Povrchově strukturovaná biodegradabilní nanovlákna

Bc. Vojtěch Homuta

Master's thesis

Surface-structured biodegradable nanofibres

Abstract:

Záměrem této diplomové práce je popsat a prozkoumat různé povrchové hierarchické struktury, které se dají připravit na polymerních nanovláknech. Cílem je vysvětlit, jak takové struktury vznikají, jak se připravují a jaké výhody přináší oproti základním neupraveným materiálům. Pro testování byl vybrán polymer polykaprolakton (PCL), který byl stejnosměrně elektricky zvlákněn. Pro zvlákňování bylo použito několik polymerních roztoků o různých koncentracích a molekulových hmotností PCL v různých rozpouštědlových systémech. Na těchto vlákenných vrstvách byla provedena post-procesní shish-kebab úprava a následně byly materiály charakterizovány elektronovou mikroskopií, na jejímž základě bylo vybráno jen několik materiálů pro další detailní testování. Post-procesní úprava byla provedena vypařovací metodou za použití roztoku 1% w/w PCL o molekulové hmotnosti 45000 gmol-1 a 80000 gmol-1 v pentyl-acetátu. Upravené materiály byly charakterizovány pomocí průměru vláken, charakteristických veličin pro danou úpravu, diferenciální skenovací kalorimetrie, gelové permeační chromatografie a in-vitro buněčných testů. Z výsledků vyplývá, že morfologie vytvořené struktury na povrchu vláken je závislá jak na základním materiálu - na rozpouštědlovém systému a molekulové hmotnosti PCL v polymerním roztoku pro elektrické zvlákňování, tak na parametrech použitého roztoku pro post-procesní úpravu. Buněčné testování na myších fibroblastech 3T3-NIH ukázalo, že shish-kebab úprava může zlepšit adhezi buněk na materiálu, ale obecně se dá pouze konstatovat, že materiál po post-procesní úpravě zůstává biokompatibilní, nijak nezhoršuje metabolickou aktivitu buněk a je tedy vhodný pro použití ve tkáňovém inženýrství. V rámci řešení této diplomové práce byl nalezen postup tvorby prozatím v literatuře detailně nepopsaných výběžků s kruhovou základnou - ostrých kuželovitých výstupků, a to i na velmi jemných elektricky zvlákněných PCL nanovláknech.

Abstract:

The intention of the thesis is to describe and investigate various surface hierarchical structures that can be prepared on polymer nanofibers. The aim is to explain how such structures are formed, how they are prepared and what advantages they bring compared to basic unmodified materials. Polycaprolactone (PCL) was selected for testing and was DC electrospun. Several polymer solutions of different concentrations and molecular weights of PCL in different solvent systems were used for the electrospinning. A post-processing shish-kebab treatment was performed on the fiber layers, and subsequently the materials were characterized by electron microscopy, based on which only a few materials were selected for further detailed testing. The post-process treatment was carried out by an evaporation method using a solution of 1% w/w PCL with molecular weights of 45000 gmol-1 and 80000 gmol-1 in pentyl acetate. The modified materials were characterized using fiber diameter, characteristic parameters of the treated fibers, differential scanning calorimetry, gel permeation chromatography and in-vitro cell assays. The results show that the morphology of the structure formed on the fiber surface depends both on the base material - the solvent system and the molecular weight of the PCL used for the electrospinning, and on the parameters of the solution used for the post-processing treatment. Cellular testing on 3T3-NIH mouse fibroblasts has showed that shish-kebab treatment can improve the adhesion of the cells to the material, but in general it can only be stated that the modified material remains biocompatible, does not impair cell metabolic activity and is therefore suitable for application in tissue engineering. Within the scope of the thesis, a procedure for a preparation of sharp conical circular-based protrusions, not yet described in detail in the literature, was found even on very fine electrospun PCL nanofibers.

Keywords

Polykaprolakton, elektrické zvlákňování, nanovlákno, post-procesní úprava, hierarchická struktura, shish-kebab, nanopóry, korálky

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 5. 2024

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Eva Kuželová Košťáková, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Master programme / field:
Nanotechnology / Nanotechnologie