Kam jsme posunuli nanotechnologie?

Když v roce 2010 čtyři nadšenci do nanotechnologií zakládali klastr NANOPROGRESS, netušili, jak velké objevy je v příštích letech čekají a jak zásadním způsobem ovlivní řadu průmyslových a zdravotnických odvětví. Od samotného začátku byla pozornost upřena na polymerní materiály a jejich transformaci do nanovláken prostřednictvím elektrostatického zvlákňování. Záhy po založení klastru se nám podařilo zkonstruovat zařízení, které dokázalo vytvářet nanovlákna z řady polymerů prostřednictvím stejnosměrného elektrického proudu. Klíčovým novým patentově chráněným prvkem tohoto zařízení byla tzv. přeplavovací elektroda, která umožnila přípravu nanovláken z mnoha syntetických polymerů, jako jsou polyamid, polyurethan, či polyvinylbutyral , ale také z řady biokompatibilních a biodegrabilních polymerů jako jsou polykaprolacton, polyvinylalkohol, kolagen a mnoho dalších.

Významnou inovací byl vývoj zvlákňovacího zařízení pro přípravu koaxiálních, tedy dutých nanovláken. Tato nanovlákna lze vyrobit z biodegrabilních polymerů a jejich dutinu naplnit například léčivy či jinými biologicky aktivními látkami. Tím započala éra tzv. funkcionalizace nanovláken, která jim vedle vlastností daných prostorovou strukturou vláken přidává další funkční vlastnosti, které zásadně zvyšují přidanou hodnotu nanovláken. Schopnost funkcionalizace nanovláken se stala klíčovým výzkumným a vývojovým  prvkem klastru NANOPROGRESS, který nás až do současnosti odlišuje od naprosté většiny konkurence.

S tím, jak rostly naše výzkumné aktivity, se v roce 2012 ukázalo nezbytné založit specializovanou Laboratoř pokročilých nanovlákenných struktur, která sídlí v pronajatých prostorách Technické Univerzity v Liberci. Díky aktivitám této  laboratoře v roce 2014 došlo ke dvěma přelomovým objevům. Ukázalo se, že k produkci nanovláken lze použít nejen stejnosměrný (DC) elektrický proud, ale že proces zvlákňování funguje ještě daleko lépe za využití střídavého proudu (AC). Právě velmi omezená produktivita DC zvlákňování silně limitovala jeho využití pro produkční provoz. Naproti tomu, AC zvlákňování vyniká výrazně vyšší produktivitou, přičemž zároveň umožňuje ovlivňovat řadu procesních parametrů a tím měnit vlastnosti vznikajících nanovláken podle cílových aplikací. Tato světově unikátní AC technologie se stala dalším klíčovým strategickým výzkumně-vývojovým prvkem klastru (patentově chráněným) a drtivá většina naší současné produkce nanomateriálů pochází právě z této technologie. Druhým přelomovým objevem byla příprava lineárních nanostruktur. Do té doby byly veškeré nanomateriály vytvářeny ve formě plošné membrány a různé hustotě a plošné hmotnosti. Nám se podařilo přijít s technologií, kdy jsou nanovlákna zachycována na nosné vlákno a tím dochází k tvorbě nanovlákenné příze. Tyto příze umíme připravit z desítek syntetických či biopolymerů v mnoha různých průměrech a lze je využít přímo, či zpracovávat pomocí konvenčních textilních technologií, jako je tkaní, pletení a další. To zcela zásadním způsobem rozšířilo možnosti aplikací nanovláken do dalších oborů. 

Neúnavně jsme pracovali na dalším vývoji AC zvlákňovací technologie jak plošných, tak lineárních struktur a zejména v možnostech jejich pokročilé funkcionalizace. V roce 2020 se nám podařilo do procesu AC zvlákňování integrovat tzv. naprašování. Díky této inovaci dokážeme do mezivlákenných prostor inkorporovat a fixovat jemné práškové materiály a partikule a vytvořit tak kompozitní nanovlákenné struktury. Takto lze například inkorporovat aktivní uhlí do nanovlákenné filtrační membrány a tím jí dodat vedle standardní mechanické filtrační funkce i sorpční schopnosti. Takto připravená kompozitní membrána je schopná jak ze vzduchu, tak z vody odstranit mimořádně široké rozmezí nežádoucích částic a kontaminantů.  

Hybnou silou výzkumu a vývoje realizovaného v rámci klastru NANOPROGRESS bylo vždy synergické zapojení členů klastru do procesu VaV na všech úrovních hodnotového řetězce od výrobců chemických látek a syntetiků polymerů, přes analytickou podporu, vlastní výzkumníky a vývojáře nanotechnologií a zvlákňovacích zařízení až po aplikátory vznikajících řešení do komerčních aplikací a produktů. Právě díky intenzivnímu výzkumu a zapojení mnoha členů klastru se nám podařilo vyvinout řadu unikátních technologických řešení a produktů, které lze rozdělit do tří hlavních skupin: 

Biomedicína,  zdravotnictví a kosmetika

• Ochranné prostředky – respirátory, roušky. Díky světové pandemii Covid jsme urychlili vývoj ochranných prostředků, kdy nanovlákenná membrána zajistí extrémně vysokou ochranu proti virovým a bakteriálním patogenům a zároveň funkcionalizace vláken pomocí biocidních látek (betadine) ještě více umocňuje ochranný efekt a prodlužuje dobu použitelnosti roušky či respirátoru.
• Implantabilní nanovlákenné nosiče a kryty ran. Nanostruktury z biodegrabilních polymerů funkcionalizované biologicky aktivními látkami z kmenových buněk pro léčbu defektů kostí, šlach, chrupavek a poranění kůže, kdy nanovlákna slouží jako podpůrný matrix pro růst buněk, zároveň podstupují pozvolnou biodegradaci a tím postupně uvolňují aktivní látky v místě poškození tkáně, čímž významně zvyšují regenerativní efekt.  
• Kosmetické masky na bázi nanovláken funkcionalizované aktivními látkami, vitamíny, kdy díky mimořádně velkému aktivnímu povrchu nanovláken dochází k vysoce efektivnímu transportu aktivních látek do kůže.

Environmentální technologie

• Filtrační nanovlákenné membrány pro filtraci vody a vzduchu, případně funkcionalizované inkorporací sorpční, antimikrobiální či antifoulingové složky. Tyto membrány jsou schopny velmi efektivně odstraňovat jak nežádoucí částice a patogeny, tak i přispět k zachycení řady kontaminantů, či zamezovat zarůstání filtrační membrány biofilmem, který snižuje filtrační schopnosti. 
• Nanovlákenné nosiče bakteriální biomasy pro čištění vod. Nanovlákenné příze zpracované do podoby 3D nosičů jsou ideálním prostředím pro růst mikroorganismů, které z vody efektivně odbourávají nežádoucí kontaminanty včetně pesticidů, reziduí léčiv a hormonů a dalších mikropolutantů.

Potravinářství a další průmyslová odvětví

• Nanovlákenné filtry pro filtraci rostlinných olejů, vína, destilátů a dalších médií. Filtry na bázi nanovláken poskytují vysokou efektivitu filtrace a díky vyšší propustnosti i snížení energetických nákladů. Zároveň tyto filtry díky specifickým vlastnostem nanostruktur prokazují též kvantově sorpční efekty a dokáží tak například z rostlinných olejů či vína eliminovat nežádoucí fosfatidy, rezidua pesticidů a dalších látek a tím  v jednom procesním kroku významně zvýšit senzorickou a nutriční kvalitu filtrovaných potravin.
• Inteligentní textilie. Nanovlákenné textilie s inkorporovanou elektricky vodivou složkou pro ochranné oděvy do výbušného prostředí. Textilie s naprášeným aktivním uhlím pro ochranné oděvy do prostředí kontaminovaného CBRN látkami. Textilie s integrovanými nanovlákennými biosenzory pro detekci specifických látek.