Elettrofilatura di nanofibre
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La nanotecnologia è un ramo della scienza applicata e della tecnologia che si occupa del controllo della materia su scala dimensionale inferiore al micrometro (10-6 m) e della progettazione e realizzazione di dispositivi in tale scala; scala che può conferire al prodotto, speciali caratteristiche chimiche e fisiche. Confronto visivo tra le dimensioni di un capello umano e una membrana di nanofibre Ordine di grandezza (m) Valore esatto 10-9 1 nm Esempio Diametro elica DNA 100 nm Particelle del fumo di legno 120 nm Dimensione max di una particella che può attraversare una mascherina da chirurgo 10-8 10-7 100-250 nm 450-500 nm 10-6 1-10 μm NANOFIBRE Dimensione media virus Diametro tipico di un batterio 7 μm Filo di una ragnatela 10 μm Larghezza fibra cotone 20 μm Larghezza fibra lana 80 μm Spessore capello umano 10-5 Quando il diametro delle fibre polimeriche è ridotto da livello micrometrico a nanometrico si ha la comparsa di diverse stupefacenti caratteristiche tra le quali le più importanti sono sicuramente: Elevata Porosità Elevato rapporto superficie/volume (rapporto che arriva ad aumentare anche di un fattore 103 rispetto alle microfibre) Queste caratteristiche rendono le nanofibre eccellenti candidate in diversi settori applicativi Potenziali campi di applicazione Applicazioni in ambito medico Da un punto di vista strutturale, quasi tutti tessuti umani e gli organi sono caratterizzati da forme o strutture nano fibrose, come per esempio la pelle, le ossa, il collagene e la cartilagine. LE NANOFIBRE, GRAZIE A QUESTE AFFINITA’ “DIMENSIONALI”, POSSONO FACILMENTE TROVARE APPLICAZIONE IN DIVERSE AREE MEDICALI. Applicazioni in ambito medico Le nanofibre possono essere utilizzate come carrier per la crescita cellulare migliorando l’efficienza delle garze convenzionali in: Nanofiber Wound Pad/ Hemcon Medical Technologies • Ferite causate da ustioni, interventi chirurgici e infezioni post-operatori • Ferite croniche (come quelle generate da decubito o da ulcere) • Ferite traumatiche (specialmente alla cornea, ustioni chimiche e termiche) Maschere Requisiti Cattura batteri e virus Traspirabile Basse perdite di carico Si richiede l’impiego di polimeri non irritanti Estemamente leggere Strutture composite Come substrato si utilizza un nontessuto microfibroso Uno strato è progettato appositamente per bloccare i virus e i batteri Può essere utilizzato sia come strato inferiore o superiore secondo le esigenze del prodotto Assorbimento acustico Caratteristiche Materiale: • Spessore del materiale • Arrangiamento della fibra • Densità e porosità strato nanofibroso • Assorbimento acustico efficace a causa degli interstizi molto piccoli che si vengono a formare in uno strato di nanofibre • Buone proprietà di isolamento termico oltre che assorbimento acustico Filtrazione • • • • Basse perdite di carico Migliore manutenzione del filtro Aumento del ciclo di vita del filtro Minor energia richiesta per la filtrazione dovuta alle basse perdite di carico • Costi di investimento più bassi dovuto alla riduzione dell’ingombro del filtro (riduzione dimensioni circa 30%) • Migliore protezione di componenti ad alto valore aggiunto (e.g. turbine a gas, motori di automobili, etc.) PRODUZIONE DI ENERGIA La cella a combustibile è un generatore elettrochimico in cui, in linea di principio, entrano un combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante (ossigeno o aria) e da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore. PEM: celle a membrana polimerica sono dotate di una membrana a scambio di protoni Vantaggio di membrana nano-dimensionali: aumento notevole della superficie di scambio Separazione anodo/catodo in batterie • • • • Riduzione del peso e delle dimensioni Elevato porosità e bagnabilità Bassa resistenze delle correnti ioniche Aumento delle densità di potenza INDUMENTI PROTETTIVI Il personale militare, i vigili del fuoco, le forze dell'ordine, i medici richiedono indumenti ad alto livello di protezione da possibili agenti atmosferici, chimici e biologici Le limitazioni dei capi di abbigliamento usati attualmente a questo scopo son sicuramente che di fatto impediscono • il peso all'utente di indossare • la non traspirabilità l’indumento per lunghi periodi. Proprio per il loro peso leggero, per la loro grande area superficiale e per la loro porosità (quindi traspirabilità) le nanofibre di polimeri sono considerate possibili materiali eccellenti a questo scopo. Viste le grandi possibilità dei materiali di dimensioni nanometriche la ricerca si è dedicata allo studio di un certo numero di tecniche di lavorazione per la preparazione di nanofibre polimeriche: Processo Tecnologia di studio Può il processo essere trasferito in industria Ripetitibilità Processo conveniente Controllo dimensioni nanofibre drawing laboratory X ✔ ✔ X Template synthesis laboratory X ✔ ✔ ✔ Phase separation laboratory X ✔ ✔ X Self-assembly laboratory X ✔ X X Electrospinning laboratory ✔ ✔ ✔ ✔ L’APPARATO STRUMENTALE E’ COSTITUITO DA 4 ELEMENTI FONDAMENTALI: Una siringa dosatrice con un capillare di diametro intorno al millimetro dove viene inserito il fluido polimerico in soluzione Una pompa volumetrica in grado di regolare il flusso della siringa Un generatore di alta tensione Un collettore metallico (dispositivo di raccolta) Il collettore può essere un piano statico o di geometria cilindrica che, se messo in movimento, permette una raccolta più ordinata della fibra L’applicazione di un campo elettrico genera una forza elettrostatica che prevale ampiamente sulla tensione superficiale facendo sì che si formi un vero e proprio getto Il getto elettricamente carico sviluppa una geometria conica (cono di Taylor) e, attraversando il campo elettrico, viene accelerato e assottigliato a formare un filamento stirato, grazie anche all’evaporazione del solvente Durante il tragitto verso il collettore si ha una drastica diminuzione del diametro (dovuta alla rapida rotazione a spirale del getto accelerato). Questo fenomeno è chiamato “movimento di frusta” Nanofibre elettrofilate LETTERATURA Nanofibre elettrofilate LETTERATURA Nanofibre elettrofilate LETTERATURA Nanofibre elettrofilate LETTERATURA La semplicità operativa della strumentazione per l’elettrofilatura si scontra con la complessa messa a punto delle variabili sperimentali. Il processo di electrospinning è influenzato, infatti, da numerosi parametri strettamente correlati tra loro. Per questo motivo, ogni polimero necessita di un’ottimizzazione individuale. PARAMETRI DI SISTEMA La morfologia delle nanofibre, in termini di valore medio e distribuzione dei diametri delle fibre e presenza o meno di difetti, dipende da due serie di parametri principali: PARAMETRI DI PROCESSO conducibilità viscosità concentrazione del polimero nella soluzione tensione superficiale Parametri di sistema struttura molecolare Volatilità solvente peso molecolare Viscosità: incide sull’estensione del getto e sul diametro delle nanofibre ▪ Se troppo bassa si avrà poca forza di stiramento e quindi formazione di granuli ▪ Se troppo alta si può avere la rottura del getto anziché un’azione di trazione Volatilità solvente: più un solvente è volatile, più la fibra avrà tempo e modo di stirarsi lungo il tragitto verso il supporto di raccolta Tensione superficiale: contribuisce alla formazione di granuli nella fibra. (Un modo per diminuire la tensione superficiale è aggiungere tensioattivo alla soluzione, al fine di rendere più uniformi le fibre) Conducibilità: è il parametro più importante, in quanto l’electrospinning permette lo stiramento del fluido polimerico, grazie alla mutua repulsione delle cariche sulla superficie Fattori esterni agenti sul getto polimerico Potenziale elettrico Distanza capillare-schermo Temperatura Parametri di processo Diametro ago Umidità relativa Potenziale elettrico: è il parametro che fornisce alla soluzione le cariche necessarie affinchè la forza elettrostatica superi la tensione superficiale. Quando si raggiunge questa soglia il processo di elettrofilatura ha inizio. Distanza capillare-schermo: una distanza maggiore vuol dire dare al getto di soluzione più tempo per stirare e quindi ottenere nanofibre con diametri minori Temperatura e Umidità relativa: possono influire in modo rilevante il processo di elettrofilatura SEM microscopio a scansione elettronica Strumento per analizzare la morfologia delle fibre Si identificano in modo semplice eventuali difetti nel tessuto non tessuto 0.34 μm 0.21 μm Oltre a identificare eventuali difetti sul campione si riesce anche a misurare con estrema semplicità il diametro delle fibre prodotte e si controlla inoltre l’ omogeneità del prodotto Fine
