Elektrospinning-Methode

Was ist das Elektrospinning-Verfahren?

Das Elektrospinning ist ein Nanofaser-Herstellungsverfahren, bei dem ein elektrisches Hochspannungsfeld auf eine Polymerlösung oder -schmelze angewendet wird. Dieses Feld bewirkt die Bildung eines geladenen Strahls, der sich verlängert und zu ultrafeinen Fasern verfestigt. Diese Fasern werden zufällig auf einem Kollektor abgelagert und bilden eine hochporöse Fasermatte mit einem idealen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für Zelladhäsion und Gerüstbildung (Scaffold).

Das Elektrospinning ermöglicht die Herstellung maßgeschneiderter Mikrostrukturen mit kontrollierter Porosität, Faserstärke und Ausrichtung – entscheidende Parameter für die biomedizinische Technik und Geweberegeneration. Das Verfahren ist einfach, aber vielseitig und ermöglicht auch die Verkapselung aktiver Komponenten sowie die Herstellung multifunktionaler, mehrschichtiger Materialien.

Komponenten eines Elektrospinning-Aufbaus

Das Elektrospinning-Verfahren bei Applus+ Laboratories umfasst:

• Polymer-Zuführsystem: Spritze oder Reservoir mit der Polymerlösung
• Hochspannungs-Stromversorgung: Erzeugt das für die Strahlbildung erforderliche elektrische Feld
• Spinneret (Nadel oder Düse): Initiiert den Polymerstrahl
• Kollektor (Flachplatte oder rotierende Trommel): Fängt die Nanofasern auf und definiert die Mattengeometrie

Um eine Reproduzierbarkeit und Materialkonsistenz zu gewährleisten, werden Umgebungsparameter wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit kontrolliert.

Wie funktioniert das Elektrospinning?

Das Elektrospinning nutzt elektrostatische Kräfte, um eine Polymerlösung zu kontinuierlichen Nanofasern zu strecken. Beim Austritt aus der Düse bewirkt das elektrische Feld, dass der Strahl peitscht und sich verlängert, wodurch sein Durchmesser verringert wird. Die Verdampfung des Lösungsmittels oder die thermische Erstarrung stabilisiert die Fasern, die dann auf einem geerdeten Kollektor abgelagert werden.

Wichtige Einflussfaktoren sind:

• Eigenschaften der Lösung (Polymertyp, Konzentration, Lösungsmittel)
• Prozessparameter (Spannung, Flussrate, Kollektor-Geschwindigkeit)
• Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit)

Die Orientierung und Morphologie der Fasern kann durch Anpassung der Kollektor-Geschwindigkeit und der Umgebungsbedingungen gesteuert werden, sodass zufällig verteilte oder hochorientierte Fasern sowie komplexe Strukturen (Kern-Mantel, Hohlfasern) erzeugt werden können.

Dieses Verfahren ermöglicht es Applus+ Laboratories, Gerüste mit folgenden Eigenschaften herzustellen:

• Hohe Porosität (>90 %)
• Vernetzte Porensysteme
• Anpassbare mechanische Eigenschaften
• Biokompatibilität für medizinische Anwendungen

Verwendete Polymere beim Elektrospinning

Applus+ Laboratories verwendet eine breite Palette von Polymeren, darunter:

• Resorbierbare Polymere: z. B. Polymilchsäure (PLA), Polycaprolacton (PCL)
• Synthetische und nicht-resorbierbare Polymere: z. B. Polyurethan, PVDF, Polyethylenoxid (PEO)
• Natürliche Polymere: Seidenfibroin, Chitosan
• Mehrkomponenten-/Mehrschichtsysteme: für verbesserte mechanische oder biologische Eigenschaften

Diese Materialien werden je nach anwendungsspezifischen Anforderungen wie Abbaurate, mechanischer Festigkeit und regulatorischer Konformität ausgewählt.

Welche Vorteile bietet das Elektrospinning?

Das Elektrospinning bietet zahlreiche Vorteile für die Entwicklung fortschrittlicher Materialien:

• Präzise Kontrolle über Faserstruktur und Gerüstarchitektur
• Große spezifische Oberfläche für verbesserte Zellinteraktion und Wirkstofffreisetzung
• Vielseitigkeit bei der Polymerauswahl und -funktionalisierung
• Nachbildung der extrazellulären Matrix für die Gewebetechnik
• Skalierbare Produktion für Medizinprodukte und industrielle Anwendungen
• Hohe Porosität und Durchlässigkeit für Filter- und Energieanwendungen
• Möglichkeit zur Verkapselung aktiver Komponenten für kontrollierte Freisetzung

Erfolgsbeispiele

Gesundheitswesen

• Intelligentes Medizinprodukt für die Knochenrekonstruktion (SBR-Projekt): Verkapselung aktiver Substanzen in Liposomen in Kern-Mantel-Fasern und Aufbau von 3D-Scaffolds/elektrogesponnenen Patches.
• Innovatives Biomaterial für ein Hautäquivalent (TISSYOU-Projekt): Zweischichtiges System mit kontrollierter Porosität und mechanischen Eigenschaften.

Energie

• Elektrogesponnene Separatoren für Batterien
• Protonenaustauschmembranen für Brennstoffzellen.

Unsere Expertise umfasst:

• Prozessoptimierung: Einfluss von Prozessparametern und Sterilisation auf die Abbaukinetik, Haftung zwischen Schichten, Reproduzierbarkeit, Umsetzung auf großen Flächen
• Charakterisierung: Haftung, REM, Durchlässigkeit, mechanische Prüfungen
• Kompetenzen: Oberflächen- und integrierte Funktionalisierung, Anpassung mechanischer Eigenschaften und Porosität, Optimierung der Freisetzungs- und Abbauraten für medizinische Anwendungen

Bei Applus+ Laboratories ist das Elektrospinning in die F&E-Prozesse integriert, um Innovationen bei Implantaten, Wundheilungsmatrizen und bioaktiven Beschichtungen zu unterstützen. Wir engagieren uns für Innovation und Co-Entwicklung und treiben die Grenzen des Elektrospinnings für neue Anwendungen in den Bereichen Gesundheit, Energie und Umwelttechnologien stetig voran.