Electrohilado de nanofibras poliméricas

Entre los pasados 16 y 20 de marzo, la prestigiosa American Chemical Society celebró en Dallas su tradicional reunión de primavera. Dentro de ella, uno de los Simposios llevaba por título “Electrospinning and Nanofibers” y se celebró en honor del Prof. Derrell Reneker, Distinguish Professor de la Universidad de Akron. Esta dedicatoria no es sino una consecuencia más de su reciente inclusión como Fellow en la National Academy of Inventors americana, que reconoce así su larga trayectoria como tal inventor, plasmada en 24 patentes americanas a su nombre.

Haciendo historia sobre las fibras artificiales, esta comienza con el Rayón, una denominación genérica que engloba fibras producidas a base de celulosa natural, modificada químicamente para conseguir su solubilidad y obtener así fibras (semisintéticas) que mimeticen el comportamiento y propiedades de fibras naturales como la seda producida por arañas o gusanos. Aunque las primeras de esas fibras eran a base de nitrocelulosa o acetato de celulosa, el Rayón más implantado desde finales del siglo XIX es el conocido como Rayón-Viscosa o Viscosa a secas, obtenido por tratamiento de las fibras naturales de celulosa con sosa cáustica y  disulfuro de carbono para dar lugar a una disolución concentrada (y viscosa, de ahí su nombre) de xantato de celulosa, que se puede hilar en forma de hilos continuos o fibras cortas, al hacerlo fluir por una boquilla o rendija de diámetro adecuado. Este sería el precedente histórico y bien asentado de las fibras hiladas a partir de una disolución de un polímero.

Esa familia de fibras modificadas de celulosa fueron eclipsadas a partir de los años treinta del siglo pasado como consecuencia de las investigaciones llevada a cabo por DuPont, que condujeron a la obtención de fibras puramente sintéticas a base de polímeros conocidos como poliésteres y poliamidas. Al contrario que en el caso de la Viscosa, estas fibras se hilaban tras fundirlas a adecuadas temperaturas, consiguiendo así un fundido polimérico que se hilaba merced al empleo de máquinas denominadas extrusores, provistas de una boquilla de múltiples orificios o espinerete. Esos hilos así obtenidos pueden confeccionarse en forma de variados tipos de tejidos.

Pero en los dos casos anteriores, la disolución o polímero fundido a hilar salía de la boquilla de hilado por la acción de una fuerza impulsora de carácter mecánico. A principios del siglo XX ya se empezó a experimentar con disoluciones de polímeros que, a la salida de la boquilla, se electrificaban por acción de un potente campo eléctrico, tal y como vamos a explicar a continuación. Como consecuencia de ello se obtenían fibras mucho más finas que las obtenidas por los métodos anteriores. Había nacido así el concepto de Electrohilado.

Aunque hay una patente del electrohilado adjudicada a Formals en 1934, lo cierto es que sólo con el advenimiento de las nuevas técnicas microscópicas (SEM, AFM, STM), en buena parte responsables de la irrupción de la Nanociencia y Nanotecnología, se ha vuelto a considerar las posibilidades de fibras obtenidas por este procedimiento, al poderlas caracterizar debidamente. Ha sido, por tanto, en el siglo XXI cuando se ha producido un rápido crecimiento en el número de artículos y patentes dedicados a estos nuevos tipos de fibras.

citas

Explicado mediante el concurso de un diagrama animado, el electrohilado es un proceso relativamente sencillo de entender. Una disolución polimérica es forzada a salir por un orificio delgado, por ejemplo el de una aguja de una jeringa, a la que se le aplica un alto voltaje. Como consecuencia de ello, la disolución así electrificada es atraída por un colector o tierra, conectado a una polaridad diferente. En el vuelo se produce la evaporación del disolvente y la formación de fibras relativamente largas y con diámetros del orden de las decenas o centenas de nanometros que van tapizando la superficie del colector y del que finalmente se puede separar un tejido no tejido.

Las fotos siguientes muestran la apariencia de las fibras  bajo un microscopio electrónico y la visión microscópica del tejido-no-tejido resultante. A veces, las fibras se recogen sobre un colector que gira a cierta velocidad.

fibraytejidoLa clave del proceso es conseguir una estabilidad en el flujo que, partiendo de la boquilla electrificada, acabe en el colector en forma de una acumulación de fibras relativamente homogéneas en lo que a diámetro se refiere. Para ello se deben dar diversas condiciones. La primera es asegurar un cierto equilibrio entre el caudal de la disolución cargada eléctricamente y la atracción de esa disolución por el colector. En ese equilibrio entra también en juego la tensión superficial de la gota que se va formando en el extremo de la boquilla o jeringa. Esa condición de equilibrio se alcanza cuando la salida de la disolución se produce continuamente en forma del llamado cono de Taylor, que asegura un flujo continuo de disolución que, posteriormente, “vuela” hacia el colector en un proceso de latigueo o Whapping , a resultas del cual que las fibras llegan al colector sueltas y secas.

Evidentemente, la situación no es tan sencilla como la descripción que acabamos de hacer. El proceso se ve afectado por un cúmulo de variables provenientes tanto de la propia disolución, como del montaje instrumental que estemos usando o de ciertas variables ambientales. La comprensión de lo que ocurre en el electrohilado necesita por otro lado conocimientos relativos a electrostática, Reología, Disoluciones poliméricas, etc. Con todo ello en la mano, se trata de conseguir, como decíamos, un flujo con la suficiente cohesión como para soportar las inestabilidades superficiales generadas por las cargas eléctricas y los esfuerzos de tracción generados en el vuelo hacia el colector.

entanglements

El factor clave para la formación de las fibras a lo largo del vuelo es la mayor o menor extensión de los entrelazamientos o entanglements que se puedan producir entre las diferentes cadenas constitutivas de la disolución. Entendemos por entrelazamiento una situación similar a la que se da en un plato de spaghetti, donde, aunque no existen nudos que aten unas cadenas con otras, existe un enmarañamiento extendido que hace difícil que unas cadenas se deslicen sobre otras cuando se les aplica un esfuerzo como el que ocurre en el vuelo hacia el colector. Si hay entrelazamientos, muchas cadenas pueden acabar constituyendo largas fibras (foto de la izquierda) durante ese vuelo (Electrohilado). Si no lo hay, las cadenas se sueltan y acaban formando agregados de unas pocas de ellas que aparecen en forma de gotas (ver foto de la derecha), en lo que se conoce como Electrovaporización.

fibrasygotas2Pero la formación o no de esos entrelazamientos depende de multitud de factores, entre los que se encuentran fundamentalmente la concentración de la disolución, el peso molecular del polímero y la calidad del disolvente para el polímero que estemos empleando.

El Electrohilado está encontrando múltiples aplicaciones a medida que su utilización se va escalando desde sencillos dispositivos de laboratorio a elementos más grandes y de carácter industrial. Quizás sea el ámbito de los biomateriales empleados en medicina el que más literatura ha generado, en forma de sistemas de fibras que soportan principios activos que se dosifican controladamente o como «andamios» (scaffols) en tejidos regenerativos para la piel. El ámbito de las membranas resistentes a gases bioquímicos o eficaces en atrapar aerosoles es otro en el que se han producido avances por electrohilado, así como en dispositivos fotovoltaicos o como cubiertas para protección electromagnética, sensores de diverso tipo,….

Finalmente, una de las muchas modificaciones del dispositivo clásico de electrohilado que ha ganado popularidad es el electrohilado coaxial, que permite hilar al mismo tiempo dos materiales distintos y obtener estructuras en las que un material está rodeado o protegido por otro, permitiendo así aislar a uno que sea inestable en condiciones de uso por otro más estable, dosificar la salida del que está protegido en aplicaciones farmacológicas, reforzar las propiedades mecánicas de uno con otro o incrementar las posibilidades como soporte en ingeniería de tejidos, cuando un polímero menos biocompatible está rodeado por otro de mejores características de ese tipo.

Y no se puede terminar esta breve introducción a una técnica emergente como el Electrohilado sin hacer mención de una empresa española (andaluza para más señas) que ha estado siempre en la cresta de la ola de lo que se ha desarrollado al respecto de dicha técnica. Yflow, originariamente una spin-off desarrollada por científicos de las Universidades de Málaga y Sevilla, es hoy una empresa consolidada que proporciona servicios y equipos en este área de la Nanotecnología. Su página web es lo suficientemente ilustrativa de lo que ha sido su quehacer en los últimos 25 años.



Por El Buho del Blog
Publicado el ⌚ 12 abril, 2014
Categoría(s): ✓ Química