczne formowanie włókien. Wyznaczono okno przędzalności dla obu roztworów polimerów, odpowiadające odpowiednim zakresom wartości liczb De i Oh, co zostało dodatkowo potwierdzone badaniami za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. Po analizie tej części pracy nasuwają się następujące uwagi: Z zestawionych w załącznikach wykresów krzywych płynięcia wynika, że zastosowany zakres szybkości ścinania nie zgadza się z zakresami szybkości ścinania przedstawionymi na rys i 7.1.2, stanowiącymi interpretacje tych danych. Do danych doświadczalnych lepkości pozornej (rys i 7.1.2) dopasowano reologiczne równanie wykładnicze Carreau, i w pracy podano tylko jeden z parametrów modelu: lepkość przy zerowej szybkości ścinania. Nie podano wartości pozostałych parametrów reologicznych wynikających z dopasowania modelu do danych doświadczanych. Ponadto nasuwa się pytanie dlaczego wybrano akurat model Carreau i czy sprawdzono jakość dopasowania za pomocą innych modeli reologicznych. Bardzo proszę o komentarz. Pomiar właściwości sprężystych roztworów dla szerokiego zakresu stężeń polimeru był wykonywany trzykrotnie dla każdego roztworu. W pracy brakuje wyjaśnienia, dlaczego wartości doświadczalne zmierzone w trzech pomiarach dla tego samego roztworu różnią się istotnie między sobą, co prowadzi do wyznaczenia różnych wartości czasu relaksacji dla tej samej serii pomiarowej. W dalszej części pracy Autor skupił się na określeniu wpływu parametrów rozdmuchu polimeru na rozkład i średnią średnicę włókien. Doktorant zastosował technikę planowania eksperymentu (DoE), co pozwoliło na opracowanie przemyślanej metodyki badań i wykonanie 3

4 niezbędnej liczby pomiarów, co jest bardzo istotne ze względu na istotność statystyczną opracowanych w dalszej części pracy zależności korelacyjnych. Opierając się na planie badawczym Boxa-Benhena, pomiary średnicy włókien przeprowadzono według odpowiednich zestawów wartości trzech parametrów wejściowych: stężenia polimeru w roztworze, ciśnienia powietrza oraz szybkości podawania roztworu polimeru. Przeprowadzone systematyczne badania na roztworach polimerów PLLA i PU pozwoliły na określenie wpływu parametrów procesowych na średnicę włókien, oraz pozostałe cechy istotne z punktu widzenia ich dalszych zastosowań w inżynierii tkankowej, takie jak porowatość, wielkość porów, zwilżalność oraz makrostruktura otrzymanego rusztowania. Sprawdzono również cytotoksyczność włókien PLLA i PU w badaniach in-vitro oraz potwierdzono możliwość zastosowań zaprojektowanych struktur rusztowań włóknistych do regeneracji tkanek kostnych (włókna PLLA) oraz do konstrukcji protez naczyniowych (włókna PU). Ważnym wnioskiem wynikającym z pracy jest wykazanie, że na średnicę otrzymanych włókien mają wpływ głównie parametry związane z roztworem, czyli właściwości sprężystolepkie zależne od stężenia polimeru, a w nieznacznym tylko stopniu parametry procesu, czyli ciśnienie wypływu powietrza z dyszy i szybkość przepływu polimeru. Wpływ ten został opisany za pomocą empirycznej zależności, w której zmiennymi niezależnymi są bezwymiarowe stężenia roztworu polimeru, ciśnienia powietrza i szybkości przepływu polimeru. Opracowane zależności dla obu polimerów należy traktować jako wstępną propozycję ilościowego opisu danych w zbadanym zakresie parametrów. Dla obu polimerów otrzymano różne wartości wyrazu wolnego, mimo że pomiary były wykonane w tych samych warunkach aparaturowych (ta sama średnica dyszy i odległość wylotu z dyszy od powierzchni kolektora). Wyznaczone wykładniki potęgowe w tych zależnościach (równania 26 i 27) też różnią się dla badanych polimerów, co sugeruje, że włączenie do korelacji wielkości charakteryzujących właściwości sprężystolepkie w postaci odpowiednich liczb kryterialnych, np. stosowanej we wcześniejszej części pracy liczby Debory i liczby Ohnsorga, zamiast simpleksu stężeń, byłoby uzasadnione i pozwoliłoby na opracowanie bardziej uogólnionej zależności. Wnioskiem nieco zastanawiającym, w świetle informacji zamieszczonych w części teoretycznej jest wykazanie, że dla włókien PLLA średnica rośnie nieznacznie ze wzrostem ciśnienia i natężenia przepływu polimeru, natomiast dla włókien PU jest odwrotnie. Może w simpleksie ciśnienia należałoby uwzględnić prężność par nad roztworem polimeru? Powyższe uwagi mają charakter polemiczny. W dalszych próbach ilościowego ujęcia badanego procesu formowania włókien polimerowych należałoby zastosować pełniejszą metodę analizy wymiarowej i analizę globalną dla zbioru danych dla obu 4

5 polimerów, co pozwoliłoby na zwiększenie praktycznego wykorzystania takiej zależności kryterialnej dla innych układów. Jednym z ciekawych wyników pracy jest wykazanie, iż porowatość otrzymanych struktur włóknistych nie zależy od stężenia roztworu polimeru, a więc jest niezależne od średnicy otrzymanych włókien, co pozostaje w sprzeczności z wcześniejszymi doniesieniami literaturowymi. Podsumowując, badania wykonane przez Doktoranta wymagały znacznego nakładu pracy i charakteryzują się dużą systematycznością pozwalającą na ustalenie wpływu poszczególnych parametrów procesowych na proces wytwarzania włókien polimerowych do zastosowań medycznych. Autor wykazał, że proces rozdmuchu polimeru pozwala na wytwarzanie włókien o wymiarach submikronowych z dużą powtarzalnością dla tych samych parametrów procesowych. W badaniach zastosowano zaawansowane techniki pomiarowe i analizę statystyczną otrzymanych zależności. Do charakterystyki wytworzonych włókien stosowano elektronową mikroskopię SEM, hydrofobowość określono za pomocą pomiaru kąta zwilżania. Stosowano różne techniki reometryczne do oceny właściwości sprężystolepkich badanych roztworów polimerów. Ocena cytotoksyczności wymagała znajomości metod biologicznych. Ta duża różnorodność metod badawczych użytych w pracy i interpretacji uzyskanych w ten sposób wyników świadczy o bardzo dobrym przygotowaniu Doktoranta do prowadzenia prac w obszarze współczesnej inżynierii chemicznej. Praca imponuje konsekwencją w realizacji założonych celów i dojrzałą interpretacją uzyskanych wyników. Uważam, że recenzowana praca i przedstawione w niej wyniki mają duże znaczenie zarówno praktyczne jak i teoretyczne. Od strony redakcyjnej praca jest napisana poprawnie i starannie, zgodnie z obowiązującymi zasadami stosowanymi w pracach naukowych. Z drobnych uchybień należy wymienić: Błędne przeliczenie jednostki ciśnienia psi na MPa (5 psi=0,03 MPa a nie 0,3 MPa) na str. 59. Wiele rysunków i wykresów (np. 18 wykresów na jednej stronie w załączniku D1) jest nieczytelnych, opisy osi zbyt małe, co utrudnia ich odbiór i analizę. Zastosowano niejednolity sposób cytowania literatury w tekście. Czasami brakuje syntetycznego (w punktach) podsumowania wniosków płynących z przeprowadzonych analiz. Wnioski końcowe Przedstawiona przez mgr inż. Michała Wojasińskiego rozprawa pt. Inżynieria rusztowań tkankowych otrzymywanych w procesie rozdmuchu roztworu polimeru stanowi oryginalne rozwiązanie problemu naukowego, zaś Doktorant wykazał się wiedzą teoretyczną, umiejętnością planowania badań oraz samej pracy badawczej w laboratorium, analizy statystycznej danych oraz 5

6 krytycznej analizy wyników i przejrzystego przedstawiania rezultatów badań. Zakres przeprowadzonych systematycznych badań i analiz statystycznych jest szeroki, został on również częściowo przedstawiony w 4 pracach opublikowanych w czasopismach z listy JCR, i licznych materiałach konferencyjnych. Stwarza to podstawę do stwierdzenia, że przedstawiona do oceny rozprawa doktorska zawiera wartościowe elementy o charakterze poznawczym oraz, co warto szczególnie podkreślić, o znaczeniu praktycznym. Pracę uważam za poprawnie napisaną a zamieszczone w recenzji nieliczne uwagi mają charakter polemiczny. Stwierdzam, że całkowicie spełnione zostały wymagania Ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w dziedzinie sztuki (Dz. U. Nr 65, poz. 595 z późn. zm.), i wnioskuję do Rady Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej o dopuszczenie recenzowanej rozprawy doktorskiej mgr inż. Michała Wojasińskiego do publicznej obrony. Ze względu na liczne publikacje, podjęcie aktualnej i interdyscyplinarnej tematyki oraz wysoką jakość pracy zgłaszam wniosek o jej wyróżnienie. 6