Матвеев А.Т., Афанасов И.М. - Получение нановолокон методом электроформирования, страница 13

Такие фильтры применяют в производстве чистых веществ, реагентов, фотоматериалов, продуктов питания (масло, вино, соки), а также вавиации для очистки топлива и масел.4.2. Медицинские примененияСфера применения ЭФ-продукции в современной медицине не исчерпывается толькорассмотренными выше задачами защиты от атмосферной пыли и бактериальныхаэрозолей, а включает и прямые функции здравоохранения − лечебные мероприятия,методы, средства и необходимую для этого специальную технику.ЭФ-продукции как лечебное средство применяется в различных повязках, в которыхона выполняет как защитные, так и лечебные функции при повреждениях, например,кожного покрова.

При этом в таких повязках могут сочетаться слои биодеструктируемогослоя (из полилактида, поливинилпирролидона), непосредственно контактирующего сповреждением и обладающего сорбционными, кровоостанавливающими и заживляющимисвойствами, и защитного (бионеразлагаемого), обеспечивающего стерильные условия исвободный обмен с окружающей атмосферой. ЭФ-материалы могут использоваться длялечения острых остеохондрозов вместо известных утепляющих и вызывающихтрибополяризацию электрических зарядов повязок и белья из хлориновой ткани.ПримеромпримененияЭФ-продукциивмедицинскойаппаратуреявляетсявысокотемпературный самостерилизующийся фильтрующий элемент термокаутера −устройства, используемого в хирургии для остановки капиллярного и паренхиматозногокровотечений струей горячего стерильного воздуха [9].

Другой пример применения ЭФпроцесса в медицинской аппартуре – портативные приборы, позволяющие оперативнонаносить (менее, чем за 1 мин) лечебные ЭФ-покрытия (рис. 4.6). Такие приборыиспользуются для оказания первой помощи и срочного лечения при открытых травмах иожогах и позволяют осуществлять атравматическое нанесение на раневую поверхностьвоздухопроницаемых, но не проницаемых для микроорганизмов и пыли гидрофобных,гидрофильных и биодеструктируемых волокнистых покрытий, содержащих асептические,лекарственные и другие биологически активные добавки.  69  Рис. 4.6.

Работа мобильного ЭФ-генератора4.3. Биоинженерия и биотехнологияОгромное значение сегодня приобрела инженерия тканей. Эта область включаетпоиск и разработку аналогов биологических тканей, а также материалов для поддержанияи улучшения их функций. Важным элементом в инженерии тканей является разработкат.н.

клеточных субстратов.Клеточные субстратыКлеточные субстраты используются как матрицы для роста, размножения идифференциацииклеток при регенерации тканей или внеклеточного матрикса.Применение именно ЭФ-материалов для этих целей обусловлено следующими факторами:высокая межволоконная пористость и удельная поверхность ЭФ-материалов и малыйдиаметр волокон. Благодаря этому резко увеличивается количество активных сайтов длямембранных рецепторов клеток, что позволяет максимально насытить субстрат клеткамии повысить их концентрацию в поврежденной зоне [30].

Кроме того, появляетсявозможность контролировать рост и размножение клеток непосредственно в местеповреждения, особенно при функционализации поверхности нановолокон биологическиактивными молекулами (некоторыми олигопептидами, желатином, акриловой кислотой),что не всегда возможно при использовании микропористых клеточных субстратов (рис.4.7). Еще одним преимуществом подобных материалов является возможность контроляориентации роста клеток, которые задаются ориентацией волокон в ЭФ-каркасе. Отметимтакже, что диаметр ЭФ-нановолокон и фибрилл некоторых тканей и внеклеточногоматрикса приблизительно одинаков, поэтому ЭФ-нановолокна симулируют и могутзаменять последние [31].  70  Рис.

4.7. Влияние микроструктуры клеточного субстрата на рост клеток [32]Клеточные субстраты из ЭФ-волокон используются для регенерации хрящевой,костной и нервной тканей, кожи, стенок кровяных сосудов. Ввиду биологическойсовместимости для их создания зачастую используют природные полимеры: коллаген,протеин шелка, хитозан, фибриноген, целлюлоза, а также их смеси.

Для улучшениямеханических свойств и изменения свойств поверхности волокон также формуютматериалы из сополимеров биологических и синтетических мономеров, например эфировмолочной кислоты.Клеточныесубстратымогутявлятьсякомпонентомсложныхматериалов,содержащих биокерамические добавки. Так, часто для пересадки костной тканииспользуют субстраты, содержащие карбонат и фосфат кальция.Сегодня исследования ученых в этой области направлены на увеличение размерапор непосредственно в самих волокнах, что позволит полностью насытить клеткамисубстрат и симулировать трехмерную микроструктуру тканей.

Для этого применяют какметоды ЭФ-формования из расплавов полимеров, так и формование с применениемкоаксиальных капилляров.Доставка лекарственных средствЭФ-материалы служат не только субстратом для клеток, но и для лекарственныхпрепаратов [31]. Их использование особенно актуально для локального лечения  71  поврежденных участков тканей и органов и в постоперционный период для защиты илечения органов и тканей. Лекарственные средства вводят как пропиткой ЭФ-материала,так и непосредственно в ЭФ-процессе – при добавлении лекарственного средства впрядильный раствор либо при коаксиальном формовании.

Ввиду различной химическойприроды ЭФ-волокон, а также возможностей модификации их поверхности, ЭФматериалы применяют для доставки различных типов лекарств: антибиотики, белковые,противоопухолевые препараты и др.Гибкость ЭФ-процесса позволяет варьировать скорость высвобождения лекарств,что является чрезвычайно важным при лечении. В случаях, когда необходимонемедленное введение лекарства, используют максимально тонкие и пористые волокна избиополимеров, при этом высвобождение происходит как за счет их биоразложения, так иза счет диффузии. В случаях, когда требуется постепенное и равномерное поступлениелекарства в организм, к биополимерам добавляют гидрофобные и стабилизирующиедобавки, позволяющие высвобождать лекарство преимущественно по диффузионномумеханизму.

В основном, ЭФ-матрицы для лекарств получают из поликапролактама,сополимеров молочной и гликолевой кислот.Отметим также, что помимо доставки лекарственных средств, ЭФ-продукцияможет использоваться в косметических целях. ЭФ-вуали с нанесенными косметическимисредствами используются как маски для лица и позволяют избежать попаданиярастворителей и пыли в чувствительные зоны органов дыхания и зрения [33].Аффинные мембраныВ биотехнологии и медицине аффинные мембраны используют для выделения иочистки ряда биологических веществ, в т.ч.

белков и нуклеиновых кислот, а такжеочистки крови от вредных метаболитов (рис. 4.8). В отличие от традиционных мембран,разделение в которых основано на различии размеров или молекулярных масскомпонентов,принципдействияаффинныхмембрансостоитвхимическом/биохимическом взаимодействии выделяемого вещества с лигандами наповерхности волокна.  72  Рис.

4.8. ЭФ-волокна из полисульфона с привитыми лигандами сывороточного альбуминадля выделения билирубина из крови [4]Как и в случае других сфер применения в медицине и биоинженерии, ЭФматериалы для подобных мембран востребованы из-за высокой удельной поверхности,что позволяет прививать необходимые лиганды равномерно по объему ЭФ-материала иобеспечивает высокую степень разделения и очистки за короткое время. ЭФ-волокнаизготавливают из полиэтилена, полипропилена, полисульфона, ПВС, эфиров целлюлозы идр.

Лиганды подразделяют на 1) аминокислоты, 2) антитела и антигены, 3) лиганды,имеющие сродство к металлам, 4) ионообменные лиганды и 5) другие биологическиактивные лиганды.4.4. Композиционные материалыЭФ-процесс позволяет получать нано- и субмикронные волокна, поэтому дляприменения в качестве армирующего компонента композиционных материалов ЭФволокна могут иметь ряд преимуществ перед традиционными полимерными, стекляннымии углеродными волокнами, диаметр которых составляет несколько мкм.Композиты на основе ЭФ-войлоков получают двумя способами: выкладываютпакет из нескольких слоев ЭФ-войлока, пропитывают связующим и формуют изделие,либо нарезают ЭФ-войлок на небольшие кусочки, перемешивают с жидким связующим иформуют изделие [34].

ЭФ-материалы для такого применения получают из ПАНа,полибензоимидазола, нейлона 4,6 и добавляют в количестве 5-15 масс.% к полимернойматрице. Это позволяет увеличить прочность на разрыв и при изгибе, а также модульупругости на 20-40% по сравнению с исходным неармированным материалом.

Однакоболее существенного увеличения механо-прочностных характеристик введением ЭФматериалов не удается. Прежде всего, это связано с хаотичной ориентацией ЭФ-волокон, адля создания прочных композитов необходима направленная ориентация их в матрице. Поэтой причине использование ЭФ-материалов для получения композиционных материалов  73  ограничено. Кроме того, на рынке существует широкий выбор различных по типунепрерывных и дискретных армирующих волоконных матераилов (рис. 4.9), что такжеограничивает применение ЭФ-материалов в данных целяхРис.

4.9. Различные типы армирующих материаловСуществует и ряд преимуществ использования ЭФ-волокон для получениякомпозитов. Большое отношение поверхности к объему ЭФ-нановолокон позволяетиспользовать ЭФ-войлоки для улучшения межслоевой прочности ламинатов. Так какдиаметр ЭФ-нановолокон сравним или меньше длины волны видимого света, то возможнополучение оптически прозрачных материалов в отличие от непрозрачных композитов наоснове микронных волокон. Кроме того, перспективным для армирования пластиковможет явиться получение индивидуальных непрерывных ЭФ-волокон с их последующимтекстильным переделом, что, однако, требует как научных, так и технологическихрешений.4.5. ЭнергетикаОдним из важных объектов применения ЭФ-продукции являются химическиеисточники и аккумуляторы электрической энергии [35].

ЭФ-материалы успешноиспользуетсявкачествемежэлектродныхсепараторов,апридополнительноммодифицировании и переходе в проводящее состояние могут служить перспективнойосновой и для пористых электродов.Преимущества ЭФ-продукции перед пористыми полимерными мембранами в ролисепараторов для щелочных аккумуляторов заключаются в большей пористости первыхпри том же размере пор и их меньшей извилистости, а, следовательно, и меньшемэлектрическом сопротивлении на единицу толщины. Так как в этих аккумуляторахэлектролит не расходуется и практически не транспортируется к электродам, толщина  74  сепаратора из достаточно тонких волокон оказывается меньшей, чем у пористоймембраны.

В результате заметно повышается удельная объемная электрическая емкость иснижается внутреннее сопротивление аккумулятора. Кроме того, случайная волокнистаяструктура в большей степени, чем сквозные и даже извилистые поры, препятствует ростудендритных образований на поверхности электродов, которые могут привести ккороткому замыканию. В качестве сепараторов для щелочных аккумуляторов используютволокнистые материалы на основе перхлорвиниловой смолы, поливинилового спирта. Дляобеспечения полной смачиваемости волокон электролитом волокна либо пропитываютраствором поверхностно-активного вещества, либо его вводят заранее в прядильныйраствор.В случае кислотных аккумуляторов, где в разряд-зарядных рабочих циклахэлектролитрасходуетсяиперемещаетсячерезсепаратор,куказаннымвышепреимуществам волокнистой продукции ЭФ-процесса перед пористыми мембранамидобавляются еще два: более высокая эффективность улавливания ими гидрозольныхпродуктов эрозии активной массы электродов, а также способность к сохранениюцелостности при перегибах, прессовании, гофрировании, обеспечивающие свободнуюциркуляцию электролита и защиту электродов от шлама.ПолимерныеЭФ-материалыпослесоответствующейобработкимогутиспользоваться в качестве других функциональных элементов в энергетике: пористыхэлектродов для топливных элементов и аккумуляторов с повышенной удельной емкостью.Для этого проводят термообработку исходных ЭФ-материалов с получением углеродныхмембран, функционализацию поверхности волокон или вводят в материалы подходящиекатализаторы, а также структурируют волокнистые слои по глубине.