TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

(1)

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Studijní program: B3942 – Nanotechnologie Studijní obor: 3942R002 – Nanomateriály

Elektrostatické zvlákňování polymerních směsí s obsahem biodegradabilní komponenty

Electrospinning of polymer blends containing biodegradable component

Bakalářská práce

Autor: Filip Jelínek

Vedoucí práce: doc. Ing. Lenka Martinová, CSc.

Rozsah práce Počet stran: 50 Počet tabulek: 6 Počet obrázků: 17 Počet příloh: 1

V Liberci 18. 5. 2012

(2)

PROHLÁŠENÍ

Byl(a) jsem seznámen(a) s tím, ţe na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. O právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, ţe Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv uţitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Uţiji-li bakalářskou práci nebo poskytnou-li licenci k jejímu uţití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne poţadovat úhradu nákladů, které vynaloţila na vytvoření díla, aţ do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval(a) samostatně s pouţitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.

Datum: 18. 5. 2012

Podpis:

(3)

PODĚKOVÁNÍ

Rád bych vyjádřil svůj veliký dík doc. Ing. Lence Martinové, CSc. za její odborné vedení, rady a značnou míru projevené trpělivosti, která mi byla nápomocna při vypracovávání této práce.

Dále bych chtěl poděkovat Ing. Denise Zálešákové a všem dalším pracovníkům KNT, kteří mi pomohli ve všech případech, kdy jsem potřeboval jejich odbornou konzultaci.

Nakonec bych chtěl vyjádřit velký dík svým nejbliţším a přátelům za podporu a projevenou důvěru během mých studijních let.

(4)

ABSTRAKT

Cílem této práce bylo připravení nanovlákenné vrstvy směsi polyamidu 6/chitosanu prosté defektů za pouţití jediného rozpouštědla nebo směsi rozpouštědel s co nejvyšším obsahem chitosanu. Roztoky polymerů byly zvlákňovány pomocí zařízení pro elektrostatické zvlákňování z tyčky – volné hladiny polymeru. Proces elektrostatického zvlákňování byl ovlivňován pouţitými rozpouštědly, obsahem chitosanu, aditivy sniţující povrchové napětí a zvyšující vodivost, a podmínkami okolního prostředí. Morfologie vrstev byla zkoumána pomocí SEM rastrovacího mikroskopu, který prokázal vznik nanovlákenných vrstev. Vznik mezivazebných interakcí mezi polymerními řetězci polyamidu 6 a chitosanu byl ověřen pomocí infračervené spektroskopie.

ABSTRACT

The objective of this study was preparing nanofiber mixture layer of polyamide 6/chitosanu without defects using a single solvent or solvent mixtures with the highest content of chitosan. Polymer solutions were spin by using a device for electrospinning from rod-shaped electrode - free surface of the polymer. Electrospinning process was influenced by the solvents used, chitosan content, additives that lower the surface tension and increasing conductivity, and environmental conditions. The morphology of films was investigated by SEM scanning microscope, which showed the creation of nanofiber layers. The existence of interactions between polymer chains of chitosan and polyamide 6 was verified by infrared spectroscopy.

KLÍČOVÁ SLOVA

polymerní směsi, biodegradabilita, chitosan, polyamid 6, elektrostatické zvlákňování

KEY WORDS

polymer blends, biodegradability, chitosan, polyamide 6, electrospinning

(5)

OBSAH

1 ÚVOD ... 9

2 TEORETICKÁ ČÁST ... 10

2.1 POLYMERNÍ SMĚSI ... 10

2.1.1 Kompatibilizace ... 10

2.1.2 Mísitelnost ... 11

2.2 BIOPOLYMERY ... 11

2.2.1 Přírodní biopolymery ... 12

2.3 BIODEGRADABILNÍ POLYMERY ... 13

2.4 CHITOSAN ... 14

2.4.1 Historie ... 14

2.4.2 Výroba ... 14

2.4.3 Vlastnosti a použití ... 15

2.5 POLYAMIDY ... 15

2.5.1 Polyamid 6 ... 16

2.6 ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ... 17

2.6.1 Faktory ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování ... 17

2.7 ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ CHITOSANU ... 19

2.8 ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ SMĚSI POLYAMID 6/CHITOSAN ... 20

2.8.1 Biomedicínské aplikace nanovláken směsi polyamid 6/chitosan ... 22

2.9 SHRNUTÍ TEORETICKÉ ČÁSTI ... 23

2.10 CÍL EXPERIMENTÁLNÍ ČÁSTI ... 24

3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ... 25

3.1 POUŢITÉ CHEMIKÁLIE ... 25

3.2 POUŢITÁ ZAŘÍZENÍ ... 27

3.2.1 Zařízení pro elektrostatické zvlákňování ... 27

3.2.2 Rastrovací elektronový mikroskop ... 28

3.2.3 Infračervená spektroskopie ... 29

3.3 ELEKTROSTATICKÉ ZVLÁKŇOVÁNÍ SMĚSI PA6/CHIT ... 29

3.3.1 Vliv rozpouštědla ... 30

(6)

3.3.2 Vliv obsahu chitosanu ... 32

3.3.3 Vliv obsahu aditiv ... 34

3.3.4 Vliv vlhkosti vzduchu ... 37

3.3.5 Stabilita roztoku ... 38

3.3.6 Shrnutí elektrostatického zvlákňování směsi PA 6/CHIT ... 39

3.4 STABILIZACE NANOVLÁKENNÝCH VRSTEV ... 39

3.4.1 Stabilita nanovlákenných vrstev ve vodě ... 39

3.4.2 Stabilizace nanovlákenných vrstev teplem ... 40

3.5 ANALÝZA NANOVLÁKENÝCH VRSTEV INFRAČERVENOU SPEKTROSKOPIÍ ... 42

4 ZÁVĚR ... 44

(7)

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK

Gmix [J] Gibbsova energie mísení Hmix [J] entalpie

T [K] teplota

S [J·K^-1] entropie

– CO– NH– peptidická vazba

CO2 oxid uhličitý

CH4 methan

NaOH hydroxid sodný

–NH2 aminová skupina

TFA trifluoroctová kyselina

DCM dichlormethan

Na₂CO₃ uhličitan sodný U [V] elektrické napětí M [g/mol] molekulová hmotnost

HFIP 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropanol

FT-IR Fourierova transformační infračervená spektroskopie

CHIT chitosan

FA kyselina mravenčí

AA kyselina octová

NaCl chlorid sodný

SEM rastrovací elektronová mikroskopie IPN interpenetrating network

H2O destilovaná voda

MTT 3-[4,5-dimetylthiazol-2-yl]-2,5-difenyltetrazolium bromid

LDH lactate dehydrogensae

(8)

1 ÚVOD

Nanovlákna jsou jedinečné materiály se širokou škálou aplikací pohybující se od tkáňového inţenýrství, přes řízené dávkování léčiv, aţ po tepelné a hlukové filtry.

Podstata jejich výroby je zaloţena na aplikaci vysokého napětí v okolí polymerního roztoku. Toto vysoké napětí je schopno vytvářet tvarové změny, pozorovatelné na povrchu kapky roztoku, které při určité intenzitě vyvolají vznik trysek a tím i transport materiálu mezi elektrodami.

V této práci byla pouţita metoda zvlákňování z volné hladiny. Tento postup má své opodstatnění. Zvlákňování pomocí kapiláry je metodou, která je popsána jiţ od druhé poloviny 20. století a tato metoda je málo produktivní. Zatímco zvlákňování z volné hladiny roztoku, vyuţívá poznatku, ţe kapiláry mohou vznikat na tenké hladině roztoku polymeru. Tímto způsobem je moţno dosáhnout mnohem větší produktivity přípravy nanovlákenných vrstev.

Tato práce se zabývá přípravou nanovlákených vrstev ze směsi polymerů polyamid 6/chitosan. Důvodem přípravy takovýchto vrstev je jejich aplikační potenciál.

Nově vzniklý materiál můţe vykazovat unikátní vlastnosti, které můţou být kombinací vlastností pouţitých polymerů a mohou je i překonat.

Chitosan je velmi dobře znám svými netoxickými, biokompatibilními a biodegradabilními vlastnostmi, pro které je hojně vyuţíván v medicínských aplikacích a farmacii. Proto je přirozené pokusit se takovýto materiál zvláknit a získat tím unikátní nanovlákenný materiál, jenţ by měl jedinečné uplatnění v oblasti tkáňového inţenýrství.

Nevýhodou chitosanu je, ţe jeho zvláknění je velmi komplikované. Proto přicházejí v úvahu nanovlákenné vrstvy polymerních směsí. Vhodným polymerem pro zvláknění s chitosanem je polyamid 6. Je to polymer, který lze zvláknit a navíc jeho mechanické vlastnosti by mohli být přínosem ve směsi s chitosanem. Předpokladem k vytváření takových směsí musí být vhodné sloţení pouţitých polymerů, musejí obsahovat takové funkční skupiny, aby mohlo docházet k mezivazebným interakcím mezi polymerními řetězci. Tuto podmínku směs polyamidu 6 a chitosanu splňuje a zvlákněním této polymerní směsi by mohl být materiál vhodný pro aplikaci v tkáňovém inţenýrství.

(9)

2 TEORETICKÁ ČÁST

V teoretické části se čtenář seznamuje s problematikou polymerních směsí. Dále jsou objasněny pojmy biopolymer, biodegradace, chitosan, polyamid 6, příprava směsí polyamidu 6/chitosanu a popis výroby nanovlákenných materiálů pouţitím elektrostatického zvlákňování.

2.1 Polymerní směsi

Důvodem k výrobě polymerních směsí je jejich praktičnost. Odhady tvrdí, ţe téměř 25% celkové produkce plastů jsou směsi. Výroba materiálů sloţených z více sloţek má svůj význam, kterým jsou lepší vlastnosti směsi, neţ mají jednotlivé sloţky.

Nicméně se ukázalo, ţe většina organických polymerů je vzájemně nemísitelná. Je to způsobeno termodynamikou polymerních směsí, která se projevuje tendencí separovat přítomné polymery, coţ vede k hrubé fázové struktuře systému a špatné adhezi jednotlivých fázových útvarů. Toto se projevuje malou soudrţností materiálu, ze které vyplývá nízká pevnost, houţevnatost a taţnost. Avšak i omezená mísitelnost polymerů můţe při správné stabilizaci dát materiálu vlastnosti jinak nedosaţitelné. Stabilizací se potlačují separační tendence fází, lze ji dosáhnout různými způsoby modifikace mezifází, které jsou zaloţeny na vytvoření vazeb na mezifázovém rozhraní. Tyto postupy se označují jako kompatibilizace [15].

2.1.1 Kompatibilizace

Kompatibilizace je jakákoliv modifikace mezifázového rozhraní vedoucí k větší stabilitě vícefázové směsi. Významně jí napomáhá tzv. kompatibilizátor, jehoţ hlavní úlohy lze shrnout do tří bodů:

 zajišťovat jemnější disperzi sloţek během mísení

 potlačit tendenci fází se separovat

 zvýšit mezifázovou adhezi

Kompatibilizátor ovlivňuje morfologii směsi a i její vlastnosti. Obecně nevede k mísitelnosti polymerů na molekulární úrovni, jedná se o lokálně indukovanou mísitelnost, kde minoritní dispergovaná fáze se vyskytuje v útvarech. Všeobecně s mísitelností souvisí, ale nejedná se o stejné pojmy. Mísitelnost je definována pomocí

(10)

termodynamických vztahů. Pokud se mluví o kompatibilních směsích, jedná se o směsi s dobrými mechanickými vlastnostmi, jejichţ morfologie je dostatečně stabilní, aby se neměnila během zpracování [15].

Příkladem kompatibilizátoru můţe být pro směs polyolefinů s polystyrenem blokový styren-butadienový kopolymer. Hlavní vlastností kompatibilizárotu je obsah různých chemických skupin, které dobře interagují se oběma polymery.

2.1.2 Mísitelnost

Všeobecnou podmínkou pro mísení polymerů je předpoklad vzniku specifických interakcí mezi funkčními skupinami makromolekul nebo mezi segmenty řetězce. Tato podmínka je dodrţena jen zřídka a velká většina polymerů se nemísí. Případy kdy dosáhneme dvou nebo více fázových směsí lze vymezit pomocí termodynamických kritérií, kdy pro vznik termodynamicky stabilního systému musí být Gibbsova energie mísení záporná.

G_mix <0

Gibbsonova energie mísení zahrnuje entalpický a entropický člen:

G_mix = H_mix -TS_mix

Entalpie Hmix nezávisí na molekulové hmotnosti polymeru, ale je mírou energetických změn spojených s molekulárními interakcemi. Je to hlavní faktor ovlivňující mísitelnost vysokomolekulárních polymerů. Entropický příspěvek (TΔS) odráţí míru uspořádání molekul. Entropická změna je inversní funkcí molekulové hmotnosti mísených polymerů. Čím menší je molekulová hmotnost, tím menší je počet moţných uspořádání segmentů [15].

2.2 Biopolymery

Biopolymery jsou makromolekulární organické sloučeniny, vzniklé biologickými procesy v tělech rostlin, zvířat a mikroorganismů. Jejich významnou vlastností je biologická rozloţitelnost a tvoří součást přírodních cyklů. Tato skutečnost je dána jejich strukturou, vţdy obsahují v polymerním řetězci kyslík nebo dusík [10].

(1)

(2)

(11)

2.2.1 Přírodní biopolymery

Přírodní polymery mohou být rozděleny do dvou základních skupin, a to na (i) polysacharidy a (ii) proteiny.

(i) Polysacharidy jsou nejrozšířenější makromolekulární látky v přírodě.

Základní stavební jednotkou jsou monosacharidy spojené pomocí glykosidických vazeb.

Zastávají dvě hlavní funkce v organismech:

a) stavební – např. celulosa, chitin

b) zásobní – např. škrob (rostliny), glykogen (ţivočichové)

(ii) Proteiny jsou přírodní makromolekulární látky tvořené α-aminokyselinami, které jsou vázány peptidickými vazbami -CO-NH-. Tvoří základ ţivých organismů, jejichţ růst je projevem syntézy bílkovin a aminokyselin. V organismech plní různé funkce: stavební, skladovací, transportní, katalytické, atd. Lze je rozdělit na ţivočišné a rostlinné [10].

2.2.1.1 Kyselina hyaluronová

Jedná se o lineární polysacharid, který se skládá z pravidelně se opakujících disacharidových jednotek α-1,4-D-glukuronové kyseliny a β-1,3-N-acetyl-D- glukosaminu. Hyaluronan má mnoho fyziologicky významných funkcí – reguluje mnoţství vody v některých tkáních, je schopen lubrikace a má také řadu strukturních a výplňkových vlastností. Představuje hlavní makromolekulární sloţku mezibuněčné hmoty většiny pojivových tkání, např. chrupavky, očního sklivce a pupeční šňůry.

Vyrábí se zejména extrakcí z pupeční šňůry, kohoutích hřebenů, synoviální tekutiny nebo sklivce. Kromě toho můţe být kyselina hyaluronová snadno a kontrolovatelně produkována mikrobiální fermentací V současné době je hyaluronan v popředí zájmu jako biopolymer s velkým potenciálem v oblasti tkáňového inţenýrství, dopravy léčiv a implantačních materiálů s vedlejší funkcí řízené dopravy léčiv, popř. genové terapie.

Obr. 1 – Struktura kyseliny hyaluronové

(12)

2.2.1.2 Kolagen

Kolageny představují nejrozšířenější skupinu ţivočišných bílkovin. V současnosti bylo popsáno nejméně 27 rozdílných typů kolagenů. Jako strukturální bílkovina jsou hlavní organickou sloţkou podpůrného systému ţivočišného organismu a tvoří 25–30 % všech proteinů v těle savců. Nejrozšířenější a nejdůleţitější je kolagen typu I. Je cennou surovinou pro řadu technických oborů. Důleţité jsou farmaceutické výrobky. Kolagen je i významnou sloţkou potravinových doplňků, v nichţ má úlohu u chorob kloubů a šlach. Uplatňuje se také v kosmetickém průmyslu v přípravcích pro potlačení projevů stárnutí pokoţky. Jako všechny ostatní bílkoviny je i kolagen vytvořený asi z 20 druhů základních aminokyselin. Jeho specifická struktura proto závisí v první řadě na sekvenci aminokyselinových zbytků, tzv. primární struktuře polypeptidických řetězců. Charakteristickým znakem jejich chemického sloţení je aminokyselina glycin v kaţdé třetí poloze, coţ podmiňuje zcela zvláštní prostorovou strukturu [2].

2.3 Biodegradabilní polymery

Biodegradabilní polymery jsou vysokomolekulární sloučeniny, které podléhají degradaci pomocí enzymů ţivých organismů (např.: bakterií, hub enzymů, které štěpí polymerní řetězce). Všechny biopolymery lze označit jako biodegradabilní polymery.

Pokud jsou biodegradabilní polymery ve vhodném tzv. bioaktivním prostředí, kterým můţe být např.: kompost, dochází k jejich biologickému rozkladu působením enzymů bakterií a hub na vodu, CO2 a zbytek biomasy. Tento děj je základní podmínkou biodegradace a v případě nepřítomnosti enzymů můţe probíhat chemická degradace, která je označována jako abiotická degradace. Ta probíhá ve dvou základních stupních:

(i) depolymerace – rozklad na jednotlivé sloţky a (ii) mineralizace – rozklad biomasy na plynné sloţky, vodu, minerály a biomasu. Můţeme ji rozdělit na: (i) aerobní, při které vzniká CO2 a (ii) anaerobní, při které vzniká namísto CO2 methan (CH4).

Rychlost degradace závisí na podmínkách okolního prostředí (teplotě, pH půdy, vlhkosti prostředí). Pokud budou okolní podmínky nepříznivé, můţe se proces biodegradace zastavit. Např.: nízká teplota zpomaluje aktivitu mikroorganismů na minimum. Ve vlhkém prostředí probíhá ve vlhkém prostředí spíše hydrolytická degradace, naopak v sušším prostředí spíše oxidativní degradace [10].

(13)

2.4 Chitosan

Chitosan je polysacharid, který je tvořen molekulami D-glukosaminu a N-acetyl- D-glukosaminu, které jsou spojeny 1,4-β-glykosidickou vazbou. Průmyslově je připravován deacetylizací chitinu obsaţeným v tělesných schránkách mořských ţivočichů předesším korýšů. Chitosan nese v roztocích kyselin pozitivní náboj díky protonizované amino skupině. V porovnání s chitinem má větší chemickou a biochemickou reaktivitu. V současnosti chitosan nachází výrazné uplatnění v biomedicínských aplikacích a ve farmacii [7] [23].

2.4.1 Historie

Chitin jakoţto surovinu potřebnou pro výrobu chitosanu objevil v roce 1811 ve Francii profesor H. Braconnote v houbách [7]. Pojmenován byl aţ o něco později v roce 1830, kdy se ho podařilo získat z hmyzu. Samotný chitosan byl objeven v roce 1859 profesorem C. Rougetem při experimentování s chitinem. Jeho poznatkem bylo, ţe chitin můţe být modifikován pomocí tepla a působením chemických látek. Na počátku 20. století probíhaly výzkumy zdrojů chitinu. V roce 1930 práce Rammelberga potvrdila jeho výskyt ve schránkách mořských ţivočichů.

Na začátku 60. let minulého století byla zkoumána schopnost chitosanu vázat se na červené krvinky. V následujících letech byl chitosan pouţíván v čistírnách odpadních vod pro detoxikaci vody. Dnes je hojně pouţíván jako potravinový doplněk pro hubnutí [7] [8].

2.4.2 Výroba

Jak bylo uvedeno v odst. 2.4, chitosan se vyrábí alkalickou deacetylací chitinu.

Chitin se získává z tělesných schránek mořských ţivočichů. Samotná deacetylace probíhá působením 50 hm% roztoku NaOH po dobu 1 – 3 hodiny při teplotě 120 °C nebo při enzymaticky působením N-deacetylasy, kdy výnosnost je aţ 98%. Stupeň

Obr. 2 – Struktura chitosanu

(14)

deacetylace (degree of deacetylation % DD) závisí na koncentraci pouţitého NaOH a můţe být určen pomocí infračervené spektroskopie. Jedná se o procentuální vyjádření mnoţství amidových skupin navázaných na řetězci chitinu. Komerčně prodávaný chitosan se prodává v rozmezí 60 – 100 % DD a jeho molekulová hmotnost se pohybuje mezi 3800-20 000 g/mol [23].

2.4.3 Vlastnosti a použití

Chitosan jakoţto přírodní polymer se vyznačuje svými vynikajícími biologickými vlastnostmi, je biokompatibilní, biodegradabilní, netoxický a vykazuje antimikrobiální a sorpční účinky. Jedná se o látku ve vodě nerozpustnou. Díky těmto všem výjimečným vlastnostem se hojně pouţívá v biomedicíně, kosmetice, agrochemii, fyzikální chemii, konzervaci potravin, čištění vody a impregnaci textilií.

V biomedicíně jsou modifikované deriváty chitosanu pouţívány v traumatologii a orthopedii, kde napomáhají rychlé tvorbě kostní tkáně. Dále se pouţívá k léčbě hlubších ran a popálenin, kde usnadňuje rychlejší sráţení krve. Dokáţe sniţovat hladinu LDL cholesterolu a zvyšovat hladinu HDL cholesterolu. Také byl prokázán pozitivní vliv na osoby s vysokým krevním tlakem [7] [23].

2.5 Polyamidy

Polyamidy jsou lineární polymery, které obsahují ve svých řetězcích amidové skupiny –CONH– [12]. Polyamidy se vyrábějí čtyřmi postupy:

i) polykondenzací dikarboxylových kyselin a diaminů ii) polykondenzací ω-aminokarboxylových kyselin

Obr. 3 – Deacetylace chitinu

(15)

iii) polymerací cyklických laktas

iv) polykondenzací dichloridů aromatických dikarboxylových kyselin s aromatickými diaminy

K rozlišení alifatických polyamidů se pouţívá systém udávající počet atomů uhlíku ve stavebních jednotkách řetězců:

- polyamid 6 je polyamid z kyseliny 6–aminokapronové nebo 6–kaprolaktamu [NH(CH2)5CO]n

- polyamid 66 je polyamid z hexamethylendiaminu a kyseliny adipové [NH(CH2)6NHCO(CH2)4]n

Vlastnosti polyamidů závisí na výchozích monomerech. Polyamidy jsou neprůhledné, pevné látky z 30 aţ 50% krystalické. Jejich řetězce jsou propojovány vodíkovými můstky mezi amidovými skupinami. Počet vodíkových můstků přímo ovlivňuje jejich krystalickou strukturu, bod tání Tg a další vlastnosti. Polyamidy jsou pouţívány zejména pro svoji vysokou houţevnatost, tvrdost, odolnost proti oděru a dobré elektroizolační vlastnosti. Mechanické vlastnosti polyamidů jsou závislé na jejich typu, molekulové hmotnosti a obsahu vody. Nasákavost je přímo úměrná koncentraci amidových skupin. Polyamidy se vyznačují úzkým rozsahem teplot tání a tuhnutí.

Všechny polyamidy jsou odolné vůči olejům a mnoha rozpouštědlům. Rozpouští se v kyselinách, koncentrované kyseliny je štěpí [12].

2.5.1 Polyamid 6

Polyamid 6 je tvrdá, pevná látka rohovinového vzhledu s teplotou tání v rozmezí 215 aţ 220 °C. Je nerozpustný v běţných rozpouštědlech, ale je rozpustný ve fenolech, kyselině mravenčí a kyselině octové. Je snadno obrobitelný a technologicky zpracovatelný. Vlákna polyamidu 6 jsou pevná v tahu, odolná vůči otěru, dobře odolávají mikroorganismům. Samotný polyamid 6 se zvlákňuje např. z roztoku kyseliny mravenčí. [12]

Obr. 4 – Vzorec polyamidu 6

(16)

Vyrábí se hydrolytickou polymerací 6–kaprolaktamu. Podstatou procesu je zvláštní druh polyadice – stupňovitá polymerace. Polyamid vzniká přes stupeň kyseliny 6–aminokapronové. Jako aktivátoru kyseliny 6–aminokapronové se pouţívá voda.

Tento proces se obvykle provádí kontinuálně [12].

2.6 Elektrostatické zvlákňování

Elektrostatické zvlákňování je technologický proces, při kterém se získávají z polymerního roztoku nebo polymerní taveniny ultra jemná vlákna, za pouţití elektrostatických sil. Během procesu se pouţije vysoké elektrické napětí vytvářející elektricky nabitý proud polymerního roztoku nebo taveniny. Polymerní roztok je v přímém kontaktu s elektrodou vysokého napětí, kde je následně zvlákněn přes kapiláru. Působením vysokého elektrického napětí mezi kapilárou a uzemněným kolektorem vzniká Taylorův kuţel na špičce kapiláry a z něj jsou taţena vlákna se submikronovým průměrem. Poté se nabitý proud v elektrickém poli zrychluje a ztenčuje, dochází k odpařování rozpouštědla a vznikají pevná vlákna, která naráţí na uzemněnou protilelektrodu kolektoru.

Důleţitým poznatkem je, ţe Taylorovy kuţely potřebné k vzniku proudu hmoty, je moţné vytvořit i na tenké vrstvě polymerního roztoku, např. lze uskutečnit elektrostatické zvlákňování z tyčky nebo rotujícího válečku [19].

2.6.1 Faktory ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování

Faktory ovlivňující elektrostatické zvlákňování jsou nejčastěji označovány jako procesní a systémové. Procesními charakteristikami, ovlivňující tvorbu vláken pomocí elektrostatického zvlákňování, jsou elektrická vodivost, intenzita elektrického pole a elektrického proudu, vzdálenost kolektoru od zvlákňovací trysky nebo kapiláry a okolní parametry (teplota, vlhkost, atd.). Systémovými parametry se rozumí vlastnosti zvlákňovaného materiálu jako molekulová hmotnost polymeru, koncentrace polymerního roztoku, viskozita, teplota zvláknění (taveniny) a přídavek aditiv. Tyto faktory se pro různé druhy polymerů liší a pro kaţdý nový zvlákňnovaný polymer nebo jejich směs je nutné hledat optimální podmínky procesu elektrostatického zvlákňování.

U nově získaných materiálů se následně sleduje zejména průměr vláken, distribuce

(17)

průměrů, intenzita zvlákňování a mnoţství defektů vláken. [19] Vybrané faktory ovlivňující proces elektrostatického zvlákňování jsou popsány v odstavcích 2.6.1.1-4.

2.6.1.1 Vliv molekulové hmotnosti a viskozity

Vizkozita má významný vliv na elektrostatické zvlákňování a výslednou morfologii vláken. Při příliš nízké viskozitě dochází k electrosprayingu a s rostoucí viskozitou roste i vlákenný průměr. Jedním z faktorů ovlivňujících viskozitu roztoku je molekulová hmotnost polymeru. Čím vyšší je molekulová hmotnost polymeru, tím vyšší je i viskozita jeho roztoku. Jedním z nezbytných poţadavků na proces elektrostatického zvláknění je volba polymeru se správnou molekulovou hmotností.

[18]

2.6.1.2 Vliv povrchového napětí

Při elektrostatickém zvláknění musejí být náboje na polymerním roztoku dostatečně vysoké, aby překonaly povrchové napětí roztoku. Vysoké povrchové napěté můţe způsobovat efekt electrosprayingu [18].

2.6.1.3 Vliv vodivosti roztoku

K iniciaci procesu elektrostatického zvláknění je potřeba, aby se roztok dostatečně nabil a překonal povrchové napěté. Obvykle je elektrická vodivost rozpouštědel velmi malá, protoţe obsahují málo volných iontů zodpovědných za elektrickou vodivost. Přítomnost kyselin, zásad a solí můţe zvýšit vodivost roztoku. Za pouţití organických kyselin, můţe adice malého mnoţství vody do rozpouštědla značně zvýšit jeho vodivost díky ionizaci molekul rozpouštědla [18].

2.6.1.4 Vliv koncentrace polymerního roztoku

Hodnota elektrického napětí významně ovlivňuje celý proces elektrostatické, zejména jeho nastartování, intenzitu zvlákňování a kvalitu výsledné vlákenné vrstvy.

Čím vyšší elektrické napětí pouţijeme, tím se nám zvýší průměr vláken a četnost korálkových defektů. Tato skutečnost je způsobena tím, ţe vyšší napětí má tendenci vypudit více zvlákňovacího roztoku [19].

(18)

2.7 Elektrostatické zvlákňování chitosanu

Čistý chitosan je velmi obtíţné zvláknit. Tato skutečnost souvisí s jeho strukturou. Obsahuje -NH2 aminové skupiny, které mají tendenci se protonizovat a znemoţňovat tak proces elektrostatického zvlákňování. Poslední dobou jsou metody zvlákňování čistého chitosanu studovány, stejně jako zvlákňování chitosanu s příměsí syntetických polymerů a proteinů. Odpudivé síly mezi vazbami v polymerním řetězci chitosanu, který je kationaktivním polyelektrolytem, velmi komplikují vznik Taylorových kónusů, které jsou nezbytné pro nastartování elektrostatického zvlákňováňí z volné hladiny.

Ohkawa a kol. [19] zjistili, ţe vzniku soudrţných nanovláken lze dosáhnout pouţitím trifluoroctové kyseliny (TFA) jako rozpouštědla. TFA tvoří s amino skupinami soli, které zamezují mezimolekulárním interakcím chitosanu a usnadňuje zvlákňovací proces. Přidáním dichlormetanu (DCM) se zlepšuje homogenita vláken. Bylo zjištěno, ţe se zvyšující koncentrací polymeru ve zvlákňovacím roztoku se sniţuje průměr vláken.

Optimální výsledky byly získány s pomocí rozpouštědla o sloţení TFA/DCM (70:30 obj.). Získaná vlákna měla průměrný průměr (162 ± 20) nm bez přítomnosti korálkového efektu. Poté je potřeba vzniklá nanovlákna neutralizovat kvůli zbytkům solí vzniklým během rozpouštění chitosanu v TFA. Osvědčil se nasycený roztok Na2CO3, protoţe běţná neutralizace roztokem NaOH příliš narušuje vláknitou strukturu.

Geng a kol. [6] se zabývali elektrostatickým zvlákňováním čistého chitosanu za pouţití kyseliny octové. Studie ukázala, ţe jednotná nanovlákenná vrstva s průměrným průměrem vláken okolo 130 nm lze připravit zvlákněním směsi o sloţení 7 hm%

vodného roztoku chitosanu s 90 hm% roztokem kyseliny octové za pouţití napětí o 4 kV/cm. Se zvyšujícím se napětím klesá průměrný průměr vláken, ale při pouţití napětí 5 kV/cm a více se objevoval korálkový efekt. Z výsledků této studie vyplývá, ţe předpokladem pro zvláknění byla kyselina octová o koncentraci vyšší neţ 30 hm%.

Kyselina octová o vyšší koncentraci sniţuje povrchové napětí roztoku chitosanu během zvláknění. Nicméně kyselina o koncentraci vyšší neţ 90 hm% nerozpouští dostatek chitosanu k vytvoření dostatečně viskózního zvlákňovacího roztoku. Dalším omezujícím faktorem je i molekulová hmotnost chitosanu. Dle zdroje [6] se nejlépe osvědčil chitosan s molekulovou hmotností 106 000 g/mol.

(19)

Vrieze a kol. [24], zkoumali pouţití různých druhů kyselin ke zvláknění chitosanu, popisují přípravu nanovláken chitosanu o průměru (70 ± 45) nm z roztoku o sloţení 90 hm% kyseliny octové s 3 hm% koncentrací chitosanu a aplikovaným napětím 2 kV/cm. Hlavním problémem, který vzniká, je vzrůstající viskozita chitosanu, která omezuje zvláknitelnost. Moţností je aplikace alkálií, které hydrolyzují řetězce chitosanu a sniţují jeho molekulovou hmotnost. Optimálního průběhu zvláknění bylo dosaţeno pouţitím chitosanu hydrolyzovaného po dobu 48 hod za vzniku vláken o průměru 140 nm, tyto výsledky byly ovlivněny podmínkami zvlákňovacího procesu a koncentrací rozpouštědla. Vliv alkálií nijak nezměnil vlastnosti vláken.

2.8 Elektrostatické zvlákňování směsi polyamid 6/chitosan

Kompozitní nanovlákna syntetických polymerů s příměsí chitosanu jsou v současné době předmětem studií. Tato vlákna přinášení určité výhody oproti čistého chitosanu, pro své mechanické vlastnosti, biokompatibilnost, antibakteriálnost. Jednou z moţných kombinací je polyamid 6/chitosan.

Elektrostatickým zvlákněním polyamidu 6 a chitosanu je moţné získat kompozitní materiál, který by vykazoval vlastnosti obou pouţitých.

Během elektrostatického zvlákňování můţe docházet ke korálkovému jevu, kvůli malé hustotě náboje mezi kolektorem a zvlákňovací tryskou. V praxi se tomu dá zamezit příměsí soli nebo iontového polyelektrolytu do zvlákňovacího roztoku a docílit tak zlepšení hustoty náboje.

Dle studie Zhang a kol. [25] se ukázalo, ţe chitosan můţe modifikovat biologické a mechanické vlastnosti polyamidu 6 vytvořením vodíkových vazeb mezi polymerními řetězci. Studie byla provedena se zvlákňovacím roztokem o sloţení rozpouštědla HFIP (1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropanol)/kyselina mravenčí (9:1 obj) s 6 hm% koncentrací polyamidu 6/chitosanu o hmotnostních poměrech 100/0, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 a 70/30. Tyto roztoky byly následně zvlákněny a hodnoceny pomocí SEM a FT-IR spektrometrem.

(20)

Studie prokázala, ţe morfologie a průměr nanovláken byla ovlivněna koncentrací roztoku a poměrem polyamidu 6/chitosanu. Dále ukázala vznik vodíkových vazeb mezi polymery. Dospělo se k závěru, ţe byl vytvořen stabilní produkt, jehoţ vlastnosti byly přičítány právě těmto mezivazebným interakcím.

Obr. 5 – SEM snímky morfologie nanovlákených vrstev polyamid 6/chitosan (převzato Zhang a kol. )

(21)

Studie provedená Nirmala a kol. [14] se zabývala elektrickou charakterizací nanovlákenné vrstvy polyamid 6/chitosanu. Pouţitím polymerního roztoku ke zvláknění o sloţení – 18 hm% polyamidu 6 + 0; 1; 1,5; 2 hm% chitosanu v 85 hm% roztoku kyseliny mravenčí, se spolu se zvyšujícím podílem chitosanu vznikala jemná nanovlákna o průměrech 20-40 nm mezi hlavními vlákny o průměru 200-400 nm.

S koncentrací chitosanu se měnily i elektrické vlastnosti kompozitních nanovláken.

Konkrétně se zmenšoval plošný odpor.

Takto lze připravit kompozitní nanovlákenný biodegradabilní materiál s vysokým měrným povrchem a dokonce s výhodnými elektrickými vlastnostmi vhodnými například k výrobě biosensorů.

2.8.1 Biomedicínské aplikace nanovláken směsi polyamid 6/chitosan

V navazující studii Nirmaly a kol. [13] se zaměřili na přípravu a charakterizaci nanovlákenných vrstev směsi polyamid 6/chitosanu za pouţití jednoho rozpouštědla pro aplikaci buněčné kultury osteoblastů. Cytokompatibilita nanovlákenných vrstev s různými obsahy chitosanu byla zkoumána pomocí stanovení metabolické aktivity buněk MTT (3-[4,5-dimetylthiazol-2-yl]-2,5-difenyltetrazolium bromid) testem a LDH (lactate dehydrogensae) měřením.

V této své navazující studii pouţili nanovlákna vyrobená stejným způsobem jako v článku [14]. Přípravou 18 hm% polyamid + 0; 1; 1,5; 2 hm% chitosanu v 85 hm%

Obr. 6 – Mezivazebné interakce mezi řetězci polyamidu 6 a chitosanu (převzato Zhang a kol.)

(22)

roztoku kyseliny mravenčí. Takto připravené nanovlákenné vrstvy byly sušenypo 48 h při 80 °C, aby odstranili zbytky rozpouštědla.

Na těchto nanovlákenných nosičích tzv. scaffoldech byly pěstovány buněčné kultury osteoblastů po dobu 3 dnů. Zjistilo se, ţe buněčné kultury se dobře začlenily do kompozitních nanovláken. Se zvyšujícím se obsahem chitosanu, který byl v nanovlákenné vrstvě obsaţen v takto malých procentuálních obsazích, se zvyšovala celková viabilita buněk (Obr. 7) a bylo prokázáno, ţe kompozitní nanovlákna polyamidu 6/chitosanu zlepšují schopnost růstu buněk. Tímto způsobem byl získán nanovlákenný materiál jehoţ MTT úroveň se zvyšovala s rostoucím obsahem chitosanu a jehoţ in vitro testy prokázaly jeho netoxicitu pro osteoblastické buňky.

2.9 Shrnutí teoretické části

Teoretická část shnuje poznatky o:

 Polymerních směsí, biopolymerech a biodegradaci

 Chitosanu a jeho výrobě a vlastnostech

 Polyamidech a zejména polyamidu 6

 Principu elektrostatického zvlákňování

Obr. 7 – SEM snímek buňěčné kultury na nanovlákenné vrstvě polyamid 6/chitosan s různým obsahem chitosanu (a) 2 hm% (b) 1 hm% (c) 1,5 hm%

(d)2 hm% (převzato Nirmala a kol.)

(23)

 Dosavadních průzkumech zvlákňování čistého chitosanu a jeho směsi s polyamidem 6

2.10 Cíl experimentální části

Příprava nanovlákenné vrstvy polymerní směsi polyamidu 6/chitosanu prosté defektů s maximálním obsahem chitosanu za pouţití jednoho rozpouštědla nebo směsi rozpouštědel. K tomuto úkolu byl zvolen postup:

 Příprava roztoků směsi polyamidu 6/chitosanu

 Zkoumání vlivu rozpouštědla na proces elektrostatického zvláknění

 Zkoumání vlivu aditiv

 Stabilizace vrstvy vůči vodě

 Analýza chemického sloţení připravených vrstev

(24)

3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST

Popisuje přípravu polymerních roztoků a jejich intenzitu při procesu elektrostatického zvláknění z tyčkové elektrody. Poté se zabývá ovlivnění procesu zvláknění pomocí adice látek působících na proces zvláknění

3.1 Použité chemikálie

3.1.1 Chitosan

Pro experimentální část bakalářské práce byl pouţit Chitosan 5 od firmy Wako.

Jedná se o nízkomolekulární chitosan (CHIT). Výrobce udává jeho viskozitu 1 hm%

roztoku kyseliny octové (při 20 °C) 0 ~ 10 mPa*s se stupněm deacetylace po vysušení minimálně 80 mol/mol%.

Pouţit byl nízkomolekulární chitosan, protoţe molekulová hmotnost je faktorem ovlivňující viskozitu, a tím i celý proces elektrostatického zvlákňování. Uvedený výrobce uvádí viskozitu roztoku chitosanu namísto jeho molekulové hmotnosti.

Chitosan jakoţto přírodní produkt je závislý na kvalitě výchozí suroviny, která se můţe lišit. Praktičtějším a rychlejším způsobem pro rozlišení kvality chitosanu je uvádění viskozit roztoků.

Vlastnosti a pouţití chitosanu je podrobněji popsáno v odstavci 2.4. Pro představu mezi jeho hlavní přednosti patří dobré biologické vlastnosti, biokompatibilita, biodegradabilita, netoxicita a antimikrobiální účinky, pro které je vyuţíván v řadě aplikací. Struktura chitosanu je uvedena na Obr. 2.

3.1.2 Polyamid 6

Pro přípravu polymerních roztoků byl pouţit polyamid 6 (PA 6) od firmy BASF The Chemical Company s označením Ultramid® B24 N 03 o relativní viskozitě 1 hm%

v 96 hm% kyselině sírové v souladu s ISO 307 2,43 ± 0,03. Struktura polyamidu je uvedena na Obr. 4.

(25)

3.1.3 Kyselina mravenčí (FA)

Byla pouţita kyselina od firmy PENTA o koncentraci 98% a uvedenou molekulovou hmotností 46,03 g/mol. Je to nejjednodušší karboxylová kyselina. Jedná se o bezbarvou kapalinu s ostrým zápachem a s bodem varu 100,8 °C. V přírodě se vyskytuje v mravenčím jedu a jedu jiného bodavého hmyzu nebo v kopřivách. Pouţívá se především v organické technologii [5]. Struktura kyseliny mravenčí je uvedena na Obr. 8.

3.1.4 Kyselina octová (AA)

Byla pouţita kyselina od firmy PENTA o koncentraci 99% a uvedenou molekulovou hmotností 60,05 g/mol. Je to druhá nejjednodušší karboxylová kyselina.

Jedná se o bezbarvou kapalinu s ostrým zápachem, dobře mísitelnou s vodou a s bodem varu 117,9 °C. Tato slabá kyselina se vyskytuje v přírodě v rostlinách jako produkt fermentačního procesu sacharidů. Její 8 % roztok je dobře známý jako ocet [1].

Struktura kyseliny octové je uvedena na Obr. 9.

3.1.5 Triton X-100

Triton X-100 je neionogenní povrchově aktivní látka, která neobsahuje v molekule náboj. Ve vodném prostředí tedy neionizuje a jeho rozpustnost ve vodě je dána přítomností hydrofilních skupin. Pouţívá se k úpravě zvlákňovacího roztoku.

Často se pouţívá v biochemických aplikacích k rozpuštění proteinů. Triton X-100 nevykazuje antimikrobiální vlastnosti. Je klasifikován jako GHS05 - korozivní a ţíravá

Obr. 8 – Struktura kyseliny mravenčí

Obr. 9 – Struktura kyseliny octové

(26)

látka a GHS07 - dráţdivá látka. V této práci byl pouţit Triton X-100 od firmy SIGMA.

Výrobce udává molekulovou hmotnost 625 g/mol [21]. Struktura Tritonu X-100 je uvedena na Obr. 10.

3.1.6 Chlorid sodný

Byl pouţit chlorid sodný (NaCl) od firmy Lach – Ner, s.r.o. Výrobce uvádí molekulovou hmotnost 58,44 g/mol. Vzorec chloridu sodného je NaCl.

3.2 Použitá zařízení

3.2.1 Zařízení pro elektrostatické zvlákňování

Zvlákňování polymerních roztoků bylo prováděno na laboratorním zařízení pomocí elektrostatického zvlákňování z tyčky. Předností tohoto zařízení je, ţe k otestování zvláknitelnosti roztoku stačí malé mnoţství roztoku o objemu 0,2 ml.

Pouţívá se k pozorování průběhu elektrostatického zvlákňování. Pokud probíhá těmito způsoby: (i) roztok je zvlákňován z okrajů kapky, kde se elektroda více nabíjí nebo (ii) je roztok zvlákňován z celého povrchu kapky. Pomocí tohoto zařízení bylo zvlákněno přes 50 roztoků o různém sloţení či odlišných faktorech ovlivňujících proces elektrostatického zvlákňování. Výsledkem měření na tomto zařízení byla receptura roztoku s vhodnými zvlákňovacími vlastnostmi a optimálním poměrem směsi PA 6/CHIT. Schéma zařízení viz na Obr. 11.

Obr. 10 – Struktura Tritonu X-100, n = 9-10

(27)

3.2.2 Rastrovací elektronový mikroskop

Pro zkoumání morfologie nanovlákenných vrstev byly pouţity rastrovací elektronové mikroskopy (SEM) PHENOM a VEGA TS 5130. Rastrovací elektronové mikroskopy pouţívají k analýze struktury zkoumaných materiálů elektronového paprsku, který je usměrňován pomocí magnetických čoček a cívek. Tyto usměrněné fokusované elektrony dopadají na zkoumaný materiál a z něj se odráţejí tzv. zpětně odraţené elektrony a sekundární elektrony, které jsou pouţívány k analýze povrhu u rastrovacích elektronových mikroskopů. Tyto elektrony jsou detekovány a převáděny na signál, jenţ lze zaznamenávat na monitoru [4]. Schéma zařízení viz na Obr. 12.

Aby mohl být vzorek zkoumán pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu, musí být elektricky vodivý. Proto nevodivé vzorky musí být pokoveny. V praxi se pouţívá naprašování pomocí zlata nebo platiny. V této práci byly vzorky nanovlákenných vrstev naprašovány zlatem za pomoci přístroje SCD 030.

Obr. 11 – Schéma zařízení pro elektrostatické zvlákňování z tyčky (1) nanovlákenný nosič (papír, netkaná textilie), (2) uzemněný kolektor, (3)

nanovlákna, (4) zvlákňovaný roztok, (5) elektroda - tyčka

(28)

3.2.3 Infračervená spektroskopie

K určení chemického sloţení nanovlákenných vrstev byl pouţit FT-NIR spektrometr Spectrum-One NTS Perkin-Elmer. Infračervená spektroskopie se pouţívá k analytickému rozboru chemického sloţení materiálů. Především k určení funkčních skupin organických sloučenin.

Tato analytická metoda vyuţívá interakce infračerveného záření o různých vlnových délkách s analyzovaným vzorkem. Těmito infračervenými spektry se sledují vibrační a rotační přechody v molekulách. K absorpci záření pro danou vazbu dochází při změně dipólových momentů. Pro identifikaci organických sloučenin má největší pouţití oblast vlnočtů spektra mezi 400 – 4000 cm^-1, protoţe v této oblasti spektra mají organické sloučeniny největší počet absorpčních pásů, přičemţ oblast mezi 605 – 1500 cm^-1 je typická pro všechny organické látky. Výhodou této analytické metody je schopnost měření látek ve všech skupenských stavech. Ţádné dvě sloučeniny nemohou mít stejný průběh absorpčních spekter. [9]

3.3 Elektrostatické zvlákňování směsi PA 6/CHIT

Pro zvláknění polymerní směsi PA 6/CHIT bylo potřeba připravit roztoky. Jako rozpouštědla byly pouţity FA, AA a jejich kombinace, aby bylo docíleno elektrostatického zvláknění směsi za pouţití jednoho rozpouštědla. Hlavním cílem bylo dosáhnout co nejkvalitnější nanovlákenné vrstvy s co nejvyšším obsahem CHIT.

Obr. 12 – Schéma SEM rastrovacího elektronového mikroskopu

(29)

Samotný proces elektrostatického zvláknění závisí na mnoha faktorech. Některé z nich jsou uvedeny v odstavci 2.6.1. Pro dosaţení co nejkvalitnější nanovlákenné vrstvy byla ovlivňována koncentrace roztoků a s ní související viskozita. Úprava povrchového napětí byla prováděna pomocí povrchově aktivní látky Triton X-100. Na zvlákňování byla pouţita aparatura pro zvlákňování z tyčky – volné hladiny kapky roztoku.

Intenzitu a průběh elektrostatického zvlákňování lze posuzovat různě. Například měřením hmotnosti vzniklé nanovlákenné vrstvy na nosiči v čase nebo měření objemu zvlákněného roztoku v čase, počtem kónusů na elektrodě či metodou vizuální. V této práci byla pro svoji praktičnost zvolená vizuální metoda hodnocení intenzity průběhu elektrostatického zvlákňování, kde se porovnávalo procentuální zaplnění plochy nosiče nanovlákenné vrstvy při zvláknění 0,2 ml roztoku.

Nosiče nanovlákenných vrstev byly skenerem převedeny do elektronické podoby a pomocí grafického editoru byla vyhodnocována míra zaplnění nosiče v procentech.

3.3.1 Vliv rozpouštědla

Pro kaţdý nový materiál, ze kterého chceme připravit kvalitní nanovlákennou vrstvu, je potřeba nalézt vhodné rozpouštědlo, jenţ by mělo pozitivní vliv na samotný proces elektrostatického zvláknění. Studie uváděné v teoretické části v odstavci 2.8 pouţívaly různá rozpouštědla. Tato práce se zabývá dvěma druhy rozpouštědel a jejich kombinací. Rozpouštědla byla vybrána tak, aby měla co nejméně negativní účinek při pouţití vzniklých nanovlákenných vrstev v medicínských aplikacích.

V tomto experimentu byla pouţita FA a AA. Obě kyseliny byly koncentrované.

Směs suchých polymerů PA 6/CHIT byla rozpuštěna v třech různých rozpouštědlech o různých koncentracích směsi polymerů o sloţení PA 6/CHIT 80:20 hm% (viz Tab. 1).

Homogenizace roztoků byla prováděna pomocí magnetického míchadla po dobu 24 hod. za pouţití 150 ot/min a laboratorní teplotě 20,6 °C. Takto připravené roztoky byly elektrostaticky zvlákňovány za těchto podmínek: vzdálenosti elektroda kolektor 10 cm, vlhkosti vzduchu 40%, teploty 21,4 °C a aplikovaném napětí 55 – 60 kV. Průběh zvlákňování je shrnut v Tab. 1.

(30)

Rozpouštědlo Obsah CHIT ve směsi hm%

Koncentrace roztoku

hm%

Průběh el.

zvlákňování

Intenzita zvláknění %

AA 20 8 - 0

FA 20 8 okrajové 23

AA/FA 2:1 obj. 20 8 okrajové 29

AA 20 10 - 0

AA 20 12 okrajové 0

3.3.1.1 Diskuse výsledků

Při pouţití směsi rozpouštědel AA/FA 2:1 bylo dosaţeno intenzivního zvlákňování z okraje kapky umístěné na tyčkové elektrodě, které bylo schopno největšího procentuálního zaplnění plochy nosiče. Nejintenzivněji se zvlákňoval roztok o koncentraci 10 hm% směsi PA 6/CHIT ve směsi rozpouštědel, se kterým se nadále pracovalo.

Při zvlákňování směsi PA 6/CHIT rozpuštěné ve FA, docházelo pouze okrajovému zvlákňování, při němţ zaplnění nosiče nebylo tak intenzivní jako v předešlém případě. Ze zvlákněných koncentrací roztoků za pouţití FA bylo nejlepších výsledků dosaţeno při koncentrace 10 hm%

Čistá AA nerozpustila po 24 hod. danou směs PA 6/CHIT. Z tohoto důvodu byla zvýšena teplota rozpouštění na 40 °C při 150 ot/min. Čistá AA danou směs nerozpustila ani po 48 hod.

Z testovaných směsných rozpouštědel pouţitých pro přípravu roztoku PA 6/CHIT byla jako optimální vyhodnocena směs AA/FA 2:1 obj. Z hodnocených koncentrací polymerního roztoku, které byly 8; 10; 12 % hm, lze za optimální povaţovat koncentraci 10 hm%.

Tab. 1 – Charakteristiky zvlákňovaných roztoků

(31)

3.3.2 Vliv obsahu chitosanu

Cílem této práce byla příprava nanovlákenné vrstvy prosté defektů s maximálním obsahem chitosanu. Jak je uvedeno v odstavci 2.7 zvlákňování čistého CHIT je velmi komplikované a je předmětem mnoha studií. Proto se zvlákňuje ve směsích s jinými polymery. PA 6 je vhodným doprovodným polymerem pro CHIT, protoţe zvlákňování čistého PA 6 je dobře zvládnuto (firma Elmarco [17]). PA 6 se vyznačuje dobrými mechanickými vlastnostmi a s chitosanem je schopen tvořit mezivazebné interakce typu vodíkových můstků (tzv. Interpenetrating polymer network (IPN)).

Jedním z úkolů experimentu bylo zjištění, jakým způsobem chitosan ovlivňuje proces elektrostatického zvlákňování a morfologii nanovlákenných vrstev. K tomuto účelu byly připraveny roztoky s různým obsahem chitosanu, sloţení je uvedeném v Tab.

2. Rozpouštědlem byla opět směs kyseliny octové a mravenčí v poměru 2:1 obj. a rozpouštěny byly směsi suchých polymerů v poţadovaných poměrech. Rozpouštění probíhalo na magnetickém míchadle po dobu 24 h při 150 ot/min a laboratorní teplotě 20,4 °C. Takto připravené roztoky byly elektrostaticky zvlákňovány za podmínek:

vzdálenosti elektroda kolektor 10 cm, vlhkosti vzduchu 40%, teploty 21,6 °C a aplikovaném napětí 55 – 60 kV. Průběh zvlákňování je shrnut v Tab. 2.

Obsah CHIT ve směsi hm%

Koncentrace roztoku hm%

Průběh el.

zvlákňování

0 10 okrajové 81

25 8 okrajové 35

20 8 okrajové 41

10 8 okrajové 42

25 9 okrajové 38

20 9 okrajové 42

10 9 okrajové 45

25 10 okrajové 35

20 10 okrajové 44

10 10 okrajové 62

Morfologie nanovlákenných vrstev byla vyhodnocována pomocí snímků z rastrovacího elektronového mikroskopu viz Obr. 13.

(32)

V tomto experimentu se prokázalo, ţe limitním faktorem pro elektrostatické zvláknění směsi PA 6/CHIT je obsah CHIT, který významně ovlivňuje zvláknitelnost připravených roztoků. Ze zkoumaných roztoků se nejsnadněji zvlákňovaly roztoky s nejmenším obsahem chitosanu. Nejintenzivnějšího zvlákňování bylo dosaţeno při zvlákňování čistého PA 6 s koncentrací 10 hm% za vzniku nanovláken o průměru (289

± 85) nm. S rostoucím obsahem CHIT ve směsi intenzita zvlákňování klesá

Z vybraných SEM snímků nanovlákenných vrstev, kde se obsah chitosanu pohybuje od 0 do 25 hm%, vyplývá, ţe obsah chitosanu ovlivňuje morfologii vrstev. V případech, kdy byl ve zvlákňovaném roztoku obsaţen chitosan, nevznikaly nanovlákna, přestoţe docházelo k přenosu hmoty mezi oběma elektrodami. Výsledkem byly

I) II)

III) IV)

Obr. 13 – SEM snímky nanovlákenných vrstev lišící se obsahem CHIT I) 0 hm% CHIT, 10 hm% roztok; II) 25 hm% CHIT 9, hm% roztok III) 20 hm% CHIT, 10 hm% roztok; IV) 10 hm% CHIT, 10 hm% roztok

240 μm 110 μm

10 μm

240 μm 240 μm

(33)

jednolité fólie viz Obr. 13. Z těchto poznatků vyplynulo, ţe bude potřeba modifikovat zvlákňovaný roztok vhodnými aditivy.

3.3.3 Vliv obsahu aditiv

Pouţitím aditiv lze značně ovlivnit celý proces elektrostatického zvláknění. Jelikoţ se doposud nepodařilo získat vhodnou nanovlákennou vrstvu, rozhodlo se vyuţít tyto tři způsoby, pomocí nichţ lze dosáhnout kvalitnějšího procesu elektrostatického zvláknění:

(i) Naředěním směsi pouţitých kyselin destilovanou vodou. Původní směs kyselin AA/FA 2:1 byla povaţována jako 100 % čistá látka a byla naředěna destilovanou vodou na koncentraci 96 hm%. Přídavkem polárního rozpouštědla, v tomto případě destilované vody, dochází k disociaci kyselin. Disociace je tzv. jev zvratný. Kyselina octová a kyselina mravenčí patří do skupiny slabých organických elektrolytů a v přítomnosti polárního rozpouštědla je jejich malá část disociována na ionty, jejichţ přítomnost zvyšuje elektrickou vodivost [22]. Přídavek destilované vody by mohl také ovlivnit povrchové napětí směsi, kvůli hydrofobnímu chování malého mnoţství organických molekul, které mají tendenci se oddělit od vodní fáze a soustředit se na povrchu [18].

(ii) Přidáním 1 hm% nasyceného vodného roztoku NaCl do rozpouštěných roztoků polymerů v rozpouštědle AA/FA 2:1 obj.. Nasycený roztok NaCl byl připraven rozpuštěním 13,195 g NaCl v 36,805 g H2O při 20 °C. K určení potřebného mnoţství NaCl a H2O bylo pouţito laboratorních tabulek. Přídavkem iontů soli by mělo dojít ke zvýšení vodivosti roztoku [18].

Tento způsob modifikace zvlákňovaného roztoku se ukázal jako nepouţitelný.

Přídavek nasyceného roztoku NaCl způsobil koagulaci roztoku, která vysráţela směs PA 6/CHIT, a proto nebylo moţné tento roztok zvláknit.

(iii) Přidáním 1 hm% povrchově aktivní látky Tritonu X-100. Adicí povrchově aktivní látky lze ovlivnit povrchové napětí roztoků, které je způsobeno přitaţlivými silami mezi jednotlivými molekulami nebo atomy. Částice rozptýlené uvnitř roztoku působí přitaţlivými a odpudivými silami do všech směrů, ale částice nacházející se na povrchu kapaliny, působí pouze směrem do vnitřku kapaliny a jsou tak vtahovány do

(34)

vnitřku roztoku. O to je bude těţší dosáhnout vzniku Taylorových kuţelů na povrchu roztoku a docílit jeho zvláknění zvláknit [18].

Přídavek povrchově aktivní látky Tritonu X-100 nebylo dosaţeno poţadovaného efektu. Vliverm Tritonu X-100 na polymerní roztok došlo s vzrůstu viskozity polymerního roztoku, který způsobil, ţe se z polymerního roztoku stal viskózní gel, který znemoţňoval zvláknitelnost roztoku.

Mísení roztoků s rozpouštědlem 96% AA/FA 2:1 obj. bylo provedeno na magnetickém míchadle po dobu 24 h při 150 ot/min a laboratorní teplotě 21,1 °C. Takto připravené roztoky byly elektrostaticky zvlákňovány za těchto podmínek: vzdálenosti elektroda kolektor 10 cm, vlhkosti vzduchu 40%, teploty 20,6 °C a aplikovaném napětí 55 – 60 kV. Průběh zvlákňování je shrnut v Tab. 3.

Morfologie nanovlákenných vrstev byla vyhodnocována pomocí snímků z rastrovacího elektronového mikroskopu viz Obr. 14.

Rozpouštědlo

Obsah CHIT ve

směsi hm%

Koncentrace roztoku

hm%

Obsah Tritonu

X-100 hm%

Obsah NaCl hm%

Průběh el.

zvlákňování

Intenzita zvláknění

%

96% AA/FA 2:1 obj. 0 10 0 0 okrajové 66

AA/FA 2:1 obj. 25 9 1 0 neproběhlo 0

(35)

Jako jediný způsob modifikace polymerních roztoků se osvědčilo ředění.

Přítomnost vody v polymerním roztoku ovlivnila proces přenosu hmoty mezi oběma elektrodami za vzniku nanovláken i v případech, kdy byl v roztoku přítomen CHIT.

Přítomnost CHIT měla ovšem vliv na intenzitu zvlákňování a morfologii připravených nanovlákenných vrstev viz Tab. 3 a Obr. 12. Nejsnadněji se zvlákňoval roztok čistého PA 6, který se zvlákňoval nejintenzivněji za vzniku nanovláken o průměru (131 ± 36) nm. Při srovnání těchto nanovlákenných průměrů čistého PA 6

I) II)

III) IV)

Obr. 14 – SEM snímky nanovlákenných vrstev s lišícím se obsahem CHIT za použití rozpouštědla 96% AA/FA 2:1 obj.

I) 0 hm% CHIT, 10 hm% roztok; II) 25 hm% CHIT, 9 hm% roztok;

III) 20 hm% CHIT, 10hm % roztok; IV) 10 hm% CHIT, 10 hm% roztok;

20 μm

5 μm

120 μm

10 μm

60 μm 30 μm

10 μm 10 μm

(36)

s průměry nanovláken z odstavce 3.3.2 lze usoudit, ţe přídavek vody do rozpouštědla o sloţení AA/FA 2:1 sniţuje vlákenný průměr. Se zvyšujícím obsahem CHIT od 10 do 25 hm% stoupal počet korálkových defektů. Nejvhodnější zvlákněný roztok s obsahem CHIT měl sloţení 10 hm% PA 6/CHIT rozpuštěný v 96 hm% AA/FA 2:1 obj. a jeho vzniklá nanovlákna se vykazovala průměrem (165 ± 33) nm.

3.3.4 Vliv vlhkosti vzduchu

Vlhkost vzduchu je jedna z procesních charakteristik okolních parametrů elektrostatického zvlákňování, která ovlivňuje tvorbu nanovláken. Dosavadní zvlákňování roztoků bylo provedeno za teploty v rozmezí 20,6 – 21,6 °C a vlhkosti vzduchu 40%. K posouzení vlivu vlhkosti vzduchu na proces elektrostatického zvláknění byly zvlákněny roztoky za různých relativních vlhkostí vzduchu uvedené v Tab. 4. Vlhkost vzduchu byla regulována pomocí vysoušeče vzduchu, který zároveň ovlivňoval teplotu okolního prostředí.

Rozpouštědlo Obsah CHIT hm%

Koncentrace roztoku

hm%

Vlhkost vzduchu

%

Teplota

°C

Průběh el.

zvlákňování

Intenzita zvláknění

%

96% AA/FA 2:1 obj. 20 10 40 22,4 okrajové 42

Obr. 15 – SEM snímky nanovlákenných vrstev s lišící se vlhkostí vzduchu I) 40%; II) 30%; III) 20%

20 μm 20 μm

10 μm 10 μm 10 μm

20 μm

I) II) III)

(37)

Bylo dokázáno, ţe vlhkost vzduchu ovlivňuje intenzitu elektrostatického zvlákňování a morfologii vrstev. Během procesu docházelo k přenosu hmoty mezi tyčkovou elektrodou a uzemněným kolektorem a s klesající relativní vlhkostí vzduchu od 40 do 20 % se zvyšovala intenzita zvláknění. Ze SEM snímků těchto nanovlákenných vrstev je zřetelné, ţe sniţující vlhkost vzduchu, sniţuje počet defektů připravené vrstvy. Optimálních výsledků bylo dosaţeno při zvláknění roztoku při 30 % relativní vlhkosti vzduchu, kdy se nanovlákenná vrstva vykazovala průměrem nanovláken (172 ± 38) nm.

3.3.5 Stabilita roztoku

V tomto experimentu byla posuzována stabilita roztoků vůči stárnutí. Zdroje uvádějí [11], ţe skladováním roztoků s obsahem chitosanu klesá jeho zvláknitelnost.

Pro pokus byly pouţity roztoky s adicí destilované vody do rozpouštědla z odstavce 3.3.3, které prokázaly dobré výsledky. Tyto roztoky (Tab. 5) byly míchány na magnetickém míchadle po dobu jednoho týdne při 150 ot/min a laboratorní teplotě v rozmezí od 20,6 do 22,1 °C. Zvlákňování roztoků probíhalo za těchto podmínek:

vzdálenosti elektroda kolektor 10 cm, vlhkosti vzduchu 40%, teploty 20,6°C a aplikovaném napětí 55 – 60 kV.

Koncentrace roztoku hm%

Průběh el.

zvlákňování

25 9 neprobíhalo 0

20 10 okrajové 25

10 10 okrajové 40

Na rozdíl od roztoků, které byly zvlákňovány následující den po jejich přípravě v odstavci 3.3.3, tak zvláknění týden skladovaných roztoků bylo dosaţeno pouze s roztoků směsí o sloţení 10 hm% s obsahem chitosanu 10 a 20 hm%. V obou případech nebylo dosaţeno, tak vysoké intenzity zvláknění jako v předchozích případech (viz.

3.3.3). Při zvlákňování směsi o sloţení 9 hm% s obsahem chitosanu 25 hm% nevznikaly stabilní kónusy na hladině kapky a nedocházelo ke zvlákňování. Rozdílná zvláknitelnost

(38)

polymerních roztoků, by mohla být vysvětlena moţnou degradací chitosanu sniţující molekulovou hmotnost. Na druhou stranu příliš nízká molekulová hmotnost by mohla znemoţňovat zvláknitelnost [11]. Měření molekulové hmotnosti nebylo provedeno.

3.3.6 Shrnutí elektrostatického zvlákňování směsi PA 6/CHIT

Zvlákňování polymerní směsi PA 6/CHIT bylo provedeno v mnoha experimentech. První pokusy za pouţití koncentrovaných kyselin nepřinesly poţadované výsledky. Z pouţitých aditiv se osvědčilo pouze zředění směsi rozpouštědel AA/FA 2:1 na koncentraci 96 hm%.

Adice vody do rozpouštědla pozitivně ovlivnila proces zvláknění za vzniku nanovlákenných vrstev. Obsah CHIT a koncentrace roztoků měl vliv na intenzitu elektrostatického zvláknění. Z testů vlivu vlhkosti vzduchu se zjistilo, ţe optimálních výsledků lze dosáhnout za 30 % relativní vlhkosti vzduchu.

Z provedených testů, byl vyhodnocen jako optimální zvlákňovací roztok o sloţení 10 hm% PA 6/CHIT 90:10 v 96 hm% AA/FA 2:1 obj..

3.4 Stabilizace nanovlákenných vrstev

3.4.1 Stabilita nanovlákenných vrstev ve vodě

Odolnost nanovlákenných vrstev vůči vodě, je významnou vlastností, která rozhoduje o jejich dalších aplikacích. Vhodnou oblastí uplatnění nanovlákenných vrstev PA 6/CHIT je oblast tkáňového inţenýrství, pro případy kde je zapotřebí materiál s vhodnými mechanickými vlastnostmi podporující růst buněk k tvorbě tkání. Důleţité je aby se takový materiál nerozpouštěl a aby při sterilizaci nepodléhal degradaci.

PAD a CHIT jsou polymerní látky nerozpustné ve vodě, proto se neočekává, ţe připravené nanovlákenné vrstvy se ve vodě nerozpustí. V případě vloţení nanovlákenné do vody můţe dojít k těmto dvěma případům:

(i) nanovlákenná vrstva polymerní směsi PA 6/CHIT bude stabilní vůči vodě a nerozpustí se

(39)

(ii) jako rozpouštědlo pro výrobu nanovlákenné vrstvy byla pouţita směs 96% AA/FA 2:1 obj. a zbytky rozpouštědla obsaţené v připravené vrstvě mohou po vloţení do vody narušit tak její sloţení

Testování rozpustnosti nanovlákenných vrstev bylo zkoumáno na třech vrstvách s lišícím se obsahem chitosanu. Ve všech třech případech bylo pouţito rozpouštědla o sloţení 96% AA/FA 2:1 obj. Vrstvy byly zvlákněny pomocí zařízení pro elektrostatické zvlákňování z tyčky a následně vloţeny do vody na 15 min.

Koncentrace

roztoku hm% Rozpustnost

25 9 stabilní

20 10 stabilní

10 10 stabilní

Bylo prokázáno, ţe vrstvy nanovlákenných vrstev PA 6/CHIT jsou stabilní ve vodě. Jestli nedochází k částečnému rozpouštění vrstev, bylo zkoumáno v odstavci 3.5 pomocí infračervené spektroskopie. K zamezení uvolňování přebytečného rozpouštědla se dle studie [19] doporučuje neutralizace vrstev pomocí nasyceného roztoku Na2CO3

nebo 0,1 M roztok NaOH a následné vloţení do vody.

3.4.2 Stabilizace nanovlákenných vrstev teplem

K stabilizaci vrstev a k odstranění přebytečného rozpouštědla lze docílit působením tepla. K této modifikaci byly pouţity vrstvy o sloţení, které se ukázalo jako nejvhodnější a je uvedeno v odstavci 3.3.6.

Tepelná stabilizace vrstev probíhala za teploty 105 °C a 120 °C. Tyto teploty byly zvoleny, tak aby docházelo k odpařování rozpouštědla. Teplota 105 °C byla vybrána s ohledem na teplotu varu kyseliny mravenčí, která má hodnotu 100,8 °C a teplota 120 °C měla dostatečně odstranit kyselinu octovou s bodem varu o hodnotě 117,9 °C. K zahřání vrstev bylo vyuţito sušárny značky Memmert a jednotlivé vrstvy byly vystaveny působení tepla po dobu 15 min. Morfologie stabilizovaných vrstev byla zkoumána pomocí SEM snímků Obr. 16.

Tab. 6 – Stabilita vrstev ve vodě

(40)

Dále bylo zkoumáno chování těchto stabilizovaných vrstev ve vodě. Vrstvy byly namočeny ve vodě po dobu 30 min. a poté sušeny při laboratorní teplotě 21,4 °C.

Morfologie takto upravených vrstev byla opětovně vyhodnocována pomocí SEM snímků Obr. 17.

Ze SEM snímků morfologie nanovlákených vrstev, které byly tepelně modifikovány pouţitím teplot 105 °C a 120 °C, nebyl pozorován rozdíl mezi jednotlivými vrstvami a lze usoudit, ţe struktura vrstvy se teplem nemění. Ţádné

20 μm 20 μm 20 μm

5 μm 5 μm 5 μm

I) II) III)

Obr. 16 – SEM snímky nanovlákenných vrstev PA 6/CHIT stabilizovaných teplem I) bez stabilizace; II) stabilizace 105 °C; III) stabilizace 120°C

20 μm 20 μm 20 μm

5 μm 5 μm 5 μm

Obr. 17 – SEM snímky nanovlákenných vrstev PA 6/CHIT stabilizovaných teplem a vodou I) bez stabilizace; II) stabilizace 105 °C; III) stabilizace 120°C

I) II) III)