1 2 3

1

2

3

4

5

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb.

O právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

6

Poděkování

Děkuji doc. Ing. Petru Exnarovi, CSc., za odborné vedení, cenné rady a nekonečnou trpělivost, díky kterým tato práce mohla vzniknout. Také chci poděkovat doc. Mgr. Ireně Šlamborové Ph.D. za cenné rady a Soně Rothové za pomoc v laboratoři. Také chci poděkovat své rodině za pomoc a podporu během celého studia.

7

Abstrakt

Cílem této práce je studium kinetiky rozpouštění křemičitých nanovláken v simulovaných tělních tekutinách. K tomuto účelu bylo využito statických a dynamických testů. K testování byla využita křemičitá nanovlákna vyrobená na Technické univerzitě v Liberci elektrickým zvlákňováním solu připraveného metodou sol-gel. Nanovlákna byla následně tepelně zpracována. Pro charakterizaci nanovláken bylo použito elektronového mikroskopu (SEM) ke zkoumání morfologie, termogravimetrické analýzy ke zkoumání tepelných vlastností, kryptonovou adsorpce ke stanovení měrného povrchu a optické emisní spektroskopie s indukčně vázanou plazmou (ICP-OES) ke stanovení koncentrace oxidu křemičitého ve vzorcích.

Provedená měření ukázala podstatný vliv tepelného zpracování nanovláken, kde vyšší teplota zpracování nanovláken vede k jejich pomalejšímu rozpouštění. Výrazný vliv na rychlost rozpouštění se prokázal pro pH, kde vyšší hodnoty urychlují proces rozpouštění. Dále byly srovnány výsledky statických a dynamických testů rozpustnosti. Z nich je patrné, že prvotní fáze rozpouštění jsou pro obě metodologie stejné, ale pro pozdější fáze se výrazně liší. Nakonec byla nanovlákna vyrobená na TUL porovnána s nanovlákny vyrobenými průmyslově.

Klíčová slova

Nanovlákna, oxid křemičitý, sol-gel, elektrické zvlákňování, kinetika koroze, simulované tělní tekutiny

8

Abstract

This work aims on study of dissolution kinetics of silica nanofibers in simulated body fluids. Study utilizes both static and dynamic dissolution tests. Tested silica nanofibers were prepared in Technical university of Liberec, by electrospinning of sol prepared by sol-gel method. Prepared fibers were termally treated. For morphology characterization scanning elecron microscopy (SEM) was used, termogravimetric analysis for study of thermal properties, Krypton adsorption for measure of specific surface area and optical emission spectroscopy with induced coupled plasma for silica concentration measurement. Results show dissolution dependency on heat treatment where higher temperatures lead to slower dissolution. Also dependency on pH of used simulated body fluid was shown, where higher values lead to faster dissolution. Then static and dynamic dissolution methods were compared. Results shown, that for early dissolution phase both methods give similar results, but for later phases results vary greatly. At last, nanofibers prepared on TUL were compared with industry prepared nanofibers

Keywords

Nanofibers, silica, sol-gel, electrospinning, corrosion kinetics, simulated body fluids

9

Obsah

1.

2.

2.1. Křemičité nanomateriály ...12

2.1.1. příprava křemičitých nanovláken...12

2.2. Kinetika skelné koroze ve vodných roztocích...20

2.2.1. Mechanismy skelné koroze ...21

2.2.2. Parametry ovlivňující proces koroze ...24

2.3.Metody testování koroze ...28

2.3.1. Statické testy ...28

2.3.2. Dynamické testy ...29

3.

3.1. Použité materiály ...30

3.1.1. Křemičitá nanovlákna... 30

3.1.2. Simulované tělní tekutiny...30

3.2. Popis experimentů ...32

3.2.1. Statické testy...32

3.2.2. Dynamické testy...33

3.3. Metody charakterizace nanomateriálů ...33

3.4.Výsledky a diskuze ...34

3.4.1..Fyzikání vlastnosti nanovláken ...34

3.4.2. statické testy rozpustnosti ...38

3.4.3. dynamické testy rozpustnosti ...41

3.4.4. porovnání statických a dynamických testů ...46

3.4.5. porovnání laboratorních a průmyslových nanovláken ...55

3.5. Závěr ...57

4. Reference ...59

10

Seznam použitých zkratek

APTES aminopropyltriethoxysilan

ICP/OES optická emisní spektroskopie s indukčně vázanou plazmou

In-vitro v laboratoři

In-vivo v živém organismu PEO polyethylenoxid

PET polyethylentereftalát

pH vodíkový exponent

PVA polyvinylalkohol

PVP polyvinylpyrrolidon

SEM skenovací elektronová mikroskopie

t1/2 poločas rozpouštění

TUL Technická univerzita v Liberci

Seznam příloh

Příloha 1: reálné navážky krevní plazmy Příloha 2: reálné navážky Gambleho roztoku Příloha 3: reálné navážky lysozomální tekutiny

11

1. Úvod

Vlákenné nanomateriály představují slibnou skupinu materiálů, s možným uplatněním v řadě oborů lidské činnosti. Mezi nejslibnější odvětví pro aplikace nanomateriálů patří medicína a zdravotní vědy. V nich díky své jedinečné struktuře a dalším vlastnostem mohou plnit řadu účelů od krytí ran po výrobu tkáňových náhrad (scaffoldů), či drug-delivery systémů s řízeným uvolňováním léčiv.

Mezi nejslibnější materiály pro výrobu medicínských nanomateriálů patří materiály na bázi oxidu křemičitého. Ten oproti jiným materiálům nabízí množství výhod, mezi které patří například biokompatibilita, možnost řízené degradace, výrobní cenová dostupnost, možnost výběru struktury a široké možnosti další funkcionalizace, například terapeutickými látkami (léčiva, enzymy). Různé formy oxidu křemičitého jsou také již řadu let používány v medicíně pro řadu aplikací, například při tvorbě zubních výplní, či kostních náhrad. Ačkoli jsou tyto materiály obecně považovány za zdravotně nezávadné, některé formy křemičitých materiálů byly prokázány jako toxické a karcinogenní (silikóza). Pro aplikaci křemičitých materiálů je tedy nezbytné zkoumat jejich toxicitu nezávisle na vlastnostech bulkového oxidu křemičitého.

Mezi významné faktory pro vyhodnocení toxicity materiálu pro medicínské aplikace patří zjištění jeho bioperzistence v organismu. Ta by podle studie společnosti Johns Manville Corporation neměla přesahovat 40 dní [1]. Důležitým faktorem ovlivňujícím bioperzistenci je rychlost jejich degradace v prostředí lidského organismu. Pro její stanovení je třeba podrobně zkoumat kinetiku mechanismů korozních reakcí, ke kterým dochází při styku křemičitých materiálů s tekutinami uvnitř lidského těla. Ačkoli již dříve byly studovány tyto mechanismy pro bulková skla a další křemičité materiály, rozsáhlejší studie, která by se věnovala korozi křemičitých nanomateriálů, primárně se zaměřením na křemičitá nanovlákna zatím chybí.

12

2. Teoretická část

2.1. Křemičité nanomateriály

Jedná se o anorganické materiály na bázi oxidu křemičitého, které jsou již řadu let hojně používány v širokém množství aplikací. S nástupem nanomateriálů tedy pochopitelně dochází k jejich rozšíření o jeho modifikace [2]. Je možné z nich vytvořit řadu použitelných struktur od amorfních vláken a částic, přes porézní vlákna a částice [3], krystalické nanočástice, povrchové vrstvy [4] až po řadu kompozitních materiálů s přídavkem polymerů, kovových materiálů či polovodičů. To z nich činí slibný materiál pro řadu odvětví od drug-delivery systémů, či scaffoldů [5], přes chemické a biologické senzory [6] po antibakteriální nebo optické vrstvy [7]

2.1.1. Příprava křemičitých nanovláken

Na rozdíl od polymerních materiálů, jejichž vlákna je možné získat zvlákněním z polymerního roztoku bez dalších úprav, příprava anorganických nanovláken je proces složený z více kroků [8]. Základní kroky pro výrobu křemičitých nanovláken je možné rozdělit do 3 částí: - Příprava roztoku metodou sol-gel

- Elektrostatické zvlákňování - Stabilizace nanovláken

V některých pracích je zvlákňovací roztok smíchán s roztokem pomocného polymeru (např.

PEO, PVA), který slouží jako nosič koloidních částic oxidu křemičitého. Polymerní matrice je následně odstraněna při tepelné stabilizaci a koloidní částice se spojí do formy „nanovláken“

[9], [10]. Tato práce se však zabývá možností výroby křemičitých vláken bez polymerního nosiče.

Metoda sol-gel

Jedná se o metodu po desetiletí využívanou k výrobě skelných či keramických vrstev, gelů a v poslední době rozšířenou o nanočástice a nanovlákna[11]. Společným rysem pro metodu sol-gel je homogenizace výchozích složek ve formě roztoku, který je převeden na sol,

následně destabilizován a při zachování homogenity převeden do formy gelu [12].

Tato metoda nabývá na významu díky možnosti vytvářet chemicky čisté a homogenní materiály z širokého množství anorganických látek, jejich oxidů a různých směsí bez potřeby nákladné instrumentace a za běžných podmínek.

13 Princip metody sol-gel

Metoda sol-gel vychází z přípravy stabilizovaných koloidních suspenzí (sol), jejich následným zesítěním do prostorové porézní struktury (gel), a stabilizací (odstraněním rozpouštědla) za vzniku konečného produktu (xerogely, monolity, vrstvy, vlákna) [13].

Obecně lze metodu sol-gel rozdělit na dva rozdílné postupy (viz obrázek 1) využívající jak různé výchozí látky, tak i rozdílné reakční mechanismy: - Postup z alkoxidů

- Postup ze stabilizovaných vodných solů oxidů

Obrázek 1: postup metody sol-gel, postup z alkoxidů (vlevo) a ze stabilizovaných vodných solů (vpravo) [14]

14

Základní chemické reakce probíhající při metodě sol-gel lze rozdělit na [15]:

- Hydrolýza (1)

- Polykondenzace za vzniku vody (2) - Polykondenzace za vzniku alkoholu (3)

(1)

(2)

(3)

Hydrolýza

Proces hydrolýzy nastává, je-li do roztoku alkoxidu v bezvodém alkoholu přidána voda.

Ta zreaguje s alkoxidovou skupinou (Si-OR) za vzniku silanolové skupiny (Si-OH) [16].

Z odštěpeného uhlovodíkového zbytku vznikne alkohol. Hydrolýza probíhá stejnou reakcí nehledě na podmínky, její rychlost a úplnost je však možné měnit přidáním katalyzátoru.

Polykondenzace

Polykondenzace je děj, při kterém reagují dvě silanolové skupiny nebo silanolová skupina s alkoxidovou skupinou za vzniku siloxanové vazby. Jako vedlejší produkt vzniká voda nebo alkohol. Při tomto ději dochází k polykondenzaci kyseliny tetrahydrogenkřemičité, či jejích derivátů za vzniku makrostruktury. V dřívějších studiích bylo zjištěno, že polykondenzace probíhá posloupnstí monomer – dimer – linearní trimer – cyklický trimer – cykly vyšších řádů. Pokračující polykondenzace tedy vyžaduje i opačný proces (depolykondenzace), aby bylo možné do cyklů včlenit další monomerní části. Vzájemná rychlost obou procesů záleží na okolních podmínkách a určuje výsledný produkt kondenzace [16].

15

Parametry ovlivňující metodu sol-gel

Výsledek sol-gel procesu je závislý na různých parametrech od koncentrace jednotlivých složek, přes reakční teplotu a její čas. Mezi nejdůležitější faktory ovlivňující výsledek reakce patří vliv katalýzy, teploty a molárního poměru [H2O]/[SiO2].

Vliv katalyzátoru

Ačkoliv samotný sol-gel proces je možné provádět i bez použití katalyzátorů, bylo zjištěno, že jejich přídavek má výrazný vliv na povahu hydrolyzačních i polykondenzačních reakcí a tím na strukturu vznikajícího materiálu. Běžně jsou jako katalyzátor používány minerální

kyseliny (HCl, HNO3, H2SO4) nebo alkálie (NaOH, amoniak), je však možné použít i organické látky např. kyselinu octovou či aminy [17].

Nejběžnějším způsobem ovlivnění sol-gel procesu je změna reakčního pH. Bylo zjištěno, že pro soly oxidu křemičitého dochází ke vzniku 3-D struktury v kyselém i zásaditém prostředí. Liší se však reakční rychlostí i strukturou výsledného materiálu. Kyselá katalýza byla předchozími studiemi určena jako reakce prvního řádu, kde síla použité kyseliny ovlivňuje reakční rychlost. Zásaditá katalýza je také reakcí prvního řádu, použitelných reakčních rychlostí je ale možné dosáhnout pouze pro silné zásady. Nejvýraznější je však vliv pH na výslednou strukturu materiálu. Z dřívějších studií je patrné, že vliv kyselého prostředí je příznivý pro vznik dlouhých, málo rozvětvených řetězců. Vlivem zásaditého pH naopak vzniká hustě zesítovaná struktura (viz obrázek 2). Specificky pro tvorbu křemičitých nanovláken má tento jev výrazný vliv na proces zvlákňování [18].

Obrázek 2: vliv pH na strukturu gelu kyselá katalýza (nahoře) a zásaditá katalýza (dole) [11]

16 Vliv poměru k=[H2O]/[SiO2]

Druhým podstatným faktorem je molární poměr vody k alkoxysilanu v roztoku k=[H2O]/[alkoxysilan]. Ten výrazně ovlivňuje obě základní reakce metody sol-gel. Vyšší hodnota k má například příznivý vliv na průběh hydrolýzy, která s vyššími hodnotami probíhá rychleji a kompletněji.

Naopak bylo zjištěno, že vyšší hodnoty k jsou nevhodné pro přípravu zvláknitelného roztoku, kdy hodnoty okolo k=2 poskytují zvláknitelné roztoky, zatímco vyšší hodnoty nikoliv.

Hodnoty k v rozmezí 20-50 byly pak vhodné pro tvorbu koloidních monodisperzních částic [19].

Elektrostatické zvlákňování (electrospinning)

Existuje řada postupů pro tvorbu nanovláken z roztoků a tavenin. Mezi nejpoužívanější patří elektrostatické zvlákňování (electrospinning), dloužení (drawing), fázová separace (phase separation) či samoskládání (self-assembly) [20]. Ne všechny metody jsou však vhodné pro tvorbu anorganických nanovláken. V tomto ohledu získává na významu metoda elektrostatického zvlákňování, pomocí níž je možné vyrábět vlákna definovaných parametrů z širokého spektra látek, a to jak v laboratorním, tak i průmyslovém měřítku [21]. Vedle ní se ještě podařilo vytvořit vlákna oxidu křemičitého smíchaného s PVP pomocí odstředivého zvlákňování [22].

Princip elektrostatického zvlákňování

Základem elektrostatického zvlákňování je souboj mezi elektrickými silami, které destabilizují polymerní roztok a snaží se z něj vytáhnout hmotu, a kapilárními silami, které se naopak snaží zachovat celistvost roztoku. Pokud je na roztok polymeru aplikováno dostatečně silné elektrické pole, dojde k nabití polymerních makromolekul v roztoku. To se nejprve projeví vznikem tzv. Taylorových kuželů. Pokud dojde k dalšímu zesílení pole, Coulombickými silami dojde k vytahování hmoty z roztoku, kde Taylorovy kužely slouží jako trysky, z nichž hmota opouští roztok ve směru působení elektrického pole [23].

Obecně je postup prováděn tak, že na kladnou elektrodu je přiváděn zvlákňovaný roztok a jako záporná elektroda je použit kolektor k zachytávání vytažených vláken. Kladná elektroda může mít formu injekční jehly, válce či drátu (obrázek 3). Podstatné však je, aby elektroda

17

měla malý poloměr křivosti a na roztok na její hranici tím pádem působila co nejvyšší intenzita elektrického pole. Záporná elektroda je obvykle plochá a využívá se bud´ vrstvy alobalu či nosné tkaniny schopné přenášet elektrický náboj. Je také možné provádět zvlákňování pomocí střídavého napětí, kde není třeba elektricky trvale nabitého kolektoru a vlákna je pak možné zachytávat na jakýkoliv uzemněný předmět. Pro průmyslové využití je podstatná modifikace technologie Nanospider, která využívá jako zvlákňovací trysku jednu či více strun, kde je zvlákněný materiál zachytáván na tkaninu umístěnou na záporné elektrodě.

Touto technologií je možné vyrábět nanovlákna výrazně rychleji než pomocí jiných aparatur [24].

Obrázek 3: základní schéma zvlákňování z jehly, upraveno z [25]

Parametry ovlivňující elektrostatické zvlákňování

Při elektrostatickém zvlákňování je třeba vzít v potaz řadu vzájemně propojených faktorů, které mohou výrazně ovlivnit vlastnosti vzniklých vláken, způsobit vznik částic namísto vláken (electrospraying), či procesu zabránit úplně. V základu je možné rozdělit faktory do dvou skupin: - parametry roztoku

- parametry procesu

18 Parametry roztoku

Nejdůležitějším parametrem souvisejícím s roztokem je viskozita. Ta je základním parametrem ovlivňujícím kohezní síly působící na roztok. Nižší hodnoty vizkozity mohou mít za následek destabilizaci proudu polymeru a jeho rozpadnutí na částice. Vyšší hodnoty vizkozity jsou tedy nezbytné pro udržení vlákenného charakteru vytahovaného materiálů.

Příliš vysoké hodnoty viskozity však vedou ke vzniku vláken s větší tlouštkou (submikronová či mikronová), nehomogenních vláken s defekty nebo mohou úplně zabránit vzniku Taylorových kuželů a tím i procesu electrospinningu. S vizkozitou souvisí také molekulární hmotnost roztoku, jeho koncentrace a povrchové napětí. Obecně nižší molekulární hmotnosti jsou příznivější pro tvorbu částic a vyšší pro tvorbu vláken. Pokud jsou však výchozí polymerní molekuly rozvětvené, může to zcela bránit jejich zvláknění. Pro povrchové napětí platí, že vysoké hodnoty mohou bránit vzniku Taylorových kuželů a tím procesu zvlákňování [26].

Dále je třeba zkoumat vodivost použitého roztoku. Ta ovlivňuje dostupnost nábojů ovlivnitelných elektrickým polem. Vodivost je primárně ovlivněna typem polymeru a rozpouštědla. Je dokázáno, že vyšší vodivost roztoku napomáhá vzniku homogenních vláken bez deformací či korálků. Hodnotu vodivosti je možné ovlivnit použitým rozpouštědlem či přidáním iontů vhodné soli [27].

Posledním klíčovým parametrem roztoku je použité rozpouštědlo, jehož vlastnosti mají výrazný vliv na celkové parametry roztoku. Je také třeba brát v potaz teplotu varu rozpouštědla. To se při dloužení vláken vypařuje a pokud je jeho teplota varu nízká, může se rozpouštědlo odpařovat rychleji než se vlákna stihnou změně přizpůsobit. To má pak za následek vznik trhlin a pórů ve vzniklých vláknech [26].

V případě zvlákňování anorganických materiálů metodou sol-gel je třeba brát v potaz úroveň zesítování použitého solu, kdy je nezbytné, aby se v použitém roztoku již vyskytovaly lineární řetězce ale zároveň ještě nedošlo k vytvoření prostorové sítě. Oproti polymerním roztokům je třeba zkoumat stáří solu, se kterým bude zesítění solu stoupat a množství rozpouštědla (pro křemičitá nanovlákna obvykle ethanolunebo izopropylalkoholu), při jehož odpařování mimo zvýšení vizkozity dochází i ke vzniku koloidních částic oxidu křemičitého, které mohou narušit vznik Taylorových kuželů a tím bránit zvlákňování [28]. Bylo však také prokázáno, že pozdější přidání rozpouštědla do již připraveného solu vede ke zvýšenému vzniku korálků a nehomogenit ve vláknech [29].

19 Parametry procesu

Druhou skupinou klíčových parametrů jsou parametry procesní. Z nich je nejdůležitějším

použité elektrické napětí, které přímo ovlivňuje sílu jakou je materiál vytahován.

Bez překročení tzv. kritického napětí nebude elektrická síla dost vysoká, aby došlo k vytvoření Taylorových kuželů. Naopak použití příliš vysokého napětí má za následek roztrhání proudu kapaliny do formy částic. Dále je třeba zkoumat vzdálenost elektrod, dávkování roztoku a tvar kolektoru. Posledním důležitým faktorem jsou parametry prostředí, kde je podstatná teplota za které ke zvlákňování dochází a vlhkost vzduchu sloužícího jako dielektrikum [27].

Stabilizace vláken

Vzhledem k tomu, že jako roztok pro electrospinning je použit sol alkoxidu, ve kterém není dokončen proces gelace, nejsou vzniklá vlákna chemicky a strukturně stabilní. Uvnitř vláken se nadále nachází nezreagované silanolové a v menší míře alkoxidové skupiny, stejně jako molekuly vody a alkoholu vznikající během reakce a zbytkové množství rozpouštědla uzavřeného uvnitř křemičité struktury. Přítomnost těchto nehomogenit uvnitř struktury výrazně snižuje chemickou odolnost vzniklých vláken stejně jako jejich čistotu [30].

Pro výrobu čistých vláken je tedy nezbytné stabilizovat jejich chemickou strukturu a odstranit vodu a zbylé organické látky. To se běžně provádí jejich tepelnou stabilizací (kalcinací).

Úroveň stabilizace je při tomto procesu závislá na použité teplotě. Při použití nižších teplot jsou z hmoty vláken nejdříve odpařeny zbytky rozpouštědla (běžně alkoholu) a absorbované

vody. Při zvýšení teploty jsou ze struktury odstraněny i zbývající alkoxidové skupiny a postupně dochází k odstranění hydroxylových skupin za vzniku vazeb Si-O-Si a odpaření

vzniklé vody. Při zvýšení teploty na 900 °C pak dojde k přechodu struktury na chemicky velmi odolný amorfní oxid křemičitý (křemenné sklo). Obecně platí, že vyšší teplota stabilizace vede k chemicky odolnější struktuře, stejně jako k větším hmotnostním ztrátám vláken. Pro vyšší stabilizace dále platí, že může dojít ke zmenšení jejich průměru, avšak beze změny morfologie. Je nutné říci, že vyšší teplota stabilizace není vždy žádoucí, kdy například krystalický oxid křemičitý je natolik chemicky odolný, že byl prokázán jako zdraví nebezpečný [31].

20

2.2. Kinetika skelné koroze ve vodných roztocích

Pro předpověd´ korozního procesu je třeba vytvořit model, který by ideálně v každém okamžiku popisoval proces koroze. Ačkoli do dnešního dne nebyl takovýto ideální model vytvořen, existuje několik modelů umožňujících s jistými zjednodušeními předvídat proces koroze. Nejběžněji používané modely pro předvídání korozního procesu jsou kinetické modely, které jsou na založeny zkoumání procesu z pohledu kinetiky jednotlivých reakcí.

Tyto modely vychází ze zkoumání jednotlivých procesních mechanismů, které jsou poté vyjádřeny matematicky za pomoci různých rychlostních a rovnovážných konstant. Ty je třeba zjistit experimentálně [32]. Obecně lze říci, že různé reakce mají různou reakční rychlost, která je obvykle nultého, prvního či druhého řádu [33]. Rychlost reakce lze poté vyjádřit rovnicí (1) jako úbytek hmotnosti dM za čas dt, který je úměrný rychlostní konstantě a řádu reakce.

(1)

Vedle kinetických modelů jsou používány také termodynamické modely [34]. Ty vychází z bilance Gibbsových energií jednotlivých složek za rovnovážného stavu. Tyto modely dobře popisují konečné fáze korozního procesu, avšak neumožňují kvantitativní popis procesu.

Jsou využívány hlavně pro porovnávání odolnosti skel v různých korozních roztocích, či zkoumání odolnosti skel v dlouhodobém styku s uzavřeným korozním médiem [35]. Mimo to existují ještě empirické modely, které fungují na principu regrese experimentálních dat, a umožňují přesné predikce procesu. Jejich nevýhodou ovšem je, že není možné je použít k předpovědi procesu za jiných podmínek, než za kterých byla naměřena experimentální data.

21

2.2.1. Mechanismy skelné koroze

Průběh skelné koroze je složitý proces složený z řady dílčích dějů, jejichž význam se v časovém průběhu reakce může měnit, přičemž celková povaha korozního procesu je závislá na řadě parametrů (viz kapitola 3.3.). Přesto lze proces koroze popsat pomocí několika základních mechanismů [36]. Mezi nejdůležitější z nich patří:

- rozpouštění matrice SiO2

- srážení rozpuštěných složek

- interdifuze pohyblivých iontů s H3O⁺

Obrázek 4: model korozního povrchu skla [36]

22

Rozpouštění matrice SiO

Prvotní korozní reakcí, která nastane po kontaktu matrice s vodným roztokem, je rozpouštění skelné matrice. Jedná se o povrchovou reakci na rozhraní kapalina – sklo (obrázek 4). Tento děj lze rozdělit do dvou základních kroků:

- reakce povrchové vrstvy

- transport reakčních produktů precipitační vrstvou skla Jako první začne rozhraní křemičitanové sítě reagovat s vodným roztokem. Obecně lze reakci rozdělit na 2 typy podle toho, zda skelný povrch reaguje s molekulou H2O , či iontem OH^- (rovnice 2 a 3) [37]. Klíčová je reakce křemičitanu s hydroxylovým iontem a je tedy významně závislá na pH roztoku, kdy bazické prostředí může měnit mechanismus reakce (viz kapitolu 3.2). Při styku vodného roztoku s povrchem skla začnou pronikat molekuly i ionty pomocí difuze do matrice skla. Jejich působením jsou narušeny vazby křemičitanové sítě za vzniku hydratované gelové vrstvy [38]. Ta se vyznačuje vyšší rozpustností než původní skelná matrice. Tato vrstva obvykle vzniká jen krátce ale bylo zjištěno, že za specifických podmínek (rychlý růst precipitační vrstvy nebo velmi nízká rychlost reakce) se může její tlouštka zvýšit natolik, že se sníží permeabilita skrze ní a tím se sníží rychlost rozpouštění.

≡ Si – O – Si ≡ (sklo) + H2O ↔ 2 ≡ SiOH (2) ≡ Si – O – Si ≡ (sklo) + OH- ↔ ≡ SiOH + ≡ SiO- (3) Zpětné srážení

Jak reakce v čase probíhá, začne se v korozní reakci uplatňovat princip termodynamické rovnováhy, a na povrchu skla se začnou srážet složky dříve rozpuštěné v roztoku. Může se jednat o složky původně obsažené ve skle stejně jako látky původně přítomné v roztoku.

Důležitá je v této reakci poloha rovnovážného stavu mezi rozpuštěnou fází a fází matrice.

Z toho vyplývá vliv možnosti nasycení roztoku. Nejvýznamnější je z tohoto pohledu koncentrace rozpuštěného oxidu křemičitého, který se při vyšších koncentracích začne zpětně srážet na povrchu matrice za vzniku vrstvy SiO2 s nízkými koncentracemi pohyblivých iontů [39]. V té může dojít k chemickým reakcím za vzniku vrstvy hydratovaného amorfního oxidu křemičitého či vrstvy krystalických křemičitanů. Mimo to může docházet k difuzi rozpuštěných iontů k fázovému rozhraní, a jejich vysrážení na povrchu matrice [40].

23

Tyto vrstvy mají obecně nižší rozpustnost než precipitační vrstva a brání další difuzi iontů do roztoku. Tím je vytvořena ochranná vrstva chránící matrici před další degradací. Vlivem jiné struktury vysrážené vrstvy oproti matrici může dojít ke vzniku mechanického pnutí, které může vézt až k popraskání vysrážené vrstvy [41].

Interdifuze pohyblivých iontů

Poslední mechanismus je závislý na přítomnosti pohyblivých iontů v matrici skla. Nejčastěji se jedná o alkalické kovy a kovy alkalických zemin. Po styku s vodným roztokem dochází k jejich difuzi k fázovému rozhraní, na kterém jsou vyměněny za ionty H3O⁺ podle rovnice (4).

≡Si – O – M

(sklo) + H

O

<-> M

(aq) + ≡Si – OH (gel) + H

O (4)

V počátečních stádiích korozního procesu existuje pro množství vylouhovaných iontů časová závislost, a je tedy možné popsat jej rozšířeným 2. Fickovým zákonem doplněným o pohyb rozhraní sklo – roztok [35].

V pozdějších stádiích, kdy je již většina iontů vylouhována, může docházet k polykondenzaci silanolových skupin vzniklých podle rovnice 4. To má za následek změnu povrchové struktury materiálu, zvláště vyhlazení a uzavření pórů, což vede ke snížení měrného povrchu a zpomalení degradace [37].

Interdifuze iontů je také závislá na aniontových vazebných místech dostupných v matrici skla, kdy silanolová vazebná místa výměnu plně podstupují při pH < 8, zatímco jiné skupiny jako AlO4- či BO4- výměně nepodléhají při pH vyšším než 5.

Koroze křemičitých nanovláken

Ačkoli mechanismy popsané pro rozpouštění křemičitých skel jsou obecně platné i pro křemičitá nanovlákna, existují rozdíly vycházející z odlišných chemických i morfologických vlastností nanovláken. Mezi nejdůležitější specifika patří velký měrný povrch nanovláken ve srovnání s běžnými materiály, který může být dále rozšířen porozitou materiálu [42], dále rozdílná chemická struktura nanovláken oproti skelné fázi a jiné složení, kdy nejsou ve vláknech přítomny pohyblivé ionty. Nemůže tedy docházet k jejich difuzi z vláken ven, avšak

24

na významu získává srážení iontů z roztoku na povrchu vláken, které mohou vytvořit ochrannou vrstvu zpomalující proces degradace. Pro zkoumání koroze nanovláken je také třeba brát v potaz podmínky jejich stabilizace [43].

V dříve provedené studii [44] byla zkoumána rychlost rozpouštění křemičitých nanovláken v simulované plicní tekutině ve statickém a dynamickém uspořádání (viz kapitola 3). Z nich byla analyzována koncentrace rozpuštěného oxidu křemičitého v plicní tekutině. Hodnoty rychlosti byly spočítány podle vzorce (5) pro statickou metodu a (6) pro dynamickou metodu.

(5)

(6)

Kde Rc je rychlost rozpouštění křemičitých nanovláken [ng.cm^-2.h^-1], cSi je koncentrace SiO2

v roztoku [ng.cm^-3], xSi je hmotnostní zlomek SiO2 ve vláknech. A je celkový geometrický povrch vláken [cm²], V objem korozního roztoku [cm³] a h doba expozice [t]. Pro dynamický test Ft značí průtok korozního roztoku v čase t [cm³.h^-1], cSi(t) je koncentrace SiO2 v roztoku v čase t a ∆t čas mezi měřeními.

2.2.2. Parametry ovlivňující proces koroze

Proces koroze křemičitých skel je složitý proces, který ovlivňuje řada různých podmínkách od složení samotného materiálu i korozního roztoku, přes morfologii jeho povrchu, po parametry okolního prostředí, například teplota, doba koroze. Mezi nejdůležitější faktory patří:

-vliv pH

-vliv složení skla

- vliv složení korozního roztoku - vliv teploty

- vliv morfologie skla - vliv průtokové rychlosti

25 Vliv pH

Kyselost korozního roztoku má významný vliv na povahu a rychlost koroze. V případě křemičitých skel může hodnota pH dokonce ovlivňovat převažující mechanismus reakce.

V kyselém a neutrálním prostředí nejsou mechanismy výrazně ovlivněny pH [45]. Mezi klíčové mechanismy patří louhování alkalických iontů, iontů alkalických zemin a hydratace povrchové vrstvy skla za vzniku gelu kyseliny polykřemičité, která slouží jako ochranná vrstva zpomalující proces koroze. Při vysoké koncentraci vylouhovaných iontů může dojít ke změně pH dále ovlivňující mechanismus reakce.

Při zásaditém pH se však mechanismy liší. Je-li pH mezi 9 až 10, dochází k rozrušování křemičitanových Si – O – Si vazeb za vzniku SiO4- aniontů. Nevzniká tedy ochranná disociovaná vrstva, která by zpomalovala korozi. Pokud se pH zvýší nad 12, rychlost rozpouštění křemičitanové sítě stoupne natolik, že nedochází k selektivnímu louhování iontů, ale všechny části skelné sítě jsou rozpouštěny stejnou rychlostí [37].

Vliv chemického složení skla

Vzhledem k difuznímu mechanismu extrakce složek skla z matrice do roztoku je třeba zkoumat chemické složení skla a přítomnost iontových příměsí obsažených ve skle. Základní složku skla tvoří SiO2. Ta je tvořena atomy křemíku a kyslíku, které jsou propojeny relativně silnými kovalentními vazbami, přičemž atomy jsou uspořádány do tetraedrické prostorové struktury. Vzhledem k síle této vazby nedochází při korozním procesu k úplnému rozrušení struktury a spíše dojde k uvolnění fragmentů křemičité sítě.

Nejběžnější příměsí v křemičitých sklech jsou alkalické kovy a kovy alkalických zemin.

Ty již při nízké koncentraci výrazně ovlivňují strukturu a odolnost skla. Jejich přítomnost v matrici skla narušuje její strukturu a může vézt k vyšší pohyblivosti křemičitých fragmentů.

Ta na jednu stranu zvyšuje náchylnost skla ke korozi, na druhou stranu ale také zvyšuje možnost prostorového přeskupení a tím i snazší rekrystalizaci [46].

Kovy alkalických zemin sice také narušují strukturu křemičité sítě, pevnost jejich vazby k síti je však dvojnásobná oproti alkalickým kovům, a tak je možné jejich příměsí zvýšit pevnost skelné sítě a naopak snížit výluh iontů v roztoku. Například příměsi oxidu vápenatého jsou využívány ke zvýšení odolnosti skla v alkalickém prostředí.

Obecně přídavek dvojmocných iontů (např. Ca²⁺, Zn²⁺) snižuje pohyblivost H3O⁺ iontů ve skle a tím zvyšují odolnost skla, zatímco přídavek jednomocných iontů (Li⁺, Na⁺, K⁺) zvyšuje

26

pohyblivost H3O⁺ a tím odolnost skla snižuje. Ačkoli je možné stejný efekt předpokládat i pro trojmocné ionty, bylo zjištěno, že pokud je přídavek hliníku či boru příliš vysoký, zvyšuje rozpustnost skelné matrice [47]. Různé ionty se po vylouhování do roztoku také mohou srážet na povrchu skla a tím se podílet na vzniku ochranné vrstvy. Přítomnost příměsí má také vliv na pórovitost materiálu, kdy více rozpustné příměsi přispívají k reorganizaci vrstvy na povrchu materiálu a tím k vyhlazení a zmenšení pórů zatímco málo rozpustné ionty tomuto procesu brání [48].

Vliv složení korozního roztoku

Mimo pH roztoku může mít složení korozního roztoku vliv na proces koroze také přítomností dalších iontů nebo organických látek. Ty mohou měnit reakční rychlost záměnou iontů nebo vysrážením na povrchu skla za vzniku ochranné vrstvy [48].

V průběhu korozní reakce také dochází ke změně složení korozního roztoku výměnou iontů se sklem, kdy se složky skla (alkalické ionty i oxid křemičitý) rozpouštějí v roztoku, zatímco složky roztoku (nejčastěji H3O⁺) přecházejí do matrice skla. Nejvýznamnější pro rychlost reakce je koncentrace rozpuštěného oxidu křemičitého. S jeho zvyšující se koncentrací dochází ke snižování reakční rychlosti. Při příliš vysoké koncentraci SiO2 může docházet k jeho zpětnému srážení na povrchu skla. Ačkoliv k rozpouštění skelné sítě bude nadále docházet i po dosažení rovnovážné koncentrace s korozním roztokem, ta bude oproti původním hodnotám podstatně nižší [37].

Bylo zjištěno, že přítomnost pouze jednoho typu alkalických iontů (lithných či sodných) výrazně zvyšuje rozpustnost skelné matrice, avšak jejich kombinace podporuje vznik povrchové vrstvy snižující korozi [49].

Důležitý vliv mohou mít také organické látky. Podle dřívější studie organické látky mohou komplexovat s ionty v roztoku a zamezit jejich srážení na povrchu skla za vzniku ochranné vrstvy [50].

27 Vliv reakční teploty

Bylo prokázáno, že teplota má výrazný vliv na rychlost korozní reakce. Se zvyšující se teplotou dochází ke zrychlenému nástupu korozních reakcí i jejich rychlejšímu průběhu.

Obecně lze tuto změnu popsat Arrheniovou rovnicí (7). Obecně platí, že difuzní reakce mají podstatně nižší aktivační energii oproti jiným povrchovým reakcím a na teplotě závisí podobně nehledě na typ reakce [38].

(7)

Kde A je frekvenční faktor, Ea je aktivační energie, R univerzální plynová konstanta a T termodynamická teplota.

Vliv morfologie skla

Vzhledem k tomu, že korozní reakce může probíhat jen na rozhraní mezi sklem a roztokem, je pro predikci procesu koroze třeba znát velikost povrchu skla. Ta se běžně vyjadřuje poměrem povrchu vůči objemu S/V. Bylo dokázáno, že rychlost rozpouštění je závislá na povrchu dostupném pro styk s kapalinou. Při velkém mechanickém napětí uvnitř skla může docházet ke vzniku prasklin, které mohou zvýšit velikost dostupného povrchu. V případě křemičitých nanovláken je třeba zkoumat jejich porozitu, která může výrazně měnit hodnotu měrného povrchu, kdy otevřené póry přispívají k měrnému povrchu na začátku procesu, zatímco uzavřené póry se mohou stát dostupnými během procesu koroze [37].

Pro zkoumání degradace křemičitých nanovláken je třeba zahrnout také často používanou povrchovou funkcionalizaci materiálu. V předchozí studii bylo dokázáno, že kovalentní navázání různých látek, například APTES na povrch křemičitých nanovláken, vede jak k výrazné změně morfologie vláken, tak i ke změně celkové rychlosti rozpouštění materiálu [51], [52].

28

2.3. Metody testování koroze

Pro analýzu procesu koroze v tělních tekutinách je potřeba zavést laboratorní metodologii, pomocí níž by bylo možné jej zkoumat. Nejčastěji je k tomu využíváno in vitro testů rozpustnosti, při nichž je vzorek skla ponořen do korozního roztoku, a následně je v čase sledována změna jeho hmotnosti nebo koncentrace složek skla rozpuštěných do roztoku.

Testy rozpustnosti lze v základu rozdělit na: - statické testy - dynamické testy

2.3.1. Statické testy

Jedná se o metodu, při které je vzorek materiálu o definované hmotnosti ponořen do daného objemu korozního roztoku (obrázek 5). V čase je poté sledováno množství složek skla, které se rozpustí v roztoku. Pokud není třeba provádět testování za definovaných podmínek, jsou testy uskutečňovány za zvýšené teploty pro zrychlení reakční rychlosti. Na rozdíl od testů dynamických nedochází v těchto testech k obměně korozního média. [53]

Výhodou statických testů je jejich jednoduchost, kdy je zapotřebí jen vzorku a nádoby s korozním roztokem, případně třepací lázně. Nevýhodou je, že jelikož není roztok obměňován, dochází v čase ke změnám jeho složení o složky rozpuštěné z testovaného vzorku. Díky statičnosti roztoku může také dojít v okolí vzorku k vytvoření vrstvy korozního roztoku s vysokou koncentrací rozpuštěných složek vzorku, která povede k nižší rychlosti rozpouštění. Vznik takové vrstvy také povede k rychlejšímu zpětnému srážení, což například v případě křemičitých materiálů znamená, že v roztoku rozpuštěný oxid křemičitý se začne opětovně srážet na povrchu skla, za vzniku ochranné vrstvy, čímž dále zpomalí rychlost rozpouštění skla. Takový sled dějů může výrazně ovlivnit celkovou rychlost rozpouštění a vnést do měření značnou odchylku. Vliv těchto lokálních rozdílů ve složení korozního roztoku lze sice snížit mícháním nádoby s roztokem, nicméně nelze zabránit celkovému nasycení roztoku. Z těchto důvodů jsou statické testy vhodné spíše k testování počátečních fází korozního procesu, kdy lze koncentrace složek skla v roztoku zanedbat.

29

Obrázek 5: schéma statického testu [44]

2.3.2. Dynamické testy

Na rozdíl od statických testů, při testech dynamických dochází k průtoku korozního média testovací aparaturou (obrázek 6). Hodnota a kontinuálnost průtoku se v různých uspořádáních testu mohou lišit a tím pádem tato metoda umožňuje přesnější napodobení řady reálných procesů. Na rozdíl od testů statických je v tomto uspořádání možné pomocí nastavení průtoku zachovat složení korozního média stejné během celého procesu, díky čemuž jsou tyto testy vhodnější pro sledování korozní kinetiky, zvláště pak v pozdějších fázích procesu.

Nevýhodou dynamických testů je však potřeba složitější instrumentace zahrnující například peristaltickou pumpu, zajištující průtok aparaturou. [53]

Obrázek 6: schéma dynamického testu [44]

30

3. Experimentální část

3.1. použité materiály

3.1.1. Křemičitá nanovlákna

Pro testování byla použita křemičitá nanovlákna série S01/6-1 poloprovozně vyrobená na Technické univerzitě v Liberci. Nanovlákna byla připravena metodou elektrostatického zvlákňování na zařízení Nanospider, kde jako výchozí roztok byl použit sol připravený metodou sol-gel z tetraethoxysilanu. Takto vyrobená nanovlákna byla poté tepelně stabilizována za teploty 180 °C v elektrické sušárně nebo 550 °C v muflové peci, obojí po dobu 2 hodin. Stabilizovaná nanovlákna byla poté uschována v pouzdře z alobalu, aby bylo zamezeno absorbci vlhkosti z okolí či jejich kontaminaci. Postup přípravy odpovídá postupu popsanému v patentu [54]

Pro srovnávací testy byla také použita křemičitá nanovlákna vyrobená ve společnosti Nanovia a.s. podle stejné metodologie upravené pro průmyslové využití. Tepelná stabilizace i následné uschování byly stejné jako v případě laboratorně vyrobených nanovláken.

3.1.2. Simulované tělní tekutiny

Pro predikci chování křemičitých nanovláken v lidském organismu je třeba zkoumat jejich vlastnosti v prostředí lidského těla. Jelikož pro in vitro testy je nepraktické používat skutečné tělní tekutiny, byly v této práci nahrazeny simulovanými tělními tekutinami připravenými podle studie obsahující návody na přípravu [55].

Pro testování byly použity simulované tělní tekutiny krevní plazma, Gambleho roztok (pH =7,4) a lysozomální tekutina (pH = 4,5). Všechny použité chemikálie jsou uvedeny v tabukách 1 až 3 a reálné navážky jsou uvedeny v přílohách 1 až 3.

Simulované tělní tekutiny měly omezenou životnost a při pokojové teplotě vydržely nejvýše 2 dny, kdy poté docházelo k jejich postupné degradaci a tvorbě sraženin v roztoku. Pro déle probíhající dynamické testy bylo tedy třeba tekutinu pravidelně obměňovat.

31

Tabulka 1: složení simulované krevní plazmy 1 litr

Název Vzorec Navážka (g) Dodavatel

Chlorid sodný NaCl 8,0350 Roth

Hydrogenuhličitan sodný NaHCO3 0,3550 Penta

Chlorid draselný KCl 0,2250 Penta

Dihydrát hydrogenfosforečnanu

disodného Na2HPO4.2H2O 0,2197 Penta

Hexahydrát chloridu

hořečnatého MgCl2.6H2O 0,3110 Penta

Dihydrát chloridu vápenatého CaCl2.2H2O 0,3868 Penta

Síran sodný Na2SO4 0,0720 Penta

Tris(hydroxymethyl)aminometan

99,8% (HOCH2)3CNH2 6,1180 Sigma-Aldrich

Kyselina chlorovodíková 1M HCl (ml) 39,0 Lachema

Tabulka 2: složení simulovaného Gambleho roztoku 1 litr

název Vzorec Navážka (g) Dodavatel

Hexahydrát chloridu hořečnatého MgCl2.6H2O 0,2029 Penta

Chlorid sodný NaCl 6,0190 Roth

Chlorid draselný KCl 0,2980 Penta

Dihydrát hydrogenfosforečnanu disodného

Na2HPO4.2H2

O

0,1580 Penta

Síran sodný Na2SO4 0,0630 Penta

Dihydrát chloridu vápenatého CaCl2.2H2O 0,3680 Penta

Hydrogenuhličitan sodný NaHCO3 2,6040 Penta

Dihydrát citronanu sodného C6H5Na3O7.2H

2O

0,0970 Chemapol

Octan sodný CH3COONa 0,5740 Lachema

32

Tabulka 3: složení simulované lysozomální tekutiny 1 litr

Název Vzorec Navážka (g) Dodavatel

Hexahydrát chloridu hořečnatého MgCl2.6H2O 0,1068 Penta

Chlorid sodný NaCl 3,2100 Roth

Dihydrát hydrogenfosforečnanu

disodného Na2HPO4.2H2O 0,0890 Penta

Síran sodný Na2SO4 0,0390 Penta

Dihydrát chloridu vápenatého CaCl2.2H2O 0,1280 Penta

Hydroxid sodný NaOH 6,0300 Penta

Kyselina citronová C6H8O7 20,8500 Lachner

Glycin C2H5NO2 0,0590 Sigma-Aldrich

Dihydrát vinanu sodného C4H4Na2O6 ∙ 2H2O 0,0900 Sigma-Aldrich

Laktát sodný C3H5NaO3 0,0850 Sigma-Aldrich

Pyruvát sodný C3H3NaO3 0,0860 Sigma-Aldrich

3.2. Popis experimentů

3.2.1. Statické testy rozpustnosti

Statické testy byly provedeny s křemičitými nanovlákny stabilizovanými na 180 °C i 550 °C v simulovaných tělních tekutinách. Z každého materiálu byly připraveny navážky o hmotnostech 5 až 20 mg. Vzorky byly umistěny do plastových PET lahviček o objemu 250 ml spolu s 200 ml vybrané tělní tekutiny, která byla předehřáta na 37 °C. Takto připravené lahvičky byly umístěny do vodní lázně s třepačkou, která byla také vytemperována na 37 °C.

Podle připraveného časového plánu byly odebírány vzorky. K tomu bylo použito injekční stříkačky, pomocí které bylo odebráno 10 ml simulované tělní tekutiny s rozpuštěným oxidem křemičitým. Následně byl na injekční stříkačku připevněn nylonový filtr s póry o velikosti 0,45 um. Přes něj bylo médium přefiltrováno aby došlo k odstranění uvolněných avšak nerozpuštěných fragmentů nanovláken. Přefiltrované médium bylo uschováno v plastovém mikrokontejneru o objemu 15 ml a ten byl uschován v lednici. Po skončení pokusu byly mikrokontejnery poslány na ICP/OES analýzu pro zjištění množství rozpuštěného oxidu křemičitého.

33

Pokud byl po skončení experimentu v lahvičce celistvý kousek nerozpuštěných nanovláken, byl pinzetou opatrně vyjmut, jednou opláchnut v destilované vodě a dvakrát v izopropylalkoholu.

3.2.2. Dynamické testy rozpustnosti

Dynamické testy byly provedeny se stejnými nanovlákny série S01/6-1 po teplotní stabilizaci 180 °C nebo 550 °C po dobu 2 hodin. Navážky byly standardizovány na 5 mg. Navážená nanovlákna byla umístěna do průtokové cely vytvořené z injekční stříkačky, na kterou byl připevněn nylonový filtr s póry o velikosti 450 nm. Části cely pak byly zalepeny tavným lepidlem a obmotány samovulkanizující kaučukovou páskou, aby došlo k co nejlepšímu utěsnění.

Připravená cela byla poté zapojena do aparatury sestávající z nádoby se zásobním roztokem tělní tekutiny, peristaltické pumpy zajištující konstantní průtok tekutiny aparaturou, vodní lázně do které byla umístěna průtoková cela i s částí hadičky z peristaltické pumpy pro předehřátí vzorku i tekutiny na 37 °C a nádoby na jímání tekutiny prošlé aparaturou obsahující rozpuštěný oxid křemičitý.

3.3. Metody charakterizace nanovláken

Skenovací elektronová mikroskopie

Snímky křemičitých nanovláken byly pořízeny pomocí skenovacího elektronového míkroskopu Zeiss ultra plus (operátor Ing. P. Kejzlar, PhD.). Z důvodu nízké vodivosti nanovláken na ně byla naprášena vrstva zlata o tlouštce 8 nm.

Měření měrného povrchu adsorpcí kryptonu

Měrný povrch byl měřen na zařízení Autosorb iQ-KR/MP (operátor doc. Ing. Petr Exnar, CSc.), schopném používat k měření krypton a dusík. Pro křemičitá nanovlákna bylo využito kryptonu. Měřena byla vlákna bez stabilizace a stabilizovaná na 180 °C a 550 °C.

34 Termogravimetrická analýza

Termogravimetrická analýza byla provedena na přístroji Netzsch 449F1 na Trenčianskej univerzitě Alexandra Dubčeka v Trenčíně (operátor doc. Ing. Alfonz Plško, CSc.). K testování byla použita tepelně nestabilizovaná nanovlákna. Měření bylo prováděno v rozsahu 20 až 800 °C při rychlosti 1 °C/min.

Optická emisní spektroskopie s indukčně vázanou plazmou

Ke stanovení obsahu oxidu křemičitého v odebíraných vzorcích byla použita metoda ICP/OES na přístroji Optima 2100DV Perkin Elmer na pracovišti sanačních procesů na CXI TUL (operátor Ing. Petr Parma, Ph.D). Měření bylo provedeno v axiálním uspořádání s výkonem generátoru 1500 W. Pro ředění byla použita ultračistá voda o rezistivitě 18,2 MΩ.cm^-1.

Statistické zpracování dat

Získaná data o průměru nanovláken ze snímků SEM byla statisticky zpracována v programu QC-expert, verze 3,3, firmy Trilobyte statistical software. Pro primární zhodnocení dat byl použit modul Základní statistika. Pro další zpracování dat byl použit modul Pravděpodobnostní modely.

3.4. Výsledky a diskuze

3.4.1. Fyzikální vlastnosti použitých nanovláken

Tepelné vlastnosti nanovláken

Prvně byla nestabilizovaná nanovlákna podrobena termogravimetrické analýze, během níž byla postupně zahřívána na teplotu 800 °C, při které se vlákna skládají pouze z oxidu křemičitého (viz graf 1). To bylo využito k vypočítání obsahu oxidu křemičitého v použitých vláknech. Pro tepelnou stabilizaci 180 ^oC byl hmotnostní podíl SiO2 stanoven na 89,95 hm.%, a pro tepelnou stabilizaci 550 ^oC byl podíl stanoven na 98,47 hm. %

35

Graf 1: úbytek hmotnosti nanovláken v závislosti na teplotě

Morfologie nanovláken

Pro potvrzení vzniku nanovláken byly pořízeny snímky na SEM. Jak je vidět na obrázkách 7 a 8, skutečně došlo ke vzniku nanovláken. Jak je patrné, vlákna jsou náhodně orientována a obsahují malé množství korálků a dalších morfologických nehomogenit. Stejně tak se v materiálu vyskytuje malé množství mikronových vláken. Jejich příměs má však pozitivní vliv na celkové mechanické vlastnosti materiálu.

Obrázek 7: snímek nanovláken stabilizovaných na 180 °C, zvětšení 10 000x

36

Obrázek 8: snímek nanovláken stabilizovaných na 180 °C, nahoře zvětšení 2 500x

Z důvodu kvantifikace průměrů vláken v nanovlákenné vrstvě byly snímky ze SEM použity ke změření jejich průměrů. Z různých snímků byl v programu Imagej změřen průměr celkem 793 vláken stabilizovaných na 180 °C. Z těchto průměrů bylo zjištěno základní statistické hodnocení, keré je uvedeno v tabulce 4.

Tabulka 4: základní statistické zpracování průměrů nanovláken

Průměr (nm) Rozptyl (nm) Šikmost Špičatost Medián (nm)

224 43419 3 14 160

Získané průměry byly následně analyzovány pomocí statistického softwaru QC-expert, modul Pravděpodobnostní modely. Cílem bylo srovnat naměřenou distribuci průměrů vláken s běžně používanými statistickými rozděleními a z toho najít vhodnou matematickou aproximaci. Již z distribuce vláken je patrné, že vhodný model nemůže být symetrický a tedy byly pro srovnání použité asymetrické modely. Výsledky jsou shrnuty v tabulce 5.

37

Tabulka 5: porovnání statistických rozdělení

Asymetrické

modely Parametry

Rozdělení Věrohodnost P-P korelace A B C

Gamma -5302 0,7978 -103,1090 298,9101 1,4318

Gumbel -4998 0,9477 154,0480 97,6086

Trojúhelníkové -5406 0,6502 17,8015 1586,4983 61,0000 Exponenciální -5004 0,9389 21,9998 202,4416

Weibullovo -4977 0,9384 21,8833 214,7675 1,2081

Lognormální -4861 0,9805 15,2930 5,0559 0,7080

Jak je patrné z tabulky 5, nejlepší shoda byla zjištěna pro logaritmicko-normální rozdělení.

To vykazuje nejvyšší (resp. nejnižší zápornou) věrohodnost a nejvyšší hodnotu p-p korelace.

Parametry A, B a C jsou konstanty odpovídající předpokládané hustotě pravděpodobnosti rozdělení (8). Vizuální srovnání naměřených průměrů s teoretickým rozdělením je vidět na grafu 2.

(8)

Graf 2: srovnání naměřených průměrů vláken s navrženým modelem

38 Měrný povrch

Pomocí adsorbce kryptonu byl stanoven měrný povrch křemičitých nanovláken S01/1-6 tepelně stabilizovaných na 550 ^oC na 13,4 m².g^-1. Hodnota pro stejná nanovlákna tepelně stabilizovaná na 180 ^oC byla určena pouze na 8,8 m².g^-1. Při opakovaných měřeních se však postupně zvyšovala. To naznačuje, že ani 20 hodin ve vakuu nestačilo k úplnému odplynění vzorku. Pro další výpočty tedy byla použita hodnota 13,4 m².g^-1 i pro nanovlákna tepelně zpracovaná na 180 ^oC.

Podobná situace nastala i pro průmyslově vyrobená nanovlákna J32S4. V jejich případě byla po 20 hodinách odplynění při 180 ^oC naměřena hodnota měrného povrchu 2,2 m².g^-1, a při opakovaném odplynění 3,7 m².g^-1. Po následném 20 hodinovém odplynění při 350 ^oC byla již naměřena hodnota 18,7 m².g^-1, která je vzhledem k velikosti nanovláken zjištěných na SEM reálná.

3.4.1. Statické testy rozpustnosti

Jako první byly provedeny pro vybrané tělní tekutiny statické testy rozpustnosti, Množství rozpuštěného oxidu křemičitého bylo zjištěno z odběrů podle kap. 4.2, které byly analyzovány na ICP/OES. Rychlost rozpouštění byla poté vypočítána ze směrnice lineární části grafu.

Krevní plazma

První testovanou tělní tekutinou byla simulovaná krevní plazma. Testy byly provedeny pro nanovlákna stabilizovaná na 180 °C i 550 °C. Pro teplotní stabilizaci 180 °C byl stanoven poločas rozpouštění nanovláken na t1/2=0,74 dne bez měřitelného zpoždění. Pro nanovlákna stabilizovaná na 550 °C byl poločas rozpuštění určen na t1/2=2,14 dne, také bez měřitelného zpoždění. Jak je vidět z grafu 3, pro obě teplotní stabilizace nejdříve došlo k rychlému počátečnímu rozpouštění s následným výrazným poklesem. Pokles je zřejmě způsoben vysokou koncentrací SiO2, která spolu se snižujícím se objemem roztoku zřejmě vedla k jeho nasycení produkty rozpouštění a reakce se složkami roztoku.

39

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 2 4 6 8 10 12 14

rozpuštěný podíl SiO2 (%)

čas (hod)

180 °C 550 °C 180 °C sm.

550 °C sm.

Graf 3: rozpuštěný podíl SiO2 v závislosti na čase v krevní plazmě

Gambleho roztok

Další testovanou tělní tekutinou byl Gambleho roztok. Zde pro tepelnou stabilizaci 180 °C byl poločas rozpouštění vypočten na t1/2 = 0,4 dne, a pro nanovlákna stabilizovaná na 550 ^oC na 1 den. Pro obě tepelné stabilizace nebylo určeno žádné zpoždění rozpouštění. Jak je vidět z grafu 4, stejně jako v případě krevní plazmy dochází pro statickou metodu s rostoucím časem ke zpomalování rychlosti rozpouštění vlivem zvyšující se koncentrace oxidu křemičitého v roztoku v důsledku nasycení produkty rozpouštění a reakce se složkami roztoku.

40

0 10 20 30 40 50 60 70

0 2 4 6 8 10 12 14

rozpuštěný podíl SiO2 (%)

čas (hod)

180 °C 550 °C 550 °C sm.

180 °C sm.

Graf 4: rozpuštěný podíl SiO2 v závislosti na čase v Gambleho roztoku

Lysozomální tekutina

Jako poslední byla k testování použita lysozomální tekutina. Ta má oproti předchozím dvěma výrazně nižší pH, z čehož lze usuzovat podstatně pomalejší rychlost rozpouštění. K testování byla nanovlákna stabilizovaná na 180 ^oC i 550 ^oC. Vyhodnocena byla ale pouze nanovlákna stabilizace 180 ^oC, pro která byl poločas rozpoustění určen na t1/2 = 79,2 dne (viz graf 5). To je v souladu s předpokladem výrazně více než v případě předchozích tělních tekutin. Pro nanovlákna tepelně stabilizovaná na 550 ^oC se vlivem velmi pomalého rozpouštění v kombinaci s interferencemi s metodou měření ICP/OES nepodařilo naměřit smysluplná data a tedy nebyla dále zpracovávána.

41

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0 5 10 15 20 25 30 35 40

rozpuštěný podíl SiO2 (%)

čas (hod)

180 °C

180 °C sm.

Graf 5: rozpuštěný podíl SiO2 v čase pro Lysozomální tekutinu, teplotní stabilizace 180 ^oC

3.4.2. Dynamické testy rozpustnosti

Mezi klíčové části této práce v rámci rozšíření již zavedené metodologie [57] patří studium rozpustnosti dynamickými testy, které na rozdíl od statických poskytují lepší představu o degradačním procesu zvláště v jeho pozdějších fázích.

Krevní plazma

Základní tekutinou byla simulovaná krevní plazma. K dynamickým testům rozpustnosti byla využita vlákna stabilizovaná na 180 °C i 550 °C. Jak je vidět z grafu 5, poločas rozpouštění nanovláken je výrazně závislý na teplotě stabilizace, kdy poločas rozpouštění nanovláken stabilizovaných na 180 °C byl stanoven na t1/2 = 0,46 dne, zatímco pro nanovlákna stabilizovaná na 550 °C na t1/2= 0,7 dne. Jak je také patrné z grafu 6, pro obě stabilizace došlo ke zpoždení v začátku rozpouštění, které bylo pro tepelnou stabilizaci 180 °C vypočteno na 2,24 hodin a pro stabilizaci 550 °C na 1,18 hodiny. Zpoždění lze pravděpodobně přičíst času potřebnému k narušení povrchu nanovláken. Pro nanovlákna stabilizovaná na 550 °C došlo

42

k ucpání filtru v průtokové cele, zřejmě vlivem vysrážení průtokového média (viz materiály) a tím k předčasnému přerušení experimentu, avšak trend rozpouštění je i přesto zřejmý.

0 10 20 30 40 50 60

0 2 4 6 8 10 12 14

rozpuštěný podíl SiO2 (%)

čas (hod)

180 °C 550 °C 180 °C sm.

550 °C sm.

Graf 6: závislost rozpuštěného podílu SiO2 na čase v tekutině krevní plazmy pro stabilizaci 180^o a 550^oC

Gambleho roztok (extracelulární plicní tekutina)

Jako další tekutina byl využit Gambleho roztok, přičemž jako v předchozím případě byla měřena vlákna stabilizovaná na 180 °C i 550 °C. Pro vlákna stabilizovaná na 180 °C byl určen poločas rozpouštění určen na t1/2 = 0,43 dne se zpožděním rozpouštění vypočítaném na 0,1 hodiny. Pro tepelnou stabilizaci 550 °C byla hodnota poločasu rozpouštění určena na t1/2 = 0,69 dne, avšak s podstatným zpožděním určeným na 1,18 hodiny (viz graf 7). Zvláště v případě vláken se stabilizací na 180 °C však došlo k rychlému ucpání filtru. To lze vysvětlit rychlým nárůstem koncentrace rozpuštěného oxidu křemičitého, který se následně začal zpětně srážet a tím ucpal póry. Obecně lze rychlé rozpouštění nanovláken přičíst lehce zásaditému pH Gambleho roztoku (pH = 7,4), které podporuje rychlejší degradaci materiálu.