CZ304099B6

CZ304099B6 - Zpusob a zarízení k výrobe nanovlákenné textilie, zejména pro osazování zivými organizmy

Info

Publication number: CZ304099B6
Application number: CZ20120906A
Authority: CZ
Inventors: Cmelík@Jan; Sevcík@Ladislav; Vejrych@David
Original assignee: Technická univerzita v Liberci
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2013-10-16
Also published as: CZ2012906A3; EP2743390A1

Abstract

Pri elektrostatickém zvláknování polymeru v elektrostatickém poli o vysoké intenzite se behem ukládání nanovláken (211) do vrstvy (2110) pusobí proudem (43) plynu, a to proti smeru pohybu nanovláken (211), címz se ve vytvárené vrstve (2110) nanovláken (211) zvetsí mezivlákenné prostory a zvetsí se její objem. Zarízení k výrobe nanovlákenné textilie, zejména pro osazování zivými organismy a/nebo bunkami, napríklad pro scaffoldy ve tkánovém inzenýrství zahrnuje zvláknovací elektrodu (2) a sbernou elektrodu (4), ke které je prirazena alespon jedna tryska (42) pro privádení plynu proti smeru pohybu nanovláken (211).

Description

Způsob a zařízení k výrobě nanovlákenná textilie, zejména pro osazování živými organizmy

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby nanovlákenné textilie, zejména pro osazováni živými organizmy a/nebo buňkami, například pro scaffoldy ve tkáňovém inženýrství, elektrostatickým zvlákňováním polymerů v elektrostatickém poli o vysoké intenzitě.

Dále se vynálezu týká zařízení k výrobě nanovlákenné textilie, zejména pro osazování živými organizmy a/nebo buňkami, například pro scaffoldy ve tkáňovém inženýrství, elektrostatickým zvlákňováním polymerů v elektrostatickém poli o vysoké intenzitě mezi zvlákňovací elektrodou a sběrnou elektrodou.

Dosavadní stav techniky

Tkáňové inženýrství je odvětvím biomedicíny, které se primárně zabývá substitucí a regenerací poškozených tkání. K těmto účelům jsou mimo jiné používány biodegradabilní porézní matrice, scaffoldy. Scaffoldy se osadí buněčnou kulturou a vsadí se do místa poškození. Buňky osazené ve scaffoldu postupně proliferují jeho porézní strukturou a vytváří novou tkáň. Materiál, z něhož je scaffold vytvořen, podléhá v organizmu biologické degradaci a postupně ustupuje nově vytvářené tkáni.

Scaffoldy se vytvářejí z biodegradovatelných polymerů různými způsoby, například 3D tiskem nebo elektrostatickým zvlákňováním, přičemž metoda elektrostatického zvlákňování se pro osazování buňkami jeví velmi perspektivní. Běžně vytvářené nanovlákenné textilie jsou tvořeny relativně tenkou vrstvou nanovláken a mají vynikající vlastnosti pro filtraci, ale vzhledem ke svému celkovému objemu mají malý podíl mezivlákenných prostorů, takže se obtížně osazují buňkami, respektive v nich lze uložit menší množství buněk, než by bylo pro použití ve tkáňovém inženýrství optimální.

I v dalších oborech, například při kvašení nebo v čistírnách odpadních vod, se užívá osazování živých mikroorganizmů do textilních nosičů. I v těchto technologiích se nanovlákenné textilie vytvořené elektrostatickým zvlákňováním polymerů jeví velmi perspektivní, přičemž kromě ceny se hlavní nevýhodou jeví malý podíl mezivlákenných prostorů vzhledem k celkovému objemu nanovlákenné textilie.

Cílem vynálezu je proto navrhnout způsob vytváření nanovlákenných porézních polymemích matric nebo textilií s dostatečným podílem mezivlákenných prostorů a vytvořit zařízení k výrobě takových matric, přičemž pro některá použití je nezbytné, aby zvlákňovaný polymer byl biodegradabilní.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo způsobem zvlákňování biodegradabilních polymerů, jehož podstata spočívá v tom, že během ukládání nanovláken do vrstvy působením elektrostatických sil se proti směru pohybu nanovláken působí proudem plynu, čímž se ve vytvořené vrstvě nanovláken zvětší mezivlákenné prostory. Tím se vytvoří prostor pro usazení většího množství živých mikroorganizmů a/nebo buněk.

Při diskontinuální výrobě se proti směru pohybu nanovláken působí množstvím proudů plynu v celé ukládané ploše. Diskontinuální výroba je vhodná zejména pro výrobu malých nanovlákenných útvarů, zejména scaffoldů.

-1 CZ 304099 B6

Při kontinuální výrobě se proti směru pohybu nanovoláken působí množstvím proudů plynu po celé šířce ukládané vrstvy nanovláken. Tímto způsobem vyrobená textilie je vhodná pro osazování například kvasinkami pro použití v kvasných procesech nebo pro osazování bakteriemi pro použití v čistírnách odpadních vod a pro další procesy, při nichž je potřeba do nanovlákenné vrstvy osadit velké množství živých organizmů a/nebo buněk.

Z hlediska nákladů je výhodné, je-li použitým plynem vzduch.

V případě potřeby zabránit reakci polymeru nanovláken nebo látek v nanovláknech obsažených je výhodné, je-li použitým plynem plyn inertní.

Podstata zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že sběrné elektrodě je přiřazena alespoň jedna tryska pro přivádění plynu proti směru pohybu nanovláken vytvořeno množství trysek směřujících proti směru pohybu nanovláken při jejich ukládání.

Uspořádání trysek, sběrných elektrod a podkladového materiálu jsou uvedeny v závislých nárocích na zařízení.

Přehled obrázků na výkresech

Příkladná provedení vynálezu jsou schematicky znázorněna na přiložených výkresech, kde značí obr. 1 zařízení pro diskontinuální výrobu, obr. 2 zařízení pro kontinuální výrobu, obr. 3 podélný řez sběrnou elektrodou podle obr. 3, obr. 4 boční pohled na příkladné provedení sběrné elektrody pro diskontinuální výrobu a obr. 5 axonometrický pohled na sběrnou elektrodu podle obr. 4.

Příklady provedení vynálezu

Způsob výroby nanovlákenné textilie podle vynálezu bude objasněn na příkladných provedeních zařízení znázorněných na přiložených výkresech. Pro výrobu nanovlákenných textilií malých plošných rozměrů určených zejména pro scaffoldy ve tkáňovém inženýrství, slouží zařízení schematicky znázorněné na obr. 1 a v konkrétním příkladu provedení na obr. 4 a 5.

Ve zvlákňovací komoře 1 zařízení podle obr. 1 jsou uspořádány čtyři zvlákňovací elektrody 2, které jsou tvořeny vhodnou známou zvlákňovací elektrodou, například strunou, tyčí, řadou vedle sebe uspořádaných hrotů nebo trysek, a připojeny k jednomu pólu zdroje vysokého napětí 3. Počet zvlákňovacích elektrod 2 a jejich druh je pouze příkladný a záleží na technologických potřebách. Odborník ho bude volit podle zkušeností a případně i výsledků zkoušek. Proti zvlákňovacím elektrodám 2 je uspořádána sběrná elektroda 4, která je připojená ke druhému pólu zdroje 3 vysokého napětí a tvořená ve znázorněném provedení dutou deskou, jejíž dutina tvoří tlakovou komoru 41, která je připojena ke známému neznázorněnému zdroji tlakového plynu a v jejíž stěně směřující ke zvlákňovacím elektrodám 2 jsou vytvořeny trysky 42 pro vytváření proudů 43 plynu směřujících proti zvlákňovacím elektrodám 2. Mezi zvlákňovacími elektrodami 2 a sběrnou elektrodou 4 je uspořádán podklad 5 vytvořený z materiálu prostupného pro plyn, například textilní, kovovou nebo nekovovou mřížkou.

Plynem použitým pro vytváření proudů 43 plynu může být podle technologických požadavků vzduch, inertní plyn nebo jiný plyn.

Po nanesení zvlákňovaného polymeru 21 na povrch zvlákňovacích elektrod 2, se mezi zvlákňovacími elektrodami 2 a sběrnou elektrodou 4 po jejich připojení ke zdroji 3 vysokého napětí vytvoří elektrostatické pole o vysoké intenzitě, které je schopno z hladiny polymeru 21 nacházej ící se na zvlákňovací elektrodě 2 vytvářet nanovlákna 211 a dopravovat je ke sběrné elektrodě 4

- 2 CZ 304099 B6 a ukládat na podklad 5. Vzhledem k tomu, že před dopadem na podklad 5 začnou na nanovlákna 211 působit proudy 43 plynu vystupující z trysek 42. Proudy 43 plynu působí na nanovlákna 211 před jejich dopadem na podklad 5 a zpomalí jejich let, ury chlí vysoušení rozpouštědel, a tím zvýší mechanickou tuhost nanovláken 211. Proudy 43 plynu působí proti směru přitažlivosti elektrostatických sil mezi nanovlákny a mezi nanovlákny a sběrnou elektrodou 4, a proto se na podklad ukládají do vrstvy s větším objemem a s větším množstvím mezivlákenných prostorů. Pokud se taková vrstva 2110 nanovláken 211 vyrobí z biodegradovatelného polymeru, je velmi vhodná pro užití ve tkáňovém inženýrství jako scaffold pro osazování buňkami.

V případech, kdy je podklad 5 vytvořen z elektricky vodivého materiálu, je výhodné, je-li namísto sběrné elektrody 4 připojen k druhému pólu zdroje 3 vysokého napětí připojen podklad

5. Původní sběrná elektroda 4 je pak bez napětí a slouží pouze k přívodu plynu a vytváření proudů 43 plynu. Elektrostatické pole o vysoké intenzitě se pak vytváří mezi zvlákňovacími elektrodami 2 a podkladem 5. Tomuto provedení odpovídá sběrná elektroda 4 znázorněná na obr.

a obr. 5, která obsahuje přírubu 400, pro uchycení ve zvlákňovací komoře I zařízení pro výrobu nanovláken. K přírubě 400 je připevněna krycí deska 411, která je součástí tlakové komory 44. Tlaková komora 41 je opatřena vstupy 412 tlakového plynu, jimiž je známým neznázoměným způsobem připojena ke zdroji tlakového plynu. Druhá stěna 413 tlakové komory 44 je opatřena množstvím trysek 42 pro vytváření proudů 43 plynu. Alespoň na části obvodu druhé stěny 413 tlakové komory 41 je vytvořen rámeček 414 pro uchycení kovové mřížky 51, která tvoří podklad a je připojitelná ke zdroji 3 vysokého napětí, takže v případě použití při zvlákňování, se elektrostatické pole o vysoké intenzitě vytváří mezi zvlákňovacími elektrodami 2 a podkladem 5.

Výše popsaná příkladná provedení zařízení jsou vhodná pouze pro diskontinuální výrobu nanovlákenných vrstev s velkým množstvím mezivlákenných prostorů.

Při kontinuální výrobu takových nanovlákenných vrstev je určeno zařízení podle obr. 2, u něhož jsou ve zvlákňovací komoře 1 uspořádány zvlákňovací elektrody 2, které jsou ve znázorněném provedení válcovými tělesy vynášejícími polymer z nádoby do zvlákňovacího prostoru na svém povrchu, například podle EP 1 673 493. Použít lze libovolné zvlákňovací elektrody, přičemž podle zkušeností se jeví výhodné použít beztryskové zvlákňovací elektrody, u nichž se zvlákňuje z hladiny polymeru vytvořené na povrchu tělesa zvlákňovací elektrody. Proti zvlákňovacím elektrodám 2 jsou ve zvlákňovací komoře I uspořádány sběrné elektrody 4. Mezi zvlákňovací elektrodou 2 a k ní příslušnou sběrnou elektrodou 4 je vytvořeno elektrostatické pole o vysoké intenzitě, například připojení každé z elektrod k jinému pólu zdroje 3 vysokého napětí, jak je znázorněno, nebo připojením jedné z elektrod ke zdroji vysokého napětí a uzemnění druhé elektrody z příslušné dvojice. Mezi zvlákňovacími elektrodami 2 a sběrnými elektrodami 4 je vytvořena dráha pro průchod podkladu 5 zvlákňovací komorou 1, která je v blízkosti sběrných elektrod 4. Ve znázorněném provedení se podklad 5 dotýká povrchu sběrných elektrod 4. Délka zvlákňovacích elektrod 2, délka sběrných elektrod 4 a šířka podkladu 5 odpovídá šířce vytvářené nanovlákenné vrstvy 2100. Sběrné elektrody 4 jsou ve znázorněném provedení tvořeny trubkou, jejíž dutina vytváří tlakovou komoru 41, která je na jedné straně uzavřena a na druhé straně opatřena vstupem 412 tlakového plynu, jímž je známým způsobem připojena ke zdroji tlakového plynu.

V tělese zvlákňovací elektrody 4 jsou po celé její délce vytvořeny trysky 42 pro vytváření proudů 43 plynu, jak je znázorněno na obr. 3. Trysky 42 jsou uspořádány v jedné řadě po celé délce nebo ve více řadách, například ve třech, jak je tomu u znázorněného' provedení.

Zvlákňování probíhá z hladiny polymeru na povrchu zvlákňovací elektrody 2, která je podle typu elektrody neustále nebo v určitých intervalech obnovována, a nanovlákna jsou působením elektrostatického pole unášena ke sběrné elektrodě 4, z níž proti nim vycházejí proudy 43 plynu, například vzduchu, které zpomalují jejich let, urychlují vypařování rozpouštědel a působí proti směru přitažlivosti elektrostatických sil mezi nanovlákny 211 navzájem i mezi nanovlákny 211 a sběrnou elektrodou 4. Nanovlákna 211 se proto na podklad 5 ukládají do vrstvy 2110 s větším objemem a s větším množstvím mezivlákenných prostorů, než by tomu bylo bez působení proudů

-3 CZ 304099 B6

43plynu proti jejich pohybu. Vyrobená nanovlákenné textilie je vhodná zejména pro osazování živými organizmy a/nebo buňkami.

Způsob výroby nanovlákenné textilie elektrostatickým zvlákňováním polymerů v elektrostatickém poli o vysoké intenzitě, při němž během ukládání nanovláken 21 Ido vrstvy do vrstvy 2110 působením elektrostatických sil se proti směru pohybu nanovláken 211 působí proudem 43 plynu, čímž se ve vytvářené vrstvě 2110 nanovláken 211 zvětší mezivlákenné prostory a zvětší objem, lze provádět i na jiných než výše popsaných zařízeních. Podstatou je vždy přivádění proudů plynu proti směru pohybu nanovláken před jejich dosednutím na podklad, který je vždy z prodyšného materiálu, který klade prostupujícímu plynu malý odpor.

Směr zvlákňování může být různý, který dovolují jednotlivá známá uspořádání zvlákňovacích zařízení. Svislé zvlákňování směrem zdola nahoru je v popisu voleno pouze pro obvyklost a jednoduchost znázornění.

Claims

1. Způsob výroby nanovlákenné textiliie, zejména pro osazování živými organizmy a/nebo buňkami, například pro scaffoldy ve tkáňovém inženýrství, elektrostatickým zvlákňováním polymerů v elektrostatickém poli o vysoké intenzitě, vyznačující se tím, že během ukládání nanovláken (211) do vrstvy (2110) působením elektrostatických sil se proti směru pohybu nanovláken (211) působí proudem (43) plynu, čímž se ve vytvářené vrstvě (2110) nanovláken (211) zvětší mezivlákenné prostory a zvětší se její objem.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že při diskontinuální výrobě se proti směru pohybu nanovláken (211) působí množstvím proudů (43) plynu v celé ukládané ploše.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že při kontinuální výrobě se proti směru pohybu nanovláken (211) působí množstvím proudů (43) plynu po celé šířce ukládané vrstvy (2110) nanovláken (211).

4. Způsob podle libovolného z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že plynem je vzduch.

5. Způsob podle libovolného z nároků 1 až 3, v y z n a č uj í c í se t í m , že plynem je plyn inertní ke zvlákňovanému polymeru.

6. Zařízení k výrobě nanovlákenné textilie, zejména pro osazování živými organizmy a/nebo buňkami, například pro scaffoldy ve tkáňovém inženýrství, elektrostatickým zvlákňováním polymerů v elektrostatickém poli o vysoké intenzitě mezi zvlákňovací elektrodou (2) a sběrnou elektrodou (4), vyznačující se tím, že sběrné elektrodě (4) je přiřazena alespoň jedna tryska (42) pro přivádění plynu proti směru pohybu nanovláken (211).

7. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že trysky (42) jsou vytvořeny ve sběrné elektrodě (4).

8. Zařízení podle nároku 6 nebo 7, vyznačující se tím, že sběrná elektroda (4) obsahuje tlakovou komoru (41), v jejíž stěně (413) je vytvořena soustava trysek (42) pro vytváření proudů (43) plynu a proti ústí trysek (42) je v ní uložen pro plyn prostupný podklad (5).

-4CZ 304099 B6

9. Zařízení podle nároku 6 nebo 7, vyznačující se tím, že sběrná elektroda (4) je tvořena trubkou nebo podobným protáhlým tělesem, v nížje vytvořena tlaková komora (41) připojitelná ke zdroji tlakového plynu, přičemž trysky (42) jsou uspořádány po celé délce sběrné

5 elektrody (4) a směřují proti podkladu (5) uspořádanému v blízkosti sběrné elektrody (2) a spřaženému se zařízením pro jeho odvádění mimo prostor zvlákňovací komory (1).

10. Zařízení podle nároku 8 nebo 9, vyznačující se tím, že podklad (5) je tvořen textilní mřížkou, nekovovou mřížkou nebo kovovou mřížkou.

io

11. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že kovová mřížka podkladu (5) je připojena k opačnému pólu zdroje (3) vysokého napětí než zvlákňovací elektroda (2).