СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВОБОДНО ПОЗИЦИОНИРУЕМЫХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОСПИННИНГА
METHOD FOR OBTAINING FREELY POSITIONED FILMS BY ELECTROSPINING

Изобретение относится к области нанобиотехнологии и может быть использовано при конструировании нановолокнистых пленок, мембран, подложек, фильтров.
Электроспиннинг (электроформование) - способ получения полимерных волокон в результате действия электростатических сил на электрически заряженную струю полимерного раствора или расплава. Метод электроформования позволяет получать полимерные волокна диаметром порядка нескольких сотен нанометров (см. статью «Электроспиннинг» http://ru.wikipedia.org/wiki/Электроспиннинг).
Известен способ электроформования нановолокон и получения из них нетканых материалов путем приложения высокого напряжения между металлическим капилляром и осадительным электродом и подачи в капилляр раствора (расплава) полимера, который под действием электрического поля вытягивается в тонкую струю, которая при испарении растворителя (или отверждении расплава) превращается в тонкое волокно, которое дрейфует на осадительный электрод (коллектор) и под действием электрического поля уплотняется и формирует тонкий материал. Осадительный электрод может иметь различную форму: пластина, вращающийся барабан и т.п. (Н.Р. Прокопчук, Ж.С. Шашок, Д.В. Прищепенко, В.Д. Меламед, Электроформование нановолокон из раствора хитозана (обзор). «Полимерные материалы и технологии», т. 1 (2015), №2, 36-56).
Недостатком данного способа является изменение структуры волокон при формировании пленки на твердой подложке (электроде) за счет «подплавления» формируемых волокон конденсируемыми парами растворителя и возможное загрязнение волокон материалами (веществами) подложки-электрода, на котором формируется пленка, из-за реакции растворителя с поверхностью и вымывания (выщелачивания) ионов металла из электрода-подложки, что является критичным для изготовления медицинских изделий, к которым применяются особые требования по чистоте.
Наиболее близким к предложенному является способ изготовления свободно позиционируемых пленок из нановолокон методом электроспининга, в которомпленка формируется во встречных струях полимера и растворителя (US 2010/0275780 A1, 04.11.2010, фиг. 16, 41). Высокое напряжение создают между металлическими капиллярами, между которыми свободно подвешен экран с отверстием, в один из капилляров подают раствор полимера, а в другой - растворитель, встречаясь в отверстии экрана заряженные частица раствора полимера нейтрализуются противоположно заряженными частицами растворителя, растворитель испаряется, и нановолокна формируют нетканый материал, закрывающий отверстие и закрепленный на краях отверстия экрана.
2
Недостатком данного способа является распыление раствора полимера из капилляра, что ограничивает геометрию противоэлектрода (второго капилляра) при распылении и не позволяет получать пленки больших площадей (более 100 см). Данным способом можно получить пленку размером не более 40×40 мм и толщиной 100-300 мкм. Другим недостатком данного метода является возможная ионизация растворителя, которая может приводить к химической модификации получаемой пленки.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание способа формирования пленок из нановолокон, свободного от вышеперечисленных недостатков.
Техническая проблема решается способом получения пленки из нановолокон, заключающимся в том, что создают разность потенциалов между металлическим капилляром и расположенным напротив него металлическим электродом, между которыми размещена пластина с отверстием, подают раствор полимера через капилляр в пространство между капилляром и пластиной и пары растворителя в пространство между электродом и пластиной, при этом согласно изобретению, в качестве электрода используют плоский электрод, а в качестве растворителя, подаваемого в пространство между электродом и пластиной, используют растворитель, в котором полимер плохо растворим.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в обеспечении возможности получения пленок большой площади и толщины при одновременном повышении производительности в 2 раза.
2
Использование плоского металлического электрода позволило формировать однородное электрическое поле и получать пленки площадью более 100 см и толщиной до 1 мм (1000 мкм), а также обеспечить длительность биорезорбируемости пленок от 2 мес. до 2 лет в зависимости от вида полимера.
«Плохой растворитель», используемый для конденсации полимерных волокон, подается в область распыления в виде паров из пластиковой трубки направленной в область распыления.
Предложенный способ основан на формировании нанопленки на конструкции из пластиковой пластины (полипропилен, или полиэтилен, или тефлон и т.п.), при одновременном обдуве парами «плохого растворителя». Из курса физики полимеров хорошо известно, что в условиях «плохого растворителя» молекулы полимера конденсируются в компактные глобулы. Как показали исследования, при обработке сформированных нановолокон в процессе электрораспыления парами «плохого растворителя» можно подобрать условия, когда формируется свободно позиционируемая (висящая) пленка, подобно паутине. Пленка формируется в отверстии пластины и закреплена на краях отверстия пластины. Размеры отверстия пластины должны быть не менее размеров плоского электрода. Данный способ позволяет получить однородные, плотные, свободно позиционируемые пленки из нановолокон из широкого спектра полимеров, таких как полилактид, полигликолид, поликапролактон, капрон, поливиниловый спирт, белки (включая белки шелка и коллаген), полиакриламид и смеси этих полимеров. Для каждого полимера или группы полимеров подбирается «плохой растворитель», в котором полимер не растворим или плохо растворим. Например, для белковых пленок, «плохими растворителями» являются спирты - этанол или изопропанол. Оказалось, что такая обработка в процессе формирования нанопленок приводит к компактизации (усадке)нановолокон и к возможности получения толстых пленок.
Пример
Для получения пленки предлагаемым методом брали раствор полилактида, концентрацией 7% в гексафторизопропаноле. При распылении использовали металлический капилляр с внутренним диаметром 0,5 мм и противоэлектрод в виде пластины 10×10 см из нержавеющей стали. Для получения свободнопозиционируемой пленки использовали пластиковую (тефлоновую) пластину с отверстием квадратной формы 10×10 см, помещенную между капилляром и плоским электродом, между которыми подавали высокое напряжение 30 кВ. Расстояния между электродами и пластиной были по 35 см. В качестве «плохого» растворителя использовали этанол, пары которого подавали пластиковой трубкой в область между тефлоновой пластиной и плоским электродом. В результате этого процесса формировалась пленка из нановолокон на тефлоновой пластине в квадратном отверстии. Размер полученной пленки 10×10 см, толщина 1 мм.