¿Cómo funcionan los métodos de electrohilado para fabricación de fibras poliméricas?

El método de electrospinning (electrohilado) ayuda a la fabricación de fibras poliméricas. Estas fibras poseen diámetros que van de las sub-micras (mil veces más delgadas que un milímetro) hasta los nanómetros (1 millón de veces más delgadas que un milímetro). En estos rangos es posible encontrar características únicas, entre las que se encuentran: un área superficial muy grande en relación al volumen, flexibilidad en la superficie, alta porosidad y poros interconectados. Por ejemplo, la técnica de electrospinning puede combinar la biología y la tecnología de impresión para la creación de nanofibras que proporcionen un soporte semejante a la proteína fibrosa de una matriz extracelular (Mauricio, 2020). Estas características hacen de las nanofibras, óptimos candidatos para una variedad de aplicaciones (Sánchez, Rodriguez, & López, enero, 2013).

El dispositivo de electrohilado se emplea actualmente en la investigación de biomateriales, utilizado para sintetizar nanofibras que ofrecen un potencial para la manufactura de piel artificial y tejido muscular, vasos sanguíneos (implantes vasculares), componentes ortopédicos (hueso, cartílago y tendones/ligamentos) y componentes del sistema nervioso central y periférico. Las nanofibras producidas por electrohilado pueden ser usadas como andamios ideales para ingeniería de tejidos y liberación controlada de fármacos debido a que mimetizan las funciones de la matriz extracelular (Barraza, Alavarez Suarez, Villarreal Gómez, Paz Gónzalez, & Iglesias, 2015).

Figura 1. Esquema de metodología de nano fibras. Basado en (Mauricio, 2020).

Fue hasta el año de 1914 que John Zeleny realizó el modelado matemático de los fluidos sometidos a fuerzas electrostáticas, sin embargo, quien inventó y patentó el aparto de electrohilado fue Formahls en 1934.

En 1964, Sir Geoffrey Ingram Taylor, fue quien elaboró el fundamento del electrospinning y modeló el cono formado en el capilar antes mencionado, por lo que se le conoce ahora como el “cono de Taylor”. En este periodo entre Zeleny y Taylor se presentaron algunos avances y patentes; gracias a ellos existen modelados, fundamentos y el electrohilado que conocemos hasta ahora.

A pesar de lo ya mencionado, esta técnica tuvo una pausa, y se retomó con mayor fuerza en el año de 1995 como una herramienta de desarrollo de nanoestructuras. Fue desde entonces que empezaron a salir varios artículos y publicaciones relacionados al tema, incrementando el interés por esta técnica. Se estima que a partir del año 2000 las publicaciones y patentes por año aumentaron gradualmente, hasta llegar a 3.000 artículos y más de 1.500 patentes publicadas únicamente en el año 2022 (Lens, 2022).

En resumen, todo lo anterior nos refleja el creciente interés, así como el impacto en este tema que está dando paso a las nanofibras, el electrospinning y su desarrollo (Vega, 2018).

Figura 4. Número de artículos por cada año sobre electrospinning. Basado en (Lens, 2022).

Electrohilado en fundido.

En esta técnica se elimina le disolvente para reducir costos y se evitan restricciones medioambientales. La viscosidad obtenida del fundido es mucho más alta que la disolución, lo que impide obtener fibras de diámetros submicrométricos. Se necesita trabajar a altas temperaturas, a vacío y con velocidades de flujo muy lentas lo que limita también la productividad (García, marzo, 2013).

Figura 5. Esquema de Electrohilado en fundido. Basado en (García, marzo, 2013)

Electrohilado coaxial.

Este método es de los avances más relevantes ya que ha permitido la obtención de fibras núcleo/corteza, la fabricación de fibras huecas o porosas y el encapsulamiento de sustancias de bajo peso molecular (García, marzo, 2013).

Método de gas jet.

El método gas jet consiste en varios pasos: primero, la solución polimérica se lleva a una tobera y se expulsa a flujo constante por medio de una bomba. Cuando la solución polimérica llega al final del tubo acoplado a la tobera, se encuentra con un flujo constante de gas (generalmente aire) proveniente de un sistema de expansión de gas. A continuación, el gas evapora el solvente y se genera un hilo, que finalmente se recolecta a unos cuantos centímetros para su posterior uso (Benavides, Jana y Reneker, 2012).

Tecnología melt blown.

El procesamiento de nanofibras mediante la tecnología melt blown (fundido y soplado) consiste en la extrusión de un polímero fundido a través de un orificio: cuando la primera gota de polímero sale por dicho orificio, un flujo de gas caliente (generalmente aire) se suministra por encima y por debajo, produciendo así un cono y consecutivamente el hilo, el cual es recolectado en un colector (Ellison, Phatak, Giles, Macosko y Bates, 2007).

Método de separación por fases.

Consiste en proporcionar a la solución polimérica una serie de condiciones termodinámicas no favorables para la estabilidad, como exponerla a otro solvente inmiscible o disminuir la temperatura. Estas condiciones no favorables hacen que el polímero tome una ruta para establecer su equilibrio con el sistema. Esta ruta resulta en la formación de estructuras nanométricas como las nanofibras, que se obtienen una vez se elimina el solvente (He, Nie y Feng, 2014).

Procesamiento con moldes.

Esta técnica proporciona un tamaño adecuado del material que se quiere producir, por cuanto el molde facilita que se rellenen las estructuras con el elemento apropiado; de esta manera, se obtienen diferentes tipos de materiales unidimensionales como nanotubos, nanofibras, nanocintas, entre otros (Al-Kaysi et al., 2009).

Se ha revisado el número de patentes existentes asociadas al método de electrohilado a través de la palabra 'electrospinning' y claramente se comprueba que la mayor parte de ellas son de Estados Unidos, así como otras partes del mundo. En el siguiente mapa, se puede observar el número de patentes que hay en un solo país (EE UU) y juntando esos datos con el del resto del mundo son miles de patentes.

En estos últimos años ha disminuido ligeramente el impacto y patentes de este método, sin embargo, hasta el día de hoy se sigue aplicando en múltiples áreas y sectores de diferentes categorías y diferentes fines de uso de producción. Muchos de los ejemplos de aplicaciones en los que se usa el método son los siguientes:

• Aplicaciones biomédicas:

• Protección de heridas.
• Portador de medicamentos.
• Dispositivos hemostáticos.

• Ingeniería en tejidos:

• Membranas porosas.
• Formas tubulares para venas y regeneración nerviosa.
• Estructuras para la regeneración de huesos y cartílagos.

• Filtros:

• Filtración de líquidos.
• Filtración de gases.

• Vestimentas protectoras:

• Eficiencia en atrapar partículas de aerosol.
• Impedancia mínima del aire.

• Cosméticos:

• Limpieza.
• Curación.
• Terapia médica.

• Entre otras aplicaciones industriales:

• Dispositivos micro/nano eléctricos.
• Catalizadores de alta eficiencia y funcionalidad.
• Disipación electrostática.
• Dispositivos fotovoltaicos.

(Rodriguez, 2017)

Por otro lado, las propiedades de las fibras que se desarrollan por medio de este método (electrospinning) permiten su uso en áreas como puede ser ingeniería de tejidos donde adoptan las funciones del algunas tejidos y liberación controlada de fármacos, logrando tener un impacto en el área de la salud para la implementación de tratamientos. Además de esta aplicación, este método y las propiedades de las fibras, son de ayuda en diversos sectores de la industria.

Bibliografía

Alis Pataquiva Mateus, S. C. (2018). Producción de nanofibras poliméricas mediante el proceso de electrospinning y su uso potencial. Colombia: Mutis.

Barraza, R. V., Alavarez Suarez, A., Villarreal Gómez, L., Paz Gónzalez, J., & Iglesias, A. (2015). Designing a Low Cost Electrospinning Device for Practical Learning in a Bioengineering Biomaterials Course. Tijuana: Revista Mexicana de Ingenieria Biomédica.

García, N. G. (Marzo, 2013). Electrospinning: una técnica fascinante para la obtención de nanofibras poliméricas. Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros, CSIC, 166-173.

Lens. (12 de 12 de 2022). Lens. Obtenido de lens.org

Lens.org. (8 de 12 de 2022). Obtenido de https://www.lens.org

Mauricio, G.-M. H. (20 de octubre de 2020). Facultad de Medicina Humana URP. Electrospinning: Avances y aplicaciones en el campo de la biomedicina. Lima, Perú: Artículo de revisión.

Rodriguez, M. F. (2017). Diseño, desarrollo e implementación de un dispositivo de pruebas de electrohilado (electrospinning)para la aplicacion en nanoinstrumentación. Bucaramanga: Universidad Autonóma de Bucaramanga.

Sánchez, L. M., Rodriguez, L., & López, M. (Enero, 2013). Electrospinning: La era de las nanofibras. Revista Iberoamericana de Polímeros, 10-19.

Vega, A. H. (2018). Diseño e implementación de un control automatizado para la elaboración de nanofribras mediante electrospinning. Puebla: UDLAP.