ФОРМИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СТРУКТУР МЕТОДОМ КОАКСИАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСПЫЛЕНИЯ
1, 1, 1, 2
1Саратовский государственный университет им.
2Университет Королевы Марии, Лондон, Великобритания
E-mail: ssu. *****@***com
Проблематика формирования многофункциональных полимерных структур для биомедицинских и промышленных применений связана прежде всего с возможностью формирования систем «ядро-оболочка». Существует несколько способов решения данной проблемы, среди которых наиболее перспективным является метод коаксиального электрогидродинамического распыления (КЭГДР) (Рис. 1 А), где, за счет коаксиального наэлектризованного потока (Рис. 1 Б) имеется возможность создания двухфазных систем. Рост публикаций и исследований, связанных с данной технологией, свидетельствует об актуальности исследования в данной области.
А) Б)
Рис. 1. А) Графическое представление коаксиального наэлектризованного потока. 1 – внутренний поток; 2 – внешний поток; 3 – окружающая среда; U1 – Скорость внутреннего потока; U2 – Скорость внешнего потока; E0 – напряженность электрического поля; Б) Графическое представление лабораторного устройства для КЭГДР
Для демонстрации возможности формирования многофункциональных полимерных структур «ядро-оболочка» методом КЭГДР использовались следующие материалы:
1) Поликапролактон (Mw – 14,000 кДа) – полимер е-капролактона, не токсичен, используется для биомедицинских применений. Для приготовления полимерного раствора на основе поликапролактона использовался хлороформ и дихлорэтан в объемном соотношении – 70:30, соответственно. Концентрация полимера варьировалась в зависимости от получаемого продукта: частицы – 0.05 г/мл; волокна – 0.12 г/мл.
2) Водный раствор флуоресцеина (органическое соединение, флуороновый краситель) концентрации – 0.2 мг/мл.
Условия для формирование полимерных частиц: объемный расход полимерного раствора – 2.5 мл/час; объемный расход водного раствора флуоресцеина – 0.8 мл/час; напряжение – 8 кВ; расстояние от форсунки до коллектора – 20 см; время эксперимента – 1 час.
Условия формирования полимерных волокнистых структур: объемный расход полимерного раствора – 8 мл/час; объемный расход водного раствора флуоресцеина – 1 мл/час; напряжение – 12 кВ; расстояние от форсунки до коллектора – 20 см; время эксперимента – 1 час.
В настоящем эксперименте были определены морфологические признаки формируемых полимерных структур, а именно, продемонстрированно с помощью оптического и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), что полученные в результате эксперимента продукты, имеют четкую границу между двумя компонентами и подтверждают теорию о создании систем «ядро-оболочка» методом коаксиального электрогидродинамического распыления (КЭГДР). Размер частиц и волокон варьируется от 1 – 20 мкм и от 1 – 10 мкм, соответственно, оболочка которых имеет пористую структуру, диаметр пор составляет ≈ 100 – 200 нм (Рис. 2).
Рис. 2. Результаты формирования полимерных структур «ядро-оболочка» методом коаксиального ЭГДР. А) Частицы; Б) Волокна. Данные получены с помощью оптического инвертированного микроскопа «Olympus IX73» и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) «MIRA II TESCAN»
Производительность метода коаксиального ЭГДР при использовании одной коаксиальной форсунки составляет от 0.4 до 1.5 грамм/час, данные результаты свидельтвуют о том, что использование данного метода актуальным за счет своей производительности. Таким образом, данный метод можно использовать не только в научных, но и в биомедицинских и промышленных целях, а именно инкапсуляция терапевтических препаратов и для адресной доставки к очагу заболевания, а также формирование материалов для имплантатов и тканевой инженерии. Также за счет внутреннего капилляра коаксиальной форсунки, можно упорядочить и разместить частицы сорбирующего материала внутри полимерной матрицы, что позволит усовершенствовать фильтрационные материалы и оборудование для очистки газов, жидкостей и т. д.
Результаты данного исследования согласуются с теорией электрогидродинамического распыления веществ, находящихся в жидком агрегатном состоянии, в частности, с формированием полимерных микроструктур (частиц и волокон), а также демонстрируют возможность инкапсуляции активных веществ в данные структуры и возможность создания многофункциональных материалов методом КЭГДР для промышленных и биомедицинских применений.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (мегагрант 14.Z50.31.004 от 01.01.2001 г. Шифр: «Рекорд»).
Библиографический список
и др. Электроформование функциональных материалов для биомедицины и тканевой инженерии // Успехи химии. 2015. №84(3). С. 251 – 274. Zhang L., Huang J., Si T., Xu R. Coaxial electrospray of microparticles and nanoparticles for biomedical application // Expert Rev Med Devices. 2012. V. 9. №6. P. 595 – 612.