Polymer-Nanofasern: Kleinste Strukturen, viele Funktionen

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1 Polymer-Nanofasern: Kleinste Strukturen, viele Funktionen Dr. Roland Dersch, Philipps-Universität Marburg, TransMIT-Zentrum für Kunststoff-Forschung und Nanotechnologie 1

2 Komplexe Nanofasern durch Elektrospinnen - Einführung -Strukturen - Produktion - Anwendung Review: A. Greiner, J. H. Wendorff, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46,

3 Größenordnung 3 3

4 Elektrogesponnene Polymerfasern Anwendungen: Filter Schutzausrüstung Textilien Wundverbände Pflanzenschutz Drug release Tissue Engineering u.v.a 4 4

5 Nanofasern durch Elektrospinnen 5 5

6 Spinnprozess 5000 Bilder/s Reneker et al. 6 6

7 Dimensionen elektrogesponnener Fasern 30 µm Aus Lösung Aus der Schmelze 7 7

8 Materialien Polyamide, PET, PAN, PLA, PVDF, PEO, PVA, PVP, Cellulose, Kollagen, Chitosan,... Polymer blends Blockcopolymere Additive: Carbon black, Pigmente, Farbstoffe, Wirkstoffe, Nanopartikel,

9 Vom Labormasstab zur Produktion 9 9

10 Grössere Menge bedeutet: Flächige Membranen (bis 240 g / m 2 ) können hergestellt werden 10 10

11 Spinnprozess 11 11

12 Strukturen PEO PC 2.5% polyethylenoxide in water, Kapillare 0.3 mm, Elektrodenabstand: 8cm, E: 35.4kV PS 12% polycarbonate in dichlormethane, Kapillare 0.3 mm, Elektrodenabstand: 10cm, E: 35.4kV PCL 14% polystyrene in dichlormethane, Kapillare 0.3 mm, Elektrodenabstand: 8cm, E: 35.4kV 5% polycaprolactone (M=80000) in dichlormethane, Kapillare 0.3 mm, Elektrodenabstand: 16cm, E: 35.4kV 12 12

13 Vom Elektrospinnen zum koaxialen Elektrospinnen Elektrospinnen Koaxiales Elektrospinnen Nanofaser Sun et al. Adv.Mater Kompositfaser 13 13

14 Co-electrospun polyethyleneoxide (PEO) and poly(dodecylthiopene) (PDT) Kompositfasern durch Co-Elektrospinnen PDT Co-electrospun poly-l-lactide (PLA) and Pd(OAc) 2, anneal 4h / 170 C PLA PEO Pd Z. Sun et al, Adv. Mater. (2003) 15,

15 Präzisions (HDPE)-Elektrospinnen Geringe Distanz Tisch mit xyz-steuerung Jetsteuerung Eigenschaften: - Elektrodenabstand im 500 µm-bereich - Kanülendurchmesser Von μm - bewegliche Gegenelektrode - direkte Jetbeobachtung 15 15

16 Ablage von Einzelfasern Parallele oder gekreuzte Anordnung von Nanofasern PVA aus Wasser / C. Hellmann 16 16

17 Kontrollierte Ablage gewellter Einzelfasern Hellmann et al., Polymer 2009, 50, 1197 Buckling phenomenon: Han T, Reneker DH, Yarin AL. Polymer 2007, 48,

18 Probleme bei der Herstellung - brennbare oder giftige Lösungsmittel - Produktivität - Gleichmässigkeit 18 18

19 Lösungsansatz Verwendung von Wasser als Lösungsmittel: Nicht brennbar, unbedenklich Aber: Die Fasern wasserlöslicher Polymere lösen sich in Wasser wieder auf

20 Thermische Vernetzung wasserlöslicher Polymere OH PVA n + n O OH PAA 100 C 30 min O n O n Partially crosslinked PVA / PAA (75 : 25 aus Wasser) a) Nach Herstellung, b) nach 1 Tag 20 C in Wasser, c) in Wasserdampf (95 C, 1 h) Jun et al., e-polymers

21 Fasern wasserunlöslicher Polymere aus wässriger Phase durch Elektrospinnen von Dispersionen Elektrospinnen Entfernung des Templates Wässrige Dispersion mit Templatpolymer Stoiljkovic et al., Polymer, 2007, 48,

22 Faserstrukturen aus Dispersionen Stoiljkovic et al., Polymer, 2007, 48,

23 Anwendungen Beispiele: - Filtration - Membranen - Tissue Engineering 23 23

24 Nanoweb auf Papier Deutliche Verbesserung der Filtereigenschaften Fa. Hollingsworth & Vose, Hatzfeld 24 24

25 Motivation: Brennstoffzellen e - Mikrobielle Brennstoffzelle Aus: Logan et al, Env. Sci.Tech., 2006, 40,

26 Motivation: Brennstoffzellen Fasermembranen mit lebenden Bakterien Trockener Zustand Inaktive Bakterien Wässrige Umgebung Kooperation: Prof. Thauer / Dr. Brandis-Heep MPI für Terristrische Mikrobiologie Aktive Bakterien Aktiver Zustand 26 26

27 Polymerfasern mit verkapselten Bakterien M. luteus PEO H 2 O Electrospinning PEO M. luteus fibers Gensheimer et al., Adv. Mater. 2007, 19,

28 Polymerfasern mit verkapselten Bakterien Fluoreszenzmarkierte Bakterien M.Gensheimer 28 28

29 Problem: Überlebensdauer in Fasermatten M. luteus E. coli Lebendzellzahl Gesamtbakterienzahl Problem Bacterial lifetime C Zeit / h Zeit / h 29 29

30 Ansatz: Verkapselung in Hydrogel Ultra Turrax H 2 O silicone oil Bakterien and PVA Bakterien in Mikropartikel eingeschlossen freezing / thawing direct precipitation possible 30 30

31 Verlängerung der Lebensdauer im trockenen Zustand Lagerung bei 4 C / Raumtemperatur / 37 C Temp. E. coli M. luteus 4 C > 81 d > 81 d Raumtemp. > 81 d* > 81 d* 37 C > 10 d > 61 d* *: Anzahl der lebenden Zellen sichtbar weniger als bei 4 C 31 31

32 Tissue Engineering: Muskelgewebe Kollagen I-Nanofaser-Gewebe Erhöhung der Stabilität: Blend mit anderen Polymeren M.Rudisile 32 32

33 Tissue Engineering: Muskelgewebe Desmin- und DAPI-Färbung Myoblastenwachstum auf Kollagen I/PCL-Gewebe 33 33

34 Züchtung von vaskularisiertem Gewebe Modell AV-loop (Arteriovenous loop, Ratte) M. Rudisile Kooperation mit Dr.J. Beier, Medizin, Erlangen 34 34

35 Danksagung Prof. A.Greiner, Dr. S. Agarwal, Prof.J. H. Wendorff VW-Stiftung, DFG, BMBF M. Gensheimer T. Röcker Dr. A. Stoiljkovic S. Bokern S. Chen Z. Sun C.Hellmann J.Belardi M.Rudisile Dr. J.Beier Prof. R. Thauer Dr. Brandis-Heep 35 35