Optymalizacja procesu elektroprzędzenia materiałów do zastosowań biomedycznych

Transkrypt

1 I Kongres Mechniki Polskiej, Wrszw, sierpni 2007 r. J. Kuik, W. Kurnik, W.K. Nowcki (Red.) n prwch rękopisu Optymlizcj procesu elektroprzędzeni mteriłów do zstosowń iomedycznych Tomsz Kowlczyk, Tomsz A. Kowlewski Instytut Podstwowych Prolemów Techniki PAN, Zkłd Mechniki i Fizyki Płynów, Wrszw Aleksndr Nowick, Dnek Elum Instytut Fizyki PAN, Zespół Fizyki Biologicznej, Wrszw Streszczenie: Przedmiotem dń jest nliz wpływu prmetrów prowdzeni procesu n przeieg elektroprzędzeni. Optymlizowno podstwowe prmetry procesu tj. konfigurcję elektrod, odległość pomiędzy dyszą z roztworem elektrodą zierjącą, stężenie polimeru, wydtek przepływu, ntężenie prądu i potencjł elektryczny. Proces monitorowno rejestrując orzy szyką kmerą CCD orz mierząc wrtość prądu przepływjącego przez ukłd. Proces optymlizowno nlizując jkość uzysknych włókien oserwownych pod mikroskopem. Przeprowdzono szereg dń eksperymentlnych pozwljących n prktyczne otrzymywnie włókien o pożądnych włściwościch dl celów iomedycznych. 1. WSTĘP Elektroprzędzenie nnowłókien wiąże się ściśle z dziedziną nnotechologii. Jest to jedn z niewielu metod efektywnego otrzymywni nnowłókien, tzn. rozciągni wyrnego mteriłu do średnicy poniżej 1 mikrometr. Powstwnie włókien, niezleżnie od stosownych mteriłów i technologii opier się n podstwowym zjwisku mechniki płynów, tworzeniu się strugi cieczy. Ciecz wypływjąc z otworu do drugiego nie mieszjącego się płynu (gzu lu cieczy) tworzy mniej lu rdziej regulrną strukturę cylindryczną. Mechniczne rozciągnie strug polimerowych to klsyczn metod produkcji włókien sztucznych. Grnic utrty stilności tkiego procesu wyzncz minimlną średnicę tworzonego włókn, któr wynosi około kilkdziesiąt mikrometrów. Wykorzystnie pol elektrycznego powoduje ndnie strudze ruchu wirowego i dzięki równomierności loklnego nprężeni rozciągjącego i zwielokrotnieniu drogi rozciągni umożliwi powstwnie włókien o średnicy od kilku do kilkunstu nnometrów. Zinteresownie nno-włókninmi wiąże się z perspektywą ich wykorzystni do tworzeni nowych mteriłów, lżejszych i rdziej wytrzymłych mechnicznie. Klsyczne mteriły stosowne w konstrukcjch mją n ogół gruozirnistą strukturę polikrystliczną, o stosunkowo częstych nieregulrnościch struktury i dyslokcjch. Nowe perspektywy stwrz wykorzystnie nnowłókien do tworzeni mteriłów o dronozirnistej strukturze, nie nrżonej n dyslokcje i chrkteryzujących się zncznie większymi siłmi spójności. Inn grup zstosowń to filtrcj głęok, nno-filtry iologiczne, mteriły n urni do zstosowń specjlnych[1], erodynmiczne profile z mteriłów o włsnościch pjęczyny unoszonej witrem, elementy nnoelektroniki, ktywne optrunki, systemy uwlnini leków, tworzenie nno-rusztowń dl inżynierii tknkowej, przyswjlnych implntów skóry lu tknek. Tkie nnowłókniny mogą yć wytwrzne stosunkowo prostą metodą elektrosttyczną. Z uwgi n te zstosowni temtyk elektroprzędzeni jest w centrum zinteresowni wielu ośrodków nukowych n świecie, zrówno uniwersyteckich (np. USA[2], Kore Płd.[3],Tjlndi[4]) jk i wojskowych[5]. W Polsce ook Zkłdu Mechniki i Fizyki Płynów IPPT PAN [6-9] temtyką elektroprzędzeni zjmuje się od kilku lt Ktedr Metrologii Włókienniczej Wydziłu Inżynierii i Mrketingu Tekstyliów PŁ [10]. Oprcownie metody optymlizcji procesu elektroprzędzeni, któr umożliwi zstosownie go do produkcji

2 nnowłókien, plikcji iotechnologicznych, iomedycznych i do inżynierii mteriłowej tworzeni mteriłów o zdnych włsnościch mechnicznych. Zdne mteriły mogą znleźć zstosownie do odudowy zniszczonej skóry lu tknek, tkże jko filtry iologiczne i urni ochronne zezpieczjące przed groźnymi choromi wirusowymi (ptsi gryp, SARS i inne) 2. MATERIAŁY Przeprowdzono dni z zstosowniem nstępujących typów polimerów: PEOX poli(tlenek etylenu) wzorcowy, iodegrdowlny polimer. Polihydroksykwsy - PHB poli(3-hydroksymśln), PHBV (poli(3-hydroksymśln-cohydroksywlerinin), PCL poli(kprolkton), są to mteriły iodegrdowlne i o dorej iozgodności, wiążą się z nimi perspektywy tworzeni systemów iomedycznych lu systemów uwlnini leków. Kompozytowe systemy zwierjące PEOX, który ył nstępnie wymywny z uzysknych nnowłókien. Polimer ten mił z zdnie lo wytworzenie struktury nnoporowtej (z PCL), lo uzysknie włókn z mteriłów niewłóknotwórczych (iłk). Kompozytowe systemy zwierjące iłk (BSA lumin surowicy wołowej) i PEOX perspektywy tworzeni systemów uwlnini leków lu systemów dignostycznych. 3. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Zsdniczym elementem stnowisk do tworzeni strug cieczy jest dysz umożliwijąc kontrolowny wypływ cieczy do ośrodk. W dnich prowdzonych nd zjwiskiem elektroprzędzeni ten element stnowisk, krytyczny w klsycznych strugch, odgryw rolę drugorzędną. Podstwowym mechnizmem sterującym ruchem cieczy jest pole elektryczne utworzone między dyszą wypływową okolicą odioru nnowłókn. Stnowisko wykorzystywne w prowdzonych dnich skłd się z pipety z cieczą podwną mikro-pompą strzykwkową, zsilcz wysokiego npięci (5-30kV), elektrody zierjącej, oświetlcz, szykiej kmery cyfrowej (HS1200 firmy PCO), komputer rejestrującego orzy i miernik prądu w zkresie nnomperów. Otwór wypływowy dyszy pipety m średnicę ok. 1mm odległość do elektrody zierjącej wynosił około 15 cm. Przepływ w pipecie zsiljącej jest tk dorny y znjdując się tm ciecz znjdowł się w stnie równowgi z siłmi grwitcji i elektrosttycznymi, zpoiegjąc ndmiernemu wypływowi. Ziernie mteriłu n elektrodzie do dlszej nlizy relizowno przez pokrywnie jej foli luminiową lu zierjąc włókn ezpośrednio n szkiełku mikroskopowym. Dl zpewnienie równomiernego pokryci powierzchni zierjącej mteriłem włóknistym w części dń wykorzystywno jko elektrodę zierjącą wlec o metlizownej powłoce orcny silnikiem elektrycznym i wykonujący periodycznie ruch posuwisty. Pole elektryczne o ntężeniu ok. 25kV/m przyłożone miedzy dyszą elektrodą zierjącą powoduje utworzenie się u jej wylotu tzw. "stożk Tylor [11], czyli stożkowej kropli zkończonej cienką strugą. W niewielkiej odległości od dyszy prostoliniowy odcinek tej strugi uleg pierwszej perturcji, gwłtownie zmienijąc kierunek ruchu. Oddziływnie pol elektrosttycznego indukuje nstępnie wirowy ruch strugi, powodując jej silne rozciągnie w mirę oddlni się od dyszy. Mechnizm oddziływni sił elektrosttycznych n krople i strugi wiąże się z indukowniem łdunków elektrycznych w przewodnikch i dielektrykch. Efekt odpychni elektrosttycznego zleży od indukownej różnicy potencjłu t rośnie liniowo z wielkością oiektu. Śledzenie wirującej w polu elektrycznym strugi pokzuje, że wskutek zncznego przyspieszeni jej elementów i zwielokrotnieni długości toru m miejsce rozciągnięcie struktur cieczy o wiele rzędów wielkości. Dokłdniejszy opis procesu wymg uwzględnieni zjwisk lepkich, oporu erodynmicznego, dyfuzji łdunków elektrycznych i wpływu indukownego ruchem łdunków pol elektrycznego. Nie jest to zdnie łtwe i dotychczs rk pełnego modelu nlitycznego czy nwet numerycznego oddziływni strugi cieczy lepkiej z polem elektrycznym. W Zkłdzie Mechniki i Fizyki Płynów IPPT PAN rozwijny jest model numeryczny elektroprzędzeni [6], który wykorzystuje opis procesu zproponowny w

3 prcch [12-13]. Wykonne z wykorzystniem tego modelu symulcje numeryczne procesu pozwoliły n ocenę wpływu wyrnych prmetrów n geometrię tworzonej wiązki (rys. 1). c Rys.1 Przykłd symulcji numerycznych procesu tworzeni włókn metod elektrospinningu; wpływ potencjłu elektrycznego: ) 10 kv, ) 7.5 kv, c) 5 kv. Pozostłe prmetry procesu pozostwiono ez zmin. Przeprowdzono porównnie wyników symulcji numerycznych i eksperymentlnych orzów toru włókn uzysknych z zstosowniem szykiej kmery. Ewlucj przeiegł pozytywnie i świdczy o dlszej możliwości rozwijni modelu numerycznego. 0,650 0, ,5 0,550 0, ,5 0,400 0,350 0,300 3 I [ua] I[uA] 0,450 0,250 0,200 0,150 2,5 2 1,5 1 0,100 0,050 0,5 0, d[mm] , , , ,5 30 D[cm] Rys.2 Przykłd nlizy przepływu prądu w zestwie doświdczlnym podczs elektroprzędzeni roztworu polimeru (PEOX): ) upływ prądu jko funkcj położeni elektrody w pipecie ) przepływ prądu podczs elektroprzędzeni roztworu PEOX jko funkcj odległości pipety od elektrody zierjącej. Do dni geometrii i struktury ziernych nnowłókien ook mikroskopu optycznego korzystno z mikroskopii elektronowej i mikroskopu sil tomowych (AFM), ędących n wyposżeniu współprcujących instytutów. Bdni mikroskopowe korelowno z oserwcjmi optycznymi procesu. W tym celu nlizowno geometrię strugi wykorzystując orzy zrejestrowne szyką kmerą. Przeprowdzone testy oejmowły nlizę wpływu szeregu czynników n przeieg procesu, tkich jk skłd roztworu, przewodnictwo elektryczne roztworu, geometri ukłdu pipet elektrod, geometri elektrody zsiljącej i zierjącej, wydtek cieczy, przepływ prądu (rys. 2). Pozwoliło to n zdefiniownie prmetrów optymlnych dl dnego eksperymentu. Nleży zwrócić uwgę, że proces elektroprzędzeni m chrkter chotyczny. Niewielkie zminy prmetrów, przypdkowe i trudne do kontrolowni zurzeni powodują, że włókn w ogóle nie powstją i

4 dochodzi do tomizcji strugi. Dltego doór włściwych prmetrów i kontrol stilności procesu jest jednym z istotnych prolemów elektroprzędzeni, którego rozwiąznie wymg wykonni dużej liczy żmudnych dń prmetrycznych. Rys. 3 Zrejestrowny mikroskopem elektronowym orz nnowłóknien otrzymnych z mteriłu kompozytowego poli(tlenek etylenu)/poli(kprolkton) 1:1. Włókn uzyskne dl wydtku roztworu: ) 0.5 ml/h, ) 1 ml/h. Widoczne defekty (korliki) w próce (). W wyniku przeprowdzonych dń znleziono wrunki optymlne do otrzymywni włókien z polimerów iodegrdowlnych: PCL, P(3HB), PHBV (poli(3-hydroksymśln-co-hydroksywlerinin). Dorno odpowiednie do produkcji włókien z polimerów rozpuszczlniki, npięcie, stężenie polimeru i szykość wypływu roztworu polimeru z dyszy. W rezultcie otrzymno włókn o rozmirch kilkdziesiąt do kilkuset nnometrów, pozwione defektów typu korliki n sznurku (rys.3). Rys.4 Nnowłókn wykonne z mteriłu kompozytowego poli(tlenek etylenu)/lumin, wyrwione z użyciem FITC (izocyjninu fluoresceiny). Wymir zdjęci odpowid 180um, orz wykonny z użyciem filtrów fluorescencyjnych dl FITC (ex , em 505, źródło świtł wysokociśnieniow lmp rtęciow).

5 Rys.5 Nnowłókno wykonne z mteriłu kompozytowego poli(tlenek etylenu) i widoczne n orzie kropki kwntowe ZnO wprowdzone do włókien jko wskźniki. Orz otrzymny mikroskopem fluorescencyjnym (ex 360 nm ± 40 nm, em 470 nm ± 40 nm). Eksperyment wskzuje, że mterił nnowłókien nie niszczy wskźników ZnO. W rmch pró wykorzystni nnowłókien do udowni systemów uwlnini leków i systemów dignostycznych przeprowdzono eksperymenty z wykorzystniem iłek jko mteriłu elektroprzędzonego. Włókn otrzymne z luminy (iłk gloulrnego) miły zncznie oniżoną rozpuszczlność w wodzie (rzędu 100 h w porównniu do sekund dl mteriłu przed elektroprzędzeniem). Włókn uzyskne z luminy wyrwiono stosując FITC (izotiocyjnin fluoresceiny) i oserwowno fluorescencję w świetle UV (rys. 4). Włókn te mogą yć przydtne do tworzeni ukłdów FRET (Fluorescence Resonnce Energy Trnsfer) dl dignostyki medycznej n poziomie komórkowym. Wykonno również nnowłókn zwierjące kropki kwntowe ZnO zwieszone w mterile włókn. Uzyskno orzy fluorescencyjne tkich włókien (rys. 5). Mteriły tego typu mogą znleźć podone zstosownie jk włókn z wyrwionej fluorescencyjną luminy, le dzięki zstosowniu kropek kwntowych znczniki są zncznie stilniejsze i nie wykzują efektu wypleni rwnik fluorescencyjnego. Elektroprzędzone nnowłókn są dorym rusztowniem nśldującym udowę nturlnej tknki. Podjęto próę wykorzystni nnowłókien jko mteriłu do udowy rusztowni tknkowego z mteriłu kompozytowego mieszniny PEOX i PCL 1:1. Przeprowdzono próy wymywni skłdnik rozpuszczlnego w wodzie (PEOX), proces oserwowno z użyciem szykiej kmery. Stwierdzono zchownie struktury włókien. Pośrednio stwierdzono również rozpuszcznie PEOX i powstwnie struktury porowtej, ułtwijącej umocownie komórek tknkowych. 4. WNIOSKI Przeprowdzono dni nd optymlizcją procesu elektroprzędzeni nnowłókien stosując wieloprmetrową nlizę eksperymentlną. Przeprowdzono również pozytywną ewlucję modelu numerycznego procesu elektroprzędzeni. Wykonno mteriły z nnowłókien z polihydroksykwsów P(3-HB), PCL, PHBV o potencjlnym zstosowniu iomedycznym. Wykonno mteriły kompozytowe z PEOX i :PCL, iłk luminy, orz z zwrtością kropek kwntowych z ZnO. Uzyskne mteriły mogą znleźć zstosownie w systemch dignostycznych, do udowy rusztowń komórkowych lu do systemów uwlnini leków. Summry in English: An experimentl study ws imed to perform multi-prmeter optimistion of the electrospinning process. Mthemticl model of the process ws evluted. Nnofirous mterils produced from polyhydroxyesters, proteins nd solule polymers were evluted s potentil mterils for drug delivery systems, tissue scffolds or for io-medicl dignostic.

6 Podziękowni Bdni yły częściowo finnsowne z grntu MNiI pt. Optymlizcj procesu wytwrzni nnowłókien metodą elektroprzędzeni Nr N /1740. Bdni nd iokomptyilnością włókien polimerowych wykonywne są we współprcy z zespołem prof. A.R. Boccccini z Imperil College (UK). Biliogrfi [1] A.L. Yrin, Electrospinning of nnofiers from polymer solutions nd melts, Lecture Notes 5, IPPT PAN nd CoE AMAS, Wrsw, [2] E.R. Kenwy, J. M. Lymn, J. R. Wtkins, G. L. Bowlin, J. A. Mtthews, D. G. Simpson, G. E. Wnek, Electrospinning of poly(ethylene-co-vinyl lcohol) fiers, Biomterils 24, , 2003 [3] W. K. Son, J. H. Youk, T. S. Lee i W. H. Prk: Effect of ph on electrospinning of poly(vinyl lcohol) Mterils Letters 59, , 2005 [4] P. Wuttichroenmongkol, P. Supphol, T. Srikhirin, T. Kerdchroen, T. Osotchn, Electrospinning of Polystyrene/poly(2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene vinylene) Blends, Journl of Polymer Science: Prt B: Polymer Physics 43, , 2005 [5] P. Gison nd H. Schreuder-Gison, Ptterned electrospun polymer fier structures, e-polymers 002, 1-15, 2003 [6] T.A. Kowlewski, S. Blonski, S. Brrl, Experiments nd modelling of electrospinning process, Bull. Pol. Ac.: Tech. 53(4), p , 2005 [7] T.A. Kowlewski, A.L. Yrin, S. Blonski, Nnofires y electro-spinning of polymer solution, 5th Euromech Fluid Mechnics Conference, Toulouse, Frnce, August 24-28, 2003 [8] S. Blonski, A. Blsinsk, T.A. Kowlewski, Electrospinning of Liquid Jets, in Mechnics of 21st Century, Proc. of ICTAM 2004, edts. W. Gutkowski, T.A. Kowlewski, Springer Dordrecht, [9] Nnofires, internetowe rchiwum online. [10] A. Błsińsk, I. Krucińsk, M. Chrznowski, S. Domrdzk - Nicińsk, Mnufcturing iomterils from nnometer-size fires of diutyrylchitin using elecrospinning method. Rozdził w monogrfii Progress on Chemistry nd Appliction of Chitin nd its Derivtives, Wydwc H. Struszczyk, tom X, 2005 [11] G.I Tylor, Disintegrtion of wter drops in n electric field, Proc. R. Soc. London A 280, , 1964 [12] A.L. Yrin, S. Koomhongse, nd D.H. Reneker, Bending instility in electrospinning of nnofiers, J. Appl. Phys. 89, , 2001 [13] D.H. Reneker, A.L. Yrin, H. Fong, nd S. Koomhongse, Bending instility of electriclly chrged liquid jets of polymer solutions in electrospinning, J. Appl. Phys. 87, , 2000