FIBRAS ESPECIALES: NANOFIBRAS

HISTORIA

La técnica de electrospinning es una técnica antigua, su origen se remonta a más de 60 años , fue observada por Rayleigh en 1897, quien evaluó el efecto de inducir cargas eléctricas en chorros de agua, así como la inestabilidad asimétrica del flujo del jet. Estudiada en detalle por Zeleny en 1914, a través del análisis del comportamiento de las gotas de solución en el extremo de un capilar y el inicio del proceso de modelamiento matemáticamente del comportamiento de los fluidos bajo las fuerzas electroestáticas y patentada por Cooley , Morton y Formhals, quien en 1934 logró describir de forma explícita el proceso, para ello trabajó con acetato de celulosa en su primera patente, para su segundo desarrollo ensambló un nuevo sistema con un mayor control de la distancia entre el capilar y el colector, con el cual redujo de forma considerable los inconvenientes observados en sus primeras investigaciones. Más adelante investigadores como Reneker 1994 – 1995 profundizaron en la técnica. Solo hasta hace pocos años debido a la demanda de materiales con dimensiones en escala nanométrica, la técnica de electrospinning se ha convertido en un proceso más atractivo gracias a la habilidad de transformar un amplio rango de materiales en forma de nanofibras a bajo costo y con relativa simplicidad.

ELECTROSPINNING

El típico montaje para la ejecución de la técnica de electrospinning Figura 1, consta de un capilar a través del cual debe ser expulsada la solución polimérica (aguja, cono, etc); una fuente de alto voltaje que posee dos electrodos los cuales deben conectarse uno al lugar de salida de la solución y otro directamente al plato colector (lamina de metal conductor, mandril rotativo, etc) [3, 43, 44] donde se depositarán las fibras posterior a la evaporación del didisolvente.

Figura 1. Ensamble del sistema de electrospinning.

La técnica puede ser desarrollada de forma horizontal o vertical según se desee, Figura 2, el principal inconveniente al trabajar en posición vertical es la posible salida de gotas de solución desde el capilar hacia el plato colector las cuales pueden caer sobre las fibras depositadas haciendo defectuosa la superficie de las mismas e interrumpiendo el proceso. Para impulsar la solución a través del capilar puede utilizarse una bomba de infusión; si se trabaja de forma horizontal con cono como capilar, la salida de la solución puede estar determinada por la fuerza de gravedad ligada a la viscosidad de la solución.

Para el inicio del proceso, el polímero debe estar diluido en el o los disolventes que permitan una dilución completa del mismo (debe ser completa, para evitar taponamiento del capilar durante el proceso) pero que a la vez promuevan la obtención de fibras homogéneas. Los polímeros son dieléctricos, en presencia de un campo eléctrico pueden considerarse como un arreglo de dipolos eléctricos microscópicos compuestos por cargas positivas y negativas cuyos centros no coinciden perfectamente, se mantienen en su lugar por acción de las fuerzas atómicas y moleculares, y solo pueden cambiar su posición ligeramente en respuesta a fuertes campos eléctricos externos, lo que explica por qué ocurre el estiramiento de la solución en el proceso. Son llamadas cargas ligadas en contraposición a cargas libres que determinan la conductividad en otro material “conductor”. En ocasiones para incrementar las propiedades dieléctricas de la solución, algunos disolventes con altas constantes dieléctricas son adicionados, esto favorece la formación de fibras con menos estructuras defectuosas (las estructuras defectuosas conocidas como beads, decrecen la superficie por unidad de área del proceso) y con diámetros reducidos . Una vez se tiene la solución en el lugar sea jeringa o cono se inicia la aplicación de alto voltaje, cuando este potencial eléctrico se aplica, las cargas se acumulan promoviendo la formación de una gota en la punta del capilar, a medida que la intensidad del campo eléctrico se incrementa, la gota se alarga para crear una forma cónica conocida como cono de Taylor. La fuerza del campo eléctrico supera las fuerzas de cohesión de la solución, en la mayoría de los casos dominada por la tensión superficial, es así como un chorro de solución de polímero inicia un viaje desde la punta del capilar hasta el plato colector; en su viaje, el chorro de solución polimérica es alargado debido a las interacciones electrostáticas entre las cargas cercanas a segmentos del mismo chorro, mientras tanto, el disolvente se evapora, finalmente, las fibras se solidifican a su llegada al plato colector. Luego de ser extraídas del plato colector algunos autores sugieren mantener las fibras en vacío para eliminar el disolvente remanente. Es importante tener precaución durante la ejecución del proceso ya que algunos didisolventes como el cloroformo, dimetilformamida y en general aquellos productos químicos nocivos, pueden emitir vapores perjudiciales para la salud, por lo que se recomienda incluir sistemas de ventilación y protección para quienes ejecutan el proceso .

RESUMEN

La técnica de electrospinning o electrohilado, ha sido ampliamente estudiada durante los últimos años gracias a la posibilidad de crear fibras en escala micro y nanométrica para una gran variedad de aplicaciones biomédicas, esta técnica aporta a los elementos desarrollados diversas características como: amplia superficie por unidad de área, porosidad y una serie de propiedades mecánicas, siendo atractiva a nivel biotecnológico. La técnica es versátil y de fácil ensamble lo que ha permitido procesar una gran variedad de polímeros, integrando en los últimos años otras clases de materiales, sin embargo durante el desarrollo del proceso existen una serie de variables que influyen en las características de los elementos obtenidos, ya sea porque están ligadas a las características del material base o porque su desempeño está relacionado con otros parámetros dentro del proceso. El objetivo de esta revisión es clarificar la influencia e interrelación de algunas variables en el proceso así como dar a conocer los más importantes avances en el desarrollo de la técnica y en lo referente a liberación de fármacos para aplicaciones médicas.

OBTENCIÓN

Un proceso convencional para obtener fibras comunes consiste en el hilado en el que un polímero fundido o en solución se hace pasar por una boquilla a cierta velocidad y temperatura. Además se estira el material buscando darle más módulo y resistencia. Pero para obtener una nanofibra, se utiliza lo que se llama electrohilado (electrospinning), que permite producir filamentos continuos cien veces inferiores a los métodos convencionales. Dichos filamentos se depositan en una membrana o malla no tejida llamada material nanofibroso

Una nanofibra es una fibra polimérica con diámetro inferior a 500nanómetros. Se obtienen a partir de técnicas especiales que permiten obtener esas fibras ultrafinas, de propiedades muy particulares y de muy diversos usos

CONSUMO

El sector textil indumentaria a nivel internacional tiene una facturación de 365 mil millones de dólares que representa el 6% de la facturación del comercio internacional. A su vez, la indumentaria es el sector que lidera la tasa de crecimiento del comercio internacional (7.2% versus el 5.7% del promedio).

ALGUNAS PROPIEDADES INÉDITAS DE MATERIALES CON TECNOLOGÍA NANO:

· Antimicrobianos: no permiten desarrollar olor a transpiración
· Antiácaros: para alérgicos
· Anti-UV: protector solar
· Luminiscencia: para seguridad
· Reflectancia: permite desarrollar indumentaria que por sus propiedades de camuflaje logra mimetisarse con el medio exterior.
· Autolimpiante: impide que penetren las manchas
· Microencapsulado: para mantener la temperatura corporal
· Materiales que respiran: impermeables al agua pero permeables para eliminar la transpiración

En el material nanofibroso la relación superficie-volumen es muy elevada. Las estructuras obtenidas generan sistemas dinámicos que pueden variar tanto el tamaño de los poros como la forma. Las propiedades de flexibilidad, tenacidad y resistencia a la tracción son imposibles de conseguir con otros materiales de estructuras convencionales

VISTA TRANSVERSAL

APLICACIONES

La baja densidad y elevado volumen de los poros hacen a estos materiales apropiados para dispositivos biomédicos como el sistema de liberación controlada de fármacos o la obtención de cosméticos