CZ309644B6 - Biocompatible and biodegradable non-woven fibre structure containing submicron fibres based on silicon dioxide, biogenic ions and a functional surface for binding active substances and producing it - Google Patents

Biocompatible and biodegradable non-woven fibre structure containing submicron fibres based on silicon dioxide, biogenic ions and a functional surface for binding active substances and producing it Download PDF

Info

Publication number
CZ309644B6
CZ309644B6 CZ2021-479A CZ2021479A CZ309644B6 CZ 309644 B6 CZ309644 B6 CZ 309644B6 CZ 2021479 A CZ2021479 A CZ 2021479A CZ 309644 B6 CZ309644 B6 CZ 309644B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
spinning
sol
ions
alkoxy silane
fibers
Prior art date
Application number
CZ2021-479A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ2021479A3 (en
Inventor
Miroslava Rysová
Miroslava Ing. Rysová
Hana Tománková
Mgr. Tománková Hana Ing.
Original Assignee
Technická univerzita v Liberci
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technická univerzita v Liberci filed Critical Technická univerzita v Liberci
Priority to CZ2021-479A priority Critical patent/CZ309644B6/en
Priority to PCT/CZ2021/050133 priority patent/WO2023061520A1/en
Publication of CZ2021479A3 publication Critical patent/CZ2021479A3/en
Publication of CZ309644B6 publication Critical patent/CZ309644B6/en

Links

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M13/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with non-macromolecular organic compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
    • D06M13/50—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with non-macromolecular organic compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with organometallic compounds; with organic compounds containing boron, silicon, selenium or tellurium atoms
    • D06M13/51—Compounds with at least one carbon-metal or carbon-boron, carbon-silicon, carbon-selenium, or carbon-tellurium bond
    • D06M13/513—Compounds with at least one carbon-metal or carbon-boron, carbon-silicon, carbon-selenium, or carbon-tellurium bond with at least one carbon-silicon bond
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/54—Biologically active materials, e.g. therapeutic substances
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/10—Ceramics or glasses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y5/00—Nanobiotechnology or nanomedicine, e.g. protein engineering or drug delivery
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D1/00—Treatment of filament-forming or like material
    • D01D1/02—Preparation of spinning solutions
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0015—Electro-spinning characterised by the initial state of the material
    • D01D5/003—Electro-spinning characterised by the initial state of the material the material being a polymer solution or dispersion
    • D01D5/0038—Electro-spinning characterised by the initial state of the material the material being a polymer solution or dispersion the fibre formed by solvent evaporation, i.e. dry electro-spinning
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
    • D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
    • D01F1/10—Other agents for modifying properties
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
    • D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
    • D01F1/10—Other agents for modifying properties
    • D01F1/103—Agents inhibiting growth of microorganisms
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F11/00—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture
    • D01F11/10—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon
    • D01F11/14—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon with organic compounds, e.g. macromolecular compounds
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F11/00—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture
    • D01F11/10—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon
    • D01F11/16—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon by physicochemical methods
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/72—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
    • D04H1/728—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by electro-spinning
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M13/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with non-macromolecular organic compounds; Such treatment combined with mechanical treatment

Abstract

The solution concerns a biocompatible and biodegradable nonwoven fibre structure with submicron silica-based fibres, biogenic ions and a functional surface for binding active substances. The fibres are created by spinning a sol prepared by the sol-gel method and have directly in their volume during spinning bioactive ions from the group of calcium and/or copper and/or zinc and/or silver ions, and the surface of the fibres is functionalized with aminoalkyl alkoxy silane or epoxy alkyl alkoxy silane.The solution further relates to the method of producing the biocompatible and biodegradable nonwoven fibre structure, in which the sol prepared by the sol-gel method is spun. Prior to spinning, the salt is synthesized from a low-molecular-weight precursor of tetra-alkoxysilane by the sol-gel method in alcohol with the addition of water under acid catalysis, this salt is doped with bioactive ions in the form of salts during its preparation before spinning, and after spinning, the surface of the fibres is functionalized with aminoalkyl alkoxy silane or epoxy alkyl alkoxy silane.

Description

Biokompatibilní a biodegradabilní netkaná vlákenná struktura s obsahem submikronových vláken na bázi oxidu křemičitého, biogenních iontů a funkčním povrchem pro vazbu aktivních látek a způsob její výrobyBiocompatible and biodegradable non-woven fiber structure containing submicron fibers based on silicon dioxide, biogenic ions and a functional surface for the binding of active substances and its production method

Oblast technikyField of technology

Vynález se týká stabilní a zároveň biokompatibilní a biodegradabilní netkané vlákenné struktury s obsahem submikronových vláken na bázi oxidu křemičitého dopovaných bioaktivními ionty či jejich směsí s povrchem nesoucím funkční skupiny modifikující povrchové vlastnosti vláken a umožňující případnou vazbu aktivních látek na tento povrch.The invention relates to a stable and at the same time biocompatible and biodegradable non-woven fiber structure containing submicron fibers based on silicon dioxide doped with bioactive ions or their mixture with a surface bearing functional groups modifying the surface properties of the fibers and enabling the possible binding of active substances to this surface.

Vynález se týká také způsobu výroby těchto netkaných vlákenných struktur.The invention also relates to a method of producing these non-woven fiber structures.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Vlákenné struktury s obsahem submikronových vláken a nanovláken představují díky svým unikátním vlastnostem - tedy především malému rozměru pórů při současné vysoké porozitě a malému průměru vláken vedoucímu k enormně vysokému měrnému povrchu dostupnému k vazbě molekul či průběhu katalytických reakcí, struktury s vysokým aplikačním potenciálem v medicíně a biotechnologiích. Pro oblast medicíny jsou submikronové vlákenné struktury využitelné zejména jako nosiče pro tkáňové inženýrství různých tkání a také jako kryt ran. Zde je využívána podobnost uměle připravených vlákenných struktur s přirozeně se vyskytujícími strukturami extracelulární hmoty (ECM) a/nebo membránového efektu, který stimuluje prostředí rány, podporuje tzv. vlhké hojení a současně umožňuje výměnu plynů mezi ránou a vnějším prostředím. Pro dosažení tohoto efektu musí být splněno několik podmínek, z nichž nejpodstatnější je zachování dostatečné porozity ve vlhkém prostředí.Fiber structures containing submicron fibers and nanofibers represent structures with high application potential in medicine and biotechnologies. For the field of medicine, submicron fibrous structures are particularly useful as carriers for tissue engineering of various tissues and also as a wound cover. Here, the similarity of artificially prepared fibrous structures with naturally occurring structures of extracellular matter (ECM) and/or the membrane effect is used, which stimulates the wound environment, promotes so-called moist healing and at the same time enables gas exchange between the wound and the external environment. To achieve this effect, several conditions must be met, the most essential of which is maintaining sufficient porosity in a humid environment.

Hojení porušené či růst zcela nové tkáně může být také podpořeno přítomností signálních a bioaktivních a biogenních molekul a iontů, které podporují buněčnou migraci, diferenciaci či stimulaci tvorby vybraných komponent ECM. Zároveň mohou být tyto látky využity i k dekontaminaci infikované rány či předcházení vzniku postoperativních infekcí. Mezi takové biogenní látky se řadí například křemík, jehož přítomnost v nízkých koncentracích podporuje hojení a stimuluje tvorbu kolagenu. Dále byl popsán účinek iontů stříbra a mědi jako látek s vysokým antimikrobiálním účinkem.The healing of damaged or the growth of completely new tissue can also be supported by the presence of signaling and bioactive and biogenic molecules and ions that support cell migration, differentiation or stimulation of the formation of selected ECM components. At the same time, these substances can also be used to decontaminate an infected wound or prevent the occurrence of postoperative infections. Such biogenic substances include, for example, silicon, the presence of which in low concentrations promotes healing and stimulates collagen production. Furthermore, the effect of silver and copper ions as substances with a high antimicrobial effect was described.

V biotechnologických aplikacích ale i medicínských aplikacích se využívá konjugace aktivních molekul na různé substráty za účelem zlepšení jejich stability, snížení zatížení daného reakčního prostředí volnými aktivními molekulami a prodloužení jejich účinné doby při aplikaci in situ. Zde je možné využít kombinaci bioaktivních iontů a například konjugovaných enzymů, jejichž katalytická aktivita může být přímo závislá anebo podpořená přítomností a pozvolným uvolňováním vybraných bioaktivních iontů. Takový efekt byl popsán například v případě vápenatých iontů ve vztahu k aktivitě enzymu trypsin nebo zinku ve vztahu k aktivitě trávicích enzymů.In biotechnological applications as well as in medical applications, the conjugation of active molecules to various substrates is used in order to improve their stability, reduce the load of the given reaction environment with free active molecules and extend their effective time when applied in situ. Here it is possible to use a combination of bioactive ions and, for example, conjugated enzymes, whose catalytic activity can be directly dependent on or supported by the presence and gradual release of selected bioactive ions. Such an effect has been described, for example, in the case of calcium ions in relation to the activity of the enzyme trypsin or zinc in relation to the activity of digestive enzymes.

V takovém případě následná funkcionalizace povrchu vede ke změně smáčivosti povrchu vodným roztokem, který má následně dva efekty. Jednak zvyšuje účinnost následné vazby aktivní molekuly z vodných pufrů a zároveň vede ke zlepšení kinetiky uvolňování inkorporovaných iontů podporující aktivitu vázané molekuly. Tento efekt je možné podpořit také aplikací fyzikálních metod v průběhu výroby vlákenného krytu, které vedou ke zlepšení smáčivosti povrchu před samotnou chemickou funkcionalizací (roubováním funkčních skupin) a zvyšují účinnost tohoto procesu a počet funkčních skupin na jednotku plochy.In such a case, the subsequent functionalization of the surface leads to a change in the wettability of the surface with an aqueous solution, which subsequently has two effects. On the one hand, it increases the efficiency of the subsequent binding of the active molecule from aqueous buffers and at the same time leads to an improvement in the kinetics of the release of incorporated ions supporting the activity of the bound molecule. This effect can also be supported by the application of physical methods during the production of the fiber cover, which lead to an improvement in the wettability of the surface before the chemical functionalization (grafting of functional groups) and increase the efficiency of this process and the number of functional groups per unit area.

- 1 CZ 309644 B6- 1 CZ 309644 B6

Z CZ PV 2003-2421 A3, respektive z WO 2005024101 A1, je znám postup výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním, avšak nejsou zde blíže specifikovány polymerní roztoky pro přípravu vláken.From CZ PV 2003-2421 A3, respectively from WO 2005024101 A1, the procedure for the production of nanofibers by electrostatic spinning is known, but the polymer solutions for the preparation of the fibers are not specified in more detail.

CZ PV 2012-549 A3 popisuje nanovlákennou strukturu s imobilizovaným organickým agens, která je tvořena čistě křemičitými nanovlákny s povrchem modifikovaným aminoalkoxysilanem a s následně imobilizovaným organickým agens. Tato nanovlákenná struktura se vyrábí tak, že z výchozího solu syntetizovaného metodou sol-gel z tetraalkoxysilanu se elektrostatickým zvlákňováním vytvoří čistě křemičitá nanovlákna, která se následně tepelně zpracují a poté se povrch nanovláken modifikuje roztokem aminoalkoxysilanu, načež se na takto modifikovaný povrch nanovláken imobilizují organická agens.CZ PV 2012-549 A3 describes a nanofibrous structure with an immobilized organic agent, which is made up of pure silicon nanofibers with a surface modified with an aminoalkoxysilane and subsequently immobilized organic agent. This nanofibrous structure is produced by electrospinning pure silica nanofibers from the starting sol synthesized by the sol-gel method from tetra alkoxysilane, which are subsequently heat-treated, and then the surface of the nanofibers is modified with an aminoalkoxysilane solution, after which organic agents are immobilized on the thus modified surface of the nanofibers .

CZ 34116 U1, se zabývá přípravou čistě křemičitých nanovláken s roubovanými funkčními skupinami a imobilizovaným organickým agens. Pro zvýšení účinnosti vazby je zde kombinována předúprava povrchu plazmatem a na ni navazující chemická modifikace.CZ 34116 U1, deals with the preparation of pure silica nanofibers with grafted functional groups and an immobilized organic agent. In order to increase the bonding efficiency, plasma surface pretreatment and subsequent chemical modification are combined here.

Z CZ PV 2015-406 A3 je znám způsob výroby hybridní nanovlákenné struktury s imobilizovanými aktivními látkami spočívající v tom, že se provede příprava výchozího hybridního solu metodou sol-gel, a to tak, že základní reakční směs obsahující tetraalkoxysilan je obohacena o podíl aminopropyltriethoxysilanu, načež takto připravený hybridní sol je následně zvlákněn, přičemž dále vytvořená nanovlákenná struktura je tepelně stabilizována při specifických podmínkách, a to působením teploty do 200 °C. Načež konečně takto vytvořená nanovlákenná vrstva s aktivním povrchem je vystavena působení roztoku pro imobilizaci vybrané aktivní látky, kde tato aktivní látka je prostřednictvím peptidických a/nebo vodíkových vazeb vázána na povrch uvedené nanovlákenné vrstvy. Technické řešení se týká také hybridní nanovlákenné struktury, vytvořené jako nanovlákenná prostorová struktura na bázi nanovláken aktivovaných -NH2 skupinami, kde na povrchu nanovláken je navázána aktivní látka, a to vazbou peptidickou nebo vazbou vodíkovými můstky, přičemž přednostně se jedná o hybridní nanovlákennou vrstvu vyrobenou způsobem, jak výše uvedeno, kde pak aktivní látkou je přednostně léčivá látka či léčivo. U takto připravených nanovlákenných struktur je však omezená dostupnost funkčních skupin dostupných na povrchu nanovláken k další vazbě aktivních agens.From CZ PV 2015-406 A3, a method for the production of a hybrid nanofibrous structure with immobilized active substances is known, which consists in the preparation of the starting hybrid sol by the sol-gel method, in such a way that the basic reaction mixture containing tetraalkoxysilane is enriched with a proportion of aminopropyltriethoxysilane, after which the thus prepared hybrid sol is subsequently spun, while the further formed nanofibrous structure is thermally stabilized under specific conditions, namely by applying a temperature of up to 200 °C. Finally, the nanofibrous layer with an active surface created in this way is exposed to a solution for immobilizing the selected active substance, where this active substance is bound to the surface of said nanofibrous layer by means of peptide and/or hydrogen bonds. The technical solution also relates to a hybrid nanofibrous structure, created as a nanofibrous spatial structure based on nanofibers activated by -NH2 groups, where an active substance is bound to the surface of the nanofibers, namely by a peptide bond or a bond by hydrogen bridges, while it is preferably a hybrid nanofibrous layer produced by , as mentioned above, where the active substance is preferably a medicinal substance or medicine. However, in the nanofibrous structures prepared in this way, the availability of functional groups available on the surface of the nanofibers for further binding of active agents is limited.

CZ PV 2012-549 A3, CZ 34116 U1, CZ PV 2015-406 A3 neobsahují bioaktivní ionty kromě křemíku, který je jejich základní stavební složkou, ale jehož uvolňování ze struktury není deklarováno.CZ PV 2012-549 A3, CZ 34116 U1, CZ PV 2015-406 A3 do not contain bioactive ions except for silicon, which is their basic structural component, but whose release from the structure is not declared.

V dokumentu WO 2009018104 A1 je pro přípravu křemičitých nanovláken jako výchozí prekurzor používán methyltrimethoxysilan. Bez tepelného zpracování nanovláken podle WO 2009018104 A1 nebo při nízkých teplotách tepelného pracování nanovláken podle WO 2009018104 A1 mají tato nanovlákna v důsledku přítomnosti methylové skupiny na svém povrchu hydrofobní vlastnosti a vykazují nízký počet Si-OH skupin na povrchu potřebných pro případnou následnou modifikaci povrchu aminoalkylalkoxysilanem. Z těchto důvodů není řešení podle WO 2009018104 A1 vhodné pro přípravu výchozích křemičitých nanovláken pro následnou modifikaci povrchu a případnou imobilizaci organických agens.In the document WO 2009018104 A1, methyltrimethoxysilane is used as a starting precursor for the preparation of silicon nanofibers. Without heat treatment of nanofibers according to WO 2009018104 A1 or at low temperatures of heat treatment of nanofibers according to WO 2009018104 A1, due to the presence of a methyl group on their surface, these nanofibers have hydrophobic properties and show a low number of Si-OH groups on the surface needed for possible subsequent modification of the surface with aminoalkylalkoxysilane. For these reasons, the solution according to WO 2009018104 A1 is not suitable for the preparation of initial silicon nanofibers for subsequent surface modification and possible immobilization of organic agents.

Dokumenty JP 20040041335 A, JP 20040161234 A a JP 20040243580 A popisují přípravu organicko-anorganického nanovlákenného kompozitu složeného z pravidelné kostry polyethylenimidových vláken s vrstvami oxidu křemičitého nanesených metodou sol-gel. Výsledný kompozitní materiál má sloužit k záchytu nebo koncentraci různých látek v připravené struktuře, k záchytu žádaných částic však dochází pouze jako u filtru, tj. v mezerách mezi jednotlivými nanovlákny, nebo prostou adsorpcí žádaných částic do objemu nanovlákenného kompozitu.Documents JP 20040041335 A, JP 20040161234 A and JP 20040243580 A describe the preparation of an organic-inorganic nanofibrous composite composed of a regular skeleton of polyethylene imide fibers with silicon dioxide layers deposited by the sol-gel method. The resulting composite material is intended to capture or concentrate various substances in the prepared structure, but capture of desired particles occurs only as with a filter, i.e. in the gaps between individual nanofibers, or by simple adsorption of desired particles into the volume of the nanofiber composite.

Balicí papír podle KR 20090058155 A je vyrobený z nanovláken, která byla získána elektrostatickým zvlákňováním biodegradabilního organického polymeru s přídavkem solu oxiduWrapping paper according to KR 20090058155 A is made of nanofibers obtained by electrospinning a biodegradable organic polymer with the addition of an oxide salt

- 2 CZ 309644 B6 křemičitého a dusičnanu stříbrného. Výsledný produkt má antiseptické a antibakteriální vlastnosti, avšak nevykazuje funkční povrch a není uzpůsoben pro imobilizaci organických agens.- 2 CZ 309644 B6 silicon and silver nitrate. The resulting product has antiseptic and antibacterial properties, but does not have a functional surface and is not suitable for immobilizing organic agents.

KR 20100058372 A uvádí přípravu katalyzátoru z mezoporézních nanovláken oxidu křemičitého připravených růstem z plané fáze a následným zavedením katalyzátoru pomocí silanu na povrch a do pórů takto vytvořených vláken. Výsledný produkt je deklarován jako katalyzátor různých organických reakcí, ovšem neobsahuje biogenní ionty a ani neslouží pro imobilizaci organických agens.KR 20100058372 A describes the preparation of a catalyst from mesoporous silica nanofibers prepared by growth from the void phase and subsequent introduction of the catalyst by means of silane onto the surface and into the pores of the thus formed fibers. The resulting product is declared as a catalyst for various organic reactions, but does not contain biogenic ions and does not serve to immobilize organic agents.

Užitný vzor CZ 34086 U1, popisuje kryt rány s nanovlákennou vrstvou pro dopravu léčiv, přičemž aktivní látka je zde vázána v nosných nanočásticích - liposomech, pro něž nanovlákenná struktura funguje jako podpůrný systém umožňující jejich aplikaci do prostoru rány. Jako podpůrná nanovlákna zde mohou být použita i nanovlákna připravená elektrostatickým zvlákněním organosilikátu. Tato vlákna nejsou jinak povrchově fukcionalizována. Nevýhodou tohoto řešení je nemožnost vazby dalších aktivních látek.Utility model CZ 34086 U1 describes a wound cover with a nanofibrous layer for the transport of drugs, while the active substance is bound here in carrier nanoparticles - liposomes, for which the nanofibrous structure functions as a support system enabling their application into the wound space. Nanofibers prepared by electrostatic spinning of organosilicate can also be used as supporting nanofibers. These fibers are not otherwise surface functionalized. The disadvantage of this solution is the impossibility of binding other active substances.

Z patentového dokumentu CZ PV 2012-166 A3 a užitného vzoru CZ 31723 U1 jsou známy vlákenné (nanovlákenné a mikrovlákenné) biokompatibilní struktury využitelné k ošetření ran a kožních defektů. V případě CZ 31723 U1 neobsahuje struktura na bázi kopolymeru L-laktidu a ε-kaprolaktonu na svém povrchu funkční skupiny pro vazbu agens ani neobsahuje bioaktivní ionty. V případě CZ PV 2012-166 A3 je nevýhodou materiálu na bázi karboxymethylované celulózy nízká stabilita ve vodném prostředí, nepřítomnost aktivních látek/iontů a omezená funkčnost povrchu.From the patent document CZ PV 2012-166 A3 and the utility model CZ 31723 U1, fibrous (nano-fibrous and micro-fibrous) biocompatible structures usable for the treatment of wounds and skin defects are known. In the case of CZ 31723 U1, the structure based on the copolymer of L-lactide and ε-caprolactone does not contain functional groups for binding agents on its surface, nor does it contain bioactive ions. In the case of CZ PV 2012-166 A3, the disadvantage of the material based on carboxymethyl cellulose is its low stability in an aqueous environment, the absence of active substances/ions and limited surface functionality.

Jsou také známa řešení s obsahem iontů, případně i řešení představující konjugaci enzymů na polymerních nanovlákna.Solutions containing ions are also known, or solutions representing the conjugation of enzymes on polymer nanofibers.

Z patentového dokumentu EP 3042628 A1 jsou známy vlákenné dentální implantáty na bázi bioskla. Ty však neobsahují povrchově funkcionalizovaná vlákna submikronového průměru a jejich struktura je založena především na obsahu fosfátových složek jako jsou trikalciumfosfát a další. Z patentového dokumentu WO 2007017756 A2 je známo řešení přípravy scaffoldů na bázi bioskla. Ty jsou však připravovány vrstvením přes polymerní templát a neobsahují submikronová vlákna. Situace je stejná i u ostatních bioskel, i když tato obsahují bioaktivní ionty, tak jejich struktura obsahuje další složky, není povrchově funkční a vlákenná.Fiber dental implants based on bioglass are known from patent document EP 3042628 A1. However, these do not contain surface-functionalized fibers with a submicron diameter, and their structure is primarily based on the content of phosphate components such as tricalcium phosphate and others. From the patent document WO 2007017756 A2, a solution for the preparation of bioglass-based scaffolds is known. However, these are prepared by layering over a polymer template and do not contain submicron fibers. The situation is the same with other bioglasses, even if these contain bioactive ions, their structure contains other components, it is not surface functional and fibrous.

Nedostatkem dosavadního stavu techniky je absence komplexního řešení, které by současně umožnovalo využití účinku bioaktivních iontů a možnosti povrchové imobilizace aktivních látek v dostatečném množství a dosažení jejich synergického efektu.The lack of the current state of the art is the absence of a comprehensive solution that would simultaneously enable the use of the effect of bioactive ions and the possibility of surface immobilization of active substances in sufficient quantities and achieving their synergistic effect.

Cílem tohoto vynálezu je odstranit nebo alespoň minimalizovat nevýhody dosavadního stavu techniky.The aim of this invention is to eliminate or at least minimize the disadvantages of the prior art.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Vynález je dosažen křemičitou netkanou vlákennou strukturou s průměrem vláken v submikronovém měřítku dopovanou bioaktivními ionty a zároveň povrchově funkcionalizovanou tak, aby byla dosažena 2D nebo 3D struktura se zvýšenou antibakteriální aktivitou či jinou biologickou aktivitou, a zároveň umožněna aplikace netkané vlákenné struktury v této podobě či její další využití pro konjugaci molekul na jejich povrch v dostatečném množství díky modifikaci povrchu aminoalkylalkoxysilanem nebo epoxyalkylalkoxysilanem. Taková modifikace vede ke zvýšení smáčivosti povrchu a zároveň umožňuje elektrostatickou vazbu, vodíkovou vazbu nebo kovalentní vazbu dle využití konjugační chemie, přičemž účinnost modifikace může být zvýšena doplněním o fyzikální aktivaci povrchu vláken plazmatickou úpravou.The invention is achieved by a siliceous non-woven fiber structure with a fiber diameter in the submicron scale doped with bioactive ions and at the same time surface functionalized in such a way as to achieve a 2D or 3D structure with increased antibacterial activity or other biological activity, and at the same time enabling the application of the non-woven fiber structure in this form or its further use for the conjugation of molecules on their surface in sufficient quantity thanks to the modification of the surface with aminoalkylalkoxysilane or epoxyalkylalkoxysilane. Such a modification leads to an increase in the wettability of the surface and at the same time enables electrostatic bonding, hydrogen bonding or covalent bonding depending on the use of conjugation chemistry, while the effectiveness of the modification can be increased by adding physical activation of the fiber surface by plasma treatment.

- 3 CZ 309644 B6- 3 CZ 309644 B6

Křemičitá submikronová vlákna jsou v tomto vynálezu využívána jako nosný substrát z důvodu jejich biokompatibility, unikátního způsobu biodegradace a také díky širokým možnostem jejich povrchových modifikací. U nanostruktur na bázi oxidu křemičitého byla prokázána nejen biokompatibilita vůči různým typům tkáně, ale i jejich bioaktivita díky uvolňování kyseliny ortokřemičité při jejich degradaci. Ta probíhá postupnou erozí povrchu, kdy nedochází ke snižování porozity vrstvy vlivem bobtnání jednotlivých vláken. Další nespornou výhodou křemičitých vláken je vysoký podíl silanolových Si-OH skupin na jejich povrchu, jež mohou být využity k modifikaci jejich povrchu prostřednictvím kovalentní vazby funkčního alkoxysilanu. Četnost výsledných funkčních skupin vpravených na povrch je potom modifikována podmínkami reakce a může být zvýšena také předúpravou povrchu vláken před samotnou vazbou.Silica submicron fibers are used in this invention as a supporting substrate due to their biocompatibility, unique method of biodegradation and also due to the wide possibilities of their surface modifications. Silicon dioxide-based nanostructures have been proven not only biocompatible with different types of tissue, but also bioactive due to the release of orthosilicic acid during their degradation. This takes place through the gradual erosion of the surface, when the porosity of the layer does not decrease due to the swelling of the individual fibers. Another indisputable advantage of silica fibers is the high proportion of silanol Si-OH groups on their surface, which can be used to modify their surface through the covalent bond of a functional alkoxysilane. The frequency of the resulting functional groups introduced to the surface is then modified by the reaction conditions and can also be increased by pre-treating the surface of the fibers before the binding itself.

Podstata výroby netkané submikrovlákenné struktury spočívá v přípravě zvlákňovacího solu. Ten je připraven metodou sol-gel z tetraalkoxysilanu prostřednictvím kyselé katalýzy v alkoholovém prostředí, ovšem bez přídavku dalšího pomocného polymeru, a v průběhu procesu přípravy je tento sol dopován vybranými bioaktivními ionty ve formě vhodných sloučenin - nejčastěji dusičnanů. Takto připravený sol je následně zpracován do podoby netkané textilie s průměry vláken v submikronovém měřítku. V závislosti na parametrech zvlákňovacího solu a podmínkách zvlákňování je možné dosáhnout i struktur s většinovým podílem nanovláken (tedy vláken s průměrem <100 nm) ve struktuře. Výroba vlákenného útvaru může probíhat jak metodou elektrostatického, tak i odstředivého zvlákňování. Vytvořená netkaná vlákenná struktura je následně tepelně stabilizována a případně upravena vhodným typem plazmatu. Tento krok zvyšuje účinnost povrchové funkcionalizace alkoxysilanem, ovšem není nezbytný. Následně je povrch modifikován zvoleným aminoalkylalkoxysilanem nebo epoxyalkylalkoxysilanem. Tímto je dosaženo biokompatibilní a bioaktivní netkané vlákenné vrstvy s funkčním povrchem dostupným pro vazbu aktivní látky na její povrch prostřednictvím zvolené konjugační chemie.The essence of the production of a non-woven submicrofibrous structure consists in the preparation of a spinning sol. It is prepared by the sol-gel method from tetra-alkoxysilane through acid catalysis in an alcoholic environment, but without the addition of another auxiliary polymer, and during the preparation process this sol is doped with selected bioactive ions in the form of suitable compounds - most often nitrates. The salt prepared in this way is subsequently processed into a non-woven fabric with fiber diameters on a submicron scale. Depending on the parameters of the spinning sol and the spinning conditions, it is also possible to achieve structures with a majority of nanofibers (i.e. fibers with a diameter of <100 nm) in the structure. The production of a fibrous structure can take place both by the method of electrostatic and centrifugal spinning. The created non-woven fiber structure is subsequently thermally stabilized and possibly treated with a suitable type of plasma. This step increases the effectiveness of the surface functionalization with the alkoxysilane, but is not necessary. Subsequently, the surface is modified with the chosen aminoalkyl alkoxy silane or epoxy alkyl alkoxy silane. This achieves a biocompatible and bioactive nonwoven fiber layer with a functional surface available for the binding of the active substance to its surface through the chosen conjugation chemistry.

Při přípravě zvlákňovacího solu dopovaného jednotlivými bioaktivními ionty (Ca2+, Zn2+, Ag+, Cu2+) nebo jejich kombinací, přičemž zvlákňovací sol je vytvořený metodou sol-gel z tetraalkoxysilanu při zapojení kyselé katalýzy, musí být dodrženy následující poměry vstupních surovin.During the preparation of spinning sol doped with individual bioactive ions (Ca 2+ , Zn 2+ , Ag + , Cu 2+ ) or their combination, while the spinning sol is created by the sol-gel method from tetra-alkoxysilane with the involvement of acid catalysis, the following ratios of input raw materials.

V případě molárního poměru tetraalkoxysilanu vůči vodě je tento držen v rozmezí 0,3 až 0,65 a zároveň molární poměr kyseliny vůči tetraalkoxysilanu je udržován v rozmezí 0,005 až 1. Při dopování bioaktivními ionty je potom nezbytné udržení molárního poměru soli vůči tetraalkoxysilanu v rozmezí 0,001 až 0,25. Po ukončení polykondenzační reakce je upravena koncentrace zvlákňovacího solu na rozmezí 25 až 45 %. Tímto postupem je připraven zvlákňovací sol, při jehož zpracování je možné dosáhnout netkané vlákenné struktury s průměrem vláken v submikronovém měřítku. Struktura připravené vrstvy je určena zvolenou metodou zvlákňování, kdy použití elektrostatického zvlákňování vede k přípravě převážně 2D struktur, zatímco použití odstředivého zvlákňování umožňuje tvorbu 3D struktur s vyšším podílem a rozměrem mezivlákenných pórů. Průměr vláken ve vrstvě a tloušťka zvlákněné vrstvy je určena podmínkami zvlákňování. Nejčastěji se plošná hmotnost pohybuje v rozmezí 10 až 50 g/m2, ovšem tyto hranice nejsou omezující. Připravené struktury jsou dále tepelně upraveny pro dosažení vyšší mechanické stability. Tepelná stabilizace probíhá nejčastěji při teplotách do 350 °C, ovšem další úpravy je možné realizovat i bez tepelné úpravy. Stejně tak může být vrstva před vazbou funkčních skupin hydrofilizována fyzikální úpravou nízkotlakým plazmatem nebo plazmatem prováděným při atmosférickém tlaku. Tato úprava vede ke zvýšení počtu Si-OH skupin na povrchu, čímž je následně dosaženo vyšší funkčnosti povrchu. Úprava plazmatem může být také využita u vláken stabilizovaných při teplotách nad 350 °C k opětovné indukci Si-OH ztracených vlivem tepelné úpravy provedené za účelem dosažení vyšší mechanické odolnosti vrstvy. Vyšší teplotou nedochází u křemičitých nanovláken ke ztrátě biokompatibility. Ta byla potvrzena u vláken upravovaných až do teploty 750 °C.In the case of the molar ratio of tetraalkoxysilane to water, this is kept in the range of 0.3 to 0.65, and at the same time, the molar ratio of acid to tetraalkoxysilane is maintained in the range of 0.005 to 1. When doping with bioactive ions, it is then necessary to maintain the molar ratio of salt to tetraalkoxysilane in the range of 0.001 up to 0.25. After the completion of the polycondensation reaction, the concentration of the spinning sol is adjusted to the range of 25 to 45%. By this procedure, a spinning sol is prepared, during the processing of which it is possible to achieve a non-woven fiber structure with a fiber diameter in the submicron scale. The structure of the prepared layer is determined by the selected spinning method, where the use of electrostatic spinning leads to the preparation of mainly 2D structures, while the use of centrifugal spinning enables the creation of 3D structures with a higher proportion and size of inter-fiber pores. The diameter of the fibers in the layer and the thickness of the spun layer is determined by the spinning conditions. Most often, the basis weight ranges from 10 to 50 g/m 2 , but these limits are not restrictive. The prepared structures are further heat-treated to achieve higher mechanical stability. Thermal stabilization takes place most often at temperatures up to 350 °C, but further modifications can be carried out without heat treatment. In the same way, the layer can be hydrophilized before the binding of the functional groups by physical treatment with low-pressure plasma or plasma performed at atmospheric pressure. This modification leads to an increase in the number of Si-OH groups on the surface, which subsequently results in a higher functionality of the surface. Plasma treatment can also be used for fibers stabilized at temperatures above 350 °C to re-induce Si-OH lost due to heat treatment carried out in order to achieve higher mechanical resistance of the layer. Silicon nanofibers do not lose their biocompatibility at a higher temperature. This was confirmed for fibers treated up to a temperature of 750 °C.

Následně je povrch dopovaných křemičitých vláken funkcionalizován kovalentní vazbou funkčního alkoxysilanu v podobě aminoalkylalkoxysilanu nebo epoxyalkylalkoxysilanuSubsequently, the surface of the doped silicon fibers is functionalized by the covalent bond of a functional alkoxysilane in the form of an aminoalkylalkyloxysilane or an epoxyalkylalkyloxysilane

- 4 CZ 309644 B6 v koncentraci nejčastěji 0,1 až 5 % v roztoku, může však být i 0,1 až 75 %, výhodněji 0,1 až 60 %, ještě výhodněji 0,1 až 25 % a nejvýhodněji výše uvedených 0,1 až 5 %. Tato povrchová funkcionalizace nevede ke snížení biokompatibility povrchu, upravuje jeho náboj a smáčivost. Tato úprava vede ke zlepšení dostupnosti aktivních iontů inkorporovaných do hmoty vláken a současně může být využita pro adsorpci, elektrostatickou anebo kovalentní vazbu dalších molekul na povrch vláken v závislosti na konkrétní zvolené biotechnologické či medicínské aplikaci tak, aby bylo, pokud možno dosaženo synergického efektu s inkorporovanými ionty. Tyto dva typy funkčních skupin na povrchu umožňují vazbu většiny aktivních molekul s využitím spontánní vazby či prostřednictvím pomocné konjugační chemie. Příkladem takové chemie může být využití různých typů konjugačních linkerů, tzv. nulové délky na bázi ethyl(dimethylaminopropyl)karbodiimidu.- 4 CZ 309644 B6 in a concentration most often of 0.1 to 5% in solution, but it can also be 0.1 to 75%, more preferably 0.1 to 60%, even more preferably 0.1 to 25% and most preferably the above-mentioned 0, 1 to 5%. This surface functionalization does not reduce the biocompatibility of the surface, it modifies its charge and wettability. This modification leads to an improvement in the availability of active ions incorporated into the fiber mass and at the same time can be used for adsorption, electrostatic or covalent binding of other molecules to the surface of the fibers, depending on the specific chosen biotechnological or medical application, so that, if possible, a synergistic effect with the incorporated ions. These two types of functional groups on the surface enable the binding of most active molecules using spontaneous binding or via auxiliary conjugation chemistry. An example of such chemistry can be the use of various types of conjugation linkers, the so-called zero length based on ethyl(dimethylaminopropyl)carbodiimide.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Vynález je schematicky znázorněn na výkresech, kde ukazuje:The invention is schematically illustrated in the drawings, which show:

obr. 1 SEM mikroskopickou morfologii submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem bioaktivních iontů zinku podle příkladu 1, obr. 1a zastoupení jednotlivých tříd průměrů vláken ve vrstvě podle příkladu 1;Fig. 1 SEM microscopic morphology of submicron silicon-based fibers containing bioactive zinc ions according to Example 1, Fig. 1a representation of individual classes of fiber diameters in the layer according to Example 1;

obr. 2 důkaz biokompatibility submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem bioaktivních iontů zinku podle příkladu 1 před povrchovou funkcionalizací a po ní, hodnoceno na buňkách Hacat;Fig. 2 evidence of biocompatibility of submicron silicon-based fibers containing bioactive zinc ions according to Example 1 before and after surface functionalization, evaluated on Hacat cells;

obr. 3 SEM mikroskopickou morfologii submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem bioaktivních iontů mědi podle příkladu 2;Fig. 3 SEM microscopic morphology of submicron silicon-based fibers containing bioactive copper ions according to example 2;

obr. 3 a zastoupení jednotlivých tříd průměrů vláken ve vrstvě podle příkladu 3;Fig. 3 and representation of individual classes of fiber diameters in the layer according to example 3;

obr. 4 důkaz povrchové funkčnosti a biokompatibility submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem bioaktivních iontů mědi podle příkladu 2 před povrchovou funkcionalizací a po ní, důkaz přítomnosti aminoskupin na povrchu neupravených a upravených vláken prostřednictvím barvení methyloranží, biokompatibilita před povrchovou úpravou a po ní hodnocena na buňkách Hacat;Fig. 4 evidence of surface functionality and biocompatibility of submicron silicon-based fibers containing bioactive copper ions according to example 2 before and after surface functionalization, evidence of the presence of amino groups on the surface of untreated and treated fibers through methyl orange staining, biocompatibility before and after surface treatment evaluated on Hacat cells;

obr. 5 SEM mikroskopickou morfologii submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem bioaktivních iontů vápníku podle příkladu 3;Fig. 5 SEM microscopic morphology of submicron silicon-based fibers containing bioactive calcium ions according to example 3;

obr. 5a zastoupení jednotlivých tříd průměrů vláken ve vrstvě podle příkladu 3;Fig. 5a represents individual classes of fiber diameters in the layer according to example 3;

obr. 6 SEM mikroskopickou morfologii submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem směsi bioaktivních iontů stříbra, mědi a zinku podle příkladu 4;Fig. 6 SEM microscopic morphology of submicron silicon-based fibers containing a mixture of bioactive silver, copper and zinc ions according to example 4;

obr. 6a zastoupení jednotlivých tříd průměrů vláken ve vrstvě podle příkladu 4;Fig. 6a representation of individual classes of fiber diameters in the layer according to example 4;

obr. 7 důkaz biokompatibility submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem směsi bioaktivních iontů stříbra, mědi a zinku podle příkladu 4 před povrchovou funkcionalizací a po ní, hodnoceno na buňkách Hacat; a obr. 8 důkaz antibakteriální aktivity submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem směsi bioaktivních iontů vůči bakteriím S. gallinarum (vlevo) a E. coli (vpravo).Fig. 7 evidence of biocompatibility of submicron silicon-based fibers containing a mixture of bioactive silver, copper and zinc ions according to Example 4 before and after surface functionalization, evaluated on Hacat cells; and Fig. 8 evidence of antibacterial activity of submicron silicon-based fibers containing a mixture of bioactive ions against S. gallinarum (left) and E. coli (right) bacteria.

- 5 CZ 309644 B6- 5 CZ 309644 B6

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention

Vynález bude popsán na příkladech vytvoření netkané vlákenné struktury založené na oxidu křemičitém dopovaném biogenními ionty a s modifikovaným povrchem, který dále umožňuje vazbu aktivních a léčivých látek a dalších molekul volených dle konkrétní aplikace. Vynález je dokumentován vybranými konkrétními příklady provedení, jimiž však nejsou popsány všechny možnosti uskutečnění vynálezu. Tyto zde blíže nepopsané možnosti jsou průměrnému odborníkovi při znalosti tohoto vynálezu z tohoto textu zřejmé bez nutnosti další vynálezecké činnosti.The invention will be described using examples of the creation of a non-woven fiber structure based on silicon dioxide doped with biogenic ions and with a modified surface, which further enables the binding of active and medicinal substances and other molecules selected according to the specific application. The invention is documented by selected specific examples of implementation, which, however, do not describe all the possibilities of implementing the invention. These options, not described in more detail here, are obvious to the average person familiar with the invention from this text without the need for further inventive activity.

Příklad 1Example 1

Modifikovanou metodou sol-gel byl připraven zvlákňovací sol - a to smísením 164 ml izopropylalkoholu a 200 ml tetraethoxysilanu, vody a kyseliny tak, aby molární poměry odpovídaly hodnotám 0.45 molárního poměru tetraethoxysilanu ku vodě a zároveň 0.1 molárního poměru kyseliny ku tetraethoxysilanu. Současně byl přidán dusičnan zinečnatý jako zdroj bioaktivních iontů v poměru 0.01 molů ku tetraethoxysilanu. Takto připravený sol prošel procesem hydrolýzy, polykondenzace a zrání, kdy je v závěru zahuštěn na 33 % obsahu sušiny z celkové hmotnosti zvlákňovacího solu. Tento krok je zajištěn odparem rozpouštědla.Spinning salt was prepared using a modified sol-gel method - by mixing 164 ml of isopropyl alcohol and 200 ml of tetraethoxysilane, water and acid so that the molar ratios correspond to the values of 0.45 molar ratio of tetraethoxysilane to water and at the same time 0.1 molar ratio of acid to tetraethoxysilane. At the same time, zinc nitrate was added as a source of bioactive ions in a ratio of 0.01 moles to tetraethoxysilane. The salt prepared in this way went through the process of hydrolysis, polycondensation and maturation, when it is finally thickened to 33% of the dry matter content of the total weight of the spinning salt. This step is ensured by evaporation of the solvent.

Takto připravený zvlákňovací sol byl následně zpracován metodou elektrostatického zvlákňování stejnosměrným proudem (tzv. DC elektrospinning) z drátové elektrody při zachování zvlákňovacích podmínek na 160 mm zvlákňovací vzdálenosti a rozdílu napětí elektrod 60 kV. Tímto způsobem byla připravena netkaná vlákenná vrstva se střední hodnotou průměru vláken 174 nm, její plošná hmotnost byla určena rychlostí pohybu podkladového materiálu na 12 g/m2. Pro dosažení vyšší soudržnosti vrstvy byla provedena teplotní stabilizace expozicí teplotě 180 °C po dobu 2 hodin. Tato tepelná úprava nevedla k významné změně ve struktuře (homogenitě) vrstvy ani průměrů submikronových vláken. Pro dosažení povrchové funkčnosti byla následně vrstva smáčena v 3% roztoku 3-aminopropyltryethoxysilanu rozpuštěného v 96% ethanolu po dobu 2 hodin při laboratorní teplotě. Stabilita funkčních skupin roubovaných na povrch po oplachu přebytečného funkcionalizačního činidla, provedeného opakovaným oplachem v roztoku ethanolu, byla podpořena tepelnou úpravou při 110 °C po dobu 30 minut. Tímto způsobem byla získána křemičitá nanovlákna s obsahem bioaktivního zinku a současně s funkčním povrchem obsahujícím -NH skupiny volné k další vazbě zvoleným způsobem.The spinning sol prepared in this way was subsequently processed by the method of electrostatic spinning with direct current (so-called DC electrospinning) from a wire electrode while maintaining the spinning conditions at a spinning distance of 160 mm and a voltage difference between the electrodes of 60 kV. In this way, a non-woven fiber layer was prepared with a mean fiber diameter of 174 nm, its surface weight was determined by the speed of movement of the underlying material at 12 g/m 2 . To achieve higher cohesion of the layer, temperature stabilization was performed by exposure to a temperature of 180 °C for 2 hours. This heat treatment did not lead to a significant change in the structure (homogeneity) of the layer or the diameters of the submicron fibers. To achieve surface functionality, the layer was subsequently soaked in a 3% solution of 3-aminopropyltriethoxysilane dissolved in 96% ethanol for 2 hours at room temperature. The stability of functional groups grafted onto the surface after rinsing the excess functionalization agent, carried out by repeated rinsing in ethanol solution, was supported by heat treatment at 110 °C for 30 minutes. In this way, silicon nanofibers with bioactive zinc content and simultaneously with a functional surface containing -NH groups free for further binding in the selected manner were obtained.

Morfologie takto připravených submikronových vláken je zobrazena na obr. 1 pořízeném prostřednictvím elektronové mikroskopie, zastoupení jednotlivých tříd průměrů vláken ve vrstvě podle příkladu 1 je zobrazeno na obr. 1a. U takto připraveného materiálu byla prokázána biokompatibilita vůči buňkám kožního krytu. Test provedený in vitro na lidských keratinocytech Hacat byl proveden v souladu s normou ČSN EN ISO 10993-5:2009 tak, že eluát testovaného vzorku v různých koncentracích byl připraven elucí po dobu 24 hodin. Ten byl následně exponován předkultivovaným buňkám po následujících 24 hodin. Výsledná cytokompatibilita byla vyhodnocena prostřednictvím metabolické aktivity živých buněk tetrazoliovou solí WST-8 (2-(2-methoxy-4-nitrofenyl)-3-(4-nitrofenyl)-5-(2,4-disulfofenyl)-2H-tetrazolium, sodná sůl) a následnou kvantifikací při 450 nm vlnové délky. Dosažené výsledky v podobě důkazu biokompatibility submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem bioaktivních iontů zinku podle příkladu 1 před povrchovou funkcionalizací a po ní, hodnoceno na buňkách Hacat, jsou zobrazeny na obr. 2.The morphology of the thus prepared submicron fibers is shown in Fig. 1 taken by means of electron microscopy, the representation of individual classes of fiber diameters in the layer according to example 1 is shown in Fig. 1a. Biocompatibility with the cells of the skin cover was demonstrated for the material prepared in this way. The test performed in vitro on Hacat human keratinocytes was performed in accordance with the standard ČSN EN ISO 10993-5:2009 so that the eluate of the test sample in different concentrations was prepared by elution for 24 hours. The latter was subsequently exposed to pre-cultured cells for the following 24 hours. The resulting cytocompatibility was evaluated through the metabolic activity of living cells with the tetrazolium salt WST-8 (2-(2-methoxy-4-nitrophenyl)-3-(4-nitrophenyl)-5-(2,4-disulfophenyl)-2H-tetrazolium, sodium salt) and subsequent quantification at 450 nm wavelength. The results obtained in the form of proof of biocompatibility of the submicron silicon-based fibers with the content of bioactive zinc ions according to Example 1 before and after surface functionalization, evaluated on Hacat cells, are shown in Fig. 2.

Tato vrstva může být aplikována v tomto stavu bez další modifikace, nebo může sloužit k další vazbě biotechnologicky nebo medicínsky významných látek. V tomto případě například jako nosič biotechnologicky využitelného enzymu lakázy pro úpravu vod.This layer can be applied in this state without further modification, or it can serve to further bind biotechnologically or medically important substances. In this case, for example, as a carrier of the biotechnologically usable laccase enzyme for water treatment.

- 6 CZ 309644 B6- 6 CZ 309644 B6

Příklad 2Example 2

Modifikovanou metodou sol-gel byl připraven zvlákňovací sol - a to smísením 164 ml izopropylalkoholu a 200 ml tetraethylortosilikátu (tetraethoxysilanu), vody a kyseliny tak, aby molární poměry odpovídaly hodnotám 0.4 molárního poměru tetraethoxysilanu ku vodě a zároveň 0.11 molárního poměru kyseliny ku tetraethoxysilanu. Současně byl do směsi přidán dusičnan měďnatý jako zdroj bioaktivních iontů v poměru 0.034 molů ku tetraethoxysilanu. Takto připravený sol prošel procesem hydrolýzy, polykondenzace a zrání, kdy byl v závěru zahuštěn na 35 % obsahu sušiny z celkové hmotnosti zvlákňovacího solu. Tento krok byl zajištěn odparem rozpouštědla.Spinning sol was prepared using a modified sol-gel method - by mixing 164 ml of isopropyl alcohol and 200 ml of tetraethylorthosilicate (tetraethoxysilane), water and acid so that the molar ratios correspond to the values of 0.4 molar ratio of tetraethoxysilane to water and at the same time 0.11 molar ratio of acid to tetraethoxysilane. At the same time, copper nitrate was added to the mixture as a source of bioactive ions in a ratio of 0.034 moles to tetraethoxysilane. The sol prepared in this way went through the process of hydrolysis, polycondensation and maturation, when it was finally thickened to 35% of the dry matter content of the total weight of the spinning sol. This step was ensured by evaporation of the solvent.

Takto připravený zvlákňovací sol byl následně zpracován metodou elektrostatického zvlákňování stejnosměrným proudem (tzv. DC elektrospinning) z tyčkové elektrody při zachování zvlákňovacích podmínek na 150 mm zvlákňovací vzdálenosti a rozdílu napětí elektrod 45kV. Tímto způsobem byla připravena netkaná vlákenná vrstva se střední hodnotou průměru vláken 289 nm. Pro dosažení vyšší soudržnosti vrstvy byla provedena teplotní stabilizace expozicí teplotě 180 °C po dobu 2 hodin. Pro zvýšení účinnosti povrchové funkcionalizace byla následně vlákenná vrstva upravena koronovým výbojem ve vzduchové atmosféře při pokojové teplotě, tlaku ~101 kPa, výkonu 800 W a při rychlosti posuvu materiálu 1 m/min. Aktivovaná vrstva byla následně přenesena do funkcionalizační lázně sestávající ze 3% roztoku 3-aminopropyltriethoxysilanu rozpuštěného v 96 % ethanolu, kde byla máčena po dobu 1 hodiny při laboratorní teplotě. Stabilita funkčních skupin roubovaných na povrch byla po oplachu přebytečného funkcionalizačního činidla, provedeného opakovaně v roztoku ethanolu, podpořena tepelnou úpravou při 110 °C po dobu 30 minut. Tímto způsobem byla získána křemičitá nanovlákna s obsahem bioaktivních iontů mědi a současně s funkčním povrchem obsahujícím NH2 skupiny volné k další vazbě zvoleným způsobem.The spinning salt prepared in this way was subsequently processed by the method of electrostatic spinning with direct current (so-called DC electrospinning) from a rod electrode while maintaining the spinning conditions at a spinning distance of 150 mm and a voltage difference of 45 kV between the electrodes. In this way, a non-woven fibrous layer was prepared with an average fiber diameter of 289 nm. To achieve higher cohesion of the layer, temperature stabilization was performed by exposure to a temperature of 180 °C for 2 hours. In order to increase the efficiency of the surface functionalization, the fiber layer was subsequently treated with a corona discharge in an air atmosphere at room temperature, a pressure of ~101 kPa, a power of 800 W and a material feed speed of 1 m/min. The activated layer was then transferred to a functionalization bath consisting of a 3% solution of 3-aminopropyltriethoxysilane dissolved in 96% ethanol, where it was soaked for 1 hour at room temperature. The stability of the functional groups grafted onto the surface was supported by heat treatment at 110 °C for 30 minutes after rinsing the excess functionalization agent, carried out repeatedly in an ethanol solution. In this way, silica nanofibers containing bioactive copper ions and simultaneously with a functional surface containing NH2 groups free for further binding in the selected manner were obtained.

Morfologie takto připravených submikronových vláken je zobrazena na obr. 3 pořízeném prostřednictvím elektronové mikroskopie, zastoupení jednotlivých tříd průměrů vláken ve vrstvě podle příkladu 3 je znázorněno na obr. 3a. U takto připraveného materiálu byla prokázána biokompatibilita vůči buňkám kožního krytu. Test provedený in vitro na lidských keratinocytech Hacat byl proveden v souladu s normou ČSN EN ISO 10993-5:2009 tak, že eluát testovaného vzorku v různých koncentracích byl připraven elucí po dobu 24 hodin. Ten byl následně exponován předkultivovaným buňkám po následujících 24 hodin. Výsledná cytokompatibilita byla vyhodnocena prostřednictvím metabolické aktivity živých buněk tetrazoliovou solí WST-8 (2-(2-methoxy-4-nitrofenyl)-3-(4-nitrofenyl)-5-(2,4-disulfofenyl)-2H-tetrazolium, sodná sůl) a následnou kvantifikací při 450 nm vlnové délky. Viabilita exponovaných buněk přesahovala u všech koncentrací 95 % viability buněčné kontroly. Zároveň došlo povrchovou úpravou k mírnému zvýšení viability buněk ve srovnání s neupravenou dopovanou vrstvou. Dosažené výsledky, v podobě důkazu povrchové funkčnosti a biokompatibility submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem bioaktivních iontů mědi podle příkladu 2 před povrchovou funkcionalizací a po ní, důkazu přítomnosti aminoskupin na povrchu neupravených a upravených prostřednictvím barvení methyloranží, biokompatibilita před povrchovou úpravou a po ní hodnocena na buňkách Hacat, jsou zobrazeny na obr. 4.The morphology of the thus prepared submicron fibers is shown in Fig. 3 taken by means of electron microscopy, the representation of individual classes of fiber diameters in the layer according to Example 3 is shown in Fig. 3a. Biocompatibility with the cells of the skin cover was demonstrated for the material prepared in this way. The test performed in vitro on Hacat human keratinocytes was performed in accordance with the standard ČSN EN ISO 10993-5:2009 so that the eluate of the test sample in different concentrations was prepared by elution for 24 hours. The latter was subsequently exposed to pre-cultured cells for the following 24 hours. The resulting cytocompatibility was evaluated through the metabolic activity of living cells with the tetrazolium salt WST-8 (2-(2-methoxy-4-nitrophenyl)-3-(4-nitrophenyl)-5-(2,4-disulfophenyl)-2H-tetrazolium, sodium salt) and subsequent quantification at 450 nm wavelength. The viability of the exposed cells exceeded 95% of the cell control viability at all concentrations. At the same time, surface treatment resulted in a slight increase in cell viability compared to the untreated doped layer. Achieved results, in the form of evidence of surface functionality and biocompatibility of submicron silicon-based fibers containing bioactive copper ions according to example 2 before and after surface functionalization, evidence of the presence of amino groups on the surface of untreated and treated surfaces through methyl orange staining, biocompatibility evaluated before and after surface treatment on Hacat cells, are shown in Fig. 4.

Tato vrstva může být aplikována v tomto stavu bez další modifikace, nebo může sloužit k další vazbě biotechnologicky nebo medicínsky významných látek. V tomto případě je vhodná například kombinace aktivní křemičité vrstvy a přírodních antiseptik, růstových faktorů či dalších látek podporujících angiogenezi a hojení ran. To může být vázáno prostou adsorpcí či elektrostatickou vazbou či vazbou kovalentní při zachování vysoké porozity křemičité vrstvy. V případě proteinových látek může být jejich přítomnost na povrchu prokázána (ne)specifickým barvením proteinů a jejich kvantifikací.This layer can be applied in this state without further modification, or it can serve to further bind biotechnologically or medically important substances. In this case, for example, a combination of an active silicon layer and natural antiseptics, growth factors or other substances supporting angiogenesis and wound healing is suitable. This can be bound by simple adsorption or electrostatic bonding or covalent bonding while maintaining the high porosity of the silicon layer. In the case of protein substances, their presence on the surface can be demonstrated by (non)specific protein staining and their quantification.

- 7 CZ 309644 B6- 7 CZ 309644 B6

Příklad 3Example 3

Modifikovanou metodou sol-gel je připraven zvlákňovací sol - a to smísením 164 ml isopropylalkoholu a 200 ml tetraethylortosilikátu (tetraethoxysilanu), vody a kyseliny tak, aby molární poměry odpovídaly hodnotám 0,43 molárního poměru tetraethoxysilanu ku vodě a zároveň 0,1 molárního poměru kyseliny ku tetraethoxysilanu. Současně byl do směsi přidán dusičnan vápenatý jako zdroj bioaktivních iontů v poměru 0,0072 molů ku tetraethoxysilanu. Takto připravený sol prošel procesem hydrolýzy, polykondenzace a zrání, kdy byl v závěru zahuštěn na 29 % obsahu sušiny z celkové hmotnosti zvlákňovacího solu. Tento krok byl zajištěn odparem rozpouštědla.Spinning sol is prepared using a modified sol-gel method - by mixing 164 ml of isopropyl alcohol and 200 ml of tetraethylorthosilicate (tetraethoxysilane), water and acid so that the molar ratios correspond to the values of 0.43 molar ratio of tetraethoxysilane to water and at the same time 0.1 molar ratio of acid to tetraethoxysilane. At the same time, calcium nitrate was added to the mixture as a source of bioactive ions in a ratio of 0.0072 moles to tetraethoxysilane. The sol prepared in this way went through the process of hydrolysis, polycondensation and maturation, when it was finally thickened to 29% of the dry matter content of the total weight of the spinning sol. This step was ensured by evaporation of the solvent.

Takto připravený zvlákňovací sol byl následně zpracován metodou odstředivého zvlákňování při zachování zvlákňovacích podmínek 200 mm a 9000 RPM. Tímto způsobem byla připravena trojrozměrná netkaná vlákenná vrstva se střední hodnotou průměru vláken 463 nm. Morfologie takto připravených submikronových vláken je zobrazena na obr. 5, zastoupení jednotlivých tříd průměrů vláken ve vrstvě podle příkladu 3 je zobrazeno na obr. 5 a. Pro dosažení vyšší soudržnosti vrstvy byla provedena teplotní stabilizace expozicí teplotě 180 °C po dobu 2 hodin. Následně byla vrstva povrchově funkcionalizována smáčením po dobu 30 minut ve 2% směsi 3-glycidyloxypropyltriethoxysilanu a ethanolu s podílem 15 % vody. Po opakovaném oplachu v roztoku ethanolu byla vrstva sušena při pokojové teplotě po dobu 48 hodin. Tímto způsobem byla získána křemičitá nanovlákna s obsahem bioaktivních iontů vápníku a současně s funkčním povrchem obsahujícím epoxy skupiny volné k další vazbě zvoleným způsobem.The spinning salt thus prepared was subsequently processed by the centrifugal spinning method while maintaining the spinning conditions of 200 mm and 9000 RPM. In this way, a three-dimensional non-woven fiber layer with a mean value of fiber diameter of 463 nm was prepared. The morphology of the submicron fibers prepared in this way is shown in Fig. 5, the representation of individual classes of fiber diameters in the layer according to example 3 is shown in Fig. 5 a. To achieve higher cohesion of the layer, temperature stabilization was performed by exposure to a temperature of 180 °C for 2 hours. Subsequently, the layer was surface functionalized by soaking for 30 minutes in a 2% mixture of 3-glycidyloxypropyltriethoxysilane and ethanol with a proportion of 15% water. After repeated rinsing in ethanol solution, the layer was dried at room temperature for 48 hours. In this way, silicon nanofibers containing bioactive calcium ions and simultaneously with a functional surface containing epoxy groups free for further binding in the selected manner were obtained.

Tato vrstva může být aplikována v tomto stavu bez další modifikace a sloužit k in situ konjugaci (např. jako sensor). Nebo může být konjugována s biotechnologicky nebo medicínsky významnými látkami pro zajištění jejich zvýšené stability při následné aplikaci. Tato povrchová funkcionalizace zajišťuje reaktivitu s celým spektrem látek obsahujících aminoskupiny, sulfanylové skupiny a další. V tomto případě je vhodná například kombinace aktivní křemičité vrstvy a konjugovaného enzymu trypsin využívaného pro debridement ran.This layer can be applied in this state without further modification and serve for in situ conjugation (e.g. as a sensor). Or it can be conjugated with biotechnologically or medically important substances to ensure their increased stability during subsequent application. This surface functionalization ensures reactivity with the entire spectrum of substances containing amino groups, sulfanyl groups and others. In this case, for example, a combination of an active silica layer and a conjugated trypsin enzyme used for wound debridement is suitable.

Příklad 4Example 4

Modifikovanou metodou sol-gel je připraven zvlákňovací sol - a to smísením 164 ml isopropylalkoholu a 200 ml tetraethylortosilikátu (tetraethoxysilanu), vody a kyseliny tak, aby molární poměry odpovídaly hodnotám 0,37 molárního poměru tetraethoxysilanu ku vodě a zároveň 0,11 molárního poměru kyseliny ku tetraethoxysilanu. Současně byly do směsi přidány dusičnan stříbrný, dusičnan měďnatý a dusičnan zinečnatý jako zdroje bioaktivních iontů v poměru 0,007/0,004/0,003 molů ku tetraethoxysilanu. Takto připravený sol prošel procesem hydrolýzy, polykondenzace a zrání, a následně byl zahuštěn na 36 % obsahu sušiny z celkové hmotnosti zvlákňovacího solu. Tento krok je zajištěn odparem rozpouštědla.Spinning sol is prepared using a modified sol-gel method - by mixing 164 ml of isopropyl alcohol and 200 ml of tetraethylorthosilicate (tetraethoxysilane), water and acid so that the molar ratios correspond to the values of 0.37 molar ratio of tetraethoxysilane to water and at the same time 0.11 molar ratio of acid to tetraethoxysilane. At the same time, silver nitrate, copper nitrate and zinc nitrate were added to the mixture as sources of bioactive ions in a ratio of 0.007/0.004/0.003 moles to tetraethoxysilane. The sol prepared in this way went through the process of hydrolysis, polycondensation and maturation, and was subsequently thickened to 36% of the dry matter content of the total weight of the spinning sol. This step is ensured by evaporation of the solvent.

Takto připravený zvlákňovací sol byl následně zpracován metodou elektrostatického zvlákňování stejnosměrným proudem (tzv. DC elektrospinning) z drátové elektrody při zachování zvlákňovacích podmínek na 165 mm zvlákňovací vzdálenosti a rozdílu napětí elektrod 65 kV. Tímto způsobem byla připravena netkaná vlákenná vrstva se střední hodnotou průměru vláken 193 nm. Pro dosažení vyšší soudržnosti vrstvy byla provedena teplotní stabilizace expozicí teplotě 200 °C po dobu 120 minut. Pro dosažení povrchové funkčnosti byla následně vrstva smáčena v 5% roztoku 3-aminopropyltryethoxysilanu rozpuštěném v 96 % ethanolu po dobu 30 minut při laboratorní teplotě. Stabilita funkčních skupin roubovaných na povrch byla po oplachu přebytečného funkcionalizačního činidla, provedeného opakovaně v roztoku ethanolu, podpořena tepelnou úpravou při 110 °C po dobu 30 minut. Tímto způsobem byla získána křemičitá nanovlákna se směsí bioaktivních iontů stříbra, mědi a zinku a současně s funkčním povrchem obsahujícím -NH2 skupiny volné k další vazbě.The spinning salt prepared in this way was subsequently processed by the method of electrostatic spinning with direct current (so-called DC electrospinning) from a wire electrode while maintaining the spinning conditions at a spinning distance of 165 mm and a voltage difference between the electrodes of 65 kV. In this way, a non-woven fiber layer was prepared with a mean fiber diameter of 193 nm. To achieve higher cohesion of the layer, temperature stabilization was performed by exposure to a temperature of 200 °C for 120 minutes. To achieve surface functionality, the layer was then soaked in a 5% solution of 3-aminopropyltriethoxysilane dissolved in 96% ethanol for 30 minutes at room temperature. The stability of the functional groups grafted onto the surface was supported by heat treatment at 110 °C for 30 minutes after rinsing the excess functionalization agent, carried out repeatedly in an ethanol solution. In this way, silicon nanofibers were obtained with a mixture of bioactive silver, copper and zinc ions and at the same time with a functional surface containing -NH2 groups free for further binding.

- 8 CZ 309644 B6- 8 CZ 309644 B6

Morfologie takto připravených submikronových vláken je zobrazena na obr. 6 pořízeném prostřednictvím elektronové mikroskopie, zastoupení jednotlivých tříd průměrů vláken ve vrstvě podle příkladu 4 je znázorněno na obr. 6a. U takto připraveného materiálu byla prokázána biokompatibilita vůči buňkám kožního krytu dle metodiky popsané v příkladu 1. Dosažené výsledky jsou zobrazeny na obr. 7 v podobě důkazu biokompatibility submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem směsi bioaktivních iontů stříbra, mědi a zinku podle příkladu 4 před povrchovou funkcionalizací a po ní, hodnoceno na buňkách Hacat. Dále byla difuzní metodou potvrzena antibakteriální aktivita vrstvy proti dvěma modelovým bakteriálním kmenům Staphylococcus gallinarum a Escherichia coli. V průběhu testu byla na misku s kultivačním agarem vyočkována bakteriální suspenze o koncentraci 104 bakterií/ml. Následně byl přiložen triplikát testovaných vzorků. Po inkubaci při standardních podmínkách (37 °C) po dobu 24 hodin byl vyhodnocen rozměr difuzní zóny v okolí vzorků. Průměrný rozměr 14 mm potvrdil antibakteriální účinnost vzorků na oba bakteriální kmeny, jak je znázorněno na obr. 8 v podobě důkazu antibakteriální aktivity submikronových vláken na bázi křemíku s obsahem směsi bioaktivních iontů vůči bakteriím S. gallinarum (vlevo) a E. coli (vpravo).The morphology of the thus prepared submicron fibers is shown in Fig. 6 taken through electron microscopy, the representation of individual classes of fiber diameters in the layer according to example 4 is shown in Fig. 6a. The material prepared in this way was proven to be biocompatible with skin cells according to the methodology described in example 1. The results achieved are shown in Fig. 7 in the form of proof of biocompatibility of silicon-based submicron fibers containing a mixture of bioactive silver, copper and zinc ions according to example 4 before the surface functionalization and after it, evaluated on Hacat cells. Furthermore, the antibacterial activity of the layer against two model bacterial strains, Staphylococcus gallinarum and Escherichia coli, was confirmed by the diffusion method. During the test, a bacterial suspension with a concentration of 10 4 bacteria/ml was inoculated onto a dish with culture agar. Subsequently, a triplicate of the tested samples was attached. After incubation under standard conditions (37 °C) for 24 hours, the size of the diffusion zone around the samples was evaluated. An average dimension of 14 mm confirmed the antibacterial activity of the samples against both bacterial strains, as shown in Fig. 8 in the form of evidence of the antibacterial activity of the submicron silicon-based fibers containing a mixture of bioactive ions against S. gallinarum (left) and E. coli (right) bacteria. .

Tato vrstva může být aplikována v tomto stavu bez další modifikace a podpořit například čištění a hojení kontaminovaných a těžko se hojících ran, nebo může sloužit k další vazbě biotechnologicky nebo medicínsky významných látek. V tomto případě je vhodná kombinace s antiseptikem či antibiotikem významným pro dermatovenerologii. To může být vázáno prostou adsorpcí či elektrostatickou vazbou při zachování vysoké porozity křemičité vrstvy. Tímto způsobem může být dosažena aktivní vrstva se synergickým účinkem kombinujícím antibakteriálně účinnou povrchově vázanou látku uvolňující se v řádu hodin až dnů a bioaktivní ionty zajišťující ochranu před druhotnou infekcí po uvolnění léčiva z povrchu či infekcí způsobenou mikroorganismy mimo oblast účinku povrchově vázané aktivní látky.This layer can be applied in this state without further modification and support, for example, the cleaning and healing of contaminated and difficult-to-heal wounds, or it can serve to further bind biotechnologically or medically important substances. In this case, a combination with an antiseptic or antibiotic important for dermatovenerology is suitable. This can be bound by simple adsorption or electrostatic binding while maintaining the high porosity of the silicon layer. In this way, an active layer can be achieved with a synergistic effect combining an antibacterially effective surface-bound substance released within hours to days and bioactive ions ensuring protection against secondary infection after the release of the drug from the surface or infection caused by microorganisms outside the area of effect of the surface-bound active substance.

Claims (7)

1. Biokompatibilní a biodegradabilní netkaná vlákenná struktura se submikronovými vlákny na bázi oxidu křemičitého, s biogenními ionty a s funkčním povrchem pro vazbu aktivních látek, vyznačující se tím, že vlákna jsou vytvořena zvlákňováním solu připraveného metodou sol-gel a jsou přímo ve svém objemu při zvlákňování opatřena bioaktivními ionty ze skupiny ionty vápníku a/nebo mědi a/nebo zinku a/nebo stříbra a povrch vláken je funkcionalizován aminoalkylalkoxysilanem nebo epoxyalkylalkoxysilanem.1. Biocompatible and biodegradable non-woven fiber structure with submicron fibers based on silicon dioxide, with biogenic ions and with a functional surface for the binding of active substances, characterized by the fact that the fibers are created by spinning a sol prepared by the sol-gel method and are directly in their volume during spinning provided with bioactive ions from the group of calcium and/or copper and/or zinc and/or silver ions, and the surface of the fibers is functionalized with aminoalkylalkoxysilane or epoxyalkylalkoxysilane. 2. Způsob výroby biokompatibilní a biodegradabilní netkané vlákenné struktury podle nároku 1, při kterém se zvlákňuje sol připravený metodou sol-gel, vyznačující se tím, že sol se před zvlákňováním syntetizuje z nízkomolekulárního prekurzoru tetraalkoxysilanu metodou sol-gel v alkoholu s přídavkem vody za kyselé katalýzy, přičemž tento sol se dopuje bioaktivními ionty ve formě solí již v průběhu jeho přípravy před zvlákňováním a po zvláknění se povrch vláken funkcionalizuje aminoalkylalkoxysilanem nebo epoxyalkylalkoxysilanem.2. The method of producing a biocompatible and biodegradable non-woven fiber structure according to claim 1, in which a sol prepared by the sol-gel method is spun, characterized in that the sol is synthesized before spinning from a low-molecular-weight precursor of a tetra-alkoxysilane by the sol-gel method in alcohol with the addition of water under acidic conditions catalysis, while this salt is doped with bioactive ions in the form of salts already during its preparation before spinning, and after spinning, the surface of the fibers is functionalized with aminoalkyl alkoxy silane or epoxy alkyl alkoxy silane. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že sol se před zvlákňováním syntetizuje v roztoku ethanolu nebo isopropylalkoholu a molární poměr tetraalkoxysilanu vůči vodě je v rozmezí 0,3 až 0,65, přičemž pH solu při reakci se upraví přídavkem anorganické či organické kyseliny při poměru kyseliny vůči tetraalkoxysilanu v rozmezí 0,005 až 1.3. The method according to claim 2, characterized in that the salt is synthesized in an ethanol or isopropyl alcohol solution prior to spinning, and the molar ratio of tetraalkoxysilane to water is in the range of 0.3 to 0.65, while the pH of the sol during the reaction is adjusted by adding inorganic or organic of acid at a ratio of acid to tetra-alkoxysilane in the range of 0.005 to 1. 4. Způsob podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že sol se před zvlákněním zahustí odpařením přebytečného alkoholu na finální koncentraci sušiny v rozmezí 25 a 45 % hmotnostních, vztaženo na celkovou hmotnost zvlákňovacího solu.4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the sol is thickened before spinning by evaporating excess alcohol to a final concentration of dry matter in the range of 25 and 45% by weight, based on the total weight of the spinning sol. 5. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 2 až 4, vyznačující se tím, že sol se dopuje bioaktivními ionty vápníku a/nebo mědi a/nebo zinku a/nebo stříbra při udržení molárního poměru soli vůči tetraalkoxysilanu v rozmezí 0,001 až 0,25.5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the salt is doped with bioactive ions of calcium and/or copper and/or zinc and/or silver while maintaining the molar ratio of the salt to the tetraalkoxysilane in the range of 0.001 to 0.25. 6. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 2 až 5, vyznačující se tím, že zvlákňování se provede elektrostatickým a/nebo odstředivým zvlákňováním, načež se vlákenná struktura tepelně upraví a případně i ozáří plazmatem pro zvýšení účinnosti následné povrchové modifikace zvoleným funkčním aminoalkylalkoxysilanem nebo epoxyalkylalkoxysilanem.6. The method according to any one of claims 2 to 5, characterized in that the spinning is carried out by electrostatic and/or centrifugal spinning, after which the fiber structure is heat-treated and possibly also irradiated with plasma to increase the effectiveness of the subsequent surface modification with a selected functional aminoalkylalkoxysilane or epoxyalkylalkoxysilane. 7. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 2 až 6, vyznačující se tím, že povrch vláken netkané vlákenné struktury se po zvlákňování funkcionalizuje v roztoku funkčního aminoalkylalkoxysilanu nebo epoxyalkylalkoxysilanu ve vodě, alkoholu nebo jiném organickém rozpouštědle po dobu 0,5 až 12 hodin při koncentraci funkčního aminoalkylalkoxysilanu nebo epoxyalkylalkoxysilanu 0,1 až 75 %, výhodněji 0,1 až 60 %, ještě výhodněji 0,1 až 25 % a nejvýhodněji 0,1 až 5 % v roztoku.7. The method according to any one of claims 2 to 6, characterized in that the surface of the fibers of the non-woven fiber structure is functionalized after spinning in a solution of functional aminoalkyl alkoxy silane or epoxy alkyl alkoxy silane in water, alcohol or another organic solvent for a period of 0.5 to 12 hours at a concentration of functional of aminoalkyl alkoxy silane or epoxy alkyl alkoxy silane 0.1 to 75%, more preferably 0.1 to 60%, even more preferably 0.1 to 25% and most preferably 0.1 to 5% in the solution.
CZ2021-479A 2021-10-14 2021-10-14 Biocompatible and biodegradable non-woven fibre structure containing submicron fibres based on silicon dioxide, biogenic ions and a functional surface for binding active substances and producing it CZ309644B6 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-479A CZ309644B6 (en) 2021-10-14 2021-10-14 Biocompatible and biodegradable non-woven fibre structure containing submicron fibres based on silicon dioxide, biogenic ions and a functional surface for binding active substances and producing it
PCT/CZ2021/050133 WO2023061520A1 (en) 2021-10-14 2021-11-16 Biocompatible and biodegradable fibrous structure containing silica-based submicron fibers, biogenic ions and with a functional surface for binding active substances and a method of its production

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-479A CZ309644B6 (en) 2021-10-14 2021-10-14 Biocompatible and biodegradable non-woven fibre structure containing submicron fibres based on silicon dioxide, biogenic ions and a functional surface for binding active substances and producing it

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2021479A3 CZ2021479A3 (en) 2023-04-26
CZ309644B6 true CZ309644B6 (en) 2023-06-07

Family

ID=79269992

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2021-479A CZ309644B6 (en) 2021-10-14 2021-10-14 Biocompatible and biodegradable non-woven fibre structure containing submicron fibres based on silicon dioxide, biogenic ions and a functional surface for binding active substances and producing it

Country Status (2)

Country Link
CZ (1) CZ309644B6 (en)
WO (1) WO2023061520A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ300797B6 (en) * 2005-04-11 2009-08-12 Elmarco, S. R. O. Fabric containing at least one layer of polymeric nanofibers and process for producing polymeric nanofiber layer from polymer solution by electrostatic spinning
CZ303587B6 (en) * 2011-03-15 2012-12-27 Student Science, s. r. o. Threads and nets with functionalized nanofibers for biomedicinal application
CZ303911B6 (en) * 2012-08-14 2013-06-19 Technická univerzita v Liberci Nanofibrous structure with immobilized organic agent and process for preparing thereof
CZ34116U1 (en) * 2020-01-28 2020-06-23 Technická univerzita v Liberci Nanofibre structure with increased surface functionality and immobilized organic agents

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0891421A4 (en) * 1996-03-18 2001-07-25 Univ Pennsylvania Bioactive material substrate for enhanced cellular attachment and function
US20150283300A1 (en) * 2014-04-03 2015-10-08 Gregory J. Pomrink Bioactive glasses with surface immobilized peptides and uses thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ300797B6 (en) * 2005-04-11 2009-08-12 Elmarco, S. R. O. Fabric containing at least one layer of polymeric nanofibers and process for producing polymeric nanofiber layer from polymer solution by electrostatic spinning
CZ303587B6 (en) * 2011-03-15 2012-12-27 Student Science, s. r. o. Threads and nets with functionalized nanofibers for biomedicinal application
CZ303911B6 (en) * 2012-08-14 2013-06-19 Technická univerzita v Liberci Nanofibrous structure with immobilized organic agent and process for preparing thereof
CZ34116U1 (en) * 2020-01-28 2020-06-23 Technická univerzita v Liberci Nanofibre structure with increased surface functionality and immobilized organic agents

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023061520A1 (en) 2023-04-20
CZ2021479A3 (en) 2023-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wu et al. Accelerating dermal wound healing and mitigating excessive scar formation using LBL modified nanofibrous mats
CA2669438C (en) Nanosilver coated bacterial cellulose
Ul-Islam et al. Bacterial cellulose-MMTs nanoreinforced composite films: novel wound dressing material with antibacterial properties
Han et al. Mussel-inspired graphene oxide nanosheet-enwrapped Ti scaffolds with drug-encapsulated gelatin microspheres for bone regeneration
Sharifi et al. Cell loaded hydrogel containing Ag‐doped bioactive glass–ceramic nanoparticles as skin substitute: antibacterial properties, immune response, and scarless cutaneous wound regeneration
CN1726782A (en) Composite antibiotic material in medical use of active carbon fiber-Nano silver, and prepearation method
Salehi et al. Kaolin-loaded chitosan/polyvinyl alcohol electrospun scaffold as a wound dressing material: In vitro and in vivo studies
Cai et al. Synthesis and antimicrobial activity of mesoporous hydroxylapatite/zinc oxide nanofibers
Almodóvar et al. Chitosan‐heparin polyelectrolyte multilayers on cortical bone: Periosteum‐mimetic, cytophilic, antibacterial coatings
Sheikh et al. Electrospun titanium dioxide nanofibers containing hydroxyapatite and silver nanoparticles as future implant materials
Budi et al. Preparation of antibacterial Gel/PCL nanofibers reinforced by dicalcium phosphate-modified graphene oxide with control release of clindamycin for possible application in bone tissue engineering
Szurkowska et al. Hydroxyapatite-based materials for potential use in bone tissue infections
CN107693836A (en) A kind of antibacterial alginates bearing hydrocolloid dressing and preparation method thereof
CN110747534A (en) Antibacterial polysaccharide fiber material and preparation method thereof
CZ303911B6 (en) Nanofibrous structure with immobilized organic agent and process for preparing thereof
Zhu et al. Water-stable zirconium-based metal-organic frameworks armed polyvinyl alcohol nanofibrous membrane with enhanced antibacterial therapy for wound healing
Ma et al. Fabrication of bioactive glass-introduced nanofibrous membranes with multifunctions for potential wound dressing
Naserian et al. Development of antibacterial and superabsorbent wound composite sponges containing carboxymethyl cellulose/gelatin/Cu-doped ZnO nanoparticles
AU2021105727A4 (en) A method of preparation of Silk Fibroins coated with Hybrid chitosan-ZnO nanoparticles for wound dressing.
Jahed et al. Biomedical applications of silica-based aerogels: A comprehensive review
Chen et al. Synergic fabrication of gold nanoparticles embedded dextran/silk sericin nanomaterials for the treatment and care of wound healing
CZ309644B6 (en) Biocompatible and biodegradable non-woven fibre structure containing submicron fibres based on silicon dioxide, biogenic ions and a functional surface for binding active substances and producing it
CN109646703A (en) A kind of nano-cellulose composite antibacterial material and the preparation method and application thereof
EP4166699A1 (en) Biocompatible and biodegradable fibrous structure containing silica-based submicron fibers, biogenic ions and with a functional surface for binding active substances and a method of its production
Shams et al. Surface modification of nanofibrous polyethersulfone scaffolds with fluorapatite nanoparticles toward improved stem cell behavior and osteogenic activity in vitro