Příprava mikrovláken pro medicínské aplikace

Mgr. Jiří BěťákContipro Biotech s.r.o.,

Dolní Dobrouč

Vlákno (monofilament)Silně anizotropní struktura, kde jeden rozměr mnohokrát převyšuje rozměry ostatní (délka vlákna >>> průměr)

Jemnost vláken (délková hmotnost)

Výrazně flexibilní struktura

Zvlákňované polymery

Značná převaha produkce syntetických vláken – dobře definovatelný materiál

Přírodní Syntetické

Celulóza (nativní, CMC) Polyalkany (PE, PP)

Chitosan/Chitin Polyestery (PET, PLA, PLGA)

Alginát Polyamidy (nylon, kevlar)

Kolagen Polysiloxany

Bourec morušový (Bombyx mori)

Délka filamentu v kokonu 300-900m

Video

Vlákno bílkovinné povahy (fibroin a sericin)

Přírodní hedvábí

Textilie v medicíně

Chirurgické šicí nitě

Separační antiadhezní chirurgické textilie

Textilní scaffoldy – šlachy, cévy, vazy, nervy, pokožka…

Textilní mechanické opory

Topické krycí materiály

Proces tvorby vlákna

Vláknotvorné makromolekuly

Preference lineárních (nevětvených) makromolekul

Vyšší polymerační stupně (molekulové hmotnosti)

Preference nízkých polydisperzit (úzká distribuce MW)

Základní parametry:

Výchozí forma polymeruPevná fáze ( prášek, granulát, štěpky )

„Likvidifikace“ polymerů Rozdělení polymerních materiálů podle způsobu převodu do

kapalné fáze

Tavení(PE, PP,

polyestery…)

Rozpouštění(Polysacharidy, PAN,

PVC…)

Vše závisí na chemické struktuře polymerního řetězce

Soudržnost řetězců

Polymer v suchém stavu (řetězce jsou v těsné

blízkosti)

Přitažlivé i odpudivé meziřetězcové síly

Kohezní meziřetězcové síly

Jejich úlohou je udržovat kondenzovaný stav polymeru.

Vazby nekovalentní povahy, disociační energie řádově slabší než vazebné interakce.

Působnost na velmi krátké vzdálenosti

Síly jsou sice velmi slabé, nicméně jsou značně koncentrovány

Fluktuační povaha

Vodíkové můstky

Polární síly

Kohezní meziřetězcové síly

Disperzní síly

Tavení polymerů

S rostoucí teplotou dochází ke zrychlování vibračního a rotačního pohybu jednotlivých polymerních segmentů (částí řetězců), což postupně vede k rozvolnění struktury.

Probíhá striktně v inertní atmosféře

Nízké body tání mají čistě alifatické polymery (např. PE 130°C, PP 160°C), kde se neuplatňují vodíkové můstky, či polární síly.

Struktura vs Fyz. vlastnosti

S rostoucím podílem hydrofobních alifatických řetězců v polymerní struktuře, klesá teplota tání, zároveň se snižuje afinita vlákna k vodě.

Teplota skelného přechodu

U syntetických vláken jsou preferovány polymery s Tg nad 50-80°C (jinak dochází k vytahávání textilu při praní).

Teplota, při které se začínají rozvolňovat jednotlivé segmenty polymerních řetězců.

Změna „skelného“ elastického chování polymeru v chování „kaučukovité“ – viskoelastické.

Definuje užitné vlastnosti a podmínky užívání daného polymerního výrobku.

Zvlákňování z taveniny

VideoCarbon-based conductive fibers

production

Rozpouštění polymerůPenetrace molekul rozpouštědla mezi polymerní řetězce.Solvatace a vzájemná separace řetězců – snížení kohezních interakcí typu „Polymer-Polymer“.

Termodynamika mísení

Rovnice nám říká, zda je vůbec termodynamicky přípustné aby se dvě složky (polymer a rozpouštědlo) mísily.

212211 lnln nnnRTGM

221

1

RT

VHuigginsův interakční parametr

2222hpd

Hansenovy parciální parametry (tabelované

pro polymery i rozpouštědla)

Hansenův rozpustnostní prostor

Charakter polymeru (vliv délky alifatického řetězce)

Zvlákňování z roztoku

2) Zpracování vláken do implantovatelných textilií

Srážení vlákna

Molekuly polymerního rozpouštědla začínají z vlákna difundovat do srážecí lázně, srážecí lázeň naopak prochází do vlákna. Srážecí roztok se chová jako nerozpouštědlo k polymeru, proto se polymer snaží minimalizovat společnou styčnou plochu. Dochází k preferenci interakce „Polymer-Polymer“.

Vlákno ve srážecí lázni

Polymerní proud

Vlákno vstupující do srážecího roztoku

Extruzní trysky

Dloužení vláken

Postupné zvyšování natahovací síly vede k nárůstu orientace řetězců až ke vzniku „semikrystalických“ oblastí -fibrily.

Míra orientovanosti vláken RTG metody a DSC

Dloužení vláken

Dloužicí poměr

Pevnost za sucha (p/den)

Tažnost za sucha (%)

Poločas barvení t1/2 (min)

nedloužené 1,8 >130 7

1:3 2,09 108,5 11

1:4 3,08 87 15

1:4,75 4,26 34 18

Vlastnosti orientovaného vlákna

Mechanické vlastnosti

Měření tahové odolnosti

Stanovení pevnosti a tažnosti

Elastický modul – tuhost vlákna

Houževnatost vláken

Mechanické vlastnosti

Kevlarové vlákno

Kevlar – extrémně orientované polyamidové vlákno

(p-fenylendiamin a kyselina tereftalová)

Lycrové vlákno

Extrémní natahovatelnost je dosažena těsným spojením dvou filamentů o rozdílné pružnosti – vznik „helikální“ makrostruktury se stálým předpětím.

Vlákno jako nosičová matrice

Disperze aditiva

Kovalentní vazba aditiva

2 koncepty:

Vlákno musí být dostatečně stabilní v rámci aplikačních podmínek.

Požadavky na vl. nosič

Biokompatibilita všech degradačních štěpů

Řízená degradace linkeru s rychlejší kinetikou než degradace matrice

Dobrá afinita k dispergované látce

Difuzně řízený děj, který je velmi silně závislý na chemické a strukturní povaze vlákna.

Analogie s barvením vláken pomocí disperzních, či reaktivních barviv (vznik kovalentní vazby mezi léčivem a vlákenným substrátem).

S rostoucí orientovaností makromolekulárních řetězců, tzn. s rostoucím dloužením, silně klesá schopnost vlákna být modifikováno (dopováno).

Difuze procesních činidel do vlákna je značně podpořena jeho bobtnacími schopnostmi.

Postprocesní implementace léčiva

0 2 3 4 5

Rozpuštěno

Kousky vlákna

Bobtná > 50%

Bobtná < 50%

Téměř nebobt

ná

c=5E-2M

c =5E-2M c =1E-3M c =5E-3M c =5E-4M c =5E-5M

Povrchová stabilizace

Zpracování vláken Řezání filamentů – tvorba „staplů“

Sdružování vláken – „roving“

Skaní příze – „Zakrucování do multifilamentových nití“

Textilní techniky – tkaní, pletení

Tvorba netkaných textilií zpracováním staplů

Skací zařízení (zakrucování)

Biodegradabilní síťoviny

www.contipro.com

DĚKUJI ZA POZORNOST