damian batory możliwości zastosowania nanotechnologii w przemyśle
DESCRIPTION
opisTRANSCRIPT
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