Vývoj polymerních systémů vhodných pro zpracování pomocí pokročilých technologií 3D tisku a elektrostatického zvlákňování

Abstract

Tato disertační práce se zabývá fyzikálními aspekty zpracování materiálů na bázi biopolymerů pomocí 3D tisku a elektrostatického zvlákňování, především pak vlivem materiálových vlastností na tyto výrobní procesy. Zvláštní pozornost je věnována tvorbě hydrogelů na bázi biopolymerů pomocí různých metod síťování. Tyto hydrogely mohou dále sloužit jako podklad pro nanovlákenné struktury a být použity jako pokročilé biokompatibilní materiály v biomedicínských aplikacích. Práce popisuje tvorbu hydrogelů z přírodních polymerů pomocí dynamických polymerních sítí. Hydrogely představují výhodný typ materiálů díky své vnitřní podobnosti s extracelulárním prostředím živočišných buňek. Síťování bylo dosaženo pomocí dynamických kovalentních vazeb, nebo s využitím spontánního vzniku vnitřní podpůrné struktury nanodestiček díky jejich elektrostatickému odpuzování. Optimálního chování pro 3D tisk bylo dosaženo pro několik různých materiálů, které vykazují snížení viskozity se zvyšujícím se smykovým namáháním a poměrně rychlý návrat do původních hodnot viskozity po ukončení smykového namáhání. Z hlediska elektrostatického zvlákňování polymerních roztoků byly diskutovány vnitřní a vnější faktory ve vztahu k výrobnímu procesu se zvláštním zřetelem na materiálové parametry a jejich návaznost na další aspekty jak procesu, tak podoby získaných vláken. Kromě jednosložkového elektrostatické zvlákňování proběhly experimenty i s koaxiálním zvlákňováním, kdy se navíc projevily jevy na fázovém rozhraní roztoků. Význam disertační práce přesahuje jednotlivé technologie 3D tisku a elektrostatického zvlákňování, a spočívá především v možnosti jejich kombinace pro vytváření struktur vhodných pro biologické aplikace, včetně tkáňového inženýrství. Přesné makroskopické struktury získané 3D tiskem hydrogelů s nanotopologickými prvky nanovláken vzniklých elektrostatickým zvlákňováním mohou být vytvořeny např. jako 3D tištěné struktury pokryté nanovlákny, vrstvených 3D tištěných/nanovlákenných sendvičových struktur a nanovlákny vyztužených materiálů pro 3D tisk, z nichž každá slibuje různé výhody pro biomedicínské aplikace ve srovnání s komerčně dostupnými materiály. Výsledky disertační práce z pohledu výroby hydrogelů a nanovláken mohou najít uplatnění v oblasti pokročilých výrobních technologií se zaměřením na biopolymery. Materiály vyvinuté v rámci této disertační práce mohou díky svým unikátním fyzikálním vlastnostem rozšířit využití 3D tisku a elektrostatického zvlákňování nejen pro tkáňové inženýrství, pro které byly tyto materiály původně zamýšleny.