Un origami

Nov 18, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7083 (2023) Citare questo articolo

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La fabbricazione di fibre altamente allineate mediante elettrofilatura a campo lontano è un compito impegnativo da realizzare. Numerosi studi presentano progressi nell'allineamento delle fibre elettrofilate che comportano la modifica della configurazione di elettrofilatura convenzionale con aggiunte complesse, fabbricazione in più fasi e componenti costosi. Questo studio presenta un nuovo design del collettore con una struttura origami per produrre fibre elettrofilate a campo lontano altamente allineate. Il raccoglitore di origami si monta sul tamburo rotante e può essere facilmente attaccato e rimosso per ogni ciclo di fabbricazione della fibra. Questa tecnica semplice, efficace ed economica produce fibre ultra-allineate di alta qualità mentre la configurazione rimane intatta per altri tipi di fabbricazione. Le fibre di poli(ɛ-caprolattone) elettrofilate (PCL) sono state valutate mediante microscopio elettronico a scansione (SEM), distribuzione del diametro delle fibre, angolo di contatto con l'acqua (WCA), analisi della trasformata veloce di Fourier (FFT), profilo del grafico della superficie e grafici dell'intensità dei pixel. Abbiamo esplorato a fondo l'impatto dei parametri influenti, tra cui la concentrazione del polimero, la velocità di iniezione, la velocità di rotazione del collettore, la distanza dal collettore alla punta e il numero di calibro dell'ago sulla qualità e l'allineamento delle fibre. Inoltre, abbiamo utilizzato algoritmi di apprendimento automatico per prevedere i risultati e classificare le fibre di alta qualità anziché le produzioni di bassa qualità.

La tecnica dell'elettrofilatura è stata ampiamente utilizzata per generare fibre dalla nano alla microscala da vari polimeri, copolimeri e combinazioni di polimeri. Comunemente, la configurazione di elettrofilatura a campo lontano è accoppiata con un tamburo rotante per creare fibre allineate. Tuttavia, la creazione di fibre allineate è funzione di molteplici elementi da controllare e non dipende solo dai tamburi rotanti. Un elevato controllo sull'orientamento delle fibre è fondamentale per ampliare la gamma di applicazioni delle fibre, tra cui la somministrazione di farmaci1, l'ingegneria dei tessuti2,3,4, la guarigione delle ferite5, i biosensori6,7, la rigenerazione dei nervi8,9 e altre applicazioni biomediche10,11,12. Il mandrino cilindrico convenzionale, tipicamente utilizzato per le fibre allineate, presenta alcune limitazioni, inclusa la mancanza di uno stretto controllo sulla deposizione e sull'allineamento delle fibre13. È stato inoltre riportato che la rotazione del mandrino può provocare una deposizione casuale di fibre a basse velocità, mentre una velocità più elevata del mandrino potrebbe portare a fibre ben orientate. Tuttavia, una regolazione fine della velocità del collettore è obbligatoria poiché un'elevata velocità del collettore peggiora l'allineamento della fibra a causa della mancanza di controllo sul grado di anisotropia14,15. Inoltre, la produzione di fibre altamente allineate può anche richiedere il reclutamento di una configurazione complessa (rotazione degli elettrodi ausiliari attorno all'asse dell'ago)16, aggiunte costose (aggiunta di un collettore di elettrodi parallelo)17 e fasi multiple di fabbricazione (post-disegno)18.

I ricercatori hanno proposto metodi versatili per formare fibre allineate19,20,21,22,23. Recentemente, Cui et al. ha fabbricato una membrana PCL allineata con chitosano per controllare il rilascio di ciprofloxacina incapsulata. In questo lavoro, l'elettrofilatura coassiale è stata utilizzata per produrre fibre casuali/allineate per applicazioni di guarigione delle ferite, anche se la membrana caricata con il farmaco non mostrava un elevato allineamento delle fibre1. In altri studi di Hu et al.24 e Xu et al.25, fibre altamente allineate sono state fabbricate con successo tramite un collettore a disco sottile con un diametro rispettivamente di 280 mm e 200 mm. Questo metodo può offrire un migliore orientamento delle fibre, tuttavia questo tipo di collettore è dotato di un'area accessibile limitata per la raccolta delle fibre allineate. Kador et al. ha coperto un bicchiere di plastica con un foglio di alluminio e ha posizionato un filo di rame al centro del bicchiere come perno centrale mentre entrambi erano collegati alla stessa terra. Gli autori hanno affermato di aver rimosso con successo vuoti e perline dalle fibre generate, mentre era necessaria la lavorazione preliminare all'elettrofilatura26. Alcuni ricercatori hanno utilizzato configurazioni di elettrodi ausiliari per raggiungere un elevato grado di controllo sull'orientamento e sulla deposizione delle fibre elettrofilate sull'area del collettore27. Ad esempio, Zaho et al. ha utilizzato un collettore di elettrodi parallelo invece di un normale tamburo rotante e ha posizionato un anello di rame caricato positivamente tra il collettore e l'ago. Nanofibre altamente allineate sono state prodotte per un lungo tempo di filatura; tuttavia, le aggiunte rendono la configurazione piuttosto complessa e costosa28. In un lavoro più recente di Tindell et al., un accurato controllo spaziale sull'orientamento delle fibre è stato ottenuto utilizzando l'elettrofilatura magneticamente assistita. Avendo più configurazioni di magneti installate nella configurazione, sono state prodotte una varietà di gradienti di fibra, comprese fibre altamente allineate all'interno della regione magnetica e fibre uniformemente allineate all'interno della regione non magnetica29. Le fibre altamente allineate, in questo studio, dipendono interamente dalla configurazione del magnete. Inoltre, altri studi hanno fabbricato nanofibre tramite filiere laterali che depositano le fibre sul collettore da direzioni opposte30,31. Ad esempio, nel 2019 Tian et al. ha utilizzato una configurazione di elettrofilatura coniugata per ottenere microfibre allineate migliorando le condizioni della configurazione. Le fibre fabbricate hanno beneficiato di caratteristiche importanti tra cui magnetismo sintonizzabile, conduzione elettricamente anisotropa e fluorescenza migliorata32.