Technical University of Liberec MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA NANOTECHNOLOGII W PRZEMYŚLE D. Batory, M. Fijałkowski, Z. Rożek, T. Bakalova, P. Louda Bezpieczna Nowoczesność, 15 16 październik 2012 http://cxi.tul.cz/en/
Plan prezentacji: Czym jest nanotechnologia? Czym jest nanowłókno? Electrospinning Inżynieria tkankowa Zastosowanie polimerowych nanowłókien Wnioski 2 2
Czym jest nanotechnologia? Prefix nano = 10-9 (z greckiego - karzeł) Richard Feynman 29. 12. 1959 There s Always Room at the Bottom Przedział wielkości w zakresie 1-100 nm stanowi obszar zainteresowania nanotechnologii 3 3
Czym jest nanotechnologia? Mrówka 5 000 000 Średnica ludzkiego włosa 80 000 Bakteria 1000-10 000 Wirus grypy 100 Human Immunodeficiency Virus (HIV) 90 Cząstka nanodiamentu 50-100 Długość fali UV 10 400 Średnica helisy DNA 2,5 Szerokość cząstki wody 0,3 Atom wodoru 0,1 4 4
Nanowłókna w obszarze nanotechnologii LUDZKI WŁOS WŁÓKNO BAWEŁNY KURZ 5 5
Czym jest nanowłókno? Włókna o średnicy w zakresie nano. Wiele różnych typów polimerów może być wykorzystane w procesie wytwarzania nanowłókien o średniach w zakresie 50 1000 nm kilka rzędów wielkości mniej niż w przypadku konwencjonalnych metod przędzenia Właściwości: duża powierzchnia właściwa wysoka porowatość mały rozmiar porów średnica (50 1000) nm 6 6
Powierzchnia a objętość Cztery gramy nanorurek węglowych mają taką samą powierzchnię właściwą jak boisko do futbolu 7 7
Polimery wykorzystywane w produkcji nanowłóknin Syntetyczne - Kwas poliglikolowy (PGA) - Kwas mlekowy (PLA) - PGA-PLA - Polydioxanone (PDO) - Polikaprolakton (PCL) - PGA - PDO - PLA - PCL - PDO - PCL Naturalne - Elastyna - Kolagen (różne rodzaje) - Fibrynogen - Chitozan 8 8
Historia elektroprzędzenia Rok Autor Osiągnięcie 1914 Zeleny Jako pierwszy zaobserwował zjawisko przędzenia przewodzącego roztworu polimeru w polu elektrycznym 1934 Formahl Pierwszy patent w zakresie elektroprzędzenia 1981 Larrondo and Manley Badania nad procesami elektroprzędzenia przy wykorzystaniu rozpuszczonych polimerów 1996 Reneker and Chun Udowodniono możliwość prowadzenia procesów elektroprzędzenia przy wykorzystaniu różnych roztworów polimerów 2005 Jirsák,Sanetrník, Lukáš, Kotek, Marinová Opracowanie technologii Nanospider TM John Zeleny (1872-1951) Czesko Amerykański fizyk Roztwór polimeru 9 9
Technologia elektroprzędzenia 10 10
Technologia The Nanospider Technologia opracowana na Politechnice w Libercu, wdrożona do przemysłu we współpracy z firmą ELMARCO s.r.o., nazwana Nanospider Schemat systemu Nanospider TM 1-metalowy walec; 2- ciekły roztwór polimeru; 3- zasobnik; 4- stożki Taylora; 5- włókna; 6- tkanina polipropylenowa 7- nanowłóknina; 8- ujemnie spolaryzowana elektroda Jirsák,Sanetrník, Lukáš, Kotek, Marinová: A method of nanofibres production from a polymer solution using electrostatic spinning and a device for carrying out the method, PATENT EUROPEJSKI WO 2005/024101 11 11
Parameters of electrospinning process Parametry roztworu Lepkość Przewodność Napięcie powierzchniowe Masa cząsteczkowa polimeru Parametry otoczenia Temperatura Wilgotność Prędkość przepływu powietrza Kontrolowane zmienne Prędkość przepływu polimeru Pole elektryczne Odległość pomiędzy elektrodami Kształt końcówek dyszy Skład chemiczny nośnika Geometria 12 12
Inżynieria tkankowa Założenia: ECM (Extracellular Matrix) Macierz zewnątrz komórkowa na jako klucz do regeneracji tkanek Komórka nie jest postrzegana jako jednostka samowystarczalna Rola ECM ECM pośredniczy w biochemicznych oraz mechanicznym przekazywaniu sygnału Idealna ECM Nieimmunogenna Wspomaga wzrost Zachowuje strukturę 3-D Po zakończeniu leczenia pozostają tylko rodzime tkanki biorcyonly 13 13
Inżynieria tkankowa Założenia - Projektowanie rusztowań przy zachowaniu maksymalnej kontroli nad: - biokompatybilnością (chemical) - biodegradowalnością (mechanical) - Wykorzystywanie naturalnych oraz syntetycznych polimerów - Dalsze kierunki: - regeneracja tkanek - systemy terapii celowanej 14 14
Inżynieria tkankowa Rozmnażanie Umieszczenie komórek na wytworzonej strukturze charakteryzującej się odpowiednimi czynnikami wzrostu i cytokinami Pozyskanie materiału z organizmu Reimplantacja wyhodowanej struktury Hodowla 15 15
Nanotechnologia w Inżynierii Tkankowej Cells on microfibrous scaffolds have a polarized relationship, with one side of the cell attached to the scaffold, the other exposed to physiological media. In comparison, it is likely that cells are more naturally constrained by nanofibrous scaffolds. 16 16
Polimerowe nanowłókna na opartunki Opartunki ran: Polimerowe nanowłokna Wspomagają procesy prawidłowego wzrostu skóry Zapobiegają powstawaniu blizn Nietkane membrany o wielkości porów w zakresie 500~1000 nm Przeszczep skóry myszy 2 oraz 8 tygodni po zabiegu. Przeszcze wykonany z elektroprzędzonej nanowłókniny na bazie kolagenu 17 17
Polimerowe nanowłókna w regeneracji kości Obraz chrząstki stawowej wychodowanej na bazie ludzkich chondrocytów oraz nanowłókniny elektroprzędzonej na bazie kolagenu Otwór o średnicy 8 mm w czaszce królika (A) oraz membrana wykonana z nanowłókniny otrzymanej na bazie fibrynigenu (B) przymocowana wkrętami kostnymi Obrazy SEM osteoblastów (A, B) i chondrocytów (C, D) wyhodowanych na membranachna bazie chitosan/peo (90/10) po 5 dniach hodowli 18 18
Nanotechnologia w Kardiochirurgii Sztuczna zastawka serca Procedura wszczepienia bypassu aorty u królika, elektroprzędzone skafoldy naczyniowe na bazie PCL i kolagenu 19 19
Właściwości filtracyjne Filtry na bazie nanowłóknin pozwalają usuwać z wody związki metali ciężkich w szczególności ołowiu kadmu i miedzi Koalescencja kropli oleju na powierzchni nanowłókien zwiększa efektywność filtracji powietrza z mgły olejowej Mikrocząstki polistyrenu Systemy filtrów: HVAC (heating, ventilation, air conditioning) HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter) ULPA (Ultra-low Penetration Air) Filtry powietrza, oleju, paliwa dla przemysłu motoryzacyjnego Filtry stosowane przy produkcji żywności, farmacji Filtry dla zastosowań medycznych 20 20
Odzież ochronna Lekkie,oddychające tkaniny przepuszczalne dla powietrza i wilgoci, nierozpuszalne, wysoce reaktywne z gazami drażniącymi oraz innymi chemikaliami Aplikacje militarne Odzież zapewniająca wysokowydajną dyfuzję pary wodnej, jednocześnie zapewniająca wysoką wydajność wyłapywania cząstek aerozoli w porównaniu z konwencjonalnymi tkaninami 21 21
Pochłanianie dzwięku Zdolność pochłaniania dzwięku włókniny pokrytej warstwami nanowłókniny o różnej wielkości porów (kolorowe krzywe) w porównaniu ze zdolnością pochłaniania konwencjolnalnego materiału (krzywa w kolorze czarnym) 22 22
Ochrona roślin Nanowłókna stanowić mogą naturalną barierę dla insektów 23 Liście pokryte nanowłókniną zawierającą środki owadobójcze 23
24 24
Thank you very much for your attention 25
References http://www.elmarco.cz/ Heather M. Powell, Dorothy M. Supp, Steven T. Boyce: Influence of electrospun collagen on wound contraction of engineered skin substitutes, Biomaterials 29 (2008) 834 843 Seema Agarwal, Joachim H. Wendorff, Andreas Greiner, Use of electrospinning technique for biomedical applications, Polymer 49 (2008) 5603 5621 Kyoung-Hwa Kim, Lim Jeong, Ho-Nam Park, Seung-Yun Shin et al. Biological efficacy of silk fibroin nanofiber membranes for guided bone regeneration, Journal of Biotechnology 120 (2005) 327 339 Narayan Bhattarai, Dennis Edmondson, Omid Veiseh, Frederick A. Matsen, Miqin Zhang: Electrospun chitosan-based nanofibers and their cellular compatibility, Biomaterials 26 (2005) 6176 6184 Scott Sell, Catherine Barnes, Matthew Smith et al. Review Extracellular matrix regenerated: tissue engineering via electrospun biomimetic nanofibers, Polym Int 56:1349 1360 (2007) Bryan W. Tillman, Saami K. Yazdani, Sang Jin Lee et al. The in vivo stability of electrospun polycaprolactone-collagen scaffolds in vascular re construction, Biomaterials 30 (2009) 583 588. http://www.aquavallis.com/en/products/materials_eng.html 26