Electrospinning

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Electrospinning o electrohilado es una técnica para la fabricación de fibras, la cual está basada en una serie de conceptos electromagnéticos, como la carga electrostática, en donde una solución generalmente polimérica se ve inducida por este efecto, y da como resultado fibras de diversos tamaños, obteniendo así productos finos de hasta unos cuantos nanómetros de espesor. Esta técnica comparte características del electrospray. En electrospinning es común hacer las soluciones a temperatura ambiente y a altos potenciales eléctricos (generalmente por arriba de 1 kV).[1]

Configuración estándar de un sistema de electrospinning

Principios y funcionamiento[editar]

Cuando a la solución introducida dentro de la punta dispensadora de fibras es inducida a un alto voltaje, la solución excedente sobresaldrá en el extremo de la aguja en forma de menisco, el cual se cargará debido a las interacciones electrostáticas. la gota cargada presentará una repulsión electrostática, la cual en conjunto a la tensión superficial propia de la solución, hará que la gota se estire, generando una geometría cónica (Cono de Taylor),[2] cuando las condiciones son adecuadas se llega a un punto crítico donde la gota ahora permitirá un flujo constante de la sustancia dando como producto un hilo[3] [4]

Cuando el hilo se dirige hacia la placa colectora, este se seca gradualmente, donde el flujo de corriente sigue siendo lineal (óhmico), más adelante se genera un efecto de flujo de corriente convectivo por los procesos de migración de carga a medida que la solución se aleja de la punta. Por efecto del giro de la punta se genera un proceso de batido donde la fibra es finalmente depositada a la placa colectora, la cual funciona como la tierra del circuito.[5]

Diagrama mostrando el cambio de distribución de carga mientras la fibra se seca
Formación de fibras mediante electrospinning

Factores que afectan las propiedades de las fibras[editar]

Para poder controlar el tamaño, diámetro y cantidad de fibras formadas, se debe tener consideradas las siguientes variables:[6]

Parámetros para la formación de fibras

Propiedades de la solución[editar]

  • Naturaleza de la materia prima de la fibra (polímero, metal, composites, óxidos metálicos, etc.).
  • Pesos moleculares, estructura química, polaridad de la molécula.
  • Propiedades reológicas de la muestra (viscosidad, elasticidad, etc.).
  • Concentración de la solución.

Propiedades de la punta[editar]

  • Potencial eléctrico aplicado al sistema.
  • Distancia entre la punta y la placa colectora.
  • Diámetro de la punta.
  • Número de puntas usadas.

Propiedades ambientales y del colector[editar]

  • Condiciones ambientales (humedad, flujo de aire, temperatura).
  • Forma y tamaño de la placa colectora.
  • movimiento de la placa colectora.


Historia[editar]

A finales del siglo XVI, William Gilbert, estableció una descripción del comportamiento del fenómeno electrostático y magnético cuando se dio cuenta de la diferencia entre el comportamiento ferromagnético que presentaban ciertas piedras encontradas naturalmente (magnetita) y comparándola con la fuerza electrostática que generaba el ámbar frotado. Cuando acercaba dicha pieza de ámbar cargada a una gota de agua, esta formaba una especie de cono y pequeñas gotas serían extraídas de la punta del cono originado, este fue el primer reporte del principio de la técnica de electrospinning documentado.[7]

William Gilbert

La primera descripción de un proceso reconocible como electrospinning fue hecha en el año 1902, cuando J. F. Cooley presentó una patente en Estados Unidos titulada "Apparatus for electrically dispersing fibers" [8] en la cual presentaba una manera práctica de generar hilos mediante altas fuentes de alimentación. El mismo texto describía que la sustancia de la cual se generarían los hilos debía contar con cierta viscosidad, tener un solvente lo suficientemente volátil como para permitir la generación del polímero sólido, y un rango de intensidad de campo eléctrico de operación. En noviembre de 1903 Cooley patenta el método eléctrico de dispersión de fluidos.[9]

En 1914 John Zeleny publicó un estudio del comportamiento de las gotas de fluidos en el extremo de capilares metálicos,[10] su trabajo inspiró a la creación de modelos matemáticos para explicar el comportamiento de fluidos bajo fuerzas electrostáticas. Así, entre 1964 y 1969, Sir Geoffrey Ingram Taylor consolidó las bases teóricas del electrospinning.[11] [12] [13]

El trabajo de Taylor contribuyó al modelo matemático de la forma cónica formada por la gota del fluido bajo el efecto de un campo eléctrico; esta forma es conocida como cono de Taylor. más tarde el trabajó con J. R. Melcher para desarrollar el "modelo dieléctrico de fugas" para fluidos conductores.[14]

A la par del trabajo que presentaron Zeleny y Taylor, surgió una secuencia de patentes, en el mismo año que Cooley mostró su dispositivo, W. J. Morton presentó un patente de un dispositivo similar pero de bajo rendimiento.[15] Procesos de Melt spinning y de asistencia por chorro de aire fueron propuestas por C. L. Norton,[16] después entre los años 1934 y 1944 Anton Formhals publicó una serie de informes de máquinas de alto rendimiento con alimentación de presión constante[17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] para producir fibras continuas con fines de maquinaria textil estándar.

En 1995 se redescubrió el electrospinning, pues J. Doshi y D. H. Reneker se encontraban estudiando la ténica y pronto se toparon con que esta podía fabricar fibras de tamaños nanómetricos, lo cual abría un potencial nuevo para una fuente de nanomateriales y nanoestructuras.[24] Desde entonces, el número de publicaciones acerca de electrospinning ha crecido de manera exponencial cada año.[25]

Desde el año 1995 ha habido muchos desarrollos teóricos de los mecanismos de formación con el proceso de electrospinning. Reznick y sus colaboradores describieron una investigación extensa con respecto a la forma del cono de Taylor y la subsecuente expulsión del hilo del fluido.[26] Hohman y sus colaboradores investigaron el crecimiento relativo de las numerosas inestabilidades propuestas en un chorro eléctricamente forzado.[27]

Aplicaciones y usos[editar]

Los intereses que pueden surgir del método de electrospinning y sus aplicaciones en el mundo real dependen de tres aspectos en el proceso. primero se encuentra el tamaño: si la fibra tiene un tamaño a nivel nanométrico, o si tiene una textura superficial a nanoescala, llevando a diferentes modos de interacción con otros materiales nanométricos.[28] Como segundo punto a considerar, debido a la alta relación que tiene el arrastre, se espera que las fibras producidas tengan una estructura molecular orientada, con un mínimo de defectos, y por lo tanto se aproximará a la fuerza máxima neta teórica. Por último, las fibras producidas tendrán inevitablemente una alta área superficial y una razón de volumen subsecuente. Lo cual da lugar a diversas aplicaciones conjuntas con dichas características, como filtrado, matrices celulares, substratos catalíticos, composites ultra-fuertes, textiles funcionales, encapsulación de drogas, apósitos, y cánulas para abrir venas obstruidas.

Nanomateriales[editar]

Es bien sabido en el área de nanomateriales que cuando un material está constituido por estructuras a nanoescala o por nanopartículas, nanofibras, etc., presentan interacciones y características que varían drásticamente del material sin alguna modificación de dicho estilo.[29] Principalmente para sistemas vivos, la nanoescala cobra una gran importancia, pues es a esta escala donde se dan a cabo diversos procesos celulares, es por eso que han surgido ramas de la nanotecnología como la ingeniería de tejidos donde el principal estudio es la interacción de nanomateriales con el tejido vivo y las células, para poder regenerar con mayor rapidez una herida.

Fibras de alta resistencia[editar]

Durante el proceso de fabricación de fibras, el material sufre relativamente un gran esfuerzo mecánico específicamente un estiramiento,[30] se espera que con este estiramiento y al diametro cercano al nivel molecular de dichas estructuras, las moléculas del polímero estarán muy alineadas con poco margen de defectos en la estructura, en general, cuanto más fina es la fibra, esta se acercará más a su fuerza máxima teórica.[31] Por dicha conjetura, sus altas resistencias mecánicas hacen que sea posible ocupar las fibras para combinarlas con otros materiales como asfaltos o concretos y así mejorar sus propiedades mecánicas.[32]

Área superficial y volumen[editar]

Asumiendo que las fibras producidas cuentan con una forma definida de cilindro, medir su volumen y área no presentará una dificultad mayor, ya que midiendo una sola fibra con las diversas técnicas de microscopía electrónica, se podrá estimar un promedio tanto de radios como de longitudes de fibras, ya que el proceso suele generar fibras muy controladas en ese aspecto.[33] En cualquier proceso donde exista una dependencia en el área superficial tales como en la filtración activa, la catálisis, las interacciones fibra-matriz, e inclusive en diversos tipos de sensores químicos, se verán beneficiados en la incorporación de nanofibras en el proceso.

Aplicaciones médicas[editar]

Generalmente los productos dirigidos al mercado médico pueden ser productos de alto valor añadido, con pequeños volúmenes de producción, por lo tanto la medicina ha sido un blanco para el desarrollo de productos de la aplicación de electrospinning. Por ahora esto ha sido un punto a favor del electrospinning, debido al rendimiento y producción que puede generar un instrumento común de esta técnica.

Las aplicaciones médicas de fibras, en general, se dividen en 2 tipos, las aplicaciones consumibles directamente por el paciente, tales como apósitos, y administración de fármacos; y consumibles por procedimientos, tales como andamios tisulares.[34] [35] [36] [37]

Aplicaciones en los materiales[editar]

La técnica de electrospinning fue introducida originalmete con motivos de fabricación textil, pero se han presentado diversos aplicaciones potenciales, como la manofactura de nanocomposites. Un revisión más profunda permite entender los beneficios que podrían presentar los nanocomposites, como la habilidad de producir materiales fibrosos con un amplio rango de diámetros o texturas superficiales, permitiendo el desarrollo de interacciones de matríces fibrosas maximizando exponencialmente las propiedades del composite en su estado macroscópico.[38]

Aplicaciones electrónicas y energéticas[editar]

Las fibras tienen un potencial en la fabricación de baterías poliméricas y de litio.[39] De igual manera con la fabricación de baterías de este tipo se podría aprovechar las propiedades mecánicas para la fabricación de baterías flexibles.[40]

Referencias[editar]

  1. Rock, Matthew J., et al. "Molecular Basis Of Elastic Fiber Formation." Journal Of Biological Chemistry 279.22 (2004): 23748-23758. Academic Search Complete. Web. 10 Nov. 2015.
  2. Yarin, A. L., Koombhongse, S., & Reneker, D. H. (2001). Taylor cone and jetting from liquid droplets in electrospinning of nanofibers. Journal Of Applied Physics, 90(9), 4836.
  3. Home-made Electrospinning experiment (PVA fibers) . youtube.com
  4. Single nozzle electrospinning process nanofiber formation video. youtube.com
  5. High speed video of the whipping instability. youtube.com
  6. Stanger, Jon; Tucker, Nick; Staiger, Mark (2008). electrospinning. Shrewsbury, Shropshire, United Kingdom: Rapra Technology Ltd. pp. 3-9. ISBN 978-1-84735-091-6. 
  7. W. Gilbert, De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellur(On the Magnet and Magnetic Bodies, and on That Great Magnet the Earth), Peter Short, London, UK, 1628.
  8. J.F. Cooley, inventor; no assignee; Apparatus for electrically dispersing fluids, US 692631, 1902.
  9. J.F. Cooley, inventor; no assignee; Electrical method of dispersing fluids, US 745276, 1903.
  10. J. Zeleny, The Electrical Discharge from Liquid Points, and A Hydrostatic Method of Measuring the Electric Intensity at their Surfaces, Physical Review, 1914, 3, 2, 69.
  11. G. Taylor, Disintegration of Water Drops in an Electric Field, Proceedings of the Royal Society of London, Series A: Mathematical and Physical and Sciences, 1964, 280, 1382, 383.
  12. G. Taylor, The force exerted by an electric field on a long cylindrical conductor, Proceedings of the Royal Society of London, Series A: Mathematical and Physical Sciences, 1965, 291, 1425, 145.
  13. G . Taylor, Electrically Driven Jets,Proceedings of the Royal Society of London Series A: Mathematical and Physical Sciences, 1969, 313, 1515, 453.
  14. J.R. Melcher and G.I. Taylor, Electrohydrodynamics: A Review of the Role of Interfacial Shear Stresses, Annual Review of Fluid Mechanics, 1969, 1, 1, 111.
  15. W.J. Morton, inventor; no assignee; Method of dispersing fluids, US 705691, 1902.
  16. C.L. Norton, inventor; no assignee; Method of and apparatus for producing fibrous or filamentary material, Massachusetts Institute of Technology, US 20486513, 1936.
  17. A. Formhals, inventor; no assignee; Process and Apparatus for Preparing Artificial Threads, US 1975504, 1934.
  18. A. Formhals, inventor; no assignee; Artificial Fibre Construction, US 2109333, 1938.
  19. A. Formhals, Richard Schreiber-Gastell, assignee; Method and Apparatus for Spinning,USA, 1939.
  20. A. Formhals, Inventor; Richard Schreiber-Gastell, assignee; Method of producing artificial fibres, USA, 1939.
  21. A. Formhals, Richard Schreiber-Gastell, assignee; Artificial Thread and Method of Producing Same, USA, 1940.
  22. A. Formhals, inventor; Production of Artificial Fibres from Fiber forming Liquids, USA, 1943.
  23. A. Formhals, inventor; no assignee; Method and Apparatus for Spinning, US 2349950, 1944.
  24. J. Doshi and D.H. Reneker, Electrospinning Process and Applications of Electrospun Fibres, Journal of Electrostatics, 1995, 35, 2-3, 151.
  25. Z-M. Huang, Y-Z. Zhang, M. Kotaki and S. Ramakrishna, A review on polymer nanofibres by electrospinning and their applications in nanocomposites, Composites Science and Technology, 2003, 63, 15, 2223.
  26. S.N. Reznik, A.L. Yarin, A. Theron and E. Zussman, Transient and steady shapes of droplets attached to a surface in a strong electric field, Journal of Fluid Mechanics, 2004, 516, 1, 349.
  27. M.M. Hohman, M. Shin and G. Rutledge, Electrospinning and electrically forced jets, I, Stability theory, Physics of Fluids, 2001, 13, 8, 2201.
  28. L. Moroni, R. Licht, J. De Boer, J.R. De Wijn and C.A. Van Blitterswijk, Fiber diameter and texture of electrospun PEOT/PBT scaffolds influence human mesenchymal stem cell proliferation and morphology, and the release of incorporated compounds,Biomaterials, 2006, 27, 28, 4911.
  29. L. Moroni, R. Licht, J. De Boer, J.R. De Wijn and C.A. Van Blitterswijk, Fiber diameter and texture of electrospun PEOT/PBT scaffolds influence human mesenchymal stem cell proliferation and morphology, and the release of incorporated compounds,Biomaterials, 2006, 27, 28, 4911.
  30. J.J. Feng, The stretching of an electrified non-Newtonian jet: A model for electrospinning,Physics of Fluids, 2002, 14, 11, 3912.
  31. Ko F; Gogotsi Y; Ali A; Naguib N; Ye H; Yang G; Li C; Willis P. ELECTROSPINNING OF CONTINUOUS CARBON NANOTUBE-FILLED NANOFIBER YARNS, 2003, 15, 14, 11161.
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  40. A.S. Best, G.A. Snook, A.G. Pandolfo, A.F. Hollenkamp, I.L. Kyratzis and R.J.N. Helmer, Flexible Energy Storage Devices,International, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, 2007.