Logo Leibniz Universität Hannover
Logo: Institut für Mehrphasenprozesse/Leibniz Universität Hannover
Logo Leibniz Universität Hannover
Logo: Institut für Mehrphasenprozesse/Leibniz Universität Hannover
  • Zielgruppen
  • Suche
 

Herstellung von Mikro- und Nanofasern

 

Dipl.-Ing. Holger Zernetsch


Hintergrund

Elektrospinning ist ein Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern mit einem Durchmesser von einigen Nanometern bis hin zu mehreren Mikrometern. Es eignet sich zur Herstellung von Fasermatten, die im Rahmen des Tissue Engineering als Material für ein mit Zellen zu besiedelndes Gerüst ('scaffold') verwendet werden können.

 

Da mittels Elektrospinning hergestellten Fasermatten eine hohe Porosität und  durchgehende Hohlräume aufweisen, eignen sich besonders gut für die Besiedlung mit Zellen. Es können außerdem Wirkstoffe in die Fasern eingebracht werden, die das Verhalten biologischer Systeme und ihrer Komponenten beeinflussen ('local drug delivery').

Das Verfahren

Elektrospinning basiert auf der elektrohydrodynamischen Wechselwirkung einer Polymerlösung in einem elektrischen Feld. Der grundsätzliche Aufbau besteht dabei aus einer Hochspannungsquelle, einer Düse, die durch ein Reservoir mit der Polymerlösung gespeist wird und einem Kollektor, auf dem die Fasern abgelegt werden. (siehe Abbildung 2).

Das Reservoir beinhaltet das Polymer gelöst in einem geeigneten Lösungsmittel (Bsp.: Polyetyhlenoxid in Wasser oder Polycaprolacton in Trifluoroethanol). Ein von einem Motor angetriebener Kolben drückt die Lösung aus dem Reservoir durch die Düse, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Der Kollektor dagegen ist geerdet, wodurch ein elektrostatisches Feld zwischen beiden Komponenten anliegt. Dieses Feld wirkt auf die in der Lösung enthaltenen Ladungsträger und bewirkt eine Beschleunigung der geförderten Polymerlösung in Richtung des Kollektors.

Auf dem Weg zum Kollektor verdampft das Lösungsmittel aus dem kontinuierlichen Polymerstrahl und durch die Interaktion des Strahls im elektrischen Feld wird dieser gedehnt, so dass sein Durchmesser stark abnimmt. Resultat ist eine endlos abgelegte, trockene Polymerfaser deren Durchmesser sich durch Wahl der Prozess- und Lösungsparameter einstellen lässt.

Abb. 2: Elektrospinning-Aufbau (Downside-Up).

Ausstattung

Anlagen (Produktion)

Elektrospinning-Anlage ES 1

Die Elektrospinning-Anlage ES 1 wurde im Jahr 2008 fertiggestellt und wurde als universell einsetzbarer sowie leicht erweiterbarer Aufbau konzipiert.

Die Düse befindet sich hierbei über dem Kollektor (Downside-Up-Konzept) und ist in ihrer Höhe verstellbar. Diese Anordnung eignet besonders für die Erprobung von neuen Kollektoren oder der Einbindung von größeren Aufbauten.

 

Des Weiteren kann der Polymerlösungstropfen mit Hilfe einer Kamera mit hoher Vergrößerung beobachtet werden. Dies ist besonders bei der Erprobung von neuen Polymer-Lösungsmittel-Systemen sowie Parameterstudien von großem Nutzen.

Elektrospinning-Anlage ES 2

Die Anlage ES 2 arbeitet im Gegensatz zur ES 1 mit einem von unten nach oben gerichteten Polymerstrahl. Der Kollektor wird dazu in einer höhenverstellbaren Halterung über der Düse befestigt. Des Weiteren ist es möglich diese Halterung bzw. den Kollektor translatorisch auf einer Bahn senkrecht zur Achse des Polymerstrahls zu bewegen. So können auch breite Kollektorflächen gleichmäßig besponnen werden, wie sie z.B. für die Herstellung großer Matten oder röhrenförmiger Konstrukte nötig sind. Außerdem verfügt die Anlage über Sensoren zur Erfassung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck.

Portabler Elektrospinning-Aufbau (Tischgerät)

Das portable Tischgerät ist ein vollfunktionsfähiger Elektrospinning-Aufbau, der inklusive Computer in einem Umzugskarton Platz findet. Er eignet sich zur Präsentation des Verfahrens auf Veranstaltungen wie Messen oder im Rahmen der Vorstellung des Instituts vor Publikum. Die Spinnrichtung verläuft in dieser Anlage waagerecht. Die Polymerlösung wird hierbei allein durch die Schwerkraft in die Düse befördert. Der gesamte Prozess kann über Kameras beobachtet werden. Zum Schutz ist der gesamte Aufbau mit einer Plexiglas-Abdeckung versehen.

Kollektoren (Faserablage)

Trommelkollektor (klein)

Der kleine Trommelkollektor eignet sich zur Herstellung von Matten mit einer Breite zwischen 10 und 30 mm. Er rotiert und erreicht dabei Drehzahlen von bis zu 1500 1/min. Mit Hilfe dieses Kollektors lassen sich Matten für erste Versuche mit Zellen oder Proben zur Bestimmung der mechanischen oder porösen Eigenschaften herstellen. Über die Rotationsgeschwindigkeit kann zudem die Ausrichtung der Fasern der Matte beeinflusst werden - dabei nimmt die Parallelität der Ausrichtung mit steigender Geschwindigkeit zu.

Trommelkollektor (groß)

Der große Trommelkollektor ist für Herstellung von größeren Fasermatten geeignet - die maximale Breite beträgt dabei 120 mm bei einer Länge von 500 mm. Matten dieser Größe werden benötigt wenn viele Proben aus ein und derselben Charge bzw. aus einem Spinnvorgang notwendig sind. Dies ist besonders in Hinblick auf die Ermittlung signifikanter Messwerte erforderlich - z.B. bei der mechanischen Prüfung (Zugversuch). Die maximale Drehzahl des Kollektors liegt bei ca. 2000 Umdrehungen pro Minute.

Die Arbeitsgruppe

Arbeitsgruppe Elektrospinning (v. l. n. r.): Tanmay Chakradeo, Holger Zernetsch, Tarik Fadil, Andreas Szentivanyi.

Mechanische Konditionierung von Gerüststrukturen

Neben der Herstellung von elektrogesponnenen Gerüststrukturen sollen diese später auch mit Zellen besiedelt und anschließend mechanisch konditioniert werden. Für die Besiedelung und Konditionierung außerhalb des Körpers steht dazu ein voll sterilisierbarer Bioreaktor zur Verfügung, der von Tanja Wadouh entwickelt wurde.

Anhand eines einfachen Herzklappentesters für Simulationszwecke lässt sich die Funktionsweise anschaulich verdeutlichen. Ein Videobeitrag von der IdeenExpo 2009 behandelt dieses Thema.