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electrohilado por fusión

Un andamio de policaprolactona producido mediante escritura por electrohilado en fusión La electrohilatura por fusión es una técnica de procesamiento para producir estructuras f...

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Un andamio de policaprolactona producido mediante escritura por electrohilado en fusión

La electrohilatura por fusión es una técnica de procesamiento para producir estructuras fibrosas a partir de polímeros fundidos, con aplicaciones en ingeniería de tejidos , textiles y filtración . En general, la electrohilatura puede realizarse con polímeros fundidos o soluciones poliméricas. Sin embargo, se distingue por la alta precisión en la recolección de la fibra; combinada con colectores móviles, la electrohilatura por fusión permite la impresión 3D . Al no utilizar disolventes volátiles, ofrece ventajas para ciertas aplicaciones donde la toxicidad y la acumulación de disolventes durante la fabricación son un problema.

Historia

La primera descripción de la electrohilatura por fusión fue realizada por Charles Norton en una patente aprobada en 1936. [ 1 ] Tras este primer descubrimiento, no fue hasta 1981 que Larrondo y Manley describieron la electrohilatura por fusión como parte de una serie de tres artículos. [ 2 ] Un resumen de una reunión sobre electrohilatura por fusión en vacío fue publicado por Reneker y Rangkupan 20 años después, en 2001. [ 3 ] Desde esta publicación científica en 2001, se han publicado regularmente artículos sobre electrohilatura por fusión, incluyendo revisiones sobre el tema. [ 4 ] En 2011, la electrohilatura por fusión combinada con un colector móvil se propuso como una nueva clase de impresión 3D . [ 5 ]

Principios

La misma física del estirado electrostático de fibras se aplica a la electrohilatura por fusión. Lo que difiere son las propiedades físicas del polímero fundido, en comparación con una solución polimérica . Al comparar polímeros fundidos y soluciones poliméricas, los primeros suelen ser más viscosos que las soluciones poliméricas, y se han reportado chorros electrificados alargados. [ 6 ] El chorro electrificado fundido también requiere enfriamiento para solidificarse, mientras que la electrohilatura en solución se basa en la evaporación . Si bien la electrohilatura por fusión generalmente produce fibras de diámetro micrométrico, la trayectoria del chorro electrificado en la electrohilatura por fusión puede ser predecible. [ 7 ]

Parámetros

Temperatura

Se requiere una temperatura mínima para asegurar que el polímero se funda completamente hasta la punta de la boquilla. Las boquillas tienen una longitud relativamente corta en comparación con la electrohilatura en solución.

Caudal

El parámetro más importante para controlar el diámetro de la fibra es el caudal del polímero hacia la boquilla de hilado; en general, cuanto mayor sea el caudal, mayor será el diámetro de la fibra. Si bien los caudales reportados son bajos, todo el fluido electrohilado se recolecta, a diferencia del electrohilado en solución, donde gran parte del solvente se evapora.

Peso molecular

El peso molecular es importante para determinar si el polímero puede ser electrohilado por fusión. Para polímeros lineales homogéneos, un peso molecular bajo (inferior a 30 000 g/mol) puede dar lugar a fibras rotas y de mala calidad. [ 8 ] Para pesos moleculares altos (superiores a 100 000 g/mol), el polímero puede ser muy difícil de fluir a través de la hilera. Muchas fibras electrohiladas por fusión reportadas utilizan pesos moleculares entre 40 000 y 80 000 g/mol [ 5 ] o son mezclas de polímeros de bajo y alto peso molecular. [ 9 ]

Voltaje

Modificar el voltaje no afecta significativamente el diámetro de la fibra resultante; sin embargo, se ha informado que se necesita un voltaje óptimo para obtener fibras de alta calidad y consistentes. Se han utilizado voltajes desde 0,7 kV hasta 60 kV para la electrohilatura por fusión. [ 10 ] [ 11 ]

Aparato

Se han construido diferentes máquinas de electrohilado por fusión, algunas montadas verticalmente y otras horizontalmente. El método para calentar el polímero varía e incluye calentadores eléctricos, aire caliente y calentadores circulantes. [ 4 ] Un método para el electrohilado por fusión consiste en empujar un filamento de polímero sólido hacia un láser , que lo funde y lo electrohila.

Polímeros

Para la electrohilatura por fusión se requieren polímeros que presenten un punto de fusión o una temperatura de transición vítrea (Tg), excluyendo los termoestables (como la baquelita ) y los polímeros de origen biológico (como el colágeno ). Los polímeros sometidos a electrohilatura por fusión hasta la fecha incluyen:

  1. Policaprolactona [ 5 ] [ 12 ]
  2. Ácido poliláctico [ 13 ]
  3. Poli(lactida-co-glicólido) [ 14 ]
  4. Poli(metacrilato de metilo) [ 15 ] [ 16 ]
  5. Polipropileno [ 2 ] [ 6 ]
  6. Polietileno [ 11 ]
  7. Poli(caprolactona-bloque-etilenglicol) [ 8 ]
  8. Poliuretano [ 17 ]

Estos polímeros son ejemplos de los polímeros más utilizados, y se puede encontrar una lista más completa en otro lugar. [ 4 ]

Usos

Las posibles aplicaciones de la electrohilatura por fusión son similares a las de la electrohilatura en solución. No utilizar disolventes para procesar un polímero facilita las aplicaciones de ingeniería de tejidos, donde los disolventes suelen ser tóxicos. Además, algunos polímeros, como el polipropileno o el polietileno, no se disuelven fácilmente, por lo que la electrohilatura por fusión es una forma de convertirlos en material fibroso.

Ingeniería de tejidos

La electrohilatura por fusión se utiliza para procesar materiales biomédicos en la investigación de ingeniería de tejidos. Los disolventes volátiles suelen ser tóxicos, por lo que evitarlos ofrece ventajas en este campo. Las fibras obtenidas por electrohilatura por fusión se utilizaron como parte de un " andamio tisular bimodal ", donde se depositaron simultáneamente fibras a escala micrométrica y nanométrica. [ 14 ] Los andamios fabricados mediante electrohilatura por fusión pueden ser completamente penetrados por células, las cuales, a su vez, producen matriz extracelular dentro del andamio. [ 18 ]

Administración de fármacos

La electrohilatura por fusión también permite formular fibras cargadas con fármacos para su administración . Se trata de una nueva técnica de formulación en el campo de la tecnología farmacéutica para preparar dispersiones sólidas amorfas o soluciones sólidas con disolución de fármacos mejorada o controlada, ya que combina las ventajas de la extrusión por fusión (p. ej., ausencia de disolventes, amorfización eficaz, proceso continuo) y la electrohilatura con disolventes (mayor superficie). [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

Escritura por electrohilado de fusión

El chorro fundido electrificado creado mediante electrohilado por fusión tiene una trayectoria más predecible, y las fibras de polímero se pueden depositar con precisión sobre el colector. Cuando el colector se mueve a una velocidad suficiente (denominada velocidad de traslación crítica), las fibras rectas obtenidas por electrohilado por fusión se pueden depositar capa sobre capa. Esto permite la fabricación de estructuras complejas y bien ordenadas. [ 5 ] En este sentido, la escritura por electrohilado por fusión (MEW) puede considerarse una clase de impresión 3D . La escritura por electrohilado por fusión se ha realizado utilizando una superficie plana en traslación [ 5 ] o un cilindro/mandril giratorio. [ 12 ] La mayoría de los polímeros que se pueden electrohilar por fusión también se pueden escribir, siempre que los parámetros se puedan ajustar de tal manera que produzcan un chorro estable. También se ha demostrado que los polímeros piezoeléctricos, como el difluoruro de polivinilideno (PVDF), se pueden procesar mediante MEW, lo que abre posibles aplicaciones en sensores impresos en 3D, robótica blanda y otras aplicaciones en biofabricación . [ 22 ]

Referencias

  1. ↑ Ghosal, K.; Agatemor, C.; Tucker, N.; Kny, E.; Thomas, S. (8 de agosto de 2018). "1". Electrohilado: De la investigación básica a la comercialización . Royal Society of Chemistry. págs. 1–23 . ISBN  978-1-78801-491-5Recuperado el 2 de junio de 2025. Norton describió un método y un aparato para formar material filamentoso o fibroso mediante electrohilado a partir de una masa fundida .
  2. 1 2 L. Larrondo, RSJ Manley, Journal of Polymer Science Part B-Polymer Physics 1981, 19, 909.
  3. ↑ R. Rangkupan, DH Reneker, en Nuevas fronteras en productos a base de fibras, The Fiber Society, Raleigh, NC, EE. UU., 2001.
  4. 1 2 3 Hutmacher DW y Dalton PD (2011) Electrohilado por fusión. Chem Asian J, 6, 44-5.
  5. 1 2 3 4 5 Brown TD, Dalton PD, Hutmacher DW. (2011) Escritura directa mediante electrohilado por fusión. Advanced Materials, 23, 5651-57.
  6. 1 2 Dalton PD, Grafahrend D, Klinkhammer K, Klee D, Möller M (2007) Electrohilado de polímeros fundidos: observaciones fenomenológicas. Polymer, 48, 6823-6833.
  7. ↑ Dalton PD, Vaquette C, Farrugia B, Dargaville TR, Brown TD, Hutmacher DW. (2013) Electrohilado y fabricación aditiva: tecnologías convergentes. Biomater Sci, 1, 171.
  8. 1 2 Dalton PD, Calvet JL, Mourran A, Klee D, Möller M (2006) Electrohilado por fusión de poli(óxido de etileno-bloque-ε-caprolactona). Biotechnol J, 1, 998-1006.
  9. ↑ Dalton PD, Jörgensen N, Groll J, Möller M (2008) Patrones de sustratos electrohilados fundidos para ingeniería de tejidos. Biomed Mater, 3, 034139.
  10. ↑ CS Kong, KJ Jo, NK Jo, HS Kim, Ingeniería y Ciencia de Polímeros 2009, 49, 391
  11. ^ R. J. Deng, Y. Liu, YM Ding, PC Xie, L. Luo, WM Yang, Journal of Applied Polymer Science 2009, 114, 166.
  12. 1 2 Brown TD, Slotosch A, Thibaudeau L, Taubenberger A, Loessner D, Vaquette C, Dalton PD, Hutmacher DW. (2012) Diseño y fabricación de andamios tubulares mediante escritura directa en modo de electrohilado por fusión. Biointerphases, 7, 13, DOI 10.1007/s13758-011-0013-7.
  13. ↑ HJ Zhou, TB Green, YL Joo, Polymer 2006, 47, 7497.
  14. 1 2 Kim SJ, Jang DH, Park WH, Min BM (2010) Fabricación y caracterización de andamios compuestos de nanofibras/microfibras de PLGA tridimensionales. Polymer, 51, 1320-7
  15. ↑ XF Wang, ZM Huang, Revista China de Ciencia de Polímeros 2010, 28, 45.
  16. ↑ CP Carroll, E. Zhmayev, V. Kalra, YL Joo, Korea-Australia Rheology Journal 2008, 20, 153.
  17. ↑ Karchin A, Simonovsky FI, Ratner BD, Sanders JE. (2011) Electrohilado por fusión de andamios de poliuretano biodegradables. Acta Biomater, 7, 3277-84.
  18. ↑ Farrugia B, Brown TD, Hutmacher DW, Upton Z, Dalton PD, Dargaville TR. (2013) Infiltración de fibroblastos dérmicos en andamios de poli(ε–caprolactona) fabricados mediante electrohilado por fusión en modo de escritura directa. Biofabrication 5, 025001.
  19. ↑ Nagy, ZK, Balogh, A., Drávavölgyi, G., Ferguson, J., Pataki, H., Vajna, B. y Marosi, G. (2013). "Electrohilado por fusión sin disolvente para la preparación de un sistema de administración de fármacos de disolución rápida y comparación con sistemas electrohilados y extruidos por fusión basados ​​en disolvente". Journal of Pharmaceutical Sciences . 102 (2): 508–517 (www.fiberpharma.co.nf) . doi : 10.1002/jps.23374 . PMID 23161110 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  20. ^ Balogh, A., Drávavölgyi, G., Faragó, K., Farkas, A., Vigh, T., Sóti, PL, Wagner, I., Madarász, J., Pataki, H., Marosi, G., Nagy, ZK (2014). "Esteras de polímero electrohilado fundido plastificado cargado con fármaco: caracterización, degradación térmica y cinética de liberación". Revista de Ciencias Farmacéuticas . 103 (4): 1278-1287 (www.fiberpharma.co.nf) . doi : 10.1002/jps.23904 . PMID 24549788 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  21. ↑ Balogh, A., Farkas, B., Faragó, K., Farkas, A., Wagner, I., Van Assche, I., Verreck, G., Nagy, ZK, Marosi, G. (2015). "Mallas de fibras poliméricas cargadas con fármacos, obtenidas mediante soplado en fusión y electrohilado, para mejorar la disolución: un estudio comparativo" (PDF) . Journal of Pharmaceutical Sciences . 104 (5): 1767-1776 (www.fiberpharma.co.nf) . doi : 10.1002/jps.24399 . PMID 25761776 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  22. ↑ Florczak, S; Lorson, T; Zheng, T; Mrlik, M; Hutmacher, DW; Higgins, MJ; Luxenhofer, R; Dalton, PD (2019). "Electroescritura por fusión de fibras de poli(difluoruro de vinilideno) electroactivas" . Polymer International . 68 (4): 735– 745. doi : 10.1002/pi.5759 . hdl : 10072/385769 . S2CID 104438365 .