Области применения нановолокон, получаемых с помощью процесса электроспиннинга

Теоретические основы

Нановолокно представляет собой непрерывное волокно, имеющее диаметр в диапазоне миллиардных долей метра. Самые маленькие нановолокна имеют диаметр от 1.5 до 1.75 нанометров. Нановолокна могут иметь различную морфологию или архитектуру, такие как полые, мезопористые, рифленые, складчатые, непористые, шероховатые структуры и структуры типа ядро-оболочка, в зависимости от условий их получения.

Уникальные свойства нановолокон:

Размер: нановолокна очень малы, что придает им уникальные физические и химические свойства и позволяет использовать их в различных областях.

Отношение величины поверхности к объёму: нановолокна имеют огромную площадь поверхности по сравнению с их объемом.

Процесс электроспиннинга

Электроспиннинг является одним из самых универсальных методов, используемых для образования волокон в нанодиапазоне. Типичная установка для электроспиннинга состоит из шприцевого насоса, прикрепленного к игле (фильере), источника высокого напряжения и коллектора.

Между фильерой и коллектором приложен электростатический потенциал. Жидкость медленно прокачивается через фильеру. Капля удерживается собственным поверхностным натяжением на кончике фильеры, пока не приобретет электростатический заряд. После порогового накопления зарядов полимерная жидкость принимает коническую форму и из капли выделяется тонкая струйка волокон.

Типы нановолокон по структуре

Нановолокна различной морфологии могут быть получены путем изменения определенных параметров, таких как концентрация раствора, вязкость, скорость коллектора, влажность и т. д., или путем изменения компонентов электроспиннинга во время нанесения. Нановолокна могут быть хаотичными, выровненными, пористыми, непористыми, гладкими, шероховатыми, складчатыми, рифлеными или иметь структуру типа ядро-оболочка. Эти различные строения нановолокон определяют их универсальное конечное применение.

Применение нановолокон

Разнообразные области, в которых нановолокна полезны, включают фильтрацию, биомедицинскую отрасль, защитную одежду, электронные устройства, датчики и т.д. В фильтрации, например, воздушные фильтры, маски, фильтры для воды, газовые фильтры и т.д. В биомедицинской области и секторе здравоохранения ― каркасы тканевой инженерии, перевязочные материалы, средства доставки лекарств и т.д.; в области защитной одежды ― защита от боевых химических и биологических агентов, а также в различных электронных и сенсорных устройствах. Эти области кратко обсуждаются в следующих разделах.

Биомедицинская область применения:

Доставка лекарств: различные типы лекарств активно доставляются с использованием нановолокон, полученных методом электроспиннинга, потому что нановолокна имеют ряд отличительных особенностей в сфере доставки лекарств, таких как: биоразлагаемость, простота изготовления в больших масштабах, достижение контролируемого высвобождения лекарств, большое отношение площади поверхности к объему и т.д. Различные формы лекарств с контролируемым высвобождением интегрируются в  нановолокна, получаемые методом электроспиннинга, такие как: авандия, эпросартан, карведилол, гидрохлоротиазид, аспирин, напроксен, нифедипин, индометацин, кетопрофен и др.

Различные лекарственные препараты в модифицированной форме, включая белки и пептиды, антитела и крошечные молекулярные препараты, могут быть включены в нановолокна для доставки их в участок-мишень и получения более желаемого результата с эффективными терапевтическими действиями. Для включения гидрофобного препарата в нановолокна они в первую очередь растворяются в органическом растворителе вместе с полимером. Также возможна поставка мультилекарственных систем вместе с запрограммированным по времени высвобождением.

Тканевая инженерия. В последние дни тканевая инженерия вызвала большой интерес и стала важной и разносторонней областью исследований. Целью каркасов тканевой инженерии является восстановление, замена, поддержка или усиление функции определенной ткани или органа.

В настоящее время она имеет различные применения, например, биомимический внеклеточный матрикс (ECM), ферменты, кровеносные сосуды, ген и медицина для восстановления кожи, хрящей и нервов. И отлично подходит для многочисленных процедур благодаря биосовместимости, механическим свойствам, проникающей способности и способности к дегенерации в организме человека.

Тканевая инженерия — это объединение клеточной биологии, химии и биоматериалов для сборки трехмерных тканей, которые имитируют структуру биологической мембраны или ECM (внеклеточного матрикса), которые охватывают различные нановолокнистые матрицы. Как правило, этот метод используется для формирования матриц нановолокон, которые включают самосборку полимера, фазовую сегрегацию и электроспиннинг. Необходимо включать различные добавки в нановолокна, чтобы придать им особые свойства, а также модифицировать их, чтобы они правильно работали в качестве ECM для использования в тканях.

Нановолокна расширяют свое применение в области инженерии костной ткани, инженерии хрящевой ткани, инженерии сухожилий и связок, инженерии нервной ткани, инженерии сердечно-сосудистой ткани и т. д., что свидетельствует о их широком применении в медицинской хирургии.

Перевязка раны: Процесс заживления ран представляет собой преднамеренный процесс, представляющий собой комбинацию воспаления, пролиферации, фазы ремоделирования и эпителизации. Раневая повязка обычно требует размера пор от 500 до 1000 нм, что достаточно для защиты раны от внешней среды или микроорганизмов.

В норме наш организм не способен восстановить рану, возникшую в глубоком слое дермальной ткани, потому что клетки, участвующие в лечении или пролиферации раны, повреждаются при травме, в результате чего происходит полная реэпителизация, требующая длительного времени. Было проведено испытание для процесса заживления открытой раны, т.е. если коллаген используется для материала нановолоконной подложки для покрытия раны, рана восстанавливается быстрее, чем при использовании обычной хлопчатобумажной марли. Некоторые из доступных в настоящее время на рынке продуктов, содержащих нановолокна, включают повязку Healsmart от Poly Remedy, ResQFoam от Arsenal Medical и SpinCare от NanoMedic и т. д.

Косметика: существует множество косметических препаратов с нановолокнами, которые в последнее время продаются как маски для лица, они также используются для лечения дефектов кожи или лечения различных типов проблем с кожей, а также используются в качестве очищающих средств для кожи с добавлением различных ингредиентов, придающих различные лечебные свойства. Некоторые проблемы с кожей, такие как чрезмерное накопление кожного сала, решаются с помощью этих подложек из нановолокна, а также используются для удаления косметических ингредиентов с кожи.

Нановолокна, обогащенные наночастицами серебра, широко используются для профилактики и лечения бактериальных инфекций и грибков. Таким образом, они ускоряют процесс заживления ран. Кроме того, нановолокна, содержащие фиброин шелка, обогащенные эпидермальными факторами роста человека, ускоряют заживление ран.

Аккумулирование энергии

Электроспиннинг широко используется в устройствах накопления энергии и имеет различные применения, включая различные типы батарей, такие как литий-ионные батареи, проточные окислительно-восстановительные батареи, металло-воздушные батареи и суперконденсаторы.

Примечательно, что можно использовать нановолокна для устройств накопления энергии разными способами, например, лигнин может объединяться с нановолокнами для создания сети углеродных нановолокон, которая имеет очень большую площадь поверхности, что дает большой потенциал нановолокнам, и их можно использоваться в приложениях для хранения энергии. До сих пор было проведено очень мало исследований эффективности лигнина, чтобы узнать его способность накапливать энергию. Когда-то лигниновые углеродные нановолокна использовались в качестве анодных материалов в лигнинсодержащих батареях. Согласно некоторым исследованиям, на линзу большое влияние оказывает ее способность к карбонизации, которая влияет на ее электрохимические свойства.

Применение в сфере обороны

Защитная одежда: в течение многих лет люди обычно используют защитную одежду для защиты своего тела от различных типов необычных или невыносимых условий окружающей среды, таких как жара, холод, дождь и т. д.; и такая одежда должна иметь хорошие воздухопроницаемые свойства. Чтобы сохранить нашу окружающую среду здоровой и чистой, было сделано максимальное производство биоразлагаемой защитной одежды. В таких типах одежды должны использоваться передовые материалы, имеющие размер пор нановолокон 50 нм, чтобы удовлетворить потребность в эффективной одежде для активного отдыха, в том числе для деловой и промышленной одежды.

Защитная одежда также используется для спортивных или промышленных областей применения; в качестве пуленепробиваемой одежды: ткани, которые должны защищать людей от внешних химических или биологических агентов, огня, холода, тепла и т. д. Самое основное, что необходимо учитывать при производстве защитной одежды, это то, что одежда должна иметь малый вес, низкую стоимость и удобство для обеспечения превосходных характеристик. Некоторые из доступных в настоящее время на рынке продуктов текстильной и швейной промышленности, содержащих нановолокна, включают Nexture для защиты от воды и ветра от Lime Nano, ткани Wetlaid от Hirose Paper Mfg. Co. и т. д.

Сенсоры: В оборонной сфере нановолокна используются с целью обеспечения защиты и жизнеспособности людей, живущих в стрессовых ситуациях и опасных зонах, чтобы справиться с ними. Для такой потребности в сфере обороны нановолокна включаются в некоторые датчики, которые используются для обнаружения различных видов опасности в случае металлической, электролитической или химической формы. Датчики такого типа также могут обнаруживать опасные и ядовитые газы.

Согласно недавнему исследованию, датчик, содержащий нановолокна, был изготовлен с использованием углеродных нанотрубок, из которых изготавливаются сверхпрочные, жесткие и гибкие нановолокна с баллистическими свойствами. Датчики этого типа внедряются в износостойкий материал, который является очень легким, обычно он состоит из хлопчатобумажного материала и является пуленепробиваемым, так как углеродные нанотрубки легкие, прочные и чрезвычайно прочные.

Нановолокна также используются в качестве экранирующего материала за счет включения различных полимеров, которые используются для защиты тела от электромагнитных токов и ультрафиолетового излучения солнца. Фотополимеризованное тонкое покрытие из наночастиц графена и наночастиц с включением железа было введено в нановолокна, изготовленные методом электроспиннинга. По сведениям авторов, это первое совместное покрытие, созданное для защиты людей за счет уменьшения радиационного загрязнения, определения деформации и нагрева окружающей среды.

Применения в области окружающей среды

Удаление токсичных отходов: производство оксида алюминия, содержащего нановолокна, которые помогают адсорбировать тяжелые металлы из их непосредственной окружающей среды. Эти нановолокна были изготовлены с использованием метода электроспиннинга, в котором раствор ПВП (10% масс./об.) готовили с использованием этанола, в котором растворяли порошок полимера ПВП (поливинилпирролидона) при постоянном перемешивании, затем раствор ацетата алюминия смешивали с этим раствором, в котором ацетат алюминия используется в качестве прекурсора алюминия; соотношение прекурсора к раствору ПВП составляет 3 : 1. Полученные нановолокна оксида алюминия использовали для адсорбции ионов хрома (w), а также ионов фтора из водной среды, как сообщалось в одном из исследований.

Текстильные отходы являются самой серьезной экологической проблемой в наши дни, на них приходится пятая часть промышленных загрязнителей воды во всем мире. В текстильной промышленности использование опасных химических веществ, тяжелых металлов, таких как формальдегид, а также токсичных газов, таких как диоксид серы, росло, а их остатки ежедневно сбрасывались в воду, что регулярно ухудшало качество воды и почвы, в результате чего наша окружающая среда. Поэтому нановолокна, введенные с репеллентами загрязняющих веществ, широко использовались в текстильной промышленности для возмещения этих больших потерь.

Фильтрация

Фильтры широко используются в самых разных бытовых работах, здравоохранении, промышленности и т. д. Для фильтрации различных типов нежелательных частиц или для защиты окружающей среды от различных частиц, таких как загрязняющие вещества, присутствующие в воздухе или воде.

Исследование показало разницу между мембраной, полученной методом электроспиннинга из нейлона-6 (толщиной 100 мкм, размером пор 0,24 мкм), и коммерческим НЕРА-фильтром толщиной 500 мкм и размером пор 1,7 мкм с использованием тестируемых частиц размером 300 нм. В результате, тонкая мембрана из нановолокна имеет немного более высокую эффективность фильтрации 99,993%, чем фильтр HEPA (99,97%). Существуют также нановолокна размером 16 нм или одна десятая диапазона обычных нановолокон, которые обычно используются в фильтрах.

Нановолокна широко применяются в фильтрующих средах, используемых при фильтрации воздуха в кабине горнодобывающей техники. В очистке салона от пыли присутствует приспособление из нановолокон, которое помогает циркулировать свежему воздуху в салоне и загрязненному воздуху из салона. Некоторыми из доступных в настоящее время на рынке продуктов, содержащих нановолокна, используемые для фильтрации воздуха, являются BreaSAFE от Nano4Fibers и FilterLayr от Nanolayr.

Очистка воды: в настоящее время мембраны, состоящие из нановолокон, широко используются в различных областях, таких как опреснение, очистка воды и сточных вод, мембранная сепарация, разделение масла и воды, адсорбция и т. д. В этом особом типе технологии селективность и интенсивность потока мембраны обеспечивают высокую производительность нановолокон для разделения или очистки воды. Листы из нановолокон используются либо отдельно, либо в сочетании с другими материалами для обеспечения гибридных характеристик мембраны из нановолокна для обеспечения мембранных процессов, таких как мембранная дистилляция, ультрафильтрация, микрофильтрация, нанофильтрация и обратный осмос. Некоторыми из доступных в настоящее время на рынке продуктов, содержащих нановолокна, используемые для фильтрации воды, являются ProTura от Parker, который состоит из нановолокон целлюлозы, Nanofiber Filter от Astral Pool и Return Focus Pod от IQ Commercials и т. д.