IPPT PAN Tomasz Kowalczyk Zakład Mechaniki i Fizyki Płynów IPPT PAN Elektroprzędzenie nanowłókien optymalizacja procesu i zastosowania medyczne Wielki krok w kierunku małego świata

IPPT PAN Struga gliceryny w polu grawitacyjnym Dysza – 0.1mm Początkowa średnica ~ 0.2mm 0.1mm Mikro-struga ~ 0.005mm Grawitacyjne i mechaniczne rozciąganie ograniczone wskutek niestabilności kapilarnej l/d ~ 1000 Aby osiągnąć skalę nano ~10 6 !

IPPT PAN Struga gliceryny w polu elektrycznym 12 cm c=88% H=215mm V=20kV

IPPT PAN Elektroprzędzenie E ~ 10 5 V/m Niestabilność powoduje spiralny ruch strugi, znacznie zwiększając drogę na której jest rozciągana, a tym samym prowadząc do redukcji średnicy o 3-4 rzędy wielkości Niestabilność strugi w polu elektrycznym ładunki elektryczne poruszające się spiralnym ruchem

IPPT PAN Nanowłókna – schemat stanowiska struga cieczy Elekroprzędzenie E ~ 10 5 V/m

IPPT PAN Nanowłókna – roztwór PEO

IPPT PAN Pajęczyna nanowłókien

IPPT PAN Nanowłókna – mikroskop optyczny 0.6 mm PEOX nanowłókna

IPPT PAN Mikroskop elektronowy PEOX nanowłókna

IPPT PAN Nanowłókna i ich bio-zastosowania Biomedycyna nowoczesne oddychające opatrunki zewnetrzne biodegradowalne opatrunki wewnętrzne systemy podawania leków sztuczne organy i tkanki, biomimetyczna macierz komórkowa Diagnostyka sondy fluorescencyjne nośniki nano-obiektów diagnostycznych nośniki komórek

IPPT PAN Optymalizacja procesu Wpływ przewodnictwa elektrycznego (dodatek elektrolitów) Lepkość, lepkosprężystość Napięcie powierzchniowe Geometria i natężenie pola elektrycznego Wydatek cieczy

IPPT PAN Wybrane materiały Bardzo dobry5 – 2515 % dimetylo formamid (DMF) PAN poli(akrylonitryl) IV Brak krzepnięcia (krople) 20 – 3088 %wodaGlicerynaV trudny10 – 307 % za wysoka lepkość3 – 3020 % chlorek metylenu TAC trioctan celulozy III dość stabilny6 – 169 %etanol DBC dibutyrylo- chityna II Stabilny proces do 10kV 3 – 123 – 4 %40% etanol PEOX poli(tlenek etylenu) I elektroprzędzenieV [kV]c Rozpuszczalnik SkładnikTest

IPPT PAN Optymalizacja procesu Wzrost wydatku wypływu strugi Włókna PEOX pod mikroskopem optycznym

IPPT PAN Optymalizacja procesu Wzrost potencjału elektrycznego Włókna PEOX pod mikroskopem optycznym 10kV 20kV

IPPT PAN Optymalizacja procesu Wpływ stężenia soli, NaCl :PEOX 1:60 1:30

IPPT PAN Elektroprzędzenie materiałów biologicznych Nanowłókna z chitozanu (opatrunki wspomagające proces gojenia ran) Sondy fluorescencyjne do detekcji defektów membranowych komórki Matryca międzykomórkowa z nanowłókien kolagenu rozpoznawane przez komórki jako natywna Biodegradowalne rusztowania dla inżynierii tkankowej

IPPT PAN Elektroprzędzenie materiałów biologicznych Diagnostyka medyczna na poziomie komórkowym (np technika FRET*) WodaBiałka fluorescencyjne Nośniki sond, materiał tkankowyWodaBiałka (BSA) biosyntetyzowny, biodegradowalny, biokompatybilny Rusztowania tkankowe, sztuczne organy 2,2,2- trifluoroetanol P-3HB (poli(hydroksy maślan) biodegradowalny, biokompatybilny Rusztowania tkankowe, sztuczne organy ChloroformPCL (poli(kaprolakton)) wymaga łącznia z innymi, biokompatybilny Embolizacja naczyń krwionośnychwoda/etanolPEOX (poli(tlenek etylenu)) Opatrunkidichloro- metan TAC (trioctan celulozy) BiokompatybilnyOpatrunkietanolDBC (dibutyrylchityna) KomentarzBio-aplikacjecieczPolimer *FRET-Fluorescence Resonance Energy Transfer

IPPT PAN Elektroprzędzenie materiałów biologicznych Obrazy AFM nanowłókien białkowych z wodnego roztworu albuminy surowicy wołowej -BSA (85%) + PEOX (15%). Grubość włókna 78.33nm

IPPT PAN Elektroprzędzenie materiałów biologicznych Obrazy AFM otrzymanego z 85% białka (BSA-albumina surowicy wołowej) Elektroprzędzenie białek - obiecujące dla tworzenia tkanek i jako nośniki białkowe nierozpuszczalne w wodzie

IPPT PAN Elektroprzędzenie materiałów biologicznych Fluorescencja Nanowłókna białkowe z białka globularnego -albuminy (85%) i PEOX oznaczone pochodną fluoresceiny (FITC).

IPPT PAN Elektroprzędzenie materiałów biologicznych Fluorescencja Fluorescencja nanowłókien PEOX z kropkami kwantowymi ZnO Próba wykazania homo-FRET włókna FITC-BSA

IPPT PAN Elektroprzędzenie materiałów biologicznych Fluorescencja włókna jako mikrowskaźnik pH Włókno z BSA-FITC. Połowa włókna została umieszczona w roztworze alkalicznym, połowa w obojętnym. Powyżej-wykres intensywności fluorescencji na długości włókna. Zdjęcie odpowiada 80um.

IPPT PAN Elektroprzędzenie materiałów biologicznych Rusztowania z włókien polikaprolaktonu (PCL), poli-3-hydroxymaślanu (PHB) i jego kopolimeru. Porowatość włókien stymuluje przyczepność komórek i ich rozwój. Zastosowanie do pokrycia bioresorbowalnych implantów z materiału Bioglass (wsp. Imp. Coll.). Nanowłókna z biodegradowalnych poliestrów jako pokrycia implantów kości

IPPT PAN Badanie pokrycia implantów kości Biodegradacja nanowłókien PCL i tworzenia hydroksyapatytu 14 dni 7 dni 3 dni

IPPT PAN Badanie pokrycia implantów kości Biodegradacja nanowłókien PHB i tworzenia hydroksyapatytu 3 dni 1 dzień 7 dni

IPPT PAN Elektroprzędzenie materiałów biologicznych Elektroprzędzenie jako użyteczna metoda wytwarzania materiałów bioaktywnych Elektroprzędzenie białek -perspektywa tworzenia sensorów o rozmiarach submikronowych I dużej gęstości występowania

IPPT PAN Podsumowanie Elektroprzędzenie pozwala na stosunkowo łatwe wytwarzanie nano-struktur z różnych typów materiałów Nanowłókna mogą być uzyskiwane z materiałów bioaktywnych, białek, a nawet żywych komórek Proces nadal wymaga udoskonalenia, nie jest do końca powtarzalny, wiele materiałów bada się i stosujeas it is

IPPT PAN Zespół Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN -prof. Tomasz A. Kowalewski -Diana Lamparska -mgr inż. Dorota Kołbuk -mgr inż. Sławomir Błoński -mgr Piotr Korczyk Instytut Fizyki PAN -prof. Danek Elbaum -dr Aleksandra Nowicka Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego -mgr Andrzej Szczepankiewicz Imperial College (Londyn, UK) -prof. Aldo R. Boccaccini -Oana Bretcanu Ph.D. -Superb K. Misra Ph.D -D. Mohammad Yunos