Un nuovo versatile x

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 4872 (2022) Citare questo articolo

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Questo lavoro descrive un'apparecchiatura di elettrofilatura versatile con movimenti x-y-z rapidi, indipendenti e precisi per deposizioni su vasta area di fibre elettrofilate, scrittura diretta o assemblaggio di fibre in modelli di dimensioni inferiori al millimetro e micron e stampa di micro 3D - e nanostrutture. La sua versatilità è dimostrata attraverso la preparazione di nanofibre funzionali multistrato per la guarigione delle ferite, reti di nanofibre per la filtrazione delle particelle, linee stampate ad alto rapporto d'aspetto e nanofibre allineate indipendenti.

I nanomateriali, in particolare le nanofibre, sono oggetto di studi intensivi a causa dei loro potenziali usi in medicina, elettronica e catalisi1,2,3. In effetti, le nanofibre fungono da elementi architettonici negli scaffold cellulari e tissutali4,5,6 e costituiscono la base per pelli artificiali e tessuti intelligenti7,8. Inoltre, rappresentano anche un efficiente sistema di rilascio di molecole bioattive in applicazioni terapeutiche. Questo crescente interesse spinge la ricerca sulle loro fabbricazioni attraverso l'autoassemblaggio, il processo di trafilatura con separazione di fase, la sintesi assistita da modelli, i metodi di fusione con solvente e l'elettrofilatura9,10,11. In particolare, l'elettrofilatura produce micro e nanofibre di vari materiali, morfologie, strutture e porosità12,13. La sua versatilità consente di elettrofilare e produrre nanofibre naturali, sintetiche e composite in quantità scalabili. Inoltre, l'assemblaggio delle nanofibre può essere guidato per creare oggetti 3D complessi per varie esigenze applicative14,15. Pertanto, le nanofibre elettrofilate vengono utilizzate nella somministrazione di farmaci, nella medicazione delle ferite, nella rigenerazione ossea e nella ricerca sull'ingegneria dei tessuti16.

Esistono numerosi miglioramenti nella progettazione delle apparecchiature di elettrofilatura per migliorarne le prestazioni. Indagando sull'instabilità del cono di Taylor durante l'elettrofilatura, Xu et al.17 propongono un approccio matematico rigoroso per prevedere il comportamento del getto e l'uso di un campo magnetico per controllare il processo di elettrofilatura. In alternativa, Rebrov et al.18 hanno utilizzato un generatore di impulsi ad alta tensione per depositare fibre allineate, mentre Coppola et al.19 hanno descritto una tecnica di piroelettrofilatura legata per la stampa diretta di fibre elettrofilate. Inoltre, You et al.20 hanno utilizzato un elettrodo appuntito, caricato positivamente, per modificare e ridistribuire la carica elettrica sulla piastra di base per controllare la traiettoria del getto e la deposizione delle nanofibre. Infine, Thomas et al.21 utilizzano una piattaforma di stampa 3D per dimostrare l’elettrofilatura controllata triassiale. I processi di elettrofilatura coassiale, di emulsione e reattiva manipolano direttamente la morfologia e la chimica delle fibre ed estendono le loro applicazioni a materiali naturali e inorganici22,23.

È stato progettato un nuovo dispositivo di elettrofilatura per passare senza soluzione di continuità dall’elettrofilatura di grandi dimensioni e in campo lontano alla stampa di fibre in campo vicino ad alta precisione. È costruito per creare e assemblare nanofibre in oggetti complessi come maglie, reti, nano-pareti, fibre allineate e pellicole sottili multistrato da una varietà di materiali, tra cui idrossipropilmetilcellulosa (HPMC), ossidi di polietilene (PEO), e materiali di alcol polivinilico (PVA) comunemente utilizzati nella ricerca e nelle applicazioni su alimenti, farmaci e biomateriali.

Un disegno dell'attrezzatura per elettrofilatura è presentato in Fig. 1. L'attrezzatura è progettata per movimenti xyz rapidi e indipendenti senza compromettere il posizionamento accurato e i movimenti di precisione per consentirne l'uso versatile per depositare fibre elettrofilate su un'ampia area, scrivendo e assemblando fibre in sub precisi -modelli millimetrici con caratteristiche di dimensioni micron, o stampa di precisione di microstrutture 3D. Oltre ai movimenti di precisione, è necessario un controllo accurato del campo elettrico per controllare non solo la deposizione delle fibre, ma anche il loro diametro e dimensione. Questa combinazione è responsabile della produzione di fibre altamente riproducibile.