Příprava a charakterizace hierarchicky organizovaných funkčních polymerních vrstev a porózních systémů

Ing. Erik Wrzecionko

Doctoral thesis

Preparation and characterization of hierarchically organized functional polymer layers and porous systems

Abstract:

Práce se zabývá přípravou strukturovaných polymerních povrchů. Jsou zde popsány rozdílné přístupy vedoucí ke vzniku porézních systémů vyznačujících se odlišnou symetrií a velikostí povrchových struktur. Pozornost je věnována procesům fázové separace v systému polymer / směs dobrého a špatného rozpouštědla. Popsány jsou dosavadní poznatky a hypotézy vysvětlující vznik povrchových a objemových pórů. Formování povrchového reliéfu v nabotnalé polymerní vrstvě je diskutováno s ohledem na vliv povrchového napětí, Laplaceova tlaku, kapilárních sil, proudění, viskoelastické fázové separace, kvality rozpouštědel, rychlosti odpařování a kondenzace par. Tyto poznatky jsou shrnuty v nově navrženém modelu, který popisuje formování povrchu polystyrenu v průběhu časově sekvenovaného dávkování směsi rozpouštědel. V rámci výsledků práce je podrobně popsána konstrukce dvou speciálních zařízení, které umožňují kontrolovat procesní parametry formování polymerního povrchu v průběhu časově sekvenované fázové separace za rotace. Kromě polystyrenu byla řešena problematika úpravy povrchů na bázi hyaluronanu a hedvábného fibroinu. Experimentální výsledky věnované povrchovým úpravám těchto materiálů prokázaly, že nově navržený proces fázové separace lze aplikovat na strukturně složitější makromolekulární systémy. Strukturované polystyrenové a fibroinové vrstvy byly použity pro studium buněčných interakcí s materiálovými povrchy. Bylo prokázáno, že strukturované povrchy efektivně simulují nativní prostředí pro kultivované buňky. Mimo to určité typy hierarchicky strukturovaných povrchů mohou iniciovat diferenciační proces u kmenových buněk.

Abstract:

The works deals with the preparation of structured polymeric surfaces. Different approaches leading to the formation of porous systems characterized by different symmetry and size of surface structures are described here. Attention is paid to the phase separation processes in the system of polymer / mixture of good and poor solvent. Current knowledge and hypotheses explaining the formation of surface and volume pores are described. Surface relief formation in the swollen polymer layer is discussed with respect to surface tension, Laplace pressure, capillary forces, flow, viscoelastic phase separation, solvent quality, evaporation rate and vapor condensation. These findings are then summarized in a newly proposed model describing the formation of polystyrene surface in the process of time sequenced dosing of solvent mixture. Within the work, the construction of two original instruments is described in detail. These instrument allow to control the process parameters of polymer surface forming at time sequenced phase separation at rotation. Apart from polystyrene surfaces, also the surface treatment of hyaluronan and silk fibroin based materials was addressed. Experimental results related to these surfaces suggest that the newly proposed process of phase separation can also be applied to structurally complex macromolecular systems. Structured polystyrene and fibroin layers were then utilized for the study of cells interactions with artificially prepared surfaces. It was proved that structured surfaces efficiently simulate native environment for the cultivated cells. Besides, some specific types of hierarchically structured surfaces can initiate stem cells differentiation process.

Keywords

polymer, povrch, sekvenované dávkování, rozpouštědla, rotace, fázová separace, póry, buňky

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 6. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 31. 8. 2021

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds