Vývoj technologie koaxiálního elektrostatického zvlákňování

Ing. Lucie Vysloužilová

Doctoral thesis

Development of Coaxial Electrospinning Technology

Anotácia:

V posledních letech vzrůstá zájem o nanovlákna v biomedicínských aplikacích. Koaxiální nanovlákna, připomínající svou strukturou extracelulární matrici a umožňující zapouzdření aktivních látek do své jádrové části, mají vysoký potenciál použití v oblasti tkáňového inženýrství, kde mohou nalézt uplatnění např. jako náhrada poškozené tkáně nebo jako materiál vhodný pro cílenou dopravu léčiv. Jehla je obecně nejpoužívanější elektrodou pro výrobu nanovláken. V rámci této práce byla tato technologie detailně zkoumána a bylo vyvinuto několik druhů jehlových elektrod. Limitujícím prvkem je jejich velmi nízká produktivita. Vyšší výrobnosti lze docílit bez-jehlovou technologií, což je poměrně nová metoda pro výrobu koaxiálních nanovláken z volného povrchu polymerní dvojvrstvy vyvinutá a patentovaná roku 2009 na Technické univerzitě v Liberci (Pokorný, 2009). V rámci této práce byly vyvinuty bez-jehlové koaxiální zvlákňovací elektrody zvyšující výrobnost koaxiálních nanovláken - tzv. přeplavovací spinner a kruhová elektroda. V současné době je známo pouze malé množství společností nabízejících zařízení pro výrobu koaxiálních nanovláken. Ve spolupráci s Katedrou netkaných textilií a nanovlákenných materiálů a Katedrou textilních a jednoúčelových strojů Technické univerzity v Liberci byla v rámci klastru Nanoprogres a této předložené práce vyvinuta zvlákňovací zařízení s předpokládaným použitím v průmyslovém měřítku. Teoretické vztahy hydrodynamiky popisující vznik bez-jehlového elektrostatického zvlákňování vedoucí k odvození tzv. relaxačního času byly odvozeny v teoretické části této práce. Relaxační čas je čas nezbytný k formování Taylorova kužele po sepnutí VN zdroje. Odvozené vztahy pro relaxační čas byly ověřeny experimentálně bez-jehlovou technologií elektrostatického zvlákňování polyvinyl alkoholu, přičemž byla nalezena závislost časového zpoždění T na elektrospinningovém čísle . Analýza vnitřní struktury koaxiálních nanovláken není jednoduchou záležitostí. Tato práce popisuje řadu metod vedoucích k detekci jádro-plášť struktury vyrobených nanovláken. Jednou s možných metod je metoda tzv. fázového kontrastu - poměrně snadná a finančně nenáročná metoda založená na látce vyššího atomového čísla v jádře vedoucí k prokázání koaxiální struktury nanovláken.

Abstract:

There is a growing interest in nanofibers for biomedical applications in the last years. Core-shell nanofibers have a high potential of use in tissue engineering to replace damaged tissue or as materials for a drug delivery system due to their structure mimic the extracellular matrix and the possibility of incorporation of the active substance as their core part. Generally, the needle is the most commonly used electrode for the electrospinning. This technology was investigated in this work and different needle coaxial spinning electrodes were developed and tested. A disadvantage of the needle technology is its very low productivity. Needleless coaxial spinning electrodes developed within this work allow the increase of productivity of core-shell nanofibers. The needleless coaxial electrospinning is a relatively new technology for production of core-shell nanofibers from a free surface of polymeric two-layer. This method was developed at Technical University of Liberec and patented in 2009 (Pokorný). The apparatus called the Weir spinner and the cylindrical coaxial spinning electrode were developed and tested within this work. There are just few companies offering equipment for production of core-shell nanofibers in the world. Unique equipments presupposing the industrial production of nanofibers and core-shell were developed at Department of Nonwovens and Nanofibrous materials and Department of Textile Machine Design at TUL in 2012 within this work and the cluster Nanoprogres. Theoretical relations of hydrodynamics for needleless electrospinning from a free liquid surface were derived in this work. They allow a determination of a relaxation time of electrospinning. This is the time of Taylor cone formation after HV switching. Dispersion relations were verified with experiment of needleless electrospinning of polyvinyl alcohol solutions. The dependence of the time delay T on the electrospinning number was found. The analysis of the core-shell structure of nanofibers is not easy. This work describes various methods leads to a detection of the core-shell nanofibrous structure. The phase contrast method developed within this work is relatively inexpensive and easy method allows proving the core-shell structure using elements with higher atomic number in the core.

Kľúčové slová

koaxiální elektrostatické zvlákňování, koaxiální nanovlákna, hladinové koaxiální elektrostatické zvlákňování, zvlákňovací elektrody

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 1. 11. 2016

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 13. 2. 2017
• Vedúci: prof. RNDr. David Lukáš, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / odbor:
Textile Engineering / Textile and material engineering