CZ2013126A3 - Způsob výroby nanovlákenné vrstvy z vodného roztoku polyvinylalkoholu pro tkáňové inženýrství elektrostatickým zvlákňováním pomocí metody bezjehlového či jehlového elektrostatického zvlákňování - Google Patents

Abstract

Podstata řešení spočívá v tom, že za účelem zvýšení stupně smáčivosti polymerních nanovláken a současně pro zvýšení adheze a vyšší proliferaci eukaryotních živočišných buněk jsou tato polymerní nanovlákna plazmaticky modifikována plynnou metanovou plazmou metodou Radio Frequency Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition při průtoku plynu 20 až 50 cm.sup.3.n./minutu, vakuu 15 až 80 kPa, záporném napětí v rozsahu 100 až 700 V po dobu 2,5 až 20 minut. Pro stabilizaci polymerních nanovláken ve vodném prostředí se provede zesíťování jejich struktury glyoxalem a kyselinou fosforečnou při tepelném zpracování.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby nanovlákenných vrstev z polyvinylalkoholu pro tkáňové inženýrství.

Dosavadní stav techniky

Polymemí nanovlákna a nanovlákenné vrstvy vyráběné metodou elektrostatického zvlákňování vykazují neobvyklé vlastnosti. Jedná se o pórovitý materiál, v tomto případě póry jsou prostory mezi nanovlákny. Elektrostatické zvlákňování umožňuje vytváření polymerních nanovláken, kde se průměr póru pohybuje v hodnotách od několika desítek nanometrů do několika mikrometrů. Polymerní nanovlákenné vrstvy vykazují velkou specifickou plochu na jednotkový objem a hmotnost a jsou propustné pro plyny. Tyto vlastnosti polymerních nanovláken umožňují široké využití v mnoha aplikacích. Nanovlákenný materiál se využívá například při výrobě senzorů, elektronických a fotovoltaických zařízení, filtrů plynů a kapalin, ochranného oblečení atd. Polymerní nanovlákna se také používají v biomedicíně například jako nosiče, tzv. scaffoldy v tkáňovém inženýrství.

Zejména při aplikaci tohoto materiálu v oblasti biomedicíny, je velký význam kladen na možnosti jeho modifikace, s cílem poskytnout mu nejlepší vlastnosti pro medicínské použití. V současné době jsou plazmové techniky široce využívány pro povrchové úpravy polymerních nanovláken. Při použití této techniky dochází k mnoha fyzikálním a chemickým procesům, které působí na polymer. Mezi nej důležitější procesy patří odstranění nečistot z povrchu polymeru, leptání a chemické reakce na hranicích mezi plazmou a polymerem. Tyto procesy lze řídit pomocí výběru pracovních plynů a parametrů plazmové modifikace, což umožňuje získat požadovanou morfologii povrchu, chemickou strukturu nebo smáčivost polymerních nanovláken.

Výzkum v oblasti plazmové modifikace polymerních nanovláken poukazuje na jejich možné využití v biomedicínských aplikacích, zejména v oblasti tkáňového inženýrství. V odborné literatuře lze najít články, které popisují použití různých druhů plazmy k modifikaci polymerních materiálů. Většinou se používá plazma generovaná za atmosférických podmínek nebo plazmatický výboj v amoniaku nebo argonu. Použití tohoto druhu plazmy způsobuje zvýšení hydrofility nanovlákenných materiálů vyrobených např. z polymeru kyseliny mléčné (PLA) a kyseliny glykolové (PGA) nebo jejich kopolymeru (PLGA) nebo póly (L-mléčné kyseliny) (PLLA). Výsledky biologického zkoumání ukazují lepší růst a lepší adhezi buněk fibroblastů, osteoblastů a hladkých svalových buněk na povrchu polymerních nanovláken modifikovaných pomocí plazmy. Takto upravená polymerní nanovlákna mohou být použita v tkáňovém inženýrství k regeneraci kostí, kožní tkáně nebo svalů.

V odborné literatuře prakticky neexistují publikace, které se zabývají modifikací polymerních nanovláken pomocí uhlovodíkového plazmatu s cílem zlepšení jejich biologických vlastností.

Ztráta části tkáně, úbytek nebo selhání funkce orgánu jsou hlavní problémy, které řeší tkáňové inženýrství. V současné době existuje několik možných přístupu, jak chybějící ci poškozenou tkáň nahradit. Obvykle se k rekonstrukci tkáně používají dva typy štěpů, autologní (dárcem je sám pacient) a alogenní (dárcem je jiná osoba).

Možnost využití autologních štěpů je často omezena. Hlavní omezení při použití tohoto typu transplantace vyplývá z nedostatečného množství nebo špatné kvality dostupných autologních tkání. Hlavní nevýhodou alogenních štěpů je riziko přenosu infekcí z dýce na pacienta. Dále to může vést k imunitní reakci organismu a v konečném důsledku k odmítnutí náhrady.

Jedním z možných způsobů, jak řešit tyto problémy je použití polymerních nanovláken, která díky řadě jedinečných vlastností (pórovitý materiál, propustný pro plyny, průměr nanovláken podobný vláknům mezibuněčné hmoty), mohou být úspěšně použity ve tkáňovém inženýrství.

Kromě fyzikálních vlastností je nutné, aby nanovlákna měla i vhodné chemické a biologické vlastnosti. Nelze tedy použít libovolný materiál, ale podmínkou je, aby byl takový materiál biologicky degradovatelný a biokompatibilní.

Jeden z polymerů, který může být použit ve výrobě nanovláken pro tkáňové inženýrství je polyvinylalkohol (PVA). Polyvinylalkohol je farmaceuticky schválený polymer využívaný jako pomocná látka ve farmaceutických přípravcích. Vyznačuje se biokompatibilitou, biodegradabilitou a netoxicitou. Díky rozpustnosti v polárních rozpouštědlech umožňuje přenos bioaktivních látek včetně citlivých molekul, jako jsou proteiny a nukleové kyseliny. Hlavní nevýhodou polyvinylalkoholu pro aplikace v tkáňovém inženýrství je buněčná antiadhezivita, ze které pramení nevhodnost pro osazení buňkami. Silně hydrofílní vlastnosti polyvinylalkoholu zamezují přichycení nasazených živočišných buněk na nanovlákenný nosič. Je tedy zapotřebí snížit hydrofilitu polyvinylalkoholního nosiče.

Jedním z možných způsobů jak řešit tyto problémy je použití plazmových technik. V procesech plazmové modifikace polymerních nanovláken hraje rozhodující roli druh pracovního plynu. Správný výběr plynu a vhodných parametru plazmové modifikace umožňuje cíleně modifikovat morfologii povrchu, chemickou strukturu a stupeň smáčivosti polymerních nanovláken. Stupeň smáčivosti těchto materiálů je podstatný z hlediska jejich použití, zejména v tkáňovém inženýrství.

Podstata vynálezu

Provedené experimenty v tomto oboru ukázaly, že modifikace polyvinylakoholových nanovlákenných vrstev pomocí metanové plazmy vede k hydrofobizaci tohoto materiálu, přičemž nemodifikované vzorky se charakterizovaly silnými hydrofilními vlastnostmi. Modifikace nanovlákenných vrstev přinesla zvýšení adheze a proliferace fibroblastů na povrchu polyvinylakoholových nanovlákenných vrstev. Z tohoto důvodů polyvinylakoholová nanovlákna modifikovaná takovýmto způsobem jsou vhodným materiálem pro tkáňové inženýrství.

Podstatou řešení podle vynálezu je povrchová úprava nanovlákenných nosičů na bázi PVA jejich expozicí v prostředí metanové plazmy pro optimalizaci povrchových vlastností nanovlákenných nosičů k jejich následnému využití v tkáňovém inženýrství a regenerativní medicíně.

Polymemí nanovlákenný nosič je plazmaticky modifikován plynnou metanovou plazmou metodou Radio Frequency Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition při průtoku plynu 20 až 50 cm³/minutu, vakuu 15 až 80 Pa, záporném napětí v rozsahu 100 až 700 V po dobu 2,5 až 20 minut.

Po shora uvedené plazmatické úpravě vykazuje polymerní nanovlákenný nosič na bázi polyvinylalkoholu nižší smáčivost při měření metodou kontaktního úhlu a povrchové energie. Výrobek současně vykazuje vyšší adhezi a proliferaci eukaryotních živočišných buněk v porovnání s nemodifikovanou nanovlákennou vrstvou z polyvinylalkoholu.

Cílená povrchová modifikace vláken závisí jednak na jejich fyzikálně chemických vlastnostech, dále také na požadovaných vlastnostech nanovlákenné vrstvy, kterých má být dosaženo, jako je typicky stupeň hydrofility či hydrofobicity, existence specifických chemických skupin na povrchu nanovláken. Použití vhodných parametrů plazmové expozice je proto závislé na parametrech žádaných pro finální produkt.

Stabilizace polymerních nanovláken z polyvinylalkoholu ve vodném prostředí je dosažena zesíťováním jejich struktury glyoxalem a kyselinou fosforečnou.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Nanovlákna byla vytvořena z vodného roztoku polyvinylalkoholu, zvlákňování provedeno pomocí metody jehlového elektrostatického zvlákňování technologií NANOSPIDER vyvinuté na Technické univerzitě v Liberci a síťovaná glyoxalem a kyselinou fosforečnou s následnou modifikací povrchu polyvinylalkoholových nanovlákenných struktur jejich expozicí v metanové plazmě aplikací technologie obchodního označení Radio Frequency Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition. Tato metoda slouží k modifikaci různých materiálů pomocí chemických reakcí probíhajících v elektrickém vysokofrekvenčním poli. Při této metodě jsou reagenční látky dodávány do vakuové komory ve formě plynů. Na průběh procesů modifikace mají vliv takové parametry jako záporné napětí, průtok plynu, hodnota vakua a čas. V závislosti na požadovaných vlastnostech nanovlákenné vrstvy jako je stupeň hydrofobicity a existence specifických chemických skupin na povrchu nanovláken jsou zvoleny parametry průtoků plynu v rozmezí 20 až 50 cm /minutu, hodnoty vakua 15 až 80 Pa, hodnoty záporného napětí v rozsahu 100 až 700 V a to po dobu 2,5 až 20 minut. Užití konkrétních parametrů plazmové expozice je proto závislé na žádaných parametrech pro finální produkt.

Nanovlákenná vrstva byla vyrobena technologií elektrostatického zvlákňování zvolné hladiny tenké polymerní vrstvy za působení vysokého elektrostatického pole. Tato nanovlákenná vrstva z polyvinylalkoholu byla před modifikací jejího povrchu ve vakuové komoře podrobena tepelnému zpracování s cílem zesíťování struktury nanovlákenné vrstvy tak, aby získala odolnost proti degradaci ve vodném prostředí.

Při procesu plazmové modifikace byl vzorek nanovlákenné vrstvy z polyvinylalkoholu umístěn přímo na povrch RF elektrody. V pracovní komoře bylo vytvořeno potřebné vakuum a následně byl dodáván metan. Před každým procesem byla pracovní komora vyplachována metanem po dobu pěti minut s cílem vytvoření pracovní atmosféry v komoře. Po této době následovalo buzení plazmy při určitém záporném potenciálu autopolarizace a průtoku metanu. Požadovaný tlak metanu ve vakuové komoře byl regulován pomocí kulového ventilu.

Na základě provedených zkoušek a testů je možno konstatovat, že modifikace nanovlákenných vrstev PVA metanovou plazmou významným způsobem ovlivňuje jejich smáčivost. Nemodifikované vzorky byly silně hydrofilní, naměřený kontaktní úhel smáčení představoval 22 °. V opačném případě vzorky modifikované metanovou plazmou byly charakterizovány hydrofóbními vlastnostmi.

Bylo také zjištěno, že vzrůst záporného napětí a doby procesu plazmové modifikace má za následek vyšší hodnoty kontaktního úhlu smáčení, to znamená silnější hydrofóbní vlastnosti vzorků. Maximální hodnota kontaktního úhlu smáčení byla zjištěna 121 pro vzorek modifikovaný při největším záporném napětí. Rovněž výsledky biologických studií ukázaly významný nárůst viability a adheze na vzorcích upravených metanovou plazmou v porovnání s plazmaticky neupraveným polyvinylalkoholem.

Příklad 2

Koaxiální nanovlákna vytvořená z vodného roztoku PVA zvlákněná pomocí metody bezjehlového elektrostatického zvlákňování, tzv. přepravovacím způsobem byla zesíťována glyoxalem a kyselinou fosforečnou. Při výrobě nanovlákenné vrstvy z polyvinylalkoholu byl připravený polymerní roztok vynesen na povrch válcové elektrody jejím rotačním pohybem. Válcová elektroda připojená na záporný zdroj vysokého napětí se nacházela ve vzdálenosti 100 až 160 mm od uzemněné kladně nabité protielektrody, která zároveň zastávala funkci kolektoru. Po sepnutí vysokonapěťového zdroje došlo k formování Taylorových kuželů na vrcholu válcové elektrody a následnému zvlákňování. Nanovlákna se ukládala v nahodilé orientaci na podkladovou textilii typu Spunbond umístěnou před kolektorem.

Vytvořená nanovlákenná vrstva byla následně podrobena modifikaci povrchu pomocí chemických reakcí expozicí v metanove plazme aplikací technologie Radio Frequency Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition. Reakční látky byly dodávány do vakuové komory ve formě plynů, přičemž byl zvolen průtok metanu v rozmezí 20 až 50 cm³/minutu, hodnoty vakua byly nastaveny od 15 až do 80 Pa, hodnoty záporného napětí v rozsahu 100 až 700 V a to po dobu 2,5 až 20 minut. Užití konkrétních parametru plazmové expozice je však závislé na žádaných parametrech pro finální produkt.

Výsledkem provedené plazmové modifikace povrchu nanovlákenné vrstvy z polyvinylalkoholu bylo dosažení příznivých výsledků hodnot kontaktního úhlu smáčení, což znamená silnější hydrofóbní vlastnosti vrstvy. Rovněž výsledky biologických zkoušek ukázaly významný nárůst viability a adheze na vzorcích upravených metanovou plazmou v porovnání s plazmaticky neupraveným polyvinylalkoholem.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby nanovlákenné vrstvy z vodného roztoku polyvinylalkoholu pro tkáňové inženýrství elektrostatickým zvlákňováním pomocí metody bezjehlového či jehlového elektrostatického zvlákňování, zaručující biologickou degradovatelnost, biokompatibihtu a netoxicitu, vyznačený tím, že pro stabilizaci polymerních nanovláken ve vodném prostředí, vykazuje zesíťovanou strukturu a pro zvýšení stupně smacivosti polymerních nanovláken a současně pro zvýšení adheze a vyšší proliferaci eukaryotmch živočišných buněk, jsou tato polymerní nanovlákna plazmaticky modifikována plynnou metanovou plazmou metodou Radio Frequency Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition při průtoku plynu 20 až 50 cm³/minutu, vakuu 15 až 80 Pa, záporném napětí v rozsahu 100 až 700 V po dobu 2,5 až 20 minut.
2. 2. Způsob výroby nanovlákenné vrstvy z vodného roztoku polyvinylalkoholu pro tkáňové inženýrství podle nároku 1, vyznačený tím, že zesíťování struktury polymerních nanovláken je provedeno glyoxalem a kyselinou fosforečnou.