CZ2014920A3 - Process for preparing polymeric fibers with diameter in the range of 100 nm to 10 microns and process for preparing linear, flat or spatial formation comprising such polymeric fibers - Google Patents

Process for preparing polymeric fibers with diameter in the range of 100 nm to 10 microns and process for preparing linear, flat or spatial formation comprising such polymeric fibers Download PDF

Info

Publication number
CZ2014920A3
CZ2014920A3 CZ2014-920A CZ2014920A CZ2014920A3 CZ 2014920 A3 CZ2014920 A3 CZ 2014920A3 CZ 2014920 A CZ2014920 A CZ 2014920A CZ 2014920 A3 CZ2014920 A3 CZ 2014920A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
substrate
melt
polymer
diameter
spinning element
Prior art date
Application number
CZ2014-920A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ308167B6 (en
Inventor
Lukáš Stanislav
Jana Bajáková
David Lukáš
Jiří Chaloupek
Kateřina Pilařová
Věra Jenčová
Jana Horáková
Original Assignee
Technická univerzita v Liberci
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technická univerzita v Liberci filed Critical Technická univerzita v Liberci
Priority to CZ2014-920A priority Critical patent/CZ308167B6/en
Publication of CZ2014920A3 publication Critical patent/CZ2014920A3/en
Publication of CZ308167B6 publication Critical patent/CZ308167B6/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y5/00Nanobiotechnology or nanomedicine, e.g. protein engineering or drug delivery
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/02Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F6/14Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polymers of unsaturated alcohols, e.g. polyvinyl alcohol, or of their acetals or ketals
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/02Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F6/20Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polymers of cyclic compounds with one carbon-to-carbon double bond in the side chain
    • D01F6/22Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polymers of cyclic compounds with one carbon-to-carbon double bond in the side chain from polystyrene
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/28Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from copolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F6/36Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from copolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds comprising unsaturated carboxylic acids or unsaturated organic esters as the major constituent
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/58Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products
    • D01F6/70Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products from polyurethanes
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/78Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from copolycondensation products
    • D01F6/84Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from copolycondensation products from copolyesters
    • DTEXTILES; PAPER
    • D04BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04HMAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/40Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/42Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties characterised by the use of certain kinds of fibres insofar as this use has no preponderant influence on the consolidation of the fleece
    • DTEXTILES; PAPER
    • D04BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04HMAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/74Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being orientated, e.g. in parallel (anisotropic fleeces)

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)

Abstract

Vynález se týká způsobu výroby polymerních vláken o průměru 100 nm až 10 .mi.m, při kterém se na povrchu podkladu (1) vytvoří kapka (2) roztoku nebo taveniny polymeru o objemu alespoň 0,001.mi.l, během jejího vytváření nebo po něm se do ní ponoří konec alespoň jednoho podlouhlého zvlákňovacího prvku (3), na jehož povrchu a/nebo v jehož dutině se zachytí část roztoku nebo taveniny polymeru z této kapky (2), načež se tento zvlákňovací prvek (3) ohybem manipulátoru, na kterém je uložený, a/nebo pohybem podkladu (1) přesunu k jinému místu stejného nebo jiného podkladu (1). Roztok nebo tavenina polymeru na jeho povrchu a/nebo v jeho dutině přitom díky viskozitě a povrchovému napětí zůstává během tohoto pohybu propojená vláknem (4) roztoku nebo taveniny polymeru, jehož průměr při pohybu zvlákňovacího prvku (3) a/nebo podkladu (1) zmenšuje, a toto vlákno (4) se při následném kontaktu konce zvlákňovacího prvku (3) s povrchem podkladu (2) ukotví, čímž se na povrchu podkladu (2) uloží polymerní vlákno o průměru 100 nm až 10 .mi.m. Vynález se dále týká také způsobu výroby lineárního, plošného nebo prostorového útvaru s polymerními vlákny o průměru 100 nm až 10 .mi.m, která se tímto způsobem vytváří a současně se ukládají v požadovaném směru a vzájemné orientaci v prostoru nebo ploše.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a process for producing polymer fibers having a diameter of 100 nm to 10 .mu.m in which a drop (2) of a solution or melt of polymer of at least 0.001 .mu.m volume is formed on the surface of the substrate (1) during or after the end of at least one elongated spinning element (3) is immersed therein, on which surface and / or in the cavity a portion of the polymer solution or melt is trapped from the droplet (2), whereupon the spinning element (3) is bent by the manipulator, and / or by moving the substrate (1) to another location of the same or another substrate (1). The solution or melt of the polymer on its surface and / or in its cavity, due to its viscosity and surface tension, remains during this movement interconnected by a solution or melt fiber (4) of polymer whose diameter decreases when the spinning element (3) and / or substrate (1) moves , and the fiber (4) anchors upon subsequent contact of the spinning element end (3) with the surface of the substrate (2), whereby a polymeric fiber having a diameter of 100 nm to 10 µm is deposited on the surface of the substrate (2). The invention further relates to a method for producing a linear, planar or spatial structure with polymer fibers having a diameter of 100 nm to 10 µm, which is formed in this way and stored in the desired direction and orientation in space or area.

Description

Způsob výroby polymemích vláken o průměru 100 nm až 10 pm, a způsob výroby lineárního, plošného nebo prostorového útvaru obsahujícího tato polymemí vláknaProcess for the production of polymeric fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm, and process for the production of a linear, planar or spatial structure containing these polymeric fibers

Oblast technikyField of technology

Vynález se týká způsobu výroby polymemích vláken o průměru 100 nm až 10 pm.The invention relates to a process for the production of polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 [mu] m.

Vynález se dále týká také způsobu výroby lineárních, plošných a prostorových útvarů obsahujících polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm.The invention furthermore relates to a process for the production of linear, planar and three-dimensional structures comprising polymeric fibers with a diameter of 100 nm to 10 [mu] m.

Dosavadní stav technikyPrior art

Typickým produktem všech dosud známých způsobů pro výrobu polymemích nanovláken, tj. vláken o průměru cca 100 až 1000 nm elektrostatickým zvlákňováním roztoků nebo tavenin polymerů využívajících statické jehlové zvlákňovací elektrody (trysky, kapiláry, apod.) nebo pohyblivé hladinové zvlákňovací elektrody (rotující válec - viz např. CZ 299549, ve směru své délky nebo po kruhové dráze se pohybující struna - viz např. CZ 299549 a CZ 300345, rotující spirála, disk, apod.), případně odstředivým zvlákňováním, kdy je roztok nebo tavenina polymeru vytlačován/vytlačována odstředivou silou z otvorů vytvořených v plášti rotujícího tělesa ve tvaru disku (viz např. DE 102005048939) nebo válce (viz např. JP 2008127726), je plošná vrstva náhodně uložených a vzájemně propletených polymemích nanovláken. Ta má sice v kombinaci s dalšími podpůrnými či krycími vrstvami celou řadu využití, zejména v oblasti filtrace a hygienických prostředků, avšak pro mnoho dalších oblastí a aplikací, jako např. tkáňové inženýrství, regenerativní medicína, apod. je využitelná pouze omezeně. Tyto aplikace totiž principielně vyžadují spíše samostatné plošné nebo prostorové nanovlákenné útvary se specifickou vnitřní strukturou a s polymerními nanovlákny, případně i vlákny větších průměrů, orientovanými v požadovaném směru/směrech, určujícím/určujících požadovaný směr/směry růstu buněk, resp. buněčné kolonizace tohoto útvaru.A typical product of all known methods for the production of polymeric nanofibers, ie fibers with a diameter of about 100 to 1000 nm by electrostatic spinning of polymer solutions or melts using static needle spinning electrodes (nozzles, capillaries, etc.) or moving level spinning electrodes (rotating roller - see eg CZ 299549, a string moving in the direction of its length or in a circular path - see eg CZ 299549 and CZ 300345, rotating spiral, disk, etc.), or by centrifugal spinning, where the polymer solution or melt is extruded / extruded by centrifugal force from the holes formed in the housing of the rotating body in the shape of a disc (see e.g. DE 102005048939) or a cylinder (see e.g. JP 2008127726), a flat layer of randomly deposited and intertwined polymeric nanofibers is formed. Although it has a number of uses in combination with other support or cover layers, especially in the field of filtration and hygiene products, it is of limited use for many other areas and applications, such as tissue engineering, regenerative medicine, etc. These applications in principle require rather separate planar or spatial nanofiber formations with a specific internal structure and with polymeric nanofibers, or even fibers of larger diameters, oriented in the desired direction (s), determining the desired direction / directions of cell growth, resp. cell colonization of this formation.

PS3996CZPS3996CZ

I když bylo pro orientaci polymerních nanovláken během jejich výroby a případně během jejich ukládání na podklad navrženo několik postupů založených na použití proudu vzduchu/plynu (viz např. US 6308509 s ukládáním polymerních nanovláken na vlákenné jádro v odsávané trubici, nebo US 2005008776 s usměrněním polymerních nanovláken proudem vzduchu ihned po jejich vzniku), nebo střídavého elektrického napětí (viz např. US 2004013819, resp. analogický EP patent 1335999, nebo WO 2008106381 s využitím specificky tvarovaného kolektoru, na který se polymemí nanovlákna ukládají, nebo US 2004061253 s využitím pomocných kruhových elektrod sloužících k zúžení a usměrnění proudu polymerních nanovláken vycházejícího ze zvlákňovací elektrody tvořené tryskou), žádný z nich není v praxi použitelný, neboť jak se ukazuje při praktickém testování, k orientaci polymerních nanovláken dochází jen v omezené míře a vnitřní struktura vytvářených útvarů je i nadále spíše náhodná a neuspořádaná.Although several methods based on the use of an air / gas stream have been proposed for the orientation of polymeric nanofibers during their production and possibly during their deposition on a substrate (see e.g. US 6308509 for depositing polymeric nanofibers on a fibrous core in a suction tube, or US 2005008776 for polymerizing nanofibers by air flow immediately after their formation), or alternating electric voltage (see e.g. US 2004013819, or analogous EP patent 1335999, or WO 2008106381 using a specifically shaped collector on which polymeric nanofibers are deposited, or US 2004061253 using auxiliary ring electrodes used to narrow and direct the current of polymer nanofibers emanating from the spinning electrode formed by the nozzle), none of them is applicable in practice, because as shown in practical testing, the orientation of polymer nanofibers occurs only to a limited extent and the internal structure of formed structures is still rather random and disorganized.

Cílem vynálezu je navrhnout způsob výroby polymerních nanovláken, případně i polymerních mikrovláken o průměru až 10 pm, který by umožňoval co největší míru orientace (izotropie) jednotlivých vláken, a vytváření lineárních, plošných a prostorových útvarů obsahujících tato polymemí vlákna s požadovanou orientací s předem určeným umístěním.The object of the invention is to propose a method for the production of polymeric nanofibers, possibly also polymeric microfibres with a diameter of up to 10 .mu.m, which would allow the greatest possible degree of orientation (isotropy) of individual fibers, and the formation of linear, planar and spatial formations containing these polymeric fibers with the desired orientation location.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Cíle vynálezu se dosáhne způsobem výroby polymerních vláken o průměru 100 nm až 10 pm, který spočívá vtom, že na povrchu podkladu se vytvoří kapka roztoku nebo taveniny polymeru o objemu alespoň 0,001 pl, přičemž během jejího vytváření nebo po něm se do ní ponoří konec alespoň jednoho podlouhlého zvlákňovacího prvku. Přitom se na jeho povrchu a/nebo v jeho dutině zachytí část roztoku nebo taveniny polymeru, načež se tento zvlákňovací prvek pohybem manipulátoru, na kterém je uložený, a/nebo pohybem podkladu přesune k jinému místu stejného nebo jiného podkladu, přičemž roztok nebo tavenina polymeru na jeho povrchu a/nebo v jeho dutině zůstává během tohoto pohybu díky své viskozitě a povrchovému napětí propojený/propojená vláknem, jehož průměr se při pohybu zvlákňovacího prvku a/nebo podkladu zmenšuje, s kapkou roztoku nebo taveniny na povrchuThe object of the invention is achieved by a process for the production of polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 [mu] m, which comprises forming a drop of polymer solution or melt with a volume of at least 0.001 [mu] l on the surface of the substrate, immersing the end of at least one elongate spinning element. In doing so, a part of the polymer solution or melt is trapped on its surface and / or in its cavity, after which the spinning element is moved to another location of the same or another substrate by moving the manipulator on which it is placed and / or by moving the substrate, the polymer solution or melt on its surface and / or in its cavity, during this movement, due to its viscosity and surface tension, it remains connected by a fiber, the diameter of which decreases with the movement of the spinning element and / or the substrate, with a drop of solution or melt on the surface.

PS3996CZ podkladu. Při následném kontaktu konce zvlákňovacího prvku s povrchem podkladu se toto vlákno ukotví. Tímto způsobem se vytvoří a na povrchu uloží polymerní vlákno o průměru 100 nm až 10 pm s požadovanou délkou a orientací.PS3996CZ substrate. Upon subsequent contact of the end of the spinning element with the surface of the substrate, this fiber is anchored. In this way, a polymer fiber with a diameter of 100 nm to 10 μm with the desired length and orientation is formed and deposited on the surface.

Kapka roztoku nebo taveniny polymeru se přitom na povrchu podkladu může vytvořit např. nanesením roztoku nebo taveniny polymeru prostřednictvím nanášecího zařízení nebo manuálně, nanesením roztoku nebo taveniny polymeru na povrchu a/nebo v dutině zvlákňovacího prvku, nebo vytlačením roztoku nebo taveniny polymeru ze zásobníku roztoku nebo taveniny polymeru přes dutinu dutého zvlákňovacího prvku. Ve výhodné variantě provedení je přitom dutý zvlákňovací prvek uložen na kartuši a jeho dutina je propojená s vnitřním prostorem této kartuše s uloženým roztokem nebo taveninou polymeru.A drop of polymer solution or melt can be formed on the surface of the substrate, for example by applying the polymer solution or melt by means of an applicator or manually, applying the polymer solution or melt to the surface and / or cavity of the spinning element, or forcing the polymer solution or melt from the solution reservoir or polymer melts through the cavity of the hollow spinning element. In a preferred embodiment variant, the hollow spinning element is mounted on the cartridge and its cavity is connected to the interior of this cartridge with the stored polymer solution or melt.

Vhodným dutým zvlákňovacím prvkem je dutá kónická jehla, jejíž výstupní otvor má průměr 0,1 až 1,2 mm, nebo trubička s vnějším průměrem 0,1 až 1,5 mm. Lze však použít i tyčinku tohoto průměru.A suitable hollow spinning element is a hollow conical needle whose outlet opening has a diameter of 0.1 to 1.2 mm, or a tube with an outer diameter of 0.1 to 1.5 mm. However, a rod of this diameter can also be used.

Ve výhodné variantě provádění způsobu podle vynálezu zůstává podklad statický a pohybuje se pouze zvlákňovací prvek, a to s výhodou po obloukové trajektorii, přičemž dosahuje maximální rychlosti 1 až 100 m/min. V případě potřeby však může být jeho rychlost i vyšší.In a preferred variant of carrying out the method according to the invention, the substrate remains static and only the spinning element moves, preferably along an arcuate trajectory, reaching a maximum speed of 1 to 100 m / min. However, if necessary, its speed can be higher.

Při zvlákňování některých polymerů, např. polykaprolaktonu, apod. je výhodné, pokud se přesun zvlákňovacího prvku před kontaktem s povrchem podkladu zastaví, a pokračuje po alespoň částečném ztuhnutí vlákna. Tím se dosáhne menšího průměru vytvářeného vlákna, neboť do něj již není dodáván další materiál z výchozí kapky.When spinning some polymers, e.g., polycaprolactone, etc., it is advantageous if the movement of the spinning element is stopped before contact with the substrate surface, and continues after at least partial solidification of the fiber. This results in a smaller diameter of the fiber to be formed, since no more material from the starting drop is fed into it.

Pro ukotvení konce vlákna na povrchu podkladu se s výhodou použije koncová kapka roztoku nebo taveniny polymeru, neboť v takovém případě je jeho ukotvení jistější, a materiál koncové kapky se navíc může použít pro vytvoření dalších vláken. Koncová kapka přitom může být uložená na stejném nebo odlišeném podkladu než výchozí kapka roztoku nebo taveniny polymeru.An end drop of polymer solution or melt is preferably used to anchor the end of the fiber to the surface of the substrate, as in this case its anchoring is more secure, and the end drop material may additionally be used to form additional fibers. The end drop can be deposited on the same or different substrate than the starting drop of the polymer solution or melt.

PS3996CZPS3996CZ

Při použití dutého zvlákňovacího prvku se koncová kapka s výhodou vytvoří vytlačením alespoň 0,001 μΙ roztoku nebo taveniny polymeru z vnitřního prostoru tohoto zvlákňovacího prvku.When using a hollow spinning element, the end drop is preferably formed by forcing at least 0.001 μΙ of polymer solution or melt from the interior of the spinning element.

Pro vytvoření vhodné materiálové struktury vlákna je výhodné, pokud se vytvářené vlákno stimuluje elektrickým proudem, kdy se na zvlákňovací prvek a na elektricky vodivý podklad přivádí vysoké stejnosměrné napětí libovolné polarity. Přitom dochází k ovlivnění konformace makromelukul polymeru, a vytvářené vlákno díky tomu dosahuje výrazně lepší geometrické i mechanické vlastnosti.In order to form a suitable material structure of the fiber, it is advantageous if the fiber formed is stimulated by an electric current, whereby a high direct voltage of any polarity is applied to the spinning element and to the electrically conductive substrate. At the same time, the conformation of the polymer macromelucules is influenced, and the fiber formed thus achieves significantly better geometric and mechanical properties.

Vhodným polymerem pro vytváření vláken o průměru 100 nm až 10 pm je pak zejména polyvinyl alkohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polystyren (PS), poly(metyl metakrylát) (PMMA), polykaprolakton (PCL), polyuretan (PU), modifikovaná varianta některého z nich, nebo libovolná směs nebo kopolymer alespoň dvou z nich.Polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polystyrene (PS), poly (methyl methacrylate) (PMMA), polycaprolactone (PCL), polyurethane (PU) are particularly suitable polymers for forming fibers with a diameter of 100 nm to 10 .mu.m. , a modified variant of any of them, or any mixture or copolymer of at least two of them.

Cíle vynálezu se dále dosáhne také způsobem výroby lineárního nebo plošného útvaru obsahujícího polymerní vlákna o průměru 100 nm až 10 pm, jehož podstata spořívá v tom, že polymerní vlákna o průměru 100 nm až 10 pm vytvářená způsobem podle vynálezu se na povrchu jednoho nebo více podkladů ukládají vedle sebe a/nebo na sebe v požadované vzájemné orientaci, čímž se vytváří lineární útvar nebo plošný útvar.The object of the invention is furthermore also achieved by a process for the production of a linear or planar structure comprising polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 [mu] m, the essence of which consists in that polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 [mu] m formed by the process according to the invention they are placed side by side and / or on top of each other in the desired mutual orientation, thus forming a linear shape or a planar shape.

Kromě toho se cíle vynálezu dosáhne také způsobem výroby plošného nebo prostorového útvaru obsahujícího polymerní vlákna o průměru 100 nm až 10 pm, při kterém se polymerní vlákna o průměru 100 nm až 10 pm vytvářená způsobem podle opakovaně ukládají paralelně a/nebo různoběžně, načež nebo přičemž se stejným způsobem ze stejného nebo odlišného materiálu vytváří polymerní vlákna o průměru 100 nm až 10 pm, která se ukládají na ně se stejnou nebo jinou orientací.In addition, the object of the invention is also achieved by a method for producing a sheet or three-dimensional structure comprising polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm, in which polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm formed by the method according to the process are repeatedly deposited in parallel and / or differently. in the same way, it forms polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 [mu] m from the same or different material, which are deposited on them with the same or different orientation.

Pro případné další zpracování takto vytvořených útvarů nebo jejich sejmutí z podkladu je výhodné, pokud se jednotlivá polymerní vlákna svým koncem ukotvují na jiném podkladu, než na kterém je uložena výchozí kapka roztoku nebo taveniny polymeru, ze které se tato vlákna vytváří.For possible further processing of the structures thus formed or their removal from the substrate, it is advantageous if the individual polymer fibers are anchored at their ends on a substrate other than the one on which the initial drop of polymer solution or melt from which these fibers are formed is deposited.

PS3996CZPS3996CZ

Při výrobě prostorového útvaru je možné polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm ukládat na prostorově tvarovaný podklad, přičemž tato vlákna a jimi tvořená struktura kopírují/kopíruje alespoň částečně jeho tvar.In the production of a three-dimensional structure, it is possible to deposit polymeric fibers with a diameter of 100 nm to 10 [mu] m on a three-dimensionally shaped substrate, these fibers and the structure formed by them at least partially copying its shape.

Objasnění výkresůExplanation of drawings

Na přiložených výkresech je na obr. 1 schematicky znázorněn princip způsobu výroby polymemích vláken o průměru 100 nm až 10 pm podle vynálezu, na obr. 2 princip jiné varianty tohoto způsobu, obr. 3 SEM snímek lineárního útvaru obsahujícího polymemí nanovlákna vytvořená způsobem podle vynálezu při zvětšení 480x, na obr. 4 SEM snímek tohoto lineárního útvaru při zvětšení 1000x, na obr. 5 SEM snímek tohoto lineárního útvaru při zvětšení 3000x, na obr. 6 SEM snímek tohoto lineárního útvaru při zvětšení 5000x, na obr. 7 SEM snímek lineárního útvaru obsahujícího polymemí nanovlákna vytvořená způsobem podle vynálezu s dodatečně uděleným zákrutem při zvětšení 500x, na obr. 8 SEM snímek plošného útvaru obsahujícího paralelně uspořádaná polymemí nanovlákna vytvořená způsobem podle vynálezu při zvětšení 500x, na obr. 9 SEM snímek plošného útvaru obsahujícího mřížkou navzájem kolmo uložených polymemích nanovláken vytvořených způsobem podle vynálezu při zvětšení 500x, na obr. 10 SEM snímek plošného útvaru obsahujícího mřížku křížících se polymemích nanovláken vytvořených způsobem podle vynálezu osazených živými buňkami při zvětšení 25x, na obr. 11 SEM snímek plošného útvaru obsahujícího mřížku navzájem kolmo uložených polymemích nanovláken vytvořených způsobem podle vynálezu, osazeného živými buňkami při zvětšení 100x, na obr. 12 SEM snímek plošného útvaru obsahujícího mřížku křížících se polymemích nanovláken vytvořených způsobem podle vynálezu, osazeného živými buňkami při zvětšení 200x, na obr. 13 snímek plošného útvaru z obr. 12 z fluorescenčního mikroskopu, a na obr. 14 SEM snímek plošného útvaru obsahujícího mřížku křížících se nanovláken dvou polymerů vytvořených způsobem podle vynálezu.In the accompanying drawings, Fig. 1 schematically shows the principle of a method for producing polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm according to the invention, Fig. 2 shows the principle of another variant of this method, Fig. 3 shows an SEM image of a linear structure containing polymer nanofibers formed by the method according to the invention. magnification 480x, in Fig. 4 SEM image of this linear structure at 1000x magnification, in Fig. 5 SEM image of this linear structure at 3000x magnification, in Fig. 6 SEM image of this linear structure at 5000x magnification, in Fig. 7 SEM image of linear structure containing polymer nanofibers formed by the method according to the invention with an additional twist at a magnification of 500x, in Fig. 8 an SEM image of a sheet comprising parallel polymer nanofibers formed by the method according to the invention at 500x magnification, in Fig. 9 an SEM image of a sheet containing a grid of nanofibers formed by the method according to the invention at a magnification of 500x, in Fig. 10 an SEM area image of a structure comprising a lattice of intersecting polymeric nanofibers formed by the method according to the invention seeded with living cells at 25x magnification, Fig. 11 Fig. 13 is a fluorescence microscope image of a cross-section of a cross-section of intersecting polymeric nanofibers formed by the method of the invention, planted with living cells at 200x magnification; Fig. 13 is an SEM image of a cross-section of a cross-section of a cross-section of nanofibers. two polymers formed by the process of the invention.

PS3996CZPS3996CZ

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of the invention

Způsob výroby polymemích vláken o průměru 100 nm až 10 pm podle vynálezu je založen na využití viskozity roztoku nebo taveniny polymeru a jeho, resp. jejích mezimolekulárních sil k „vytahování“ jednotlivých vláken z kapky/kapek roztoku nebo taveniny polymeru uložené/uložených na přilnavém podkladu. Princip tohoto způsobu bude dále vysvětlen s přihlédnutím k obr. 1 a obr. 2. Při tomto způsobu se na povrchu přilnavého podkladu 1 nejprve vytvoří kapka 2 roztoku nebo taveniny polymeru, o objemu s výhodou 0,001 až 4,2 pl, případně i větším, do které se během jejího vytváření nebo po něm jedním svým koncem ponoří podlouhlý zvlákňování prvek 3 ve tvaru (kónické) jehly, trubičky nebo tyčinky, jejíž konec, je tvořen rovnou plochou, hrotem, zešikmením nebo zaoblením, atd. Průměr tohoto zvlákňovacího prostředku 3 v části, která se ponořuje do kapky 2 roztoku nebo taveniny polymeru je zpravidla 0,1 až 1,5 mm.The process for the production of polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 [mu] m according to the invention is based on the use of the viscosity of the solution or melt of the polymer and its resp. its intermolecular forces to "pull" the individual fibers out of the drop (s) of polymer solution or melt deposited on the adhesive backing. The principle of this method will be further explained with reference to Fig. 1 and Fig. 2. In this method, a drop 2 of a polymer solution or melt, with a volume of preferably 0.001 to 4.2 .mu.l, possibly even larger, is first formed on the surface of the adhesive substrate 1. into which, during or after its formation, an elongate spinning element (in the shape of a (conical) needle, tube or rod is immersed at one end, the end of which is formed by a flat surface, a tip, a bevel or a rounding, etc.). the part which is immersed in a drop 2 of polymer solution or melt is generally 0.1 to 1.5 mm.

Tento zvlákňovací prvek 3 je přitom s výhodou uložen na neznázorněném manipulátoru, který je schopný pohybu alespoň ve dvou osách - vertikálně kolmo k podkladu 1 (šipka y) a horizontálně po délce jednoho z rozměrů podkladu 1, (šipka z) a s výhodou i horizontálně po délce druhého z jeho rozměrů (šipka x), případně libovolně šikmo. Kterýkoliv z těchto pohybů manipulátoru však může být nahrazen nebo doplněn příslušným pohybem podkladu 1. Kromě toho je pro vytváření složitějších, např. prostorových útvarů z polymemích vláken dále výhodné, pokud je manipulátor, nebo jeho část s uloženým zvlákňovacím prvkem 3, schopen rotace kolem alespoň jedné osy.This spinning element 3 is preferably mounted on a manipulator (not shown) which is able to move in at least two axes - vertically perpendicular to the substrate 1 (arrow y) and horizontally along the length of one of the dimensions of the substrate 1, (arrow z) and preferably horizontally along the length of the second of its dimensions (arrow x), or arbitrarily oblique. However, any of these movements of the manipulator can be replaced or supplemented by a corresponding movement of the substrate 1. In addition, it is further advantageous for the manipulator, or a part thereof with the spinneret 3 mounted, to rotate around at least one to form more complex, e.g. one axis.

Pohybem tohoto manipulátoru se pak zvlákňovací prvek 3 vytáhne z kapky 2 roztoku nebo taveniny polymeru a po trajektorii T, která má na obr. 1 výhodný obloukový tvar, avšak obecně může mít libovolný jiný tvar (a např. v případě, kdy je podklad 1 vhodně tvarovaný, nebo kdy se zvlákňovací prvek 3 pohybuje mezi dvěma v prostoru vhodně uspořádanými podklady 1 může být trajektorie přímočará), se přesune v požadovaném směru a zvolenou, třeba i proměnnou, rychlostí do požadované vzdálenosti od kapky 2 roztoku nebo taveniny polymeru, kde se opět přivede do kontaktu s povrchem podkladu 1.. Při ponoření zvlákňovacího prvku 3 do kapky 2 ulpívá na jeho povrchu a/nebo v jeho dutině určité malé množství roztoku nebo taveniny polymeru, které zůstáváBy moving this manipulator, the spinning element 3 is then pulled out of the drop 2 of polymer solution or melt and along the trajectory T, which has the preferred arcuate shape in Fig. 1, but can generally have any other shape (and e.g. when the substrate 1 is suitably shaped, or when the spinning element 3 moves between two substrates suitably arranged in space 1, the trajectory can be rectilinear), moves in the desired direction and at a selected, even variable, speed to the desired distance from the polymer solution or melt drop 2, where again When the spinning element 3 is immersed in the drop 2, a small amount of polymer solution or melt adheres to its surface and / or its cavity, which remains

PS3996CZ v důsledku viskozity a povrchového napětí tohoto materiálu po celu dobu pohybu zvlákňovacího prvku 3 propojeno s výchozí kapkou 2 tenkým vláknem 4 tohoto materiálu, a jehož přirozeně malý průměr se sjeho délkou (resp. s délkou dráhy zvlákňovacího prvku 3) ještě dále zmenšuje. Tímto způsobem se postupně vytváří samostatné polymemí vlákno požadovaného průměru, délky a orientace. Při následném kontaktu zvlákňovacího prvku 3 s povrchem podkladu 1 se toto vlákno 4 ukončí a svým druhým koncem se ukotví na povrchu podkladu 1 (svým prvním koncem je ukotveno ve výchozí kapce 2). Díky velkému povrchu a intenzivnímu odparu rozpouštědla (způsobeném zejména narůstajícím kapilárním tlakem uvnitř dlouženého vlákna) poměrně rychle tuhne, přičemž je výhodné, pokud zcela zatuhne právě v okamžiku ukotvení svého druhého konce, nebo rychle po něm. Při zvlákňování některých polymerů, např. polykaprolaktonu, je naopak výhodné, pokud se pohyb zvlákňovacího prvku 3 po trajektorii T na určitý okamžik (jednotky až desítky vteřin) zastaví, a dále pokračuje až po částečném zatuhnutí vytvářeného vlákna 4. Při následném dodlužováni tohoto vlákna 4 se pak dosáhne jeho menšího průměru, neboť do něj již není dodáván další materiál z výchozí kapky 2.Due to the viscosity and surface tension of this material, it is connected to the starting droplet 2 by a thin fiber 4 of this material throughout the movement of the spinning element 3, and whose naturally small diameter decreases even further with its length (or with the path length of the spinning element 3). In this way, a separate polymeric fiber of the desired diameter, length and orientation is gradually formed. Upon subsequent contact of the spinning element 3 with the surface of the substrate 1, this fiber 4 is terminated and anchored at its other end to the surface of the substrate 1 (with its first end it is anchored in the initial drop 2). Due to the large surface area and the intense evaporation of the solvent (caused in particular by the increasing capillary pressure inside the drawn fiber), it solidifies relatively quickly, it being advantageous if it solidifies completely just at or quickly after anchoring its other end. On the other hand, when spinning some polymers, e.g. polycaprolactone, it is advantageous if the movement of the spinning element 3 along the trajectory T stops for a certain moment (units up to tens of seconds) and continues only after the formed fiber 4 partially solidifies. its smaller diameter is then reached, since no further material from the starting drop 2 is fed into it.

Po vytvoření polymerního vlákna a jeho ukotvení na povrchu podkladu 1 se zvlákňovací prvek 3 vrací zpět k výchozí kapce 2 roztoku nebo taveniny polymeru, aby ponořením do ní nabral na svůj povrch materiál pro vytažení dalšího vlákna 4. Tento proces se pak stejným způsobem opakuje až do vytvoření požadovaného počtu vláken nebo požadovaného lineárního, plošného nebo prostorového útvaru. Přitom je výhodné, pokud se v místě ukotvení druhého konce vytvářených vláken 4 na povrchu podkladu 1_ vytvoří koncová kapka 20 roztoku nebo taveniny polymeru, takže jednotlivá vlákna 4 se vytváří nebo mohou vytvářet i během vratné fáze pohybu zvlákňovacího prvku 3. Tímto způsobem lze na povrchu podkladu 1 vytvořit v podstatě libovolné množství výchozích a/nebo koncových kapek 2, 20 roztoku nebo taveniny polymeru/polymerů, a jedním nebo více stejnými nebo různými zvlákňovacími prvky 3 mezi nimi vytvářet v podstatě libovolnou plošnou strukturu vláken o průměru 100 nm až 10 pm jednoho nebo více polymerů. Každá kapka 2, 20 přitom může sloužit současně jako koncová, tj. k ukotvení konce vlákna 4After the polymer fiber has been formed and anchored to the surface of the substrate 1, the spinning element 3 is returned to the initial drop 2 of polymer solution or melt to absorb material to draw further fiber 4 by immersion therein. This process is then repeated in the same manner until creating the required number of fibers or the desired linear, planar or spatial structure. In this case, it is advantageous if an end drop 20 of polymer solution or melt is formed at the anchoring point of the other end of the formed fibers 4 on the surface of the substrate 7, so that individual fibers 4 are formed or can be formed during the reversible phase of the spinning element 3. of the substrate 1 to form substantially any number of starting and / or end droplets 2, 20 of polymer solution or melt, and by one or more identical or different spinning elements 3 to form substantially any surface structure of fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm of one or more polymers. Each drop 2, 20 can simultaneously serve as an end, i.e. to anchor the end of the fiber 4

PS3996CZ vytvořeného v předchozím kroku, a současně jako zdroj materiálu pro následně vytvářené vlákno 4, a naopak.PS3996EN created in the previous step, and at the same time as a source of material for the subsequently formed fiber 4, and vice versa.

Po zpracování předem daného množství roztoku nebo taveniny polymeru z výchozí kapky 2 a/nebo koncové kapky 20, nebo po zatuhnutí výchozí kapky 2 a/nebo koncové kapky 20, se na povrchu podkladu 1 stejným způsobem vytvoří nová výchozí kapka 2, nebo nová koncová kapka 20. Tato kapka/kapky 2, 20 se na povrchu podkladu 1 může vytvořit např. neznázorněným dávkovacím zařízením s nuceným nebo samovolným pohybem roztoku nebo taveniny polymeru, manuálně, nebo tak, že se požadované množství roztoku nebo taveniny polymeru na povrch podkladu 1. nanese zvlákňovacím prvkem 3, který se předtím ponoří do roztoku nebo taveniny polymeru uloženého/uložené v neznázorněném zásobníku na podkladu 1 nebo mimo něj.After processing a predetermined amount of polymer solution or melt from the starting drop 2 and / or the end drop 20, or after the starting drop 2 and / or the end drop 20 has solidified, a new starting drop 2 or new end drop is formed on the surface of the substrate 1 in the same way. 20. This drop (s) 2, 20 can be formed on the surface of the substrate 1, for example by a dosing device (not shown) with forced or spontaneous movement of the polymer solution or melt, manually or by applying the required amount of polymer solution or melt to the surface of the substrate 1. a spinning element 3, which is previously immersed in a solution or melt of polymer deposited in a container (not shown) on or outside the substrate 1.

Ve variantě způsobu výroby polymerních vláken podle vynálezu znázorněné na obr. 2 je roztok nebo tavenina polymeru uložený/uložená ve vnitřním prostoru kartuše 5, který je rozdělený pístem 6 nebo membránou na dvě části, z nichž jedna je propojená s dutinou dutého podlouhlého zvlákňovacího prvku 3, kterým je v této variantě s výhodou dutá kónická jehla (tj. kapilára) 30, avšak lze použít libovolný jiný dutý zvlákňovací prvek 3, a druhá je propojená se zdrojem tlakového média (plynu, s výhodou vzduchu, nebo kapaliny), nebo je píst 6 nebo membrána v neznázorněné variantě provedení spřažen/spřažena s mechanickým pohonem. Kvůli setrvačnému působení je v první variantě výhodné, pokud je zdroj tlakového média uložen na nepohyblivé části zařízení pro vytváření polymerních vláken. Kartuše 5 je uložená na neznázorněném manipulátoru, který je schopný pohybu alespoň ve dvou osách - vertikálně kolmo k podkladu 1 (šipka y) a horizontálně po délce jednoho z rozměrů podkladu 1 (šipka z) a s výhodou i horizontálně po délce druhého z jeho rozměrů (šipka x), případně libovolně šikmo. Kterýkoliv z těchto pohybů manipulátoru však může být nahrazen nebo doplněn příslušným pohybem podkladu L Kromě toho je pro vytváření složitějších, např. prostorových útvarů z polymerních vláken dále výhodné, pokud je manipulátor, nebo jeho část s uloženým zvlákňovacím prvkem 3, schopen rotace kolem alespoň jedné osy.In a variant of the method for producing polymer fibers according to the invention shown in Fig. 2, the polymer solution or melt is deposited in the interior of the cartridge 5, which is divided by a piston 6 or a membrane into two parts, one of which is connected to the cavity of the hollow elongate spinning element 3. , which in this variant is preferably a hollow conical needle (i.e. capillary) 30, but any other hollow spinning element 3 can be used, and the other is connected to a source of pressure medium (gas, preferably air or liquid), or is a piston 6 or the diaphragm in a variant (not shown) is coupled / coupled to a mechanical drive. Due to the inertial action, it is advantageous in the first variant if the source of pressure medium is mounted on a stationary part of the polymer fiber-forming device. The cartridge 5 is mounted on a manipulator (not shown) which is able to move in at least two axes - vertically perpendicular to the substrate 1 (arrow y) and horizontally along the length of one of the dimensions of the substrate 1 (arrow z) and preferably horizontally along the length of the other of its dimensions ( arrow x), or arbitrarily oblique. However, any of these manipulator movements can be replaced or supplemented by a corresponding movement of the substrate L. In addition, it is further advantageous for the manipulator, or a part thereof with the spinneret 3 mounted, to rotate around at least one to create more complex, e.g. axis.

PS3996CZPS3996CZ

Dutá kónická jehla 30 je přitom s výhodou vytvořená z elektricky vodivého materiálu (může však být vytvořena i z elektricky nevodivého materiálu) a její výstupní otvor má průměr 0,1 až 1,2 mm.The hollow conical needle 30 is preferably made of an electrically conductive material (but can also be made of an electrically non-conductive material) and its outlet opening has a diameter of 0.1 to 1.2 mm.

Při tomto způsobu výroby polymerních vláken se pohybem manipulátoru přiblíží hrot duté kónické jehly 30 k povrchu podkladu 1 nebo se uvede do kontaktu s ním, načež se impulzem tlakového média (např. plynu nebo kapaliny) na opačné straně pístu 6 nebo membrány kartuše 5 nebo působením neznázorněného mechanického pohonu (viz šipka P) protlačí dutinou kónické jehly 30 požadované množství roztoku nebo taveniny polymeru (s výhodou 0,001 až 4,2 μΙ, případně více), čímž se na povrchu podkladu £ vytvoří kapka 2 tohoto materiálu. Po jejím vytvoření se dutá kónická jehla 30 prostřednictvím manipulátoru přesune po trajektorii T, která má na obr. 2 výhodný obloukový tvar, avšak obecně může mít libovolný jiný tvar, v požadovaném směru do požadované vzdálenosti od kapky 2 roztoku nebo taveniny £ polymeru, kde se opět přivede do kontaktu s podkladem £. Přitom se výše popsaným způsobem vytváří samostatné polymemí vlákno 4 požadovaného průměru, délky a orientace. To se při následném kontaktu duté kónické jehly 30 s povrchem podkladu £ ukončí a ukotví. Poté se dutá kónická jehla 30 prostřednictvím manipulátoru vrací zpět k výchozí kapce 2 roztoku nebo taveniny polymeru, aby kontaktem s ní nebo ponořením do ní nabrala na svůj hrot materiál pro vytažení dalšího vlákna 4, což se opakuje až do vytvoření požadovaného počtu vláken nebo požadovaného lineárního, plošného nebo prostorového útvaru.In this method of manufacturing polymer fibers, the tip of the hollow conical needle 30 approaches or comes into contact with the surface of the substrate 1 by moving the manipulator, followed by an impulse of a pressure medium (e.g. gas or liquid) on the opposite side of the piston 6 or cartridge membrane 5. of a mechanical drive (not shown) (see arrow P) pushes the required amount of polymer solution or melt (preferably 0.001 to 4.2 μΙ, or more) through the cavity of the conical needle 30, thereby forming a drop 2 of this material on the surface of the substrate e. After its formation, the hollow conical needle 30 is moved by means of a manipulator along a trajectory T, which in FIG. 2 has the preferred arcuate shape, but can generally have any other shape, in the desired direction to the desired distance from the polymer drop or melt. brings it back into contact with the substrate £. In this way, a separate polymeric fiber 4 of the desired diameter, length and orientation is formed in the manner described above. This is terminated and anchored by the subsequent contact of the hollow conical needle 30 with the surface of the substrate 6. Then, the hollow conical needle 30 is returned by means of a manipulator to the initial drop 2 of polymer solution or melt to pick up material on its tip for drawing another fiber 4 by contact with or immersing it, which is repeated until the desired number of fibers or the desired linear , planar or spatial unit.

Také v této variantě se může pro dosažení menších průměrů vytvářených vláken 4 použít výše popsaného dodlužování, kdy se pohyb duté kónické jehly 30 po trajektorii T na určitý okamžik (jednotky až desítky vteřin) zastaví, přičemž dojde k částečnému zatuhnutí vytvářeného vlákna 4.Also in this variant, in order to achieve smaller diameters of the formed fibers 4, the above-described extension can be used, in which the movement of the hollow conical needle 30 along the trajectory T is stopped for a certain moment (units up to tens of seconds), while the formed fiber 4 partially solidifies.

V jiné, neznázorněné variantě provedení lze pohyb pístu 6 nebo membrány v kartuši 5 nahradit využitím kapilárních sil, kdy je v dutině kónické jehly 30 podélně uložen podlouhlý vodicí prvek (např. (nano)drátek z wolframu), který z ní vystupuje minimálně o hodnotu jejího poloměru, a který tvoří vedení roztoku nebo taveniny polymeru, přičemž přirozeně rozděluje roztok nebo taveninu polymeru do kapiček, a to dokonce o menším objemu a s větší přesností než dutá kónická jehla 30.In another embodiment, not shown, the movement of the piston 6 or the diaphragm in the cartridge 5 can be replaced by the use of capillary forces, in which an elongate guide element (e.g. (nano) tungsten wire) is longitudinally mounted in the cavity of the conical needle 30. of its radius, and which forms a conduit of the polymer solution or melt, naturally dividing the polymer solution or melt into droplets, even with a smaller volume and with greater accuracy than the hollow conical needle 30.

PS3996CZPS3996CZ

Použití kartuše 5, která se pohybuje společně s dutou kónickou jehlou 30, umožňuje při ukotvení druhého konce vytvářeného polymerního vlákna 4 vytvořit koncovou kapku 20 roztoku nebo taveniny polymeru, která slouží pro bezpečné ukotvení konce tohoto vlákna na povrchu podkladu 1, a případně i jako zásoba materiálu pro vytvoření dalšího polymerního vlákna/vláken 4. Vlákno 4 vytvořené následně z materiálu koncové kapky 20 pak může být s vláknem vytvořeným v předchozím zdvihu duté kónické jehly 30 paralelní nebo vůči němu může být uspořádáno libovolným jiným požadovaným způsobem. Dutá kónická jehla 30 se tak může prostřednictvím manipulátoru vratně pohybovat mezi dvěma případně více body na povrchu podkladu 1, přičemž alespoň na jednom z nich je uložená výchozí kapka 2 nebo koncová kapka 20 roztoku/taveniny 1 polymeru, a vytvářet mezi nimi libovolnou vlákennou strukturu s paralelními nebo pod libovolným úhlem uspořádanými, případně se křížícími vlákny různých polymerů a/nebo průměrů a/nebo délek.The use of the cartridge 5, which moves together with the hollow conical needle 30, makes it possible to form an end drop 20 of polymer solution or melt when anchoring the other end of the formed polymer fiber 4, which serves to securely anchor the end of this fiber to the surface of the substrate 1; material to form the further polymeric fiber (s) 4. The fiber 4 subsequently formed from the material of the end drop 20 may then be parallel to the fiber formed in the previous stroke of the hollow conical needle 30 or may be arranged in any other desired manner. The hollow conical needle 30 can thus be reciprocated by means of a manipulator between two or more points on the surface of the substrate 1, at least one of which a starting drop 2 or an end drop 20 of polymer solution / melt 1 is deposited, forming any fibrous structure between them with parallel or at any angle arranged, optionally intersecting fibers of different polymers and / or diameters and / or lengths.

Produktivitu lze v případě potřeby zvýšit zvětšením počtu dutých kónických jehel 30 nebo jiných podlouhlých zvlákňovacích prvků 3. Alespoň některé z dutých kónických jehel přitom mohou mít společný manipulátor, resp. pohonné ústrojí, a případně i kartuši 5. Pokud mají různé duté kónické jehly 30 různé kartuše 2 nebo jsou propojené s různými oddíly jedné kartuše 5, a/nebo pokud mají různé rozměry a/nebo tvar svého hrotu a/nebo výstupního otvoru, je možné souběžně vytvářet vlákna různých polymerů a/nebo parametrů, např. průměrů.If necessary, the productivity can be increased by increasing the number of hollow conical needles 30 or other elongate spinning elements 3. At least some of the hollow conical needles can have a common manipulator, resp. drive mechanism, and possibly also cartridge 5. If different hollow conical needles 30 have different cartridges 2 or are connected to different compartments of one cartridge 5, and / or if they have different dimensions and / or shape of their tip and / or outlet opening, it is possible to simultaneously form fibers of different polymers and / or parameters, e.g. diameters.

Pohyb manipulátoru, ve všech výše popsaných variantách, probíhá s výhodou po obloukové trajektorii T, která má ve své počáteční a koncové fázi směr normály k povrchu podkladu 1. Manipulátor se přitom v počáteční fázi svého pohybu pohybuje se zrychlením a v koncové fázi svého pohybu se zpomalením, přičemž dosahuje nejvyšší rychlosti 1 až 100 m/min, případně vyšší.The movement of the manipulator, in all the variants described above, preferably takes place along an arcuate trajectory T, which in its initial and final phase has a normal direction to the surface of the substrate 1. The manipulator moves with acceleration in the initial phase of its movement and in the final phase of its movement. deceleration, reaching a top speed of 1 to 100 m / min or higher.

Parametry vytvářených polymerních vláken jsou pak dány vlastnostmi zvlákňovaného materiálu a rychlostí pohybu zvlákňovacího prvku 3, přičemž při vhodné volbě těchto parametrů lze s použitím jednoho typu a velikosti zvlákňovacího prvku 3 vyrábět polymemí vlákna s délkou v řádu desetin milimetrů až jednotek metrů, a s průměrem od 100 nm do 10 pm.The parameters of the formed polymer fibers are then determined by the properties of the spun material and the speed of movement of the spinning element 3, while with suitable choice these parameters can be produced using one type and size of spinning element 3 polymer fibers with length tens of millimeters to units of meters and diameter from 100 nm to 10 pm.

* PS3996CZ* PS3996EN

Tímto způsobem lze na povrchu plošného podkladu/podkladů 1 vyrábět lineární nebo plošné útvary s požadovanou orientací jednotlivých polymemích vláken (přičemž jednotlivá vlákna se ukládají vedle sebe s požadovanou vzájemnou orientací a případně i na sebe), a vrstvením těchto lineárních a/nebo plošných útvarů, případně s využitím prostorově tvarovaného podkladu 1 nebo více, v prostoru vůči sobě vhodně uložených podkladů 1., i prostorové útvary. Tyto útvary vyrobené z biologicky kompatibilního a případně i biologicky degradabilního polymeru (např. polykaprolaktonu - PCL, apod.) pak mají využití zejména jako tzv. „scaffoldy“, resp. nosiče pro osazení živými buňkami v oblasti tkáňového inženýrství a regenerativním medicíny, kdy orientace jejich vláken, resp. jejích mezivlákenných prostorů představuje směr přednostního ukládání, resp. růstu buněk, což umožňuje vyrábět např. funkční náhrady různých tkání s požadovanou orientací buněk, jako jsou například svalové, šlachové, nebo neuronové tkáně, apod. Takto vytvořené útvary lze případným dalším mechanických zpracováním dále upravovat, např. překládat, svinovat apod., lineární útvary pak např. zakrucovat do podoby příze (viz např. obr. 7), atd.In this way, linear or planar structures with the desired orientation of the individual polymeric fibers (the individual fibers are placed next to one another with the desired mutual orientation and possibly also on one another) can be produced on the surface of the sheet (s) 1, and by layering these linear and / or planar structures. possibly with the use of a spatially shaped base 1 or more, in the space of the bases 1 suitably placed in relation to each other, also spatial formations. These formations made of biologically compatible and possibly also biodegradable polymer (eg polycaprolactone - PCL, etc.) are then used mainly as so-called "scaffolds", respectively. carriers for implantation of living cells in the field of tissue engineering and regenerative medicine, where the orientation of their fibers, resp. of its interfiber spaces represents the direction of preferential storage, resp. cell growth, which makes it possible to produce, for example, functional replacements of various tissues with the desired cell orientation, such as muscle, tendon or neuronal tissues, etc. The structures formed in this way can be further modified by possible further mechanical processing, eg translation, folding, etc., linear the shapes are then, for example, twisted into a yarn (see, for example, FIG. 7), etc.

Vhodným polymerem pro výrobu polymemích vláken způsobem podle vynálezu v kterékoliv jeho variantě, je zejména polymer s relativní molekulovou hmotností blízkou nebo rovnou 90000, přičemž lze použít i polymer s relativní molekulovou hmotností alespoň 45000. Polymery zvláknitelnými tímto způsobem jsou například polyvinyl alkohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polystyren (PS), poly(metyl metakrylát) (PMMA), polykaprolakton (PCL), polyuretan (PU), apod. Zvlákněna může být i vhodná směs těchto polymerů nebo kopolymer alespoň dvou z nich, případně modifikovaná varianta některého z nich. Pro výrobu útvarů určených pro lékařské využití je pak podmínkou využití biologicky kompatibilních a případně i biologicky degradabilních polymerů schválených pro lékařské použití. Do roztoku nebo taveniny polymeru se přitom může přidat alespoň jedna vhodná látka nebo její prekurzor, která se během vytváření vlákna 4 inkorporuje/zabudovává do jeho struktury, a poskytuje mu vhodné mechanické parametry (např. zvyšuje jeho pevnost, otěruvzdomost, apod.), nebo mu propůjčuje speciální vlastnosti (např. antimikrobiální vlastnosti, apod.).A suitable polymer for the production of polymeric fibers by the process according to the invention in any of its variants is, in particular, a polymer with a relative molecular weight close to or equal to 90,000, a polymer with a relative molecular weight of at least 45,000 being used. Polymer spinnable polymers are, for example, polyvinyl alcohol (PVA). polyvinyl butyral (PVB), polystyrene (PS), poly (methyl methacrylate) (PMMA), polycaprolactone (PCL), polyurethane (PU), etc. A suitable mixture of these polymers or a copolymer of at least two of them, or a modified variant, can also be spun. any of them. For the production of devices intended for medical use, the condition is the use of biologically compatible and possibly also biodegradable polymers approved for medical use. At least one suitable substance or its precursor can be added to the polymer solution or melt, which is incorporated / incorporated into its structure during the formation of the fiber 4 and provides it with suitable mechanical parameters (e.g. increases its strength, abrasion resistance, etc.), or gives it special properties (eg antimicrobial properties, etc.).

‘ PS3996CZ‘PS3996EN

Daný polymer, případně směs polymerů se pro vytvoření taveniny roztaví. Pro vytvoření roztoku se rozpustí v příslušném rozpouštědle, přičemž pokud se rozpouští v organickém rozpouštědle (například chloroformu), tak se toto rozpouštědlo s výhodou stabilizuje vhodnou látkou (například etanolem).The polymer or polymer mixture melts to form a melt. To form a solution, it is dissolved in an appropriate solvent, and when dissolved in an organic solvent (e.g., chloroform), the solvent is preferably stabilized with a suitable substance (e.g., ethanol).

Během vytváření polymerních vláken způsobem podle vynálezu lze vhodně kombinovat různé materiály, případně různé varianty jednoho materiálu s různými molekulárními hmotnostmi, a také průměry vláken, což umožňuje např. nastavit rychlost biologické, případně jiné, degradace jednotlivých částí vytvořeného útvaru, přičemž vlákna nebo části vláken z materiálu s nižší molekulovou hmotností a případně i menším průměrem degradují rychleji.During the formation of the polymer fibers by the method according to the invention, different materials or different variants of one material with different molecular weights can be suitably combined, as well as fiber diameters, which makes it possible to adjust the rate of biological or other degradation of individual parts of the formed structure. from a material with a lower molecular weight and possibly a smaller diameter they degrade faster.

Způsob výroby polymerních nanovláken podle kterékoliv z popsaných variant probíhá v podstatě za jakýchkoliv podmínek, a ve srovnání např. s elektrostatickým zvlákňováním není vázán, resp. jeho výkon není významně ovlivněn, aktuálními fyzikálně-chemickými podmínkami ve zvlákňovacím prostoru. Aby se však omezilo vysychání roztoku nebo tuhnutí taveniny v kapkách 2, 20, je výhodné, pokud alespoň vytváření těchto kapek 2, 20, nebo celý proces výroby polymerních vláken, probíhá v atmosféře s řízeným plynným složením a/nebo teplotou.The process for the production of polymeric nanofibers according to any of the described variants takes place under essentially any conditions, and in comparison with, for example, electrostatic spinning, it is not bound, resp. its performance is not significantly affected by the current physico-chemical conditions in the spinning space. However, in order to limit the drying of the solution or the solidification of the melt in the droplets 2, 20, it is advantageous if at least the formation of these droplets 2, 20, or the whole polymer fiber production process takes place in an atmosphere with controlled gas composition and / or temperature.

Níže jsou pro názornost uvedeny konkrétní příklady výroby vláken z polykaprolaktonu (PCL), což je biologicky kompatibilní polymer schválený pro lékařské použití, polyvinyl alkoholu (PVA) a polyvinyl butyralu (PVB).The following are specific examples of the production of polycaprolactone (PCL) fibers, a biocompatible polymer approved for medical use, polyvinyl alcohol (PVA) and polyvinyl butyral (PVB).

Příklad 1Example 1

Rozpuštěním polykaprolaktonu (PCL) se střední relativní molekulovou hmotností 90000 v rozpouštědlovém systému chloroform-etanol (poměr 7:3) se vytvořil roztok s obsahem 24 % hm polykaprolaktonu. Tento roztok se uložil do vnitřního prostoru kartuše 5, který byl rozdělen pístem 6 na dvě části, z nichž jedna byla propojená s dutinou duté kónické jehly 30 s výstupním otvorem o průměru 0,62 mm, a druhá propojená se zdrojem tlakového vzduchu. Tlakovým impulzem 0,6 bar o délce 0,15 s se na přilnavý podklad 1 tvořený černým papírem (černá barva byla volena jako kontrastní pro vytvářená vlákna) vytlačila kapka 2 tohoto roztoku o objemu 0,065 μΙ. Prostřednictvím manipulátoru se ‘ PS3996CZ potom kartuše 5 s dutou kónickou jehlou 30 přesunula po obloukové trajektorii T do koncového bodu na povrchu podkladu 1 ve vzdálenosti 80 mm od kapky 2, přičemž maximální výška hrotu duté kónické jehly 30 nad povrchem podkladu 1 byla 16 mm. V koncovém bodu trajektorie T se na povrchu podkladu 1 stejným způsobem, jako kapka 2, vytvořila koncová kapka 20 roztoku polymeru, a vlákna stejného polymeru se vytvářela v obou fázích vratného pohybu duté kónické jehly 30. Po vytvoření každých 100 vláken se pak dutá kónická jehla 30 prostřednictvím manipulátoru posunula o 0,5 mm ve směru kolmém na rovinu trajektorie T, kde se vytvořila nová výchozí kapka 2 i nová koncová kapka 20. Manipulátor se přitom při svém pohybu pohyboval prvních 500 ms se zrychlením, přičemž ihned po dosažení rychlosti 8 m/min se začal pohybovat se zpomalením a pohyboval se tak dalších 1500 ms.Dissolution of polycaprolactone (PCL) with an average molecular weight of 90,000 in a chloroform-ethanol solvent system (7: 3 ratio) gave a solution containing 24% by weight of polycaprolactone. This solution was stored in the interior of the cartridge 5, which was divided by a piston 6 into two parts, one of which was connected to the cavity of a hollow conical needle 30 with a 0.62 mm diameter outlet and the other to a source of compressed air. With a pressure pulse of 0.6 bar with a length of 0.15 s, a drop 2 of this solution with a volume of 0.065 μΙ was extruded on an adhesive substrate 1 made of black paper (black was chosen as a contrast for the fibers formed). By means of the manipulator, the cartridge 5 with the hollow conical needle 30 was then moved along an arcuate path T to an end point on the surface of the substrate 1 at a distance of 80 mm from the drop 2, the maximum height of the tip of the hollow conical needle 30 above the surface of the substrate 1 being 16 mm. At the end point of the trajectory T, an end drop 20 of polymer solution was formed on the surface of the substrate 1 in the same way as drop 2, and fibers of the same polymer were formed in both phases of reciprocating hollow conical needle 30. After forming every 100 fibers, hollow conical needle was formed. 30 by means of a manipulator moved by 0.5 mm in the direction perpendicular to the plane of the trajectory T, where a new starting drop 2 and a new end drop 20 were formed. The manipulator moved with its acceleration for the first 500 ms with acceleration. / min began to move with deceleration and moved for another 1500 ms.

Tímto způsobem se vytvořil lineární útvar tvořený nanovlákny polykaprolaktonu, jehož snímky z elektronového skenovacího mikroskopu (SEM) při zvětšení 480x, 1000x, 3000x a 5000x jsou na obr. 3 až 6.In this way, a linear structure formed by polycaprolactone nanofibers was formed, the electron scanning microscope (SEM) images of which at 480x, 1000x, 3000x and 5000x magnifications are shown in Figures 3 to 6.

Na obr. 7 je pak SEM snímek takto vytvořeného lineárního útvaru, kterému byl dodatečně udělen zákrut otáčením části podkladu 1 s uloženými konci jednotlivých polymerních nanovláken.Fig. 7 is then an SEM image of the linear structure thus formed, which has been additionally twisted by rotating a part of the substrate 1 with the deposited ends of the individual polymeric nanofibers.

Analogickým způsobem lze vytvářet plošné útvary s rovnoběžně uspořádanými polymerními vlákny - viz např. obr. 8, nebo s vlákny uspořádanými . pod libovolným úhlem do mřížky - viz např. obr. 9. Především tyto plošné útvary mohou být využity např. jako tzv. scaffoldy, resp. nosiče pro uložení a kultivaci živých buněk, které je kolonizují přednostně ve směru mezivlákenných prostorů - viz např. obr. 10 až 12, na kterých jsou SEM snímky těchto útvarů osazených 3T3 myšími fibroblasty, a obr. 13 na kterém je snímek útvaru z obr. 12 z fluorescenčního mikroskopu, na kterém světlé body představují jádra buněk, a ze kterého je zřejmá přednostní orientace buněk, resp. směr kolonizace scaffoldu.In an analogous manner, it is possible to form sheets with polymer fibers arranged in parallel - see, for example, FIG. 8, or with fibers arranged. at any angle to the grid - see, for example, Fig. 9. Above all, these surface shapes can be used, for example, as so-called scaffolds, resp. carriers for storing and culturing living cells, which colonize them preferably in the direction of the interfibrous spaces - see e.g. Figs. 10 to 12, in which SEM images of these structures are seeded with 3T3 mouse fibroblasts, and Fig. 13 is a picture of the structure of Figs. 12 from a fluorescence microscope in which the bright spots represent the nuclei of the cells, and from which the preferred orientation of the cells, resp. direction of scaffold colonization.

Příklad 2Example 2

Rozpuštěním polyvinylalkoholu (PVA) se střední relativní molekulovou hmotností 67000 v demineralizované vodě se vytvořil roztok s obsahem 40 %Dissolution of polyvinyl alcohol (PVA) with an average relative molecular weight of 67,000 in demineralized water formed a solution containing 40%

PS3996CZ hm polyvinylalkoholu. Poté se na povrchu podkladu 1_ (papír) vytvořily dvě kapky 2, 20 tohoto roztoku vzdálené od sebe 100 mm. Prostřednictvím manipulátoru se do výchozí kapky 2 ponořil podlouhlý zvlákňovací prvek 3 tvořený kovovou trubičkou o vnějším průměru 0,4 mm, který se poté přesunul po obloukové trajektorii T a ponořil se do koncové kapky 20 roztoku. Maximální výška konce podlouhlého zvlákňovacího prvku 3 nad povrchem podkladu 1 přitom byla 20 mm. Tímto způsobem se mezi výchozí kapkou 2 roztoku a koncovou kapkou 20 roztoku vytvořilo polymemí nanovlákno. Opakováním tohoto postupu se postupně v každé fázi pohybu zvlákňovacího prvku 3 vytvářela další polymemí nanovlákna. Manipulátor se přitom při svém pohybu pohyboval prvních 500 ms se zrychlením, přičemž po dosažení rychlosti 9 m/min se začal pohybovat se zpomalením a pohyboval se tak dalších 1500 ms.PS3996CZ hm polyvinyl alcohol. Then, two drops 2, 20 of this solution, 100 mm apart, formed on the surface of the substrate 7 (paper). An elongated spinning element 3 formed by a metal tube with an outer diameter of 0.4 mm was immersed in the initial drop 2 by means of a manipulator, which was then moved along an arcuate trajectory T and immersed in the end drop 20 of the solution. The maximum height of the end of the elongate spinning element 3 above the surface of the substrate 1 was 20 mm. In this way, a polymeric nanofiber was formed between the initial drop 2 of the solution and the final drop 20 of the solution. By repeating this process, further polymeric nanofibers were gradually formed in each phase of the movement of the spinning element 3. During its movement, the manipulator moved for the first 500 ms with acceleration, while after reaching a speed of 9 m / min, it started to move with deceleration and thus moved for another 1500 ms.

Po vytvoření požadovaného počtu nanovláken polyvinylalkoholu se rozpuštěním polyvinylbutyralu (PVB) o relativní molekulové hmotnosti 60000 v etanolu vytvořil roztok s obsahem 15 % hm polyvinylbutyralu. Tento roztok se zvlákňoval stejně jako roztok polyvinylalkoholu a vytvářená nanovlákna se ukládala přes nanovlákna polyvinylalkoholu, čímž se vytvořila plošná mřížka viz obr. 14, kde světlejší vlákna jsou vlákna polyvinylalkoholu (světlého zbarvení je pro účely pozorování na SEM mikrosnímku dosaženo přídavkem tzv. kontrastní látky AgNO3) a tmavší nanovlákna polyvinylbutyralu.After forming the required number of polyvinyl alcohol nanofibers, a solution containing 15% by weight of polyvinyl butyral was formed by dissolving polyvinyl butyral (PVB) having a relative molecular weight of 60,000 in ethanol. This solution was spun in the same way as the polyvinyl alcohol solution and the formed nanofibers were deposited over the polyvinyl alcohol nanofibers to form a planar grid, see Fig. 14, where the lighter fibers are polyvinyl alcohol fibers. 3 ) and darker polyvinyl butyral nanofibers.

Způsobem podle vynálezu lze vytvářet v podstatě libovolné lineární, plošné nebo prostorové útvary s libovolným přesně definovaným vzájemným uspořádáním jednotlivých polymerních vláken o průměru 100 nm až 10 pm. Tyto útvary se po sejmutí z povrchu podkladu 1 v případě potřeby tvarově nebo velikostně upraví, např. vystřiženým, nebo se dále zpracují např. svinutím, přeložením, apod., přičemž před jejich sejmutím z podkladu 1 a/nebo při něm a/nebo po něm je možné jednotlivá vlákna nebo skupiny nanovláken útvaru navzájem spojovat např. jejich (částečným) natavením nebo naleptáním (např. parami vhodného rozpouštědla, nebo nanesením lepidla, tvořeného stejným polymerem s nižší molekulovou hmotností a menším obsahem rozpouštědel). V jiné variantě provedení lze lineární, plošné nebo prostorové útvary přímo při výrobě nanášet na libovolný vhodný podklad 1, který je tvořený přímo vrstvou * PS3996CZ materiálu, která se ve finální aplikaci použije společně s těmito vlákny. Takovou vrstvou může být např. textilie libovolného typu, plastová nebo kovová fólie, mřížka nebo síťka, vrstva nanovláken, atd.The method according to the invention makes it possible to form essentially any linear, planar or three-dimensional formations with any precisely defined mutual arrangement of the individual polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 [mu] m. After removal from the surface of the substrate 1, these formations are, if necessary, shaped or sized, e.g., cut-out, or further processed, e.g., by rolling, folding, etc., before and / or during or after removal from the substrate 1. it is possible to join the individual fibers or groups of nanofibers of the structure to each other, for example by (partial) melting or etching them (e.g. by steaming a suitable solvent, or by applying an adhesive consisting of the same lower molecular weight polymer and lower solvent content). In another variant of the embodiment, the linear, planar or three-dimensional structures can be applied directly during production to any suitable substrate 1, which is formed directly by a layer * PS3996CZ of material, which is used in the final application together with these fibers. Such a layer can be, for example, a fabric of any type, a plastic or metal foil, a grid or a mesh, a layer of nanofibers, etc.

V jedné variantě způsobu výroby prostorového útvaru obsahujícího polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm se polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm vytvářená způsobem podle vynálezu ukládají navzájem paralelně a/nebo různoběžně a/nebo mimoběžně mezi různými částmi vhodně tvarovaného povrchu jednoho podkladu, nebo mezi dvěma podklady uloženými např. proti sobě nebo v libovolném jiném prostorovém uspořádání.In one variant of the method for producing a three-dimensional structure comprising polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm, the polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm formed by the method according to the invention are deposited parallel to each other and / or differently and / or extremes between different parts of a suitably shaped surface. , or between two substrates placed, for example, against each other or in any other spatial arrangement.

Při použití zvlákňovacího prvku 3 a podkladu 1 z elektricky vodivého materiálu je možné stimulovat vytvářené vlákno 4 elektrickým proudem, kdy se mezi podkladem 1, aktuálně „vytahovaným“ vláknem 4 a zvlákňovacím prvkem 3 uzavře elektrický obvod, do kterého se z neznázorněného zdroje vysokého stejnosměrného napětí přivádí vysoké stejnosměrné napětí libovolné polarity, o velikosti v řádu jednotek až desítek kV. Vlákno 4 je přitom nejexponovanější částí tohoto obvodu a konformace jeho makromelukul jsou tak ovlivněny působením vnějšího elektrického pole. Přitom dochází k vytvoření materiálové struktury, která zlepšuje geometrické i mechanické vlastnosti vytvářeného vlákna. Pro bezpečnou realizaci je nutné, aby byl zdroj vysokého stejnosměrného napětí řiditelný v tom smyslu, aby se obvod vytvářel jen při vzdálenosti zvlákňovacího prvku 3 od povrchu podkladu 1_ větší, než je průrazná vzdálenost aplikovaného vysokého napětí.When using the spinning element 3 and the substrate 1 of electrically conductive material, it is possible to stimulate the formed fiber 4 with an electric current, when an electrical circuit is closed between the substrate 1, the currently "pulled" fiber 4 and the spinning element 3, into which a high DC voltage source (not shown) supplies a high DC voltage of any polarity, of magnitude in the order of units up to tens of kV. Fiber 4 is the most exposed part of this circuit and the conformations of its macromelluules are thus affected by the action of an external electric field. At the same time, a material structure is created which improves the geometric and mechanical properties of the fiber formed. For safe implementation, it is necessary for the high DC voltage source to be controllable in the sense that the circuit is formed only at a distance of the spinning element 3 from the surface of the substrate 7 greater than the breakthrough distance of the applied high voltage.

Claims (20)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 1. Způsob výroby polymerních vláken o průměru 100 nm až 10 pm, vyznačující se tím, že na povrchu podkladu (1) se vytvoří kapka (2) roztoku nebo taveniny polymeru o objemu alespoň 0,001 μΙ, během jejího vytváření nebo po něm se do ní ponoří konec alespoň jednoho podlouhlého zvlákňovacího prvku (3), na jehož povrchu a/nebo v jehož dutině se zachytí část roztoku nebo taveniny polymeru z této kapky (2), načež se tento zvlákňovací prvek (3) pohybem manipulátoru, na kterém je uložený, a/nebo pohybem podkladu (1) přesune k jinému místu stejného nebo jiného podkladu (1), přičemž roztok nebo tavenina polymeru na jeho povrchu a/nebo v jeho dutině zůstává díky své viskozitě a povrchovému napětí během tohoto pohybu propojená vláknem (4) roztoku nebo taveniny polymeru jehož průměr se při pohybu zvlákňovacího prvku (3) a/nebo podkladu (1) zmenšuje s kapkou (2) na povrchu podkladu (1), a toto vlákno (4) se při následném kontaktu konce zvlákňovacího prvku (3) s povrchem podkladu (2) ukotví, čímž se na povrchu podkladu (2) vytvoří polymerní vlákno o průměru 100 nm až 10 pm.A method for producing polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm, characterized in that a drop (2) of a polymer solution or melt with a volume of at least 0.001 μΙ is formed on the surface of the substrate (1), during or after its formation immerses the end of at least one elongate spinning element (3), on the surface and / or in the cavity of which a part of the polymer solution or melt is caught from this drop (2), after which this spinning element (3) is moved by the manipulator on which it is mounted, and / or moves to another location of the same or another substrate (1) by moving the substrate (1), the polymer solution or melt on its surface and / or in its cavity remaining connected by the solution fiber (4) due to its viscosity and surface tension during this movement. or a polymer melt whose diameter decreases with the droplet (2) on the surface of the substrate (1) as the spinning element (3) and / or the substrate (1) moves, and this fiber (4) decreases with subsequent contact of the end of the spinning element (3) with anchors the surface of the substrate (2), thereby the surface of the substrate (2) forms a polymer fiber with a diameter of 100 nm to 10 μm. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že kapka (2) roztoku nebo taveniny polymeru se na povrchu podkladu (1) vytvoří nanesením roztoku nebo taveniny polymeru nanášecím zařízením nebo manuálně.Method according to claim 1, characterized in that a drop (2) of polymer solution or melt is formed on the surface of the substrate (1) by applying the polymer solution or melt by an application device or manually. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že kapka (2) roztoku nebo taveniny polymeru se na povrchu podkladu (1) vytvoří nanesením roztoku nebo taveniny polymeru prostřednictvím zvlákňovacího prvku (3), na který a/nebo do jehož dutiny se roztok nebo tavenina polymeru nanese jeho ponořením do roztoku nebo taveniny polymeru v zásobníku.Method according to claim 1, characterized in that a drop (2) of polymer solution or melt is formed on the surface of the substrate (1) by applying a polymer solution or melt by means of a spinning element (3) to which and / or into the cavity the solution or the polymer melt is applied by immersing it in a solution or melt of the polymer in a container. 4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že kapka (2) roztoku nebo taveniny polymeru se na povrchu podkladu (1) vytvoří vytlačením roztoku nebo taveniny polymeru ze zásobníku roztoku nebo taveniny polymeru přes dutinu dutého zvlákňovacího prvku (3).Method according to claim 3, characterized in that a drop (2) of polymer solution or melt is formed on the surface of the substrate (1) by forcing the polymer solution or melt from the polymer solution or melt reservoir through the cavity of the hollow spinning element (3). 5 vyznačující se tím, že zvlákňovací prvek (3) se přesouvá po trajektorii (T) a podklad (1) je statický.5, characterized in that the spinning element (3) moves along a trajectory (T) and the substrate (1) is static. 5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že dutý zvlákňovací prvek (3) je uložen na kartuši (5) a jeho dutina je propojená s vnitřním prostorem této kartuše (5) s uloženým roztokem nebo taveninou polymeru.Method according to claim 4, characterized in that the hollow spinning element (3) is mounted on a cartridge (5) and its cavity is connected to the inner space of this cartridge (5) with the stored polymer solution or melt. • PS3996CZ• PS3996EN 6. Způsob podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že dutým zvlákňovacím prvkem (3) je dutá kónická jehla (30), jejíž výstupní otvor má průměr 0,1 až 1,2 mm, nebo trubička s vnějším průměrem 0,1 až 1,5 mm.Method according to Claim 4 or 5, characterized in that the hollow spinning element (3) is a hollow conical needle (30) whose outlet opening has a diameter of 0.1 to 1.2 mm or a tube with an outer diameter of 0.1 up to 1.5 mm. 7. Způsob podle nároku libovolného z předcházejících nároků,A method according to any one of the preceding claims, 8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že zvlákňovací prvek (3) se přesouvá po obloukové trajektorii (T).Method according to Claim 7, characterized in that the spinning element (3) is moved along an arcuate trajectory (T). 9. Způsob podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že přesun zvlákňovacího prvku (3) se před kontaktem s povrchem podkladu (1) zastaví, a pokračuje po alespoň částečném ztuhnutí vlákna (4).Method according to claim 7 or 8, characterized in that the movement of the spinning element (3) is stopped before contact with the surface of the substrate (1), and continues after at least partial solidification of the fiber (4). 10. Způsob podle nároku 7, 8 nebo 9, vyznačující se tím, že 10 zvlákňovací prvek (3) se přesouvá s maximální rychlostí 1 až 100 m/min.Method according to Claim 7, 8 or 9, characterized in that the spinning element (3) is moved at a maximum speed of 1 to 100 m / min. 11. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že vlákno (4) se ukotví 15 do koncové kapky (20) roztoku nebo taveniny polymeru na povrchu stejného nebo odlišného podkladu (1).Method according to claim 1, characterized in that the fiber (4) is anchored 15 in the end drop (20) of the polymer solution or melt on the surface of the same or different substrate (1). 12. Způsob podle nároku 5 nebo 6 a 11, vyznačující se tím, že koncová kapka (20) roztoku nebo taveniny polymeru na povrchu podkladu (1) se vytvoří vytlačením alespoň 0,001 μΙ roztoku nebo taveniny polymeru ze vnitřníhoMethod according to claim 5 or 6 and 11, characterized in that an end drop (20) of polymer solution or melt on the surface of the substrate (1) is formed by extruding at least 0.001 μΙ of polymer solution or melt from the inner 20 prostoru kartuše (5) dutinou dutého zvlákňovacího prvku (3).20 of the cartridge space (5) by the cavity of the hollow spinning element (3). 13. Způsob podle nároku 11 nebo 12, vyznačující se tím, že z koncové kapky (20) roztoku nebo taveniny polymeru se stejným postupem vytvoří alespoň jedno polymerní vlákno o průměru 100 nm až 10 pm.Method according to Claim 11 or 12, characterized in that at least one polymer fiber with a diameter of 100 nm to 10 μm is formed from the end drop (20) of the polymer solution or melt in the same manner. 14. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že během pohybuThe method of claim 1, characterized in that during movement 25 zvlákňovacího prvku (3) nebo při jeho přerušení se na tento zvlákňovací prvek (3) a na elektricky vodivý podklad (1) přivádí vysoké stejnosměrné napětí libovolné polarity.25 of the spinning element (3) or when it is interrupted, a high DC voltage of any polarity is applied to this spinning element (3) and to the electrically conductive substrate (1). 15. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že polymerem je polymer ze skupiny polyvinyl alkohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polystyren 30 (PS), poly(metyl metakrylát) (PMMA), polykaprolakton (PCL), polyuretan (PU), ’ PS3996CZ modifikovaná varianta některého z nich, nebo libovolná směs nebo kopolymer alespoň dvou z nich.The method of claim 1, wherein the polymer is a polymer selected from the group consisting of polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polystyrene 30 (PS), poly (methyl methacrylate) (PMMA), polycaprolactone (PCL), polyurethane (PU), a modified variant of any of them, or any mixture or copolymer of at least two of them. 16. Způsob výroby lineárního nebo plošného útvaru obsahujícího polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm, vyznačující se tím, že polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm vytvářená libovolným ze způsobů podle nároku 1 až 15 se na povrchu podkladu/podkladů (1) opakovaně ukládají vedle sebe a/nebo na sebe, čímž se vytváří lineární útvar nebo plošný útvar.A method of manufacturing a linear or planar structure comprising polymeric fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm, characterized in that the polymeric fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm formed by any of the methods according to claims 1 to 15 are applied to the surface of the substrate (s) (1). ) are repeatedly placed side by side and / or on top of each other to form a linear or planar structure. 17. Způsob výroby plošného nebo prostorového útvaru obsahujícího polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm, vyznačující se tím, že polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm vytvářená libovolným ze způsobů podle nároku 1 až 15 se na povrchu podkladu/podkladů (1) opakovaně ukládají paralelně a/nebo různoběžně, načež nebo přičemž se stejným způsobem ze stejného nebo odlišného materiálu vytváří polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm, která se ukládají na ně s jinou orientací.A method of manufacturing a sheet or spatial structure comprising polymeric fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm, characterized in that the polymeric fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm formed by any of the methods according to claims 1 to 15 are applied to the surface of the substrate (s) (1). ) are repeatedly deposited in parallel and / or differently, after which or in the same way, polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm are formed from the same or different material, which are deposited on them with a different orientation. 18. Způsob výroby prostorového útvaru obsahujícího polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm, vyznačující se tím, že polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm vytvářená libovolným ze způsobů podle nároku 1 až 15 se ukládají navzájem paralelně a/nebo různoběžně a/nebo mimoběžně mezi různými částmi povrchu jednoho podkladu (1) nebo mezi dvěma podklady (1).A method of manufacturing a spatial structure comprising polymeric fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm, characterized in that the polymeric fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm formed by any of the methods according to claims 1 to 15 are deposited parallel and / or differently with each other and / or or intermittently between different parts of the surface of one substrate (1) or between two substrates (1). 19. Způsob podle nároku 16 nebo 17, vyznačující se tím, že polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm vytvářená libovolným ze způsobů podle nároků 1 až 15 se svým koncem ukotvují na jiném podkladu (1), než na kterém je uložena výchozí kapka (2) roztoku nebo taveniny polymeru, ze které se tato vlákna vytváří.Method according to claim 16 or 17, characterized in that the polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm formed by any of the methods according to claims 1 to 15 are anchored at their end on a different substrate (1) than the one on which the starting drop is deposited. (2) the polymer solution or melt from which these fibers are formed. 20. Způsob podle nároku 17, vyznačující se tím, že polymemí vlákna o průměru 100 nm až 10 pm vytvářená libovolným ze způsobů podle nároků 1 až 15 se ukládají na prostorově tvarovaný podklad (1).Method according to claim 17, characterized in that the polymer fibers with a diameter of 100 nm to 10 μm formed by any of the methods according to claims 1 to 15 are deposited on a spatially shaped substrate (1).
CZ2014-920A 2014-12-17 2014-12-17 A process for manufacturing polymeric fibres with a diameter of 100 nm to 10 μm, and a process for producing a linear, planar or spatial formation containing these polymeric fibres CZ308167B6 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2014-920A CZ308167B6 (en) 2014-12-17 2014-12-17 A process for manufacturing polymeric fibres with a diameter of 100 nm to 10 μm, and a process for producing a linear, planar or spatial formation containing these polymeric fibres

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2014-920A CZ308167B6 (en) 2014-12-17 2014-12-17 A process for manufacturing polymeric fibres with a diameter of 100 nm to 10 μm, and a process for producing a linear, planar or spatial formation containing these polymeric fibres

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2014920A3 true CZ2014920A3 (en) 2016-08-10
CZ308167B6 CZ308167B6 (en) 2020-02-05

Family

ID=56611697

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2014-920A CZ308167B6 (en) 2014-12-17 2014-12-17 A process for manufacturing polymeric fibres with a diameter of 100 nm to 10 μm, and a process for producing a linear, planar or spatial formation containing these polymeric fibres

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ308167B6 (en)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2007211018B2 (en) * 2006-01-27 2013-09-05 The Regents Of The University Of California Biomimetic scaffolds
EP2646065A4 (en) * 2010-12-05 2016-03-23 Nanonerve Inc Fibrous polymer scaffolds having diametrically patterned polymer fibers
CN102134787A (en) * 2011-03-21 2011-07-27 哈尔滨工业大学深圳研究生院 Preparation method of polymer nanofiber material in alveolate arrangement
SG11201502207WA (en) * 2012-09-21 2015-04-29 Univ Washington Biomedical patches with spatially arranged fibers
WO2014189780A2 (en) * 2013-05-20 2014-11-27 Tufts University Apparatus and method for forming a nanofiber hydrogel composite

Also Published As

Publication number Publication date
CZ308167B6 (en) 2020-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ding et al. Electrospinning: nanofabrication and applications
Shepa et al. Electrospinning through the prism of time
Pillay et al. A review of the effect of processing variables on the fabrication of electrospun nanofibers for drug delivery applications
Alghoraibi et al. Different methods for nanofiber design and fabrication
Bhardwaj et al. Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique
Elahi et al. Core-shell fibers for biomedical applications-a review
Sill et al. Electrospinning: applications in drug delivery and tissue engineering
US11090850B2 (en) Electrospun filaments
Karakaş Electrospinning of nanofibers and their applications
Li et al. Hierarchically structured PMMA fibers fabricated by electrospinning
US8580181B1 (en) Fabrication of three dimensional aligned nanofiber array
Wang et al. Large-scale fabrication of two-dimensional spider-web-like gelatin nano-nets via electro-netting
EP1992721A1 (en) Fibrous structures, processes and devices for preparing the same
WO2002000149A1 (en) Polymeric, fiber matrix delivery systems for bioactive compounds
El Fawal Polymer nanofibers electrospinning: A review
JP2008540858A (en) Method and apparatus for producing electrospun fiber and fiber produced by the same
Dhanalakshmi et al. Preparation and characterization of electrospun fibers of Nylon 11
AU2013331465A1 (en) Systems and methods for facilitating the generation of core-sheath taylor cones in electrospinning
US20210047758A1 (en) Method to Produce Micro and Nanofibers with Controlled Diameter and Large Yield
Feng et al. Electrospinning of polycarbonate urethane biomaterials
Kanawung et al. Preparation and characterization of polycaprolactone/diclofenac sodium and poly (vinyl alcohol)/tetracycline hydrochloride fiber mats and their release of the model drugs
US9803294B1 (en) Device and method for electrospinning multiple layered and three dimensional nanofibrous composite materials for tissue engineering
KR20120111381A (en) A double-layered tube-type porous scaffold comprising biodegradable polymer and manufacturing method thereof
JP4695431B2 (en) Twisted yarn and method for producing twisted yarn
CZ2014920A3 (en) Process for preparing polymeric fibers with diameter in the range of 100 nm to 10 microns and process for preparing linear, flat or spatial formation comprising such polymeric fibers