Създаване на нови PVA – базирани дву- и трикомпонентни нановлакнести материали с потенциално медицинско приложение и участие на антисептици и биологично активни природни вещества чрез плазмено интензифициране
Договор № КП-06-Рила/7 от 2021 г. е финансиран от Министерството на образованието и нaуката (МОН) – Фонд „Научни изследвания”
КОНКУРС ЗА ПРОЕКТИ ПО ПРОГРАМИ ЗА ДВУСТРАННО СЪТРУДНИЧЕСТВО 2021 г. – БЪЛГАРИЯ – ФРАНЦИЯ ПО ПРОГРАМА „РИЛА“
COMPETITION FOR FINANCIAL SUPPORT FOR BILATERAL PROJECTS 2021 – BULGARIA – FRANCE RILA PROGRAMME
Заглавие на проекта: „Създаване на нови PVA – базирани дву- и трикомпонентни нановлакнести материали с потенциално медицинско приложение и участие на антисептици и биологично активни природни вещества чрез плазмено интензифициране“
Project title: Creation of new PVA based two- and three-component nanofibrous materials with antiseptics and biologically active natural substances by plasma intensification process with a potential medical application
Ръководител на научния колектив: проф. д-р Диляна Господинова
Coordinator of the research team: Prof. Dilyana Gospodinova, PhD
Партньорска организация от държавата-партньор: École Nationale Supérieure des Arts et Industries Textiles ENSAIT, Roubaix, France с ръководител Prof. Fabien Salaün (link: ENSAIT – Ecole Nationale Supérieure des Arts et Industries Textile)
Partner organization in the partner country: Ecole Nationale Supérieure des Arts et Industries Textiles (ENSAIT), Roubaix, France with a coordinator of the partner organization Prof. Fabien Salaün (link: ENSAIT – Ecole Nationale Supérieure des Arts et Industries Textile)
Разработването на мултикомпозитни (многокомпонентни) наноструктури с наличието на биологично активни вещества е постоянно предизвикателство.
Прилагането на електрическа енергия и използването на процес на електроовлакняване, директно могат да бъдат генерирани нановлакна, които предварително са заредени с лекарствени средства под формата на разтвори и стопилки. Техниката успешно може да се комбинира и с други подходи чрез използване на механични, топлинни или други енергийни източници. Електроовлакняването има много предимства пред другите подходи, като: изключително голяма скорост при сушене, лекота на внедряване, съвместимост с широка гама от биологично активни съставки, генериране на продукти с големи повърхности и висока порьозност (порестост).
Необходимостта от сложни наноструктурни усъвършенствани функционални наноматериали, насърчава появата на няколко вида мултифлуидни електроовлакняващи процеси, като триосево електроовлакняване, квадрофлуидно коаксиално електроовлакняване, трифлуидно странично електроовлакняване и коаксиално електроовлакняване с ядра разположено едно до друго. Тези мултифлуидни процеси могат значително да разширят възможностите на електроовлакняването при генериране на нови видове наноструктури с различна организация на вътрешността, както от въртящи се, така и от неподвижни работни течности.
Стратегията за комбинирано използване на полимерни помощни вещества под формата на „сърцевина-черупка“ предоставя нови възможности за разработване на нови системи за доставяне на антисептици и биологично активни вещества. Прилагането на третиране в студена технологична плазма при атмосферно налягане дава допълнителна възможност за интензифициране на процеса на електроовлакняване.
Основната цел на настоящия изследователски проект е чрез систематичен подход да бъдат добити фундаментални знания за получаването на нови плазмено интензифицирани дву- и трикомпонентни нанокомпозити (чрез използване на смесени разтвори и емулсии и коаксиално получаване на бикомпонентни влакна) и охарактеризирането им за потенциално приложение в медицината.
Поставената цел предполага използване на експериментален подход при изучаване на свойствата на новополучените многокомпонентни нанокомпозити с медицинско приложение.
В основата на поставената цел на проекта стоят процесите на електроовлакняване за изработване на нановлакна и матрици на тяхна основа от смесени разтвори и емулсии; и коаксиално електроовлакняване на синтетични влакна с природни добавки, формиращи полимери с участието на природни продукти, като напр. пчелен восък, копринен протеин и др. Описанието и сравнението на свойствата ще предоставят нови знания за потенциално използване в регенеративната медицина и защита срещу постоперативни инфекции.
Настоящия научен проект е насочен и е в съответствие с Националната стратегия за развитие на научните изследвания в Република България 2017-2030, като ще доведе до развитието на научните изследвания в областта на нанотехнологиите и до положителен ефект областта от обществения живот – „Здраве и качество на живот.“ Нещо повече, разработването на проект ще окаже положително влияние върху образованието на всички нива – от ниво студент, до ниво преподавател. Несъмнено развитието на научния проект ще окаже и благоприятно влияние върху новата тенденция за създаване на многокомпонентни композитни нанослоеве с потенциално медицинско приложение.
Abstract of the project:
The development of multicomposite nanostructures with the presence of biologically active substances is a constant challenge.
Through the direct application of electricity and electrospin, can be directly generated fibers from the pre-loaded solutions and melt. The technique can also be successfully combined with other approaches using mechanical, thermal or other energy sources. Electric spinning has many advantages over other approaches, such as extremely fast drying speeds, ease of implementation, compatibility with a wide range of biologically active ingredients, generation of products with large surfaces and high porosity.
The need for complex nanostructured advanced functional nanomaterials promotes the emergence of several types of multifluid electrospinning processes, such as triaxial electrospinning, quadrature flux coaxial electrospinning, treefluid lateral electrospinning and coaxial electrospinning. These multifluidic processes can greatly extend the possibilities of electrospining when generating new types of nanostructures with different arrangements on the internal parts, both rotating and stationary working fluids.
The strategy for the combined use of polymeric auxiliaries in the form of a “core-shell” provides new opportunities for the development of new delivery systems for antiseptics and biologically active substances. Cold treatment plasma process at atmospheric pressure provides an additional opportunity for intensification of the electrospining process.
The main objective of this research project is to systematically acquire a fundamental knowledge of obtaining new plasma-intensified two- and three-component nanocomposites (using mixed solutions and emulsions and coaxially producing bicomponent fibers) and characterizing them for potential use in medicine.
The stated goal implies the use of an experimental approach in studying the properties of newly obtained multicomponent nanocomposites with medical applications.
The goal of the project is based on the processes of electrofiber for the production of nanofibers and matrices based on mixed solutions and emulsions; and coaxial electrospinning of synthetic fibers with natural additives forming polymers with the participation of natural products, e.g. beeswax, silk protein and more. The description and comparison of the properties will provide new knowledge for potential use in regenerative medicine and protection against postoperative infections.
This scientific project is directed and is in accordance with the National Strategy for the Development of Research in the Republic of Bulgaria 2017-2030, which will lead to the development of research in the field of nanotechnology and to a positive effect the field of public life – “Health and quality of life.”
Moreover, the development of the project will have a positive impact on education at all levels – from student, doctoral to teacher. Undoubtedly, the development of the scientific project will also have a favorable effect on the new tendency to create multicomponent composite nanosheets with potential medical applications.
1. Актуалност и значимост на научната проблематика
Влакнестите материали могат да бъдат произведени от естествени или синтетични материали. Синтетичните влакна играят важна роля в живота на човека днес. Според способността да управляваме техните свойствата, тези влакна намират своето широко приложение.
Електроовлакняването е техника на производство, която може да се използва за създаване на нановлакнести нетъкани материали от различни изходни материали. Структурата, химическата и механичната стабилност, функционалността и други свойства на матовете могат да бъдат модифицирани, за да съответстват на крайните приложения. В технологията на електроовлакняване и получаване на нановлакна могат успешно да бъдат използвани биополимери.
Разработването на мултикомпонентни наноструктури с наличието на биологично активни вещества е постоянно предизвикателство. Съществуват редица методи за справяне с този проблем. Могат да се използват най-различни методи и техники, но появата на електроовлакняванете е съвременен и мощен метод, развит през последните години. Методът използва електрическа енергия за предизвикване на промени от течна към твърда фаза.
Чрез директно прилагане на електрическа енергия, чрез електроовлакняване директно могат да бъдат генерирани нановлакна, предварително заредени с лекарствени вещества под формата на разтвори и стопилки. Техниката успешно може да се комбинира и с други подходи, с използване на механични, топлинни или други енергийни източници. Електроовлакняването има много предимства пред другите техники, като тези предимства включват изключително големи скорости на сушене, лекота на внедряване, съвместимост с широка гама от биологично активни съставки, създаване на продукти с голяма повърхност и висока порьозност. Освен това, тази техника показва потенциал за създаване на така наречените наноструктурирани архитектури.
Обработването в диелектричен разряд при атмосферно налягане във въздух предлага евтин метод за подобряване на повърхностните свойства на полимерите в желана посока. Добре известно е, че атмосферния диелектричен бариерен електрически разряд подобрява значително адхезията между различни по природа полимерни повърхности.
Създадените нановлакнести материали могат да поддържат вградена активна съставка в аморфна физическа форма в продължение на дълги периоди от време, поради хомогенното си разпределение на лекарството в полимерната матрица.
2. Цели и хипотези
Настоящите перспективи за развитие на многокомпонентни нанокомпозити са оптимистични, а областите които ги използват стават все по-широкообхватни. Все още не са достатъчно добре изучени механизмите на получаване, взаимодействието между отделните компоненти, производителността и приложението на плазмено интензифицирани дву- и трикомпонентни нанокомпозити. Фундаменталните изследвания трябва да се занимават със структурното охарактеризиране, прехода към втвърдяване и механизмът на деформация на струята при електроовлакняване.
Основната цел на настоящия изследователски проект е чрез систематичен подход да бъдат добити фундаментални знания за получаването на нови плазмено интензифицирани дву- и трикомпонентни нанокомпозити и охарактеризирането им за потенциално приложение в медицината.
Поставената цел предполага използване на експериментален подход при изучаване на свойствата на новополучените многокомпонентни нанокомпозити.
В основата на поставената цел на проекта стоят процесите на електроовлакняване за изработване на нановлакна и матрици на тяхна основа от смесени разтвори и емулсии; и коаксиално електроовлакняване на синтетични влакна с природни добавки, формиращи полимери с участието на природни продукти, като напр. пчелен восък, копринен протеин и др.
Хипотези:
1. Изготвянето на двукоаксиални нанокомпозити чрез електроовлакняване, по метода на наслояването, дава допълнителни възможности за въвеждане на допълнителни химични субстанции, които от своя страна биха довели до получаването на нови разнообразни защитни медицински пластири с различни качества и свойства.
2. Част от усилията в проекта са насочени към подобряване на адхезията между носещия колектор и овлакнената матрица, за което успешно е използвано плазмено обработване.
3. Използването на PVA (Polyvinylalcohol) като водоразтворим полимер, който е биоразградим, с добра биосъвместимост, добра биоразградимост и хидрофилност може да намери приложение в множество биомедицински области.
Задачи за изпълнение:
1. Усъвършенстване и осъвременяване на съществуващата система за електроовлакняване.
2. Създаване на подвижен колектор от нов тип.
3. Създаване на нова плазмено система за предварително активиране на носещата повърхност.
4. Въвеждане на биологично активните природни продукти.
5. Определяне на работни характеристики на използваните полимерни разтвори.
6. Определяне на физико-механичните показатели на матриците и двуслойните композити с тяхно участие.
7. Охарактеризиране на повърхностните свойства на двуслойните композити.
3. Подходи за постигане на изследователските цели, включително и интердисциплинарност на проектното предложение
За постигането на поставената изследователска цел в проекта са приложени основни подходи – феноменологичен, експериментален и моделиране.
Екипът включен в работата по изпълнение на договора е разнороден и се състои от специалисти по материалознание, електротехнологии, химични технологии и текстилно инженерство, които успешно могат да ес справят с поставените задачи.
4. Изследователски методи и техники
Основните методи на работа, които са използвани при решаването на поставените в проекта задачи са: теоретичен анализ, експериментални изследвания, математическа статистика.
5. План за реализация и разпространение на резултатите от научния проект
Едно от основните изисквания за всеки член на от научната работна група по проекта е свързано с разпространението и публичността на получените резултати в научните публикации, участие в различни научни събития, като семинари, конференции и симпозиуми, за да се създадат нови сътрудничества, да се разширят знанията и мобилността в това направление.