Elektrostatické zvlákňování do kapaliny

Ing. Jan Kovačičin

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce se zaměřuje na elektrické zvlákňování do kapaliny jako inovativní metodu pro výrobu nano-mikrovláken. Tato práce se blíže zaměřuje na variantu mokrého elektrospinningu (wet elektrospinning), při kterém je kolektor tvořen kapalinou, do které vlákna dopadají a často se formují buď v kapalině nebo na její hladině. Kapalina může také sloužit pro zachycení či odtah již zformované vlákenné struktury, případně k dodatečné modifikaci, například dopováním, vymýváním atd. Právě použití kapalinového kolektoru přináší unikátní výhody této varianty procesu. Metoda umožňuje tvorbu třírozměrných objemných struktur s vysokou porozitou s velkými propojenými póry. Kapalina také může modifikovat vlastnosti samotného materiálu. Jedním z příkladů je vytváření houbovitých struktur výsledných vláken, což může zvýšit jejich porozitu, biodegradabilitu, buněčnou adhezi a proliferaci. V rámci této práce bylo provedeno testování, které prokázalo zvýšenou krystalinitu polymeru, který byl zvlákňován touto metodou do kapaliny. Výzkum zahrnuje teoretický model, který se zabývá problematikou noření cylindrických objektů do kapaliny. Práce také popisuje vývoj experimentálního zařízení pro elektrické zvlákňování, které bylo vytvořeno za pomocí technologie 3D tisku metodou Fused Deposition Modeling. Toto zařízení bylo následně testováno a aplikováno v různých experimentech. Součástí výzkumu bylo také testování chování kapaliny v trubicích vyrobených z nanovlákenných přízí. Pro tyto experimenty bylo vyvinuto elektronické dávkovací zařízení - mikropumpa. Tato pumpa byla vytvořena na základě open-source elektroniky systému Arduino a využila technologii 3D tisku. Řídící program byl vytvořen v nativním programovacím jazyce Arduino - C/C++. Je třeba poznamenat, že tyto experimenty byly ilustrativní a nebyly dále rozvíjeny ani teoreticky zkoumány v rámci této práce. Další část práce se věnuje vývoji speciálních vlákenných struktur, které jsou primárně určeny pro oblast tkáňového inženýrství. Tyto struktury zahrnují dutá a porézní vlákna, včetně jejich kombinací. Tyto vlákenné struktury mají unikátní vlastnosti, jež jsou vhodné pro aplikace, kde jejich zvýšený specifický povrch hraje klíčovou roli. Zajímavostí této vyvinuté metody výroby vláken je, že vhodnou kombinací rozpouštědla a polymeru lze vyrobit dutá vlákna i tradičním zvlákňováním bez použití kapaliny jako kolektoru. Použití kapaliny je však vhodné pro dosažení 3D objemných a vysoce porézních struktur. Praktické testování vyrobených vlákenných struktur pro jejich použití, jako tkáňových nosičů (scaffoldů) v oblasti tkáňového inženýrství, je další významnou částí této disertační práce. Tyto struktury byly podrobeny testům viability a byla prověřena jejich vhodnost strukturálně i materiálově. Bylo prokázáno, že tyto specifické struktury jsou vhodné pro buněčnou proliferaci a nevykazují cytotoxické účinky. Výsledky byly následně porovnány s klasickými strukturami vyrobenými jinými metodami. Tato disertační práce přináší důležité poznatky a příspěvky v oblasti elektrického zvlákňování do kapaliny a jeho aplikací v tkáňovém inženýrství.

Abstract:

This dissertation focuses on electrical spinning in a liquid as an innovative method for the production of nano-microfibers. This thesis takes a closer look at a type of wet electrospinning, where the collector is a liquid into which the fibres are deposited, often formed either in the liquid or on its surface. The liquid may also be used to collect or carry away the already formed fibre structure, or for additional modification, e.g. by doping, washing, etc. It is the use of a liquid collector that brings the unique advantages of this type of process. The method allows the formation of three-dimensional, bulky structures with reach high porosity and large interconnected pores. The liquid can also modify the properties of the material itself. One example is the formation of sponge-like structures in the volume of resulting fibers, which can increase their porosity, biodegradability, cell adhesion and proliferation. In this work, testing was carried out which demonstrated increased crystallinity of the polymer that was spun into liquid using this method. The research includes a theoretical model that addresses the issue of immersing cylindrical objects in a liquid. The thesis also covers the development of an experimental device for wet electrospinning, which was created using 3D printing technology by Fused Deposition Modeling. This device was subsequently tested and applied in various experiments. The research also included testing the behavior of the liquid in tubes made of nanofibrous yarns. For these experiments, an electronic dispensing device, a micropump, was developed. This pump was created based on the open-source electronics system Arduino and used 3D printing technology. The control program was created in the native Arduino programming language - C/C++. It should be noted that these experiments were illustrative and were not further developed or theoretically investigated within the scope of this thesis. The next part of the thesis is directed towards the development of special fibre structures, which are primarily intended for the field of tissue engineering. These structures include hollow and porous fibres, including combinations of the two. These fiber structures have unique properties that are suitable for applications where their enhanced specific surface area plays a key role. An interesting feature of this developed method of fiber fabrication is that with a suitable combination of solvent and polymer, hollow fibers can be fabricated even by traditional wetting without the use of a liquid as a collector. The use of liquid, however, is suitable for achieving 3D bulky and highly porous structures. Practical experiment of the fabricated fibre structures for their use as scaffolds (tissue scaffolds) in the field of tissue engineering is another important part of this thesis. These structures were subjected to viability tests and their suitability structurally and materially was examined. These specific structures have been shown to be suitable for cell proliferation and do not exhibit cytotoxic effects. The results were then compared with classical structures produced by other methods. This dissertation provides important insights and contributions in the field of wet electrospinning and its applications in tissue engineering.

Keywords

Elektrické zvlákňování do kapaliny (ESPIN), Nano-mikrovlákna, Teoretický model, Experimentální zařízení, 3D tisk, Mikropumpa, Porézní vlákna, Krystalinita materiálu, Tkáňové inženýrství, Scaffoldy, Viabilita buněk, Cytotoxicita

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 5. 2024

Thesis defence

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

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering