Устройство для коаксиального электрогидродинамического формования полимерных микро- или субмикронных структур
Владельцы патента RU 2688586:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к устройствам коаксиального электроформования полимерных капсул или тонких волокон микро- и субмикронного размера. Техническим результатом является обеспечение возможности формирования микро- и субмикронных структур определенной геометрической формы из полимерных растворов низкой вязкости и улучшение качества покрытий микро- и субмикронных структур за счет равномерного распыления полимерного раствора. Технический результат достигается устройством для коаксиального электрогидродинамического формования полимерных микро- или субмикронных структур, содержащим коаксиально расположенные внешний капилляр для подачи полимерного раствора и внутренний капилляр для подачи инкапсулируемого вещества, закрепленные в корпусе и соединённые с первым источником высокого напряжения, осадительный электрод. При этом устройство дополнительно содержит расположенный между корпусом и заземленным осадительным электродом конфузор с каналами для подачи газа в пространство между конфузором и заземленным осадительным электродом, а также второй источник высокого напряжения, соединенный с осадительным электродом. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к устройствам коаксиального электроформования полимерных капсул или тонких волокон, микро- и субмикронного размера, и инкапсуляции в них терапевтических препаратов, биологически активных и других веществ и может быть использована в химической, фармацевтической, текстильной, пищевой и других видах промышленности.
Известно устройство для получения полимерных частиц микро- или субмикронного размера методом коаксиального электроформования растворов полимеров (см. патент ЕР 2529761, МПК A61L 27/00, A61L 29/00, A61L 31/00). Устройство состоит из коаксиально расположенных внешнего капилляра для воздуха и внутреннего -для полимера, закрепленных в корпусе и соединенных с источником высокого электрического напряжения, узла подачи полимерного раствора, узла подачи воздуха и осадительного электрода, имеющего кольцевидную геометрическую форму.
Однако устройство не позволяет инкапсулировать терапевтические, биологически активные и другие вещества в полимерную оболочку капсул.
Известно устройство получения многослойных частиц, волокон и спреев (см. патент ЕР 2724718, МПК А61К 47/48, А61К 49/00). Устройство состоит из узла подачи полимерного раствора и узла подачи инкапсулируемого вещества во внешний и внутренний капилляр соответственно, закрепленные в корпусе, и соединенные с источником высокого напряжения, и осадительного электрода, выполненного в виде металлической пластины.
Недостатком известного устройства является неравномерное распределение полимерного раствора при формировании полимерной оболочки вокруг инкапсулируемого вещества, что не позволяет регулировать геометрическую форму формируемых многослойных частиц, волокон и спреев.
Наиболее близким к заявленному решению является устройство коаксиального электроформования полимерных капсул или тонких волокон, микро- или субмикронного размера (см. патент ЕР 1364718, МПК A23L 01/00, A23L 01/22). Устройство состоит из осадительного электрода, имеющего кольцевидную геометрическую форму, внутреннего капилляра для инкапсулированного вещества и внешнего - для полимерного раствора, закрепленных в корпусе, соединенных с источником высокого электрического напряжения.
Недостатком прототипа является неравномерное распыление полимерного раствора с содержанием инкапсулируемого вещества с концов, коаксиально расположенных внешнего и внутреннего капилляров, а также отсутствие возможности формирования капсул или тонких волокон, микро- и субмикронного размера из полимерных растворов низкой вязкости, и создания определенной геометрической формы с дополнительной модификацией поверхности уже сформированных структур.
Техническая проблема заключается в разработке устройства, обеспечивающего возможность формирования микро- или субмикронных структур определенной геометрической формы (капсул или тонких волокон), из полимерных растворов низкой вязкости.
Технический результат заключается в улучшении качества покрытий микро- или субмикронных структур за счет равномерного распыления полимерного раствора.
Кроме того, устройство позволяет модифицировать поверхность сформированных микро- или субмикронных структур.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для коаксиального электрогидродинамического формования полимерных микро- или субмикронных структур, содержащее коаксиально расположенные внешний капилляр для подачи полимерного раствора и внутренний капилляр для подачи инкапсулируемого вещества, закрепленные в корпусе и соединенные с первым источником высокого напряжения, осадительный электрод, согласно решению дополнительно содержит расположенный между корпусом и заземленным осадительным электродом конфузор с каналами для подачи газа в пространство между конфузором и заземленным осадительным электродом, а также второй источник высокого напряжения, соединенный с осадительным электродом.
Осадительный электрод представляет собой металлическую пластину с керамическим покрытием.
Корпус для внешнего и внутреннего капилляров, изготовлен из акрилонитрилбутадиенстирола методом 3-Д печати, а конфузор изготовлен из нейлона методом 3-Д печати.
Корпус в нижней части снабжен кольцевым электродом для подключения внешнего капилляра к первому источнику высокого напряжения.
Внешний и внутренний капилляры изготовлены из стали 12Х18М10 с тефлоновым покрытием.
Устройство выполнено с возможностью изменения расстояния между корпусом и конфузором.
Каналы для подачи газа выполнены с возможностью подачи модифицирующего агента в виде нанодисперсных частиц на поверхность формируемых структур.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 - представлена схема заявляемого устройства.
На фиг. 2 - представлено изображение полимерных капсул без модифицирующего их покрытия, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа MIRA II (TESCAN, Чехия).
На фиг. 3 - представлено изображение полимерных капсул без модифицирующего их покрытия, полученное с помощью инвертированного микроскопа Olympus IX73 (Olympus, Япония).
На фиг. 4 - представлено изображение полимерных капсул с модифицирующим их покрытием, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа MIRA II (TESCAN, Чехия).
На фиг. 5 - представлено изображение полимерных микроволокон без модифицирующего их покрытия, полученное с помощью инвертированного микроскопа Olympus IX73 (Olympus, Япония).
На фиг. 6 - представлено изображение полимерных микроволокон без модифицирующего их покрытия, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа MIRA II (TESCAN, Чехия).
Позициями на чертеже обозначены:
1 - корпус;
2 - внешний капилляр для подачи полимерного материала;
3 - внутренний капилляр для подачи инкапсулируемого вещества;
4 - кольцевой электрод;
5 - первый источник высокого напряжения;
6 - конфузор;
7 - входные каналы конфузора;
8 - заземленный осадительный электрод;
9 - второй источник высокого напряжения.
Устройство для коаксиального электрогидродинамического формования полимерных микро-или субмикронных структур содержит коаксиально расположенные внешний 1 и внутренний 2 капилляры, закрепленные в корпусе 3. Капилляры имеют выступающие за пределы корпуса части для подключения к первому источнику высокого напряжения. Корпус 3 соединен с торцом кольцевого электрода 4. При этом внешний капилляр 2 соединен с первым источником высокого напряжения 5 через кольцевой электрод 4. Устройство дополнительно содержит конфузор 6 с входными каналами 7 для подачи газа (воздуха), в том числе с модифицирующими агентами в пространство между конфузором и заземленным осадительным электродом 8, соединенным со вторым источником высокого напряжения 9. Капилляры и осадительный электрод подключены к источникам высокого напряжения разной полярности.
Осадительный электрод 8 представляет собой заземленную металлическую пластину с керамическим покрытием.
Корпус 1 изготовлен из АБС-пластика (Акрилонитрилбутадиенстирол) методом 3-Д печати. Внешний 2 и внутренний 3 капилляры изготовлены из металлических трубок (сталь 12Х18М10) с тефлоновым покрытием, внешний диаметр которых составляет от 0,5 до 2 мм.
Конфузор 6 представляет собой трубу с плавным переходом от большего сечения в меньшее (сверху вниз) и имеет два параллельно расположенных канала для дополнительного подвода газа (воздуха), в том числе с модифицирующим агентом.
Конфузор изготовлен из нейлона (синтетического полиамида) методом 3-Д печати. При этом материал для изготовления конфузора может изменяться, в соответствии с применением устройства.
Устройство обеспечивает возможность варьирования (регулирования) размеров частиц путем изменения расстояния между капиллярами и конфузором или между конфузором и осадительным электродом.
Формируемые структуры представляют собой капсулы или тонкие волокна, микро- и субмикронного размера, содержащие инкапсулированное вещество, покрытое полимерной оболочкой.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Полимерный раствор на основе биополимеров синтетического происхождения, например, Полилактид (ПЛА) и Поликапролактон (ПКЛ), растворенные в смеси растворителей Хлороформ - Дихлорэтан подают во внешний капилляр 2 из первого узла подачи (на фиг. не показан), а предназначенное для инкапсуляции вещество, например, водный раствор Флуоресцеина (ВРФ), во внутренний капилляр 3 под избыточным давлением из второго узла подачи (на фиг. не показан). Полимерный раствор ПЛА-ПКЛ и ВРФ, на выходе из коаксиально расположенных внешнего 2 и внутреннего 3 капилляров, образуют коаксиальный поток, который за счет электростатического взаимодействия между внутренним капилляром 3, кольцевым электродом 4 и осадительным электродом 8, расщепляется на высокодисперсные капли или волокнистые структуры. Поток дрейфует под действием собственных электростатических сил сквозь выходное отверстие конфузора 6. В конфузор, через входные каналы 7 подают под избыточным давлением воздух или воздух с модифицирующим агентом (например, нанодисперсными частицами серебра, стабилизированными Поливинилпироллидоном). Частицы адсорбируются на поверхность капсул или тонких волокон, микро- или субмикронного размера и осаждаются на заземленный осадительный электрод 8. Для изменения размеров получаемых микро- или субмикронных структур регулируют электростатическое взаимодействие между внутренним капилляром 3, кольцевым электродом 4 и осадительным электродом 8 за счет величины подаваемого высокого напряжения.
За счет дополнительного подвода газа (воздуха) через боковые каналы увеличивается динамическое давление в направлении движения потока газа (воздуха), проходящего сквозь конфузор, что обеспечивает равномерное распыление структур. Дополнительно, в конфузор может подаваться газ (воздух) с модифицирующим агентом, что способствует его адсорбции на поверхность структур и изменению их свойств.
Варьируя геометрические параметры конфузора и расстояние между корпусом и конфузором, можно регулировать толщину модифицирующего слоя на поверхности структур, а также управлять процессом распыления, добиваясь равномерности получаемых структур.
Введение второго независимого источника высокого напряжения обеспечивает подачу напряжения противоположной полярности, что позволяет независимо от первого источника дополнительно управлять процессом распыления и регулировать размер получаемых структур.
В примерах конкретного выполнения для формирования капсул или тонких волокон, микро- и субмикронного размера методом коаксиального электрогидродинамического формования (электроформования) использовали ПЛА и ПКЛ, смешанные в соотношении 20/80 по массе, и растворенные в смеси органических растворителей Хлороформ-Дихлорэтан, смешанных в объемном соотношении 70/30. Концентрация смеси полимеров в растворителе - 1,5 мг/мл (для микрокапсул) и 4,5 мг/мл (для микроволокон). Вещество для инкапсуляции - водный раствор Флуоресцеина, концентрацией - 0,025 мг/мл. Полимеры, концентрации и вещество для инкапсуляции могут варьироваться в зависимости от предназначения конечного продукта.
Для адсорбции (модификации) на поверхность капсул использовали коллоидный раствор наночастиц серебра в этиленгликоле, стабилизированного Поливинилпироллидоном. Концентрация наночастиц серебра - 0,5 мг/мл. Концентрация Поливинилпиролидона - 1 мг/мл.
Вещество для адсорбции на поверхность капсул или тонких волокон, микро- и субмикронного размера можно изменять в зависимости от предназначения конечного продукта.
Величина подаваемого высокого напряжения на внутренний капилляр и кольцевой электрод составляет - 15 кВ. Величина подаваемого высокого напряжения на заземленный осадительный электрод - 5 кВ. Данные величины соответствуют рабочему расстоянию между двумя электродами - 25 см, и могут варьироваться в зависимости от увеличения расстояния или уменьшения.
Размер полученных капсул - от 10 до 25 мкм. Размер полученных тонких волокон - от 2 до 5 мкм.
Устройство позволяет формировать оболочку микро-или субмикронных структур из полимерного раствора низкой вязкости.
Итак, заявляемое устройство позволяет равномерно распылять полимерный раствор с веществом для инкапсуляции, при одновременной возможности регулировать форму и размер сформированных микро- или субмикронных структур, и осуществлять модификацию их поверхности в процессе осаждения на осадительный электрод.
Равномерное распыление обеспечивается за счет образования равномерного вихревого потока в конфузоре, обусловленного его геометрическими размерами.
1. Устройство для коаксиального электрогидродинамического формования полимерных микро- или субмикронных структур, содержащее коаксиально расположенные внешний капилляр для подачи полимерного раствора и внутренний капилляр для подачи инкапсулируемого вещества, закрепленные в корпусе и соединенные с первым источником высокого напряжения, осадительный электрод, отличающееся тем, что дополнительно содержит расположенный между корпусом и заземленным осадительным электродом конфузор с каналами для подачи газа в пространство между конфузором и заземленным осадительным электродом, а также второй источник высокого напряжения, соединенный с осадительным электродом.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что осадительный электрод представляет собой металлическую пластину с керамическим покрытием.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус для внешнего и внутреннего капилляров изготовлен из акрилонитрилбутадиенстирола методом 3D-печати, а конфузор изготовлен из нейлона методом 3D-печати.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус в нижней части снабжен кольцевым электродом для подключения внешнего капилляра к первому источнику высокого напряжения.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внешний и внутренний капилляры изготовлены из стали 12Х18М10 с тефлоновым покрытием.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью изменения расстояния между корпусом и конфузором.
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каналы для подачи газа выполнены с возможностью подачи модифицирующего агента в виде нанодисперсных частиц на поверхность формируемых структур.
