El control medioambiental en electrospinning: una de las claves del éxito

La Unidad de Control Ambiental (ECU) es un sistema externo y autónomo que introduce aire limpio y acondicionado limpio en la cámara de fabricación para regular la temperatura (T) y la humedad relativa (HR) durante el proceso de electrohilado.
Además, el flujo de aire también puede controlarse y ajustarse en caso necesario.
El control de la T, la HR y el flujo de aire del proceso de electrospinning es de vital importancia para obtener fibras reproducibles, para obtener una morfología de fibras o partículas reproducible, aumentar la consistencia de la muestra y el rendimiento, así como garantizar la buena evaporación de los vapores de disolvente (evitando así que las fibras o partículas tengan un alto contenido residual de disolvente).

La fabricación reproducible de nanofibras y nanopartículas por electrospinning y electrospray puede ser un reto. La incorporación de la unidad de control (ECU) mejora la capacidad de los electrospinners, sobre todo porque permite la facilidad de fabricación independientemente del tiempo y el lugar y la prevención de atascos. Un control medioambiental adecuado en electrospinning permite ampliar la lista de polímeros y disolventes que pueden utilizarse para el desarrollo de muestras. La incorporación de la ECU también hace que el proceso sea más repetible (consistencia lote a lote), y escalable, manteniendo al mismo tiempo unas condiciones seguras para el operario.

Ventajas de utilizar la Unidad de Control Ambiental desarrollada por Fluidnatek en su proceso de electrospinning cuando se trata de:

• Polímeros
• Disolventes
• Ingredientes activos

• Propiedades de la fibra y Morfología
• Escalabilidad
• Seguridad

POLÍMEROS

Polímeros sensibles a la temperatura y la humedad relativa:

La capacidad de controlar las condiciones ambientales durante el proceso de electrospinning amplía la lista de polímeros que pueden procesarse adecuadamente. Entre ellos se encuentran los polímeros especialmente sensibles a la temperatura y la humedad. Un buen ejemplo de ello son, entre otros, los siguientes polímeros Policaprolactona (PCL), ácido poliláctico (PLA), ácido poliglicólico (PGA), ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA), óxido de polietileno (PEO), poliacrilonitrilo (PAN), poliuretano (PU), gelatina (Gel), colágeno (Clg) y nailon (N6 o N66). Estos polímeros se utilizan en aplicaciones como ingeniería de tejidos, dispositivos médicos, administración de fármacos, filtración, almacenamiento de energía y envasado de alimentos, entre otras.

Un control estricto de la temperatura, la humedad relativa y el flujo de aire permitirá una estabilidad constante del cono de Taylor, evitará la obstrucción de las agujas (en los sistemas de electrospinning basados en agujas) y abrirá posibilidades de investigación y producción que darán lugar a una fabricación constante y reproducible, independientemente de la época del año y la ubicación.

La foto 1 muestra el impacto de un control preciso de la temperatura y la humedad relativa en la morfología de las fibras, mostrando imágenes SEM de dos muestras sin defectos producidas utilizando diferentes condiciones ambientales.

Polímeros con buena afinidad a los disolventes:
Polymers that have good affinity to solvents can be difficult to minimize the residual solvent unless the right temperature, relative humidity and sometimes even a specific air flow rate are used during fabrication. A few examples of this include Collagen (Clg), Gelatin (Gel), Chitosan (natural materials) and solvents like Hexafluoroisopropanol (HFIP). These natural polymers are widely used in electrospinning, in uses like tissue engineering applications and medical devices (e.g. in applications like wound healing) as they are found in the native extracellular matrix and can be tuned to application needs thanks to the unique capabilities of electrospinning.

La incorporación de la unidad de control medioambiental de Fluidnatek garantiza un amplio rango de temperatura y humedad relativa, lo que simplifica el procesamiento de polímeros y disolventes con buena afinidad y garantiza la eliminación adecuada del disolvente durante el desarrollo de la muestra (por ejemplo, en la fase de I+D), o durante la fabricación, cuando el proceso se ha escalado y se ha llevado a la fase de fabricación.

La foto 2 muestra las fibras de colágeno y gelatina procesadas con HFIP en condiciones ambientales estrictas que pueden conseguirse utilizando la ECU de Fluidnatek. El funcionamiento con humedades relativas bajas puede provocar la obstrucción y el goteo de las agujas. En el caso del colágeno, fue posible evitar la obstrucción de las agujas y el goteo al aumentar la humedad hasta el 63%, lo que permitió una producción constante de fibras electrohiladas (Foto 2a).

En el otro caso, se obtuvieron microfibras de gelatina a partir de una receta con HFIP mezclado con ácido acético como disolventes en este proceso de electrospinning, a menor humedad (35% HR). En este caso, la solución y los parámetros de procesamiento se optimizaron para permitir estructuras en forma de cinta (Foto 2b).

CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU

Disolventes

La posibilidad de controlar las condiciones ambientales durante el electrospinning amplía la lista de disolventes que pueden utilizarse.

Disolventes Volátiles:

Acetona (Ace), diclorometano (DCM), cloroformo (CHF), acetato de metilo (MA)
y acetato de etilo (EA) se utilizan habitualmente para el electrospinning y el electrospraying. Debido a su elevada presión de vapor y, por tanto, a su alta velocidad de evaporación, pueden producirse atascos en las agujas o el denominado efecto de chorro secundario (Foto 3a). El resultado es una fabricación inconsistente, en la que la reproducibilidad lote a lote se convierte en un reto. Un excelente control medioambiental permite utilizar estos disolventes volátiles eligiendo las condiciones adecuadas para evitar la obstrucción de las agujas (foto 3b).

Foto 3

Foto 3. Una solución polimérica con bajo punto de ebullición procesada bajo diferentes niveles de humedad relativa: a) 25°C, 35% HR causando atascos, y b) condiciones optimizadas de 25°C, 50% HR permitiendo un proceso estable y evitando atascos. Imágenes: Nanoscience Instruments.

La Foto 4 muestra ejemplos de fibras y partículas típicas de PCL y PLA desarrolladas con disolventes de alta presión de vapor, es decir, disolventes volátiles. Estos materiales son biocompatibles y se utilizan habitualmente en aplicaciones relacionadas con la ingeniería de tejidos, los dispositivos médicos y la administración de fármacos. Sin el control de la temperatura y la humedad, la producción de estas fibras o partículas no sería posible de forma constante.

Disolventes no volátiles (baja velocidad de evaporación):

Ácido acético (AA), dimetilformamida (DMF), dimetilacetamida (DMAc), agua (W), N-metil-2-pirrolidona (nMP), entre otros, pueden ser difíciles de procesar debido a su baja velocidad de evaporación. Esto se debe a que el disolvente no se evapora completamente de los materiales fabricados haciendo que se adhieran entre sí. Una gran cantidad de disolvente residual permanece en las fibras o partículas, este es un problema común en estos casos. ¿Cómo ayuda la unidad de control ambiental a resolver el problema en estos casos? Aumentando la temperatura del aire de la cámara (reduciendo así la humedad relativa) y disminuyendo la humedad (secado; reduciendo así la humedad absoluta del ambiente) para procesar este tipo de disolventes con facilidad y evitar, o al menos minimizar, que quede disolvente residual en las muestras o materiales producidos.

El polímero soluble en agua óxido de polietileno (PEO) se utiliza comúnmente en el electrospinning como polímero de sacrificio cuando se fabrican fibras electrospun y partículas electrosprayed de materiales que no son fácilmente spinnable (o en absoluto …) por sí mismos. La foto 5a muestra imágenes SEM de fibras de PEO disueltas en agua. A humedades relativas bajas el agua se evapora relativamente bien, permitiendo la producción de fibras de mayor tamaño, mientras que a medida que la humedad relativa es mayor, el agua se evapora más lentamente, permitiendo el ajuste fino de la microestructura, consiguiendo obtener fibras de menor tamaño (diámetro de las fibras).

El poliacrilonitrilo (PAN) es un polímero que suele utilizarse en la filtración de aire o como precursor de nanofibras de carbono (que pueden obtenerse mediante un proceso posterior de calcinación) para su uso en aplicaciones como el almacenamiento de energía y las pilas de combustible, donde se requieren altos índices de densidad energética para membranas y separadores. La foto 5b muestra fibras producidas a partir de PAN en DMF. En este caso, la temperatura y la humedad relativa se ajustaron para maximizar la producción de PAN, evitar la unión fibra-fibra y minimizar el disolvente residual. El PAN es un buen ejemplo de material bastante sensible a los cambios ambientales, por lo que una unidad de control ambiental precisa y estable como la de Fluidnatek es imprescindible para un procesamiento óptimo.

El poliuretano termoplástico (TPU) se utiliza habitualmente para recubrir dispositivos médicos gracias a su estabilidad y propiedades mecánicas ideales para metales implantables como stents, injertos vasculares o válvulas cardíacas. Los dispositivos médicos con revestimiento de TPU deben tener la capacidad de engarzarse en diámetros más pequeños que requieran flexibilidad. El control de la temperatura y la humedad relativa es crucial para evitar posibles uniones fibra-fibra que puedan dificultar la capacidad de engarce del TPU. La foto 5c muestra la microestructura de las fibras de poliuretano termoplástico generadas utilizando DMAc como disolvente.

CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU

Principios activos

Varios de los ingredientes activos que se utilizan habitualmente en el electrospinning, como proteínas, aminoácidos, vitaminas, péptidos, bacterias, células vivas o ingredientes farmacéuticos activos, suelen ser sensibles a la temperatura y la humedad. A altas temperaturas, la estructura nativa puede degradarse y a altos niveles de humedad podría producirse hidrólisis, con lo que el aditivo se volvería ineficaz (o perdería parte de su eficacia). En la electropulverización, se utilizan aditivos como tensioactivos y sales para mejorar la suspensión de partículas metálicas aumentando la tensión superficial, pero éstos pueden verse afectados si la temperatura y la humedad relativa no son las ideales. La unidad de control ambiental de Fluidnatek permite al usuario controlar estrictamente el proceso de 18°C a 45°C (±1°C) y de 10% a 80% (±3%) de humedad relativa para evitar cualquier efecto no deseado al utilizar ingredientes activos o aditivos termolábiles.

CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU

Propiedades de las fibras y morfología de los materiales Electrospun

Al desarrollar un proceso para producir fibras o partículas, ya sea por electrospinning (fibras) o por electrospraying (partículas), es importante optimizar el proceso desde el principio (fase de I+D) para que los productos finales tengan propiedades definidas, sean consistentes y reproducibles cada vez. Una morfología uniforme de las fibras es crucial para mantener unas propiedades mecánicas adecuadas, como la resistencia a la tracción, el módulo, el alargamiento, la fuerza de retención de la sutura y la presión de rotura. Además, la porosidad de los materiales electrospun puede ajustarse modificando el tamaño de las fibras. Además, la aparición de posibles defectos, como perlas y salpicaduras en la morfología de las membranas electrospun, puede depender en gran medida de las condiciones ambientales (adecuadas o inadecuadas). El control medioambiental desempeña un papel fundamental en el desarrollo de procesos optimizados de electrospinning y electrospraying.

Por ejemplo, la producción de fibras de gelatina a 25°C y 70% da como resultado una microestructura de fibras en forma de cuentas (Foto 6a). A humedades elevadas, el agua de la solución no se evapora correctamente, disminuye la viscosidad de la solución y el polímero no se alarga completamente durante la fase de chorro en el electrospinning, lo que provoca dichas estructuras de cuentas. Estas estructuras rebordeadas afectarán a su vez a las propiedades mecánicas, el tamaño de los poros, la porosidad y la posible liberación de un ingrediente activo (por ejemplo, en productos farmacéuticos o cosméticos que utilicen electrospinning o electrospraying).

Si se optimiza el proceso de electrospinning y se utiliza una humedad relativa más baja, del 35%, para producir las fibras de gelatina, se obtienen fibras de gelatina redondeadas (Foto 6b). Con niveles de humedad más bajos, se optimiza la evaporación del disolvente, lo que permite que el material en la fase de chorro del electrospinning se elongue correctamente y se solidifique a un ritmo ideal.

Otro parámetro clave que afecta a las propiedades de las fibras y a la morfología de las estructuras electrospun es la temperatura, que trabaja en cohorte con la humedad relativa y las propiedades del disolvente. A fin de cuentas, la temperatura y la humedad relativa no son variables independientes, sino que ambas están correlacionadas. Si la viscosidad de la solución disminuye significativamente a medida que aumenta la temperatura, es probable que disminuya el diámetro de la fibra. Esto se debe a que la viscosidad de la solución disminuye permitiendo que las cadenas moleculares del polímero se muevan más rápidamente y dando lugar a fibras más finas. Sin embargo, un aumento significativo de la tasa de evaporación debido al aumento de la temperatura podría dar lugar a su vez a un diámetro de fibra más grueso (un aumento de la temperatura reducirá la humedad relativa en la cámara de fabricación del electrospinner). Así pues, la temperatura debe optimizarse y equilibrarse en cada proceso y para cada aplicación.

En general, las fibras electrospun fabricadas con polímeros hidrófilos a baja temperatura y alta humedad relativa tendrán diámetros más pequeños, mientras que a alta temperatura y baja humedad relativa se obtendrán fibras de mayor tamaño. Mientras que en el caso de los polímeros hidrófobos, cuando se procesan con electrospinning a humedades relativas elevadas, se presentarán estructuras altamente porosas en la morfología de la fibra observada, ya que las gotas de agua pueden acumularse en la superficie del polímero. La presencia de poros en la estructura de la fibra se considerará normalmente como un defecto, causando una disminución de las propiedades mecánicas (a menos que la aplicación específica requiera fibras porosas de hecho; en tal caso, esto también se puede lograr con las condiciones ambientales adecuadas).

CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU

Escalabilidad

El control medioambiental es fundamental cuando se intenta ampliar el proceso de electrospinning desde los estudios preliminares de prueba de concepto y viabilidad hasta la producción a escala piloto, para llegar finalmente a la fabricación industrial (producción en masa). La estabilidad, repetibilidad y reproducibilidad del proceso dependen en gran medida de las condiciones ambientales, además de otros factores.

Para ilustrar la importancia de las condiciones ambientales en el escalado de los procesos de electrospinning, y como ejemplo de referencia, se fabricaron fibras de poliacrilonitrilo (PAN) en dimetilformamida (DMF) utilizando 60 agujas. Se determinó que las condiciones óptimas eran un caudal de 30 mL/h (0,5 mL/h por aguja) cuando se utilizaban condiciones ambientales de 25°C, 35% de humedad relativa y un caudal de aire de 90 m³/h.

Cuando se intentó aumentar la escala duplicando las agujas de 60 a 120, el caudal se aumentó a 60 mL/h para mantener un caudal similar de 0,5 mL/h por aguja. Utilizando las mismas condiciones ambientales se produjeron defectos, comúnmente conocidos como apilamiento y apilamiento cruzado (Foto 7a). El apilamiento puede definirse como fibras que empiezan a acumularse, o stacking, desde el colector hasta la aguja. Por otro lado, el apilamiento cruzado puede definirse como las fibras que se acumulan entre fibras procedentes de agujas separadas.

Para superar estos defectos, se optimizaron las condiciones ambientales y se observó un proceso estable a 40°C, 18% HR y un flujo de aire de 120 m³/h (Foto 7b). Los resultados se resumen en la Tabla 1. La mayor temperatura y la menor humedad aumentaron la velocidad de evaporación, y el mayor caudal de aire eliminó más rápidamente de la cámara los disolventes evaporados. Esto dio lugar a una producción suave y uniforme de PAN.

El control de las condiciones ambientales permite ayudar a la eliminación de disolventes, evitar la obstrucción de las agujas u otros defectos durante la producción de muestras (fase de desarrollo) o de rollos de material (fases de ampliación y fabricación), y permite disipar la carga residual. La optimización de las condiciones ambientales no sólo estabiliza el proceso, sino que también puede lograrse un aumento del rendimiento del proceso de electrospinning (Tabla 1), abriendo posibilidades de trasladar el proceso hacia la producción a escala industrial. Todo ello combinado permite utilizar la Unidad de Control Ambiental para transferir fácilmente una solución desde la I+D, al desarrollo del proceso, a la escala piloto y, finalmente, a la producción a escala industrial. Los requisitos básicos de la unidad de control ambiental son principalmente tres: 1) Versatilidad: son necesarios todos los grados de libertad: calefacción/refrigeración y secado/humidificación; 2) Estabilidad: una gran estabilidad de la temperatura y la humedad relativa en torno a los puntos de ajuste seleccionados es imprescindible para un procesamiento ajustado; 3) Agilidad: definida como la rapidez con la que la ECU es capaz de alcanzar los puntos de ajuste de las condiciones ambientales. Esto es exactamente lo que ofrece la unidad de control ambiental de Fluidnatek.

CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU

Seguridad

La seguridad es un aspecto de gran importancia en la electrohilatura, ya que a menudo puede ser necesario utilizar disolventes inflamables y/o tóxicos, así como polímeros o aditivos inflamables. La unidad de control ambiental (ECU) desarrollada por Fluidnatek ofrece un par de funciones de seguridad para mantener eficazmente unas condiciones estables y seguras.

Sistema de escape con regulación activa

Los sensores de presión diferencial se implementan en un bucle de control con un ventilador de extracción para garantizar una ventilación óptima mientras se mantiene una presión ligeramente negativa dentro de la cámara. Si se interrumpe la ventilación, el sistema se apaga de forma segura para evitar la posible acumulación de vapores de disolventes peligrosos. Este sistema funciona en comunicación y coordinación con la unidad de control ambiental para mantener siempre un proceso estable con temperatura (18°C a 45°C ± 1°C), humedad relativa (10% a 80% ± 3%) y caudal de aire (50 m³/h a 180 m³/h).

Atmósfera inerte

Si se utilizan grandes volúmenes de disolventes altamente inflamables o explosivos, la ECU puede implementarse con un bucle de nitrógeno. Combinado con un sensor de oxígeno, esto puede garantizar que se mantengan los límites de seguridad (estando por debajo del Límite Inferior de Explosión o LIE). El usuario puede definir el límite de concentración de oxígeno y el sistema garantizará automáticamente que se mantengan esos límites.

CONCLUSIONES

La Unidad de Control Ambiental (ECU) es un elemento crítico en el proceso de electrospinning. Dependiendo de las condiciones ambientales en la cámara de fabricación de un electrospinner, los resultados obtenidos -materiales electrospun- pueden diferir significativamente (incluso con los mismos valores para el resto de variables que gobiernan el proceso de electrospinning). Fluidnatek es plenamente consciente de este hecho, y esto nos llevó a diseñar nuestra propia Unidad de Control Ambiental específicamente diseñada para un proceso evaporativo específico como es la electrospinning. De hecho, recientemente hemos lanzado nuestra ECU de 2^ª Generación, que mejora aún más la versión anterior.

Versatilidad, estabilidad y agilidad están dentro de las propiedades más importantes de una excelente Unidad de Control Ambiental. Como se ha explicado a lo largo de este artículo, y dado que los materiales y los disolventes tienen propiedades químicas y físicas diferentes, el control ambiental afecta a la dinámica de procesamiento en electrospinning para polímeros y materiales en general, disolventes y principios activos o aditivos.

Así pues, los resultados obtenidos para los materiales electrospun o electrosprayed serán diferentes en función de las condiciones ambientales (a menudo bastante diferentes…). Por lo tanto, es clave para el éxito determinar cuáles son los parámetros de proceso óptimos para cada solución específica en electrospinning y electrospraying, y esto incluye sin duda la temperatura óptima y la humedad relativa en la cámara. Pero además, las condiciones ambientales en electrospinning también afectan a la escalabilidad de los procesos, así como a aspectos de seguridad que tampoco son desdeñables. En este sentido, desde Fluidnatek estamos orgullosos de poder ofrecer a nuestros clientes una Unidad de Control Ambiental única y de primer nivel, con unas prestaciones inigualables, capaz de trabajar en coordinación con nuestros equipos de electrospinning Fluidnatek. Puesto que somos usuarios de electrospinning industrial y fabricantes a gran escala de múltiples materiales electrospun (y también de materiales electrosprayed), somos absolutamente conscientes de la importancia crítica de un estricto control medioambiental en el electrospinning.