Damian Batory Możliwości Zastosowania Nanotechnologii w Przemyśle

MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA

NANOTECHNOLOGII W PRZEMYŚLE

D. Batory, M. Fijałkowski, Z. Rożek,

T. Bakalova, P. Louda

http://cxi.tul.cz/en/

Technical University of Liberec

Bezpieczna Nowoczesność, 15 – 16 październik 2012

Plan prezentacji:

2

• Czym jest „nanotechnologia“ ?

• Czym jest nanowłókno?

• Electrospinning

• Inżynieria tkankowa

• Zastosowanie polimerowych nanowłókien

• Wnioski

2

• Prefix nano = 10-9

(z greckiego - karzeł)

Przedział wielkości w zakresie 1 - 100 nm stanowi

obszar zainteresowania nanotechnologii

3

Czym jest „nanotechnologia“?

Richard Feynman

29. 12. 1959

There’s Always Room at the Bottom

3

Mrówka 5 000 000

Średnica ludzkiego włosa 80 000

Bakteria 1000 - 10 000

Wirus grypy 100

Human Immunodeficiency Virus (HIV) 90

Cząstka nanodiamentu 50 - 100

Długość fali UV 10 – 400

Średnica helisy DNA 2,5

Szerokość cząstki wody 0,3

Atom wodoru 0,1

4

4

Czym jest „nanotechnologia“?

5

Nanowłókna w obszarze

nanotechnologii

5

LUDZKI WŁOS

WŁÓKNO BAWEŁNY

KURZ

6

Czym jest nanowłókno?

Włókna o średnicy w zakresie nano.

Wiele różnych typów polimerów może być wykorzystane w procesie wytwarzania

nanowłókien o średniach w zakresie 50 – 1000 nm – kilka rzędów wielkości mniej niż w

przypadku konwencjonalnych metod przędzenia

Właściwości:

• duża powierzchnia właściwa

• wysoka porowatość

• mały rozmiar porów

• średnica (50 – 1000) nm

6

Powierzchnia a objętość

7

7

Cztery gramy nanorurek

węglowych mają taką samą

powierzchnię właściwą jak

boisko do futbolu

8

Polimery wykorzystywane w produkcji

nanowłóknin Syntetyczne

- Kwas poliglikolowy (PGA)

- Kwas mlekowy (PLA)

- PGA-PLA

- Polydioxanone (PDO)

- Polikaprolakton (PCL)

- PGA - PDO

- PLA - PCL

- PDO - PCL

Naturalne

- Elastyna

- Kolagen (różne rodzaje)

- Fibrynogen

- Chitozan

8

Historia elektroprzędzenia

Rok Autor Osiągnięcie

1914 Zeleny Jako pierwszy

zaobserwował zjawisko

przędzenia przewodzącego

roztworu polimeru w polu

elektrycznym

1934 Formahl Pierwszy patent w zakresie

elektroprzędzenia

1981 Larrondo and Manley Badania nad procesami

elektroprzędzenia przy

wykorzystaniu

rozpuszczonych polimerów

1996 Reneker and Chun Udowodniono możliwość

prowadzenia procesów

elektroprzędzenia przy

wykorzystaniu różnych

roztworów polimerów

2005 Jirsák,Sanetrník, Lukáš,

Kotek, Marinová

Opracowanie technologii

NanospiderTM

John Zeleny

(1872-1951)

Czesko – Amerykański fizyk

Roztwór

polimeru

9

9

10

Technologia elektroprzędzenia

10

11

Technologia The Nanospider™ Technologia opracowana na Politechnice w Libercu, wdrożona do przemysłu we

współpracy z firmą ELMARCO s.r.o., nazwana Nanospider

Schemat systemu NanospiderTM

1-metalowy walec;

2- ciekły roztwór polimeru;

3- zasobnik;

4- stożki Taylora;

5- włókna;

6- tkanina polipropylenowa

7- nanowłóknina;

8- ujemnie spolaryzowana elektroda

Jirsák,Sanetrník, Lukáš, Kotek,

Marinová: A method of nanofibres

production from a polymer

solution using electrostatic

spinning and a device for carrying

out the method, PATENT

EUROPEJSKI WO 2005/024101

11

12

Parameters of electrospinning process

• Parametry roztworu

Lepkość

Przewodność

Napięcie powierzchniowe

Masa cząsteczkowa polimeru

• Kontrolowane zmienne

Prędkość przepływu polimeru

Pole elektryczne

Odległość pomiędzy elektrodami

Kształt końcówek dyszy

Skład chemiczny nośnika

Geometria

Parametry otoczenia

Temperatura

Wilgotność

Prędkość przepływu powietrza

12

13

Inżynieria tkankowa

13

Założenia:

• ECM (Extracellular Matrix) Macierz zewnątrz komórkowa na jako klucz

do regeneracji tkanek

• Komórka nie jest postrzegana jako jednostka samowystarczalna

Rola ECM

• ECM pośredniczy w biochemicznych oraz mechanicznym przekazywaniu

sygnału

Idealna ECM

• Nieimmunogenna

• Wspomaga wzrost

• Zachowuje strukturę 3-D

• Po zakończeniu leczenia pozostają tylko rodzime tkanki biorcyonly

14

14

Założenia

- Projektowanie rusztowań przy zachowaniu maksymalnej kontroli nad:

- biokompatybilnością (chemical)

- biodegradowalnością (mechanical)

- Wykorzystywanie naturalnych oraz syntetycznych polimerów

- Dalsze kierunki:

- regeneracja tkanek

- systemy terapii celowanej

Inżynieria tkankowa

15

15

Umieszczenie komórek

na wytworzonej

strukturze

charakteryzującej się

odpowiednimi

czynnikami wzrostu i

cytokinami

Pozyskanie materiału z

organizmu

Inżynieria tkankowa

Rozmnażanie

Hodowla

Reimplantacja

wyhodowanej struktury

16

16

Nanotechnologia w Inżynierii Tkankowej

Cells on microfibrous scaffolds have a polarized relationship, with one side of the cell

attached to the scaffold, the other exposed to physiological media. In comparison, it is

likely that cells are more naturally constrained by nanofibrous scaffolds.

17

Polimerowe nanowłókna na opartunki

17

Opartunki ran:

– Polimerowe nanowłokna

• Wspomagają procesy prawidłowego wzrostu skóry

• Zapobiegają powstawaniu blizn

• Nietkane membrany o wielkości porów w zakresie 500~1000 nm

Przeszczep skóry myszy 2 oraz 8 tygodni po

zabiegu. Przeszcze wykonany z elektroprzędzonej

nanowłókniny na bazie kolagenu

18

Polimerowe nanowłókna w regeneracji kości

18

Otwór o średnicy 8 mm w czaszce królika (A) oraz

membrana wykonana z nanowłókniny otrzymanej na bazie

fibrynigenu (B) przymocowana wkrętami kostnymi

Obrazy SEM osteoblastów (A, B) i

chondrocytów (C, D) wyhodowanych na

membranachna bazie chitosan/PEO (90/10)

po 5 dniach hodowli

Obraz chrząstki stawowej wychodowanej na

bazie ludzkich chondrocytów oraz nanowłókniny

elektroprzędzonej na bazie kolagenu

19

Procedura wszczepienia bypassu aorty

u królika , elektroprzędzone skafoldy

naczyniowe na bazie PCL i kolagenu

Sztuczna zastawka serca

19

Nanotechnologia w Kardiochirurgii

Właściwości filtracyjne

20

Koalescencja kropli oleju na

powierzchni nanowłókien

zwiększa efektywność filtracji

powietrza z mgły olejowej

Filtry na bazie nanowłóknin pozwalają

usuwać z wody związki metali ciężkich w

szczególności ołowiu kadmu i miedzi

Mikrocząstki polistyrenu Systemy filtrów:

HVAC (heating, ventilation, air conditioning)

HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter)

ULPA (Ultra-low Penetration Air)

Filtry powietrza, oleju, paliwa dla przemysłu motoryzacyjnego

Filtry stosowane przy produkcji żywności, farmacji

Filtry dla zastosowań medycznych

20

Odzież ochronna

21

– Lekkie,oddychające tkaniny przepuszczalne dla powietrza i wilgoci,

nierozpuszalne, wysoce reaktywne z gazami drażniącymi oraz

innymi chemikaliami

– Aplikacje militarne

• Odzież zapewniająca wysokowydajną dyfuzję pary wodnej ,

jednocześnie zapewniająca wysoką wydajność wyłapywania

cząstek aerozoli w porównaniu z konwencjonalnymi tkaninami

21

Pochłanianie dzwięku

22

Zdolność pochłaniania dzwięku włókniny pokrytej

warstwami nanowłókniny o różnej wielkości porów

(kolorowe krzywe) w porównaniu ze zdolnością

pochłaniania konwencjolnalnego materiału (krzywa w

kolorze czarnym)

22

Ochrona roślin

23

Liście pokryte

nanowłókniną

zawierającą środki

owadobójcze Nanowłókna stanowić mogą

naturalną barierę dla

insektów

23

24

24

Thank you very much for your

attention

25

References

26

• http://www.elmarco.cz/

• Heather M. Powell, Dorothy M. Supp, Steven T. Boyce: Influence of electrospun collagen on wound contraction of

engineered skin substitutes, Biomaterials 29 (2008) 834–843

• Seema Agarwal, Joachim H. Wendorff, Andreas Greiner, Use of electrospinning technique for biomedical applications,

Polymer 49 (2008) 5603–5621

• Kyoung-Hwa Kim, Lim Jeong, Ho-Nam Park, Seung-Yun Shin et al. Biological efficacy of silk fibroin nanofiber

membranes for guided bone regeneration, Journal of Biotechnology 120 (2005) 327–339

• Narayan Bhattarai, Dennis Edmondson, Omid Veiseh, Frederick A. Matsen, Miqin Zhang: Electrospun chitosan-based

nanofibers and their cellular compatibility, Biomaterials 26 (2005) 6176–6184

• Scott Sell, Catherine Barnes, Matthew Smith et al. Review Extracellular matrix regenerated: tissue engineering via

electrospun biomimetic nanofibers, Polym Int 56:1349–1360 (2007)

• Bryan W. Tillman, Saami K. Yazdani, Sang Jin Lee et al. The in vivo stability of electrospun polycaprolactone-collagen

scaffolds in vascular re construction, Biomaterials 30 (2009) 583–588.

• http://www.aquavallis.com/EN/PRODUCTS/Materials_eng.html