Tavení elektrostatickým zvlákňováním - Melt electrospinning

Polykaprolaktonové lešení vyráběné tavným elektrostatickým zvlákňováním

Tavení elektrostatickým zvlákňováním je technika zpracování pro výrobu vláknitých struktur z polymerních tavenin pro aplikace, které zahrnují tkáňové inženýrství, textil a filtrace. Obecně, elektrostatické zvlákňování lze provést buď pomocí polymerních tavenin nebo polymerních roztoků. Elektrostatické zvlákňování z taveniny je však odlišné v tom, že sběr vlákna může být velmi zaměřený; v kombinaci s pohyblivými kolektory je způsob provádění tavného elektrostatického zvlákňování způsobem 3D tisk. Vzhledem k tomu, že se nepoužívají těkavá rozpouštědla, existují výhody pro některá použití, kde je problémem toxicita a akumulace rozpouštědel během výroby.


Dějiny

První popis tavného elektrostatického zvlákňování vytvořil Charles Norton v patentu schváleném v roce 1936. Po tomto prvním objevu bylo až v roce 1981 popsáno tavné elektrostatické zvlákňování jako součást řady tří papírů.[1] Abstrakta setkání o elektrostatickém zvlákňování taveniny v a vakuum byl publikován Renekerem a Rangkupanem o 20 let později v roce 2001.[2] Od této vědecké publikace v roce 2001 vyšly pravidelné články o elektrostatickém zvlákňování taveniny, včetně recenzí na toto téma.[3] V roce 2011 bylo elektrospřádání taveniny kombinované s translačním kolektorem navrženo jako nová třída 3D tisk.[4]

Zásady

Stejná fyzika tažení elektrostatických vláken platí pro elektrostatické zvlákňování z taveniny. Liší se fyzikálními vlastnostmi polymerní taveniny ve srovnání s polymerním roztokem. Při srovnání polymerních tavenin a polymerních roztoků je obvykle více viskózní než polymerní roztoky a byly hlášeny prodloužené elektrifikované trysky.[5] Roztavený elektrifikovaný paprsek také vyžaduje chlazení, aby ztuhl, zatímco elektrospinování roztoku závisí na vypařování. Zatímco elektrostatické zvlákňování z taveniny má obvykle za následek vlákna o mikronovém průměru, lze dráhu elektrifikovaného paprsku v elektrostatickém zvlákňování z taveniny předvídat.[6]

Parametry

Teplota

K zajištění roztaveného polymeru je nutná minimální teplota až ke špičce zvlákňovací trysky. Zvlákňovací trysky mají relativně krátkou délku ve srovnání s elektrostatickým zvlákňováním.

Průtok

Nejvýznamnějším parametrem pro řízení průměru vlákna je rychlost toku polymeru do zvlákňovací trysky - obecně platí, že čím vyšší je rychlost toku, tím větší je průměr vlákna. I když jsou uváděné průtoky nízké, veškerý tekutý elektrostatický zvlákňování se shromažďuje, na rozdíl od elektrostatického zvlákňování v roztoku, kde velká část solventní se odpaří.

Molekulární váha

The molekulární váha je důležité, zda lze polymer roztavit elektrostaticky zvlákňováním. U lineárních homogenních polymerů může nízká molekulová hmotnost (pod 30 000 g / mol) vést k prasknutí a nekvalitní vlákna.[7] Pro vysoké molekulové hmotnosti (nad 100 000 g / mol) může být polymer velmi obtížně protékat zvlákňovací tryskou. Mnoho roztavených elektrospun vláken uvádí, že používají molekulové hmotnosti mezi 40 000 a 80 000 g / mol [4] nebo jsou to směsi nízkomolekulárních a vysokomolekulárních polymerů.[8]

Napětí

Úpravy Napětí výrazně neovlivňuje výsledný průměr vlákna, nicméně bylo hlášeno, že k výrobě vysoce kvalitních a konzistentních vláken je zapotřebí optimálního napětí. K tavení elektrospinu bylo použito napětí od 0,7 kV do 60 kV.[9][10]

Zařízení

Byly vyrobeny různé stroje pro elektrostatické zvlákňování taveniny, z nichž některé jsou namontovány svisle a jiné vodorovně. Přístup k ohřevu polymeru se liší a zahrnuje elektrické ohřívače, ohřátý vzduch a cirkulační ohřívače.[3] Jedním z přístupů k elektrostatickému zvlákňování z taveniny je vtlačování pevného polymerního vlákna do a laser, který se taví a je elektrostaticky zvlákňován.

Polymery

Polymery vykazující teplotu tání nebo teplota skleněného přechodu (Tg) jsou vyžadovány pro elektrostatické zvlákňování z taveniny, s výjimkou termosetů (např bakelit ) a biologicky odvozené polymery (jako např kolagen ). Polymery roztavené elektrospunem zatím zahrnují:

  1. Polykaprolakton[4][11]
  2. Kyselina polymléčná[12]
  3. Poly (laktid-ko-glykolid)[13]
  4. Poly (methylmethakrylát)[14][15]
  5. Polypropylen[1][5]
  6. Polyethylen[10]
  7. Poly (kaprolakton-blok-ethylenglykol)[7]
  8. Polyuretan[16]

Tyto polymery jsou příklady nejpoužívanějších polymerů a komplexnější seznam najdete jinde.[3]

Použití

Potenciální aplikace tavného elektrostatického zvlákňování zrcadlí řešení elektrostatického zvlákňování v roztoku. Nepoužívání rozpouštědel ke zpracování polymeru pomáhá v aplikacích tkáňového inženýrství, kde jsou rozpouštědla často toxická. Navíc některé polymery, jako je polypropylen nebo polyethylen, nejsou snadno rozpuštěny, takže elektrostatické zvlákňování z taveniny je jedním z přístupů k jejich elektrostatickému zvlákňování na vláknitý materiál.

Tkáňové inženýrství

Elektrostatické zvlákňování z taveniny se používá ke zpracování biomedicínských materiálů pro výzkum tkáňového inženýrství. Těkavá rozpouštědla jsou často toxická, takže vyhýbání se rozpouštědlům má v této oblasti výhody. Tavená elektrostaticky zvlákněná vlákna byla použita jako součást „bimodálu tkáňové lešení ", kde byla současně ukládána vlákna v mikronovém i nano měřítku.[13] Lešení vyrobená elektrickým zvlákňováním z taveniny lze plně proniknout buňkami, které zase produkují extracelulární matrix uvnitř lešení.[17]

Doručování drog

Elektrostatické zvlákňování z taveniny je také schopné formulovat vlákna s obsahem léčiva dodávka léků. Jedná se o slibnou novou formulační techniku ​​v oblasti farmaceutické technologie pro přípravu amorfních pevných disperzí nebo pevná řešení se zvýšeným nebo řízeným rozpouštěním léčiva, protože může kombinovat výhody vytlačování z taveniny (např. bez rozpouštědel, efektivní amorfizace, kontinuální proces) a na bázi rozpouštědla elektrostatické zvlákňování (zvětšený povrch).[18][19][20]

Tavení elektrostatického zvlákňování

Elektrifikovaný proud roztavené kapaliny vytvořený elektrostatickým zvlákňováním taveniny má předvídatelnější cestu a polymerní vlákna lze přesně ukládat na kolektor. Když se kolektor pohybuje dostatečnou rychlostí (označovanou jako kritická rychlost translace), mohou se elektrostaticky zvlákňovaná vlákna z přímé taveniny ukládat do vrstvy po vrstvě. To umožňuje výrobu složitých, dobře uspořádaných struktur. [4] V tomto ohledu lze tavení elektrostatickým zvlákňováním (MEW) považovat za třídu 3D tisk. Tavení elektrostatickým zvlákňováním bylo prováděno buď pomocí překládajícího plochého povrchu [4] nebo rotující válec / trn [11]. Většina polymerů, které lze tavit elektrospunem, lze také psát za předpokladu, že parametry lze vyladit tak, aby vznikl stabilní proud. Ukázalo se také, že piezoelektrické polymery, jako je polyvinyliden difluorid (PVDF), jsou zpracovatelné pomocí MEW, což otevírá potenciální aplikace ve 3D tištěných senzorech, měkké robotice a dalších aplikacích v biofabrikaci [21].

Reference

  1. ^ A b L. Larrondo, R. S. J. Manley, Journal of Polymer Science Part B-Polymer Physics 1981, 19, 909.
  2. ^ R. Rangkupan, D. H. Reneker, v New Frontiers in Fiber-Based Products, The Fiber Society, Raleigh, NC, USA, 2001.
  3. ^ A b C Hutmacher DW & Dalton PD (2011) Melt Electrospinning. Chem Asian J, 6, 44-5.
  4. ^ A b C d E Brown TD, Dalton PD, Hutmacher DW. (2011) Direct Writing by Way of Melt Electrospinning. Advanced Materials, 23, 5651-57.
  5. ^ A b Dalton PD, Grafahrend D, Klinkhammer K, Klee D, Möller M (2007) Elektrospinování polymerních tavenin: fenomenologická pozorování. Polymer, 48, 6823-6833.
  6. ^ Dalton PD, Vaquette C, Farrugia B, Dargaville TR, Brown TD, Hutmacher DW. (2013) Elektrospinování a aditivní výroba: konvergující technologie. Biomater Sci, 1, 171.
  7. ^ A b Dalton PD, Calvet J-L, Mourran A, Klee D, Möller M (2006) Melt Electrospinning of poly (ethylene oxid-block-ε-caprolactone). Biotechnol J, 1, 998-1006.
  8. ^ Dalton PD, Jörgensen N, Groll J, Möller M (2008) Patterning of melt electrospun substráty pro tkáňové inženýrství. Biomed Mater, 3, 034139.
  9. ^ C. S. Kong, K. J. Jo, N. K. Jo, H. S. Kim, Polymer Engineering and Science 2009, 49, 391
  10. ^ A b R. J. Deng, Y. Liu, Y. M. Ding, P. C. Xie, L. Luo, W. M. Yang, Journal of Applied Polymer Science 2009, 114, 166.
  11. ^ A b Brown TD, Slotosch A, Thibaudeau L, Taubenberger A, Loessner D, Vaquette C, Dalton PD, Hutmacher DW. (2012) Návrh a výroba trubkových lešení přímým zápisem v režimu elektrostatického zvlákňování z taveniny. Biointerphases, 7, 13, DOI 10.1007 / s13758-011-0013-7.
  12. ^ H. J. Zhou, T. B. Green, Y. L. Joo, Polymer 2006, 47, 7497.
  13. ^ A b Kim SJ, Jang DH, Park WH, Min BM (2010) Výroba a charakterizace trojrozměrných kompozitních lešení z nanovláken / mikrovláken PLGA. Polymer, 51, 1320-7
  14. ^ X. F. Wang, Z. M. Huang, Chinese Journal of Polymer Science 2010, 28, 45.
  15. ^ C. P. Carroll, E. Zhmayev, V. Kalra, Y. L. Joo, Korea-Australia Rheology Journal 2008, 20, 153.
  16. ^ Karchin A, Simonovsky FI, Ratner BD, Sanders JE. (2011) Taveninové elektrostatické zvlákňování biologicky odbouratelných polyuretanových lešení. Acta Biomater, 7, 3277-84.
  17. ^ Farrugia B, Brown TD, Hutmacher DW, Upton Z, Dalton PD, Dargaville TR. (2013) Infiltrace dermálních fibroblastů do poly (ε – kaprolaktonových) lešení vyrobených tavným elektrospinováním v režimu přímého psaní. Biofabrication 5, 025001.
  18. ^ Nagy, Z. K., Balogh, A., Drávavölgyi, G., Ferguson, J., Pataki, H., Vajna, B. a Marosi, G. (2013). „Elektrostatické zvlákňování z taveniny bez rozpouštědel pro přípravu rychle se rozpouštějícího systému pro dodávání léčiv a srovnání s elektrospunem na bázi rozpouštědla a extrudovaným z taveniny“. Journal of Pharmaceutical Sciences. 102 (2): 508–517 (www.fiberpharma.co.nf). doi:10,1002 / jps.23374. PMID  23161110.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  19. ^ Balogh, A., Drávavölgyi, G., Faragó, K., Farkas, A., Vigh, T., Sóti, PL, Wagner, I., Madarász, J., Pataki, H., Marosi, G., Nagy , ZK (2014). „Plastifikované tavné elektrospunované polymerové rohože naplněné léčivem: charakterizace, tepelná degradace a kinetika uvolňování“. Journal of Pharmaceutical Sciences. 103 (4): 1278-1287 (www.fiberpharma.co.nf). doi:10,1002 / jps.23904. PMID  24549788.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  20. ^ Balogh, A., Farkas, B., Faragó, K., Farkas, A., Wagner, I., Van Assche, I., Verreck, G., Nagy, Z. K., Marosi, G. (2015). „Tavené a elektrostaticky zvlákňované rohože z polymerních vláken s obsahem léčiva pro zlepšení rozpouštění: srovnávací studie“ (PDF). Journal of Pharmaceutical Sciences. 104 (5): 1767-1776 (www.fiberpharma.co.nf). doi:10,1002 / jps.24399. PMID  25761776.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  21. ^ Florczak, S; Lorson, T; Zheng, T; Mrlik, M; Hutmacher, D.W; Higgins, M. J.; Luxenhofer, R; Dalton, P.D (2019). „Elektrolytické tavení elektroaktivních poly (vinyliden difluoridových) vláken“. Polymer International. 68 (4): 735–745. doi:10,1002 / pi.5759.

externí odkazy