CZ308118B6 - Způsob výroby nanovlákenné vrstvy z vodného roztoku polyvinylalkoholu pro tkáňové inženýrství elektrostatickým zvlákňováním pomocí metody bezjehlového či jehlového elektrostatického zvlákňování - Google Patents

Abstract

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

Description

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

Oblast techniky

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

Dosavadní stav techniky

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

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

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

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

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

Možnost využití autologních štěpů je často omezena. Hlavní omezení při použití tohoto typu transplantace vyplývá z nedostatečného množství nebo špatné kvality dostupných autologních

- 1 CZ 308118 B6 tkání. Hlavní nevýhodou alogenních štěpů je riziko přenosu infekcí z dárce na pacienta. Dále to může vést k imunitní reakci organismu a v konečném důsledku k odmítnutí náhrady.

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

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

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

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

Podstata vynálezu

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

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

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

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

Cílená povrchová modifikace vláken závisí jednak na jejich fyzikálně chemických vlastnostech, dále také na požadovaných vlastnostech nanovlákenné vrstvy, kterých má být dosaženo, jako je typicky stupeň hydrofility či hydrofobicity, existence specifických chemických skupin na

-2CZ 308118 B6 povrchu nanovláken. Použití vhodných parametrů plazmové expozice je proto závislé na parametrech žádaných pro finální produkt.

Stabilizace polymemích nanovláken z polyvinylalkoholu ve vodném prostředí je dosažena ze síťováním jejich struktury glyoxalem a kyselinou fosforečnou.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Nanovlákna byla vytvořena z vodného roztoku polyvinylalkoholu, zvlákňování provedeno pomocí metody jehlového elektrostatického zvlákňování technologií NANOSPIDER™ vyvinuté na Technické univerzitě v Liberci a síťovaná glyoxalem a kyselinou fosforečnou s následnou modifikací povrchu polyvinylalkoholových nanovlákenných struktur jejich expozicí v metánové plazmě aplikací technologie obchodního označení Rádio Frequency Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition. Tato metoda slouží k modifikaci různých materiálů pomocí chemických reakcí probíhajících v elektrickém vysokofrekvenčním poli. Při této metodě jsou reagenční látky dodávány do vakuové komory ve formě plynů. Na průběh procesů modifikace mají vliv takové parametry jako záporné napětí, průtok plynu, hodnota vakua a čas. V závislosti na požadovaných vlastnostech nanovlákenné vrstvy jako je stupeň hydrofobicity a existence specifických chemických skupin na povrchu nanovláken jsou zvoleny parametry průtoku plynu v rozmezí 20 až 50 cm³/minutu, hodnoty vakua 15 až 80 Pa, hodnoty záporného napětí v rozsahu 100 až 700 V a to po dobu 2,5 až 20 minut. Užití konkrétních parametrů plazmové expozice je proto závislé na žádaných parametrech pro finální produkt.

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

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

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

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

-3CZ 308118 B6

Příklad 2

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

Vytvořená nanovlákenná vrstva byla následně podrobena modifikaci povrchu pomocí chemických reakcí expozicí v metanové plazmě aplikací technologie Radio Frequency Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition. Reakční látky byly dodávány do vakuové komory ve formě plynů, přičemž byl zvolen průtok metanu v rozmezí 20 až 50 cm^{2 3}/minutu, hodnoty vakua byly nastaveny od 15 až do 80 Pa, hodnoty záporného napětí v rozsahu 100 až 700 V a to po dobu 2,5 až 20 minut. Užití konkrétních parametrů plazmové expozice je však závislé na žádaných parametrech pro finální produkt.

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

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (2)

1. Způsob výroby nanovlákenné vrstvy z vodného roztoku polyvinylalkoholu pro tkáňové inženýrství elektrostatickým zvlákňováním pomocí metody bezjehlového či jehlového elektrostatického zvlákňování, zaručující biologickou degradovatelnost, biokompatibilitu a netoxicitu, vyznačený tím, že pro stabilizaci polymemích nanovláken ve vodném prostředí jsou tato polymemí nanovlákna plazmaticky modifikována plynnou metanovou plazmou metodou Rádio Frequency Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition při průtoku plynu 20 až 50 cm³/minutu, vakuu 15 až 80 Pa, záporném napětí v rozsahu 100 až 700 V po dobu 2,5 až 20 minut.

2. Způsob výroby nanovlákenné vrstvy z vodného roztoku polyvinylalkoholu pro tkáňové inženýrství podle nároku 1, vyznačený tím, že zesíťování struktury polymemích nanovláken je provedeno glyoxalem a kyselinou fosforečnou.