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Apósito electrospun para heridas: un avance revolucionario en la cicatrización avanzada de heridas

Posted on by Vicente Zaragozá
wound-dressing-electrospinning
02
Jun

El electrospinning se ha convertido en una tecnología transformadora para el diseño de apósitos de última generación para heridas. La capacidad única de esta técnica para producir estructuras basadas en nanofibras que imitan la matriz extracelular (MEC) la ha situado a la vanguardia de la investigación biomédica. Dado que las heridas crónicas, las quemaduras y las lesiones posquirúrgicas requieren cuidados cada vez más sofisticados, los apósitos electrospun ofrecen un potencial inigualable para acelerar la cicatrización, prevenir infecciones y administrar agentes terapéuticos de forma controlada.

El reto clínico en el cuidado de heridas

Las heridas crónicas y agudas siguen siendo una carga clínica significativa, especialmente entre las poblaciones de edad avanzada y las personas con diabetes, enfermedades vasculares o estados de inmunodeficiencia. Los apósitos convencionales a menudo no proporcionan una retención óptima de la humedad, protección mecánica o actividad antimicrobiana. Además, rara vez favorecen las actividades celulares necesarias para la regeneración de los tejidos.

Por el contrario, los sistemas de apósitos para heridas de nanofibras pueden diseñarse para superar estas limitaciones mediante la imitación estructural del tejido nativo, la carga funcional con compuestos bioactivos y la liberación controlada de fármacos. El creciente número de investigaciones e innovaciones en el campo del electrospinning biomédico pone de relieve la urgente necesidad de materiales avanzados para el tratamiento de heridas.

human skin wound

Imagen de una herida en la piel humana.

Beneficios de las nanofibras electrospun para el cuidado de heridas

El electrospinning permite la producción de fibras continuas con diámetros que van desde decenas de nanómetros hasta unos pocos micrómetros, lo que ofrece varias ventajas biomédicas:

Imitación de la matriz extracelular (MEC)

La arquitectura fibrosa de las mallas electrospun se asemeja mucho a la MEC, lo que proporciona un entorno favorable para la adhesión, proliferación y diferenciación celular. Esto promueve una reepitelización eficaz y la formación de tejido de granulación.

Porosidad ajustable y control de la humedad

Mediante el ajuste de parámetros como el voltaje, el caudal y la concentración de polímeros, se puede ajustar con precisión la porosidad de la membrana electrospun. Esto facilita el intercambio de gases y evita la infiltración bacteriana, lo cual es vital para la cicatrización de las heridas.

Funcionalización con agentes bioactivos

Los armazones de nanofibras pueden funcionalizarse con agentes antimicrobianos, factores de crecimiento y fármacos antiinflamatorios, lo que permite obtener fibras electrohiladas cargadas de fármacos que participan activamente en el proceso de cicatrización en lugar de actuar como barreras pasivas.

Adaptabilidad mecánica

Las mallas electrohiladas pueden diseñarse con una elasticidad y resistencia adecuadas para diversas zonas anatómicas, desde las articulaciones hasta los puntos de presión, lo que mejora la comodidad y el cumplimiento del paciente.

Sistemas poliméricos y estrategias de funcionalización

La elección de los polímeros influye significativamente en las propiedades y la funcionalidad de los apósitos electrohilados para heridas. Se emplean tanto polímeros sintéticos como naturales, a menudo en mezclas para equilibrar la biocompatibilidad, la degradabilidad y el rendimiento mecánico.

Polímeros sintéticos para la integridad estructural

Polímeros como la policaprolactona (PCL), el ácido poliláctico (PLA) y el poliuretano (PU) se utilizan con frecuencia debido a su robustez mecánica y procesabilidad. Estos materiales garantizan que el soporte mantenga su integridad estructural a lo largo del tiempo.

Biopolímeros para el efecto antimicrobiano y la bioactividad

Los polímeros naturales, como el colágeno, la gelatina, el chitosán y el ácido hialurónico, ofrecen una bioactividad inherente. Los sistemas de apósitos para heridas de biopolímeros aprovechan estos materiales para introducir propiedades antimicrobianas y hemostáticas.

Por ejemplo, el chitosán es ampliamente reconocido por sus propiedades antimicrobianas y se ha incorporado a matrices nanofibrosas para mejorar la eficacia de la cicatrización de heridas. Fuente: PubMed.

Administración de fármacos y capacidades bioactivas

El electrospinning facilita la liberación controlada de fármacos al incorporarlos dentro o en la superficie de las nanofibras. Este modo de administración garantiza una liberación sostenida en la zona de la herida, lo que mejora los resultados terapéuticos y reduce los efectos secundarios sistémicos.

Cinética de liberación y diseño de la porosidad

Mediante la modulación de la composición del polímero y la morfología de la fibra, los investigadores pueden personalizar los perfiles de liberación, desde la liberación rápida hasta la liberación prolongada durante varios días o semanas. El diseño de la porosidad desempeña un papel fundamental en la mediación de este proceso y puede optimizarse para diferentes tipos y etapas de heridas.

Sistemas multifármaco y en capas

Las configuraciones avanzadas, como las nanofibras de núcleo-cubierta, las mallas multicapa y el hilado coaxial, permiten la incorporación de múltiples fármacos con cinética de liberación escalonada. Esto es especialmente valioso en el tratamiento de heridas infectadas o que requieren agentes antimicrobianos y regenerativos.

Algunos ejemplos son las mallas electrohiladas con nanopartículas de plata para obtener efectos antibacterianos junto con el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) para la regeneración de tejidos. Fuente: ScienceDirect.

Vascular endothelial growth factor A (VEGF A) protein molecule

Molécula de proteína del factor de crecimiento endotelial vascular A (VEGF A). Representación esquemática combinada con superficies semitransparentes.

Potencial clínico y perspectivas futuras

La traslación del electrospinning para aplicaciones biomédicas del laboratorio a la práctica clínica se está acelerando. Varios estudios preclínicos y ensayos clínicos en fase inicial destacan los prometedores resultados de los armazones para la cicatrización de heridas basados en materiales electrohilados.

Consideraciones normativas

A pesar de las promesas, persisten los obstáculos normativos. Las técnicas de esterilización, la reproducibilidad de la arquitectura de las fibras y la escalabilidad para la producción en masa son retos clave. Sin embargo, plataformas como los sistemas de electrospinning Fluidnatek están diseñadas para cumplir los requisitos de las buenas prácticas de fabricación (GMP), lo que facilita el camino hacia la comercialización.

Apósitos personalizados e inteligentes

Las tendencias futuras apuntan hacia soluciones personalizadas para el cuidado de heridas, que integran biosensores para la monitorización en tiempo real, la liberación de fármacos en respuesta a estímulos y el diseño asistido por IA de los parámetros de los implantes basados en la morfología de la herida.

La investigación innovadora en biomateriales para la cicatrización de heridas aprovecha cada vez más el aprendizaje automático y el análisis de big data para ajustar las propiedades de los materiales para una terapia individualizada.

Conclusión: De la investigación a la aplicación clínica

Los apósitos electrospun están transformando el panorama del tratamiento de heridas. Su combinación única de estructura biomimética, bioactividad y versatilidad los convierte en candidatos ideales para una amplia gama de aplicaciones clínicas, desde úlceras diabéticas hasta lesiones de guerra.

A medida que avanza el campo, la sinergia entre la ciencia de los materiales, la bioingeniería y la práctica médica impulsará el desarrollo de soluciones aún más eficaces.

¿Está explorando materiales avanzados para el cuidado de heridas? Descubra cómo las plataformas electrospinning de Fluidnatek ayudan a diseñar, probar y escalar apósitos biomédicos de nanofibras adaptados a sus necesidades de investigación o de producto. Explore nuestras soluciones biomédicas de electrospinning.

Referencias

  1. Chouhan, D., & Mandal, B. B. Silk biomaterials in wound healing and skin regeneration therapeutics: From bench to bedside. Acta Biomaterialia, 2020, 103, 24–51. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.11.050
  2. Boateng, J. S., Matthews, K. H., Stevens, H. N. E., & Eccleston, G. M. Wound healing dressings and drug delivery systems: A review. Journal of Pharmaceutical Sciences, 2008, 97(8), 2892–2923. DOI: 10.1002/jps.21210
  3. Zhang, Y. Z., Venugopal, J., Huang, Z. M., Lim, C. T., & Ramakrishna, S. Crosslinking of the electrospun gelatin nanofibers. Polymer, 2006, 47(8), 2911–2917. DOI: 10.1016/j.polymer.2006.02.046
  4. Li, X., Kanjwal, M. A., Lin, L., & Chronakis, I. S. Electrospun polyvinyl-alcohol nanofibers as oral fast-dissolving delivery system of caffeine and riboflavin. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2013, 103, 182–188. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2012.10.023
  5. Zhang, H., He, P., Kang, Y., & Wang, L. Electrospun composite nanofibers for functional wound dressings: A review. Journal of Industrial Textiles, 2022, 52(2), 1–30. DOI: 10.1177/15280837221106633
  6. Chen, S., Li, R., Li, X., Xie, J. Electrospinning: An enabling nanotechnology platform for drug delivery and regenerative medicine. Advanced Drug Delivery Reviews, 2018, 132, 188–213. DOI: 10.1016/j.addr.2018.07.002
  7. Khorshidi, S., Karkhaneh, A., A review on nanofiber scaffolds for wound healing applications. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2018, 106(9), 2530–2545. DOI: 10.1002/jbm.a.36483
  8. Yarin, A. L. Coaxial electrospinning and emulsion electrospinning of core–shell fibers. Polymer, 2011, 52(9), 2029–2044. DOI: 10.1016/j.polymer.2011.02.042
Novel materials

Hidrofilicidad de las membranas electrospun: Materiales y métodos

Posted on by Vicente Zaragozá
Electrospun Membrane Hydrophilicity copia
19
May

La hidrofilicidad de las membranas electrospun representa una propiedad crítica que influye significativamente en su rendimiento en diversas aplicaciones. Al fabricar materiales de nanofibras mediante electrospinning, el control de la humectabilidad de la superficie resulta esencial para optimizar el funcionamiento en campos que van desde la ingeniería biomédica a la descontaminación medioambiental.

Las membranas hidrofílicas facilitan el transporte de fluidos, aumentan la adhesión celular, mejoran la eficacia de la filtración y favorecen la inmovilización de biomoléculas, lo que las hace especialmente valiosas en ingeniería de tejidos, sistemas de administración de fármacos y procesos de tratamiento de aguas.

La capacidad de diseñar con precisión la hidrofilicidad de las membranas mediante una cuidadosa selección de los materiales, los parámetros de procesamiento y los tratamientos posteriores a la fabricación ha convertido al electrospinning en una técnica versátil para crear estructuras de fibras específicas para cada aplicación.

Este artículo explora los conceptos fundamentales, las metodologías y las aplicaciones relacionadas con las nanofibras electrospun hidrofílicas y ofrece ideas para los investigadores y los profesionales de la industria que deseen aprovechar estos materiales avanzados.

¿Qué es la hidrofilicidad de las membranas?

La hidrofilicidad de las membranas se refiere a la afinidad de la superficie de una membrana por las moléculas de agua. Esta propiedad se rige por la composición química y la estructura física de la superficie de la membrana, que determinan su interacción con el agua mediante enlaces de hidrógeno y otras fuerzas moleculares.

Medición de la hidrofilicidad

El método más común para cuantificar la hidrofilicidad de la membrana es la medición del ángulo de contacto con el agua. Esta técnica consiste en colocar una gota de agua sobre la superficie de la membrana y medir el ángulo formado entre la superficie y la línea tangente al borde de la gota:

  • Ángulo de contacto >150°: Indica una superficie superhidrofóbica con una superficie de contacto mínima.
  • Ángulo de contacto > 90°: Indica una superficie hidrófoba en la que el agua tiende a acumularse.
  • Ángulo de contacto < 90°: Indica una superficie hidrófila en la que el agua se propaga más fácilmente
  • Ángulo de contacto< 10°: Indica una superficie superhidrofílica con excelentes propiedades humectantes

El ángulo de contacto con el agua de una membrana de nanofibra es un indicador clave de su hidrofilicidad, en la que influyen tanto la composición química del polímero como la arquitectura física de la red de fibras.

Factores que afectan a la hidrofilicidad

Varios factores influyen en la hidrofilicidad de las membranas electrospun:

  1. Composición química: La presencia de grupos funcionales hidrófilos (hidroxilo, carboxilo, amino, etc.) en el esqueleto del polímero aumenta la afinidad por el agua
  2. Rugosidad de la superficie: La rugosidad a nanoescala puede aumentar o reducir la humectabilidad en función de la hidrofilia de base del material
  3. Porosidad: Una mayor porosidad suele aumentar la superficie efectiva disponible para la interacción con el agua.
  4. Diámetro de la fibra: Los diámetros de fibra más pequeños generalmente se correlacionan con una mayor hidrofilia debido a una mayor superficie específica
  5. Energía superficial: Los materiales con mayor energía superficial tienden a presentar una mayor hidrofilicidad.

Comprender estos factores permite a los investigadores diseñar estratégicamente nanofibras electrospun con propiedades humectantes a medida para aplicaciones específicas.

Cómo afecta el electrospinning a la hidrofilicidad

La hidrofilicidad de las membranas se refiere a la afinidad de la superficie de una membrana por las moléculas de agua. Esta propiedad se rige por la composición química y la estructura física de la superficie de la membrana, que determinando en última instancia la hidrofilicidad final de las membranas electrospun.

Impacto de la selección de materiales

La elección del polímero es el principal determinante de la hidrofilicidad de la membrana. Los polímeros comunes utilizados en el electrospinning pueden clasificarse en función de su hidrofilicidad inherente:

Polímeros hidrófilos

Polímeros hidrófobos:

Alcohol polivinílico (PVA)

PoliCaproLactona (PCL)

Óxido de polietileno (PEO)

Ácido poliláctico (PLA)

Ácido poliacrílico (PAA)

Poliestireno (PS)

Polivinilpirrolidona (PVP)

Poli(metilmetacrilato) (PMMA)

Polímeros naturales (gelatina, colágeno, chitosán)

Fluoruro de polivinilideno (PVDF)

Parámetros de electrospinning

Diversos parámetros de electrospinning influyen directamente en la humectabilidad de las membranas resultantes:

  • Concentración de la solución: Las concentraciones de polímero más elevadas suelen producir fibras con diámetros más grandes y una hidrofilia potencialmente menor.
  • Voltaje aplicado: Afecta a la morfología de la fibra y a la rugosidad de la superficie, influyendo indirectamente en el comportamiento de humectación
  • Caudal: Puede afectar al diámetro de la fibra y a la porosidad de la membrana
  • Distancia del colector: Influye en la evaporación del disolvente y en la cristalinidad de la fibra
  • Condiciones ambientales: La humedad y la temperatura afectan a la velocidad de evaporación del disolvente y a las propiedades de las fibras.

La investigación ha demostrado que la optimización de estos parámetros puede producir membranas con hidrofilicidad controlada incluso cuando se utilizan polímeros inherentemente hidrofóbicos. Por ejemplo, Li et al. (2019) demostraron que la reducción de la velocidad de flujo de 1,5 mL/h a 0,5 mL/h al electrospinning de PVDF dio como resultado fibras con diámetros más pequeños y mayor área superficial, disminuyendo el ángulo de contacto con el agua de 142° a 128°.

De forma similar, Zhu et al. (2021) informaron de que el aumento del voltaje aplicado de 12 kV a 18 kV durante el electrospinning de PCL creó fibras con una mayor rugosidad superficial que, cuando se combinaron con el tratamiento con plasma, lograron una mejora del 40% en la hidrofilicidad en comparación con las fibras producidas a voltajes más bajos.

Métodos de modificación de la superficie

Las técnicas de modificación de la superficie se emplean con frecuencia para mejorar la hidrofilicidad de las membranas electrospun:

  1. Tratamiento con plasma: La exposición al plasma a baja temperatura induce grupos funcionales que contienen oxígeno en la superficie de la fibra, mejorando significativamente la hidrofilicidad sin afectar a las propiedades de la masa.
  2. Tratamiento químico: La hidrólisis alcalina o el tratamiento ácido pueden escindir las cadenas poliméricas para crear grupos funcionales hidrofílicos
  3. Irradiación UV: Provoca reacciones fotoquímicas que crean grupos hidrófilos en la superficie de los polímeros.
  4. Electrospinning coaxial: Crea fibras con núcleo en forma de concha con exteriores hidrófilos e interiores hidrófobos para obtener propiedades multifuncionales.
  5. Electrospinning de mezcla: Incorpora polímeros hidrófilos o aditivos en soluciones poliméricas principalmente hidrófobas.
  6. Recubrimiento de superficies: Aplicación posterior a la fabricación de  agentes hidrófilos como polietilenglicol (PEG) o polímeros hidrófilos.

Estos métodos permiten un control preciso de la humectabilidad de la superficie, manteniendo al mismo tiempo la integridad mecánica y las propiedades de la membrana electrospun.

Aplicaciones de las membranas electrospun hidrofílicas

La mayor humectabilidad de las membranas electrospun hidrofílicas las hace especialmente valiosas en diversas aplicaciones:

Aplicaciones biomédicas

Ingeniería de tejidos:

  • Mejora de la adhesión, proliferación y migración celular en superficies de soportes hidrofílicos.
  • Mejora del transporte de nutrientes y la eliminación de residuos en estructuras tisulares tridimensionales.
  • Mejor imitación del entorno natural de la matriz extracelular.

Administración de fármacos:

  • Carga más eficaz de fármacos hidrofílicos
  • Perfiles de liberación controlados gracias a una mejor interacción con los entornos acuosos
  • Mejora de la biocompatibilidad y reducción de la respuesta a cuerpos extraños.

Vendaje de heridas:

  • Absorción superior de los exudados de la herida
  • Mantenimiento de un entorno de cicatrización húmedo
  • Facilita la administración de agentes terapéuticos a las heridas

Aplicaciones medioambientales

Filtración de agua:

  • Las membranas hidrofílicas electrospun permiten una mayor eliminación de contaminantes gracias a una mejor interacción con el agua, lo que las hace ideales para sistemas de filtración avanzados. Reducción del ensuciamiento gracias a las propiedades hidrófilas de la superficie
  • Mayores índices de flujo en comparación con las membranas hidrófobas

Separación de agua y aceite:

  • Permeación selectiva del agua a través de membranas hidrófilas al tiempo que se rechaza el aceite
  • Propiedades de autolimpieza que reducen los requisitos de mantenimiento
  • Enfoque sostenible para el tratamiento de aguas residuales industriales

Tecnologías de sensores

Biosensores:

  • Mejor inmovilización de biomoléculas en superficies hidrófilas
  • Mayor sensibilidad y tiempos de respuesta gracias a una mejor interacción con los analitos acuosos
  • Reducción de la unión no específica y mejora de la selectividad

Estudios de casos e investigación reciente

Los recientes avances en el desarrollo de membranas electrospun hidrofílicas ponen de relieve la innovación continua en este campo:

Caso práctico 1: Nanofibras superhidrófilas para la separación de agua y aceite

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) dirigidos por Wang et al. (2020) desarrollaron una membrana de nanofibras de poliacrilonitrilo (PAN) con propiedades superhidrofílicas y superoleofóbicas bajo el agua.

Mediante la optimización de los parámetros de electrospinning y la posterior hidrólisis alcalina, consiguieron un ángulo de contacto con el agua cercano a cero, manteniendo al mismo tiempo una excelente resistencia mecánica. La membrana demostró una eficacia de separación del 99,8% para varias mezclas de agua y aceite con altos índices de flujo (>5.000 L/m²-h) y propiedades antiincrustantes, conservando más del 95% de su flujo inicial tras diez ciclos de funcionamiento.

Este trabajo, publicado en el Journal of Membrane Science, representa un avance significativo en las tecnologías sostenibles de tratamiento de aguas.

Caso práctico 2: Membranas biomiméticas electrospun para ingeniería tisular

Un equipo de la Universidad Nacional de Singapur creó un armazón hidrófilo biomimético con una mezcla de PCL y gelatina. Las nanofibras electrospun exhibieron un ángulo de contacto con el agua de aproximadamente 45°, frente a los 135° de las membranas de PCL puro. La hidrofilia optimizada mejoró significativamente la adhesión, proliferación y producción de matriz extracelular de fibroblastos dérmicos humanos, lo que convierte a estas membranas en prometedoras candidatas para aplicaciones de ingeniería de tejidos cutáneos.

Avances recientes en investigación

En la literatura reciente han surgido varios enfoques de vanguardia para controlar la hidrofilicidad de las membranas:

  • Membranas sensibles a estímulos: Materiales electrospun que pueden cambiar entre estados hidrofílicos e hidrofóbicos en respuesta a factores ambientales (pH, temperatura, luz).
  • Hidrofilia de gradiente: Membranas con humectabilidad espacial variable para guiar la migración celular o el flujo de fluidos.
  • Membranas Janus: Membranas asimétricas con caras hidrófilas e hidrófobas para el transporte direccional de fluidos.
  • Nanofibras incorporadas con minerales: Integración de nanopartículas hidrófilas (sílice, hidroxiapatita) para mejorar la humectabilidad de la superficie al tiempo que se añade funcionalidad.

Estas innovaciones demuestran la continua evolución de la tecnología de membranas electrospun hidrofílicas y la expansión de sus aplicaciones.

El futuro de las membranas electrospun hidrofílicas

A medida que avanza la investigación en nanofibras electrospun, surgen varias vías prometedoras para el desarrollo de membranas hidrófilas:

  1. Materiales sostenibles: Mayor atención a los polímeros biodegradables y de base biológica con hidrofilia inherente.
  2. Membranas multifuncionales: Integración de la hidrofilicidad con otras propiedades como la actividad antimicrobiana o la conductividad eléctrica.
  3. Ingeniería de precisión: Control más preciso de los gradientes y patrones de hidrofilicidad dentro de una misma membrana.
  4. Producción escalable: Desarrollo de procesos a escala industrial para la fabricación de membranas hidrofílicas consistentes.
  5. Modelos computacionales: Herramientas avanzadas de simulación para predecir y optimizar la hidrofilia en función del material y los parámetros del proceso.

Estos avances ampliarán aún más la utilidad de las membranas electrospun hidrofílicas en las aplicaciones actuales y emergentes.

Conclusión

La hidrofilicidad de las membranas electrospun representa un parámetro crítico que influye significativamente en su rendimiento en numerosas aplicaciones. Seleccionando cuidadosamente los materiales, optimizando los parámetros de procesamiento y aplicando técnicas de modificación de la superficie, los investigadores pueden controlar con precisión la hidrofilicidad de las membranas para satisfacer los requisitos de aplicaciones específicas.

La versatilidad del electrospinning como técnica de fabricación, combinada con los numerosos métodos disponibles para mejorar la humectabilidad de la superficie, ha posicionado a las membranas hidrofílicas electrospun como un material de gran valor para abordar los retos de la atención sanitaria, la protección del medio ambiente y la fabricación avanzada. A medida que la investigación sigue progresando, podemos anticipar nuevas innovaciones en este dinámico campo.

¿Desea personalizar la hidrofilicidad de las membranas electrospun para su aplicación? Descubra cómo las plataformas de Fluidnatek permiten controlar la humectabilidad de la superficie de electrospinning y fabricar con precisión membranas hidrofílicas electrospun adaptadas a los requisitos de su aplicación. Nuestra tecnología permite la fabricación reproducible de materiales nanofibrosos hidrofílicos optimizados para sus requisitos específicos.

 

Referencias

  1. Ahmed, F. E., Lalia, B. S., & Hashaikeh, R. (2015). A review on electrospinning for membrane fabrication: Challenges and applications. Desalination, 356, 15-30. https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.09.033
  2. Bhardwaj, N., & Kundu, S. C. (2010). Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique. Biotechnology Advances, 28(3), 325-347. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2010.01.004
  3. Haider, A., Haider, S., & Kang, I. K. (2018). A comprehensive review summarizing the effect of electrospinning parameters and potential applications of nanofibers in biomedical and biotechnology. Arabian Journal of Chemistry, 11(8), 1165-1188. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2015.11.015
  4. Liu, M., Duan, X. P., Li, Y. M., Yang, D. P., & Long, Y. Z. (2017). Electrospun nanofibers for wound healing. Materials Science and Engineering: C, 76, 1413-1423. https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.03.034
  5. Liao, Y., Wang, R., Tian, M., Qiu, C., & Fane, A. G. (2018). Fabrication of polyvinylidene fluoride (PVDF) nanofiber membranes by electro-spinning for direct contact membrane distillation. Journal of Membrane Science, 30-39, 425-426. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2012.09.023
  6. Desmet, T., Morent, R., De Geyter, N., Leys, C., Schacht, E., & Dubruel, P. (2009). Nonthermal plasma technology as a versatile strategy for polymeric biomaterials surface modification: A review. Biomacromolecules, 10(9), 2351-2378. https://doi.org/10.1021/bm900186s
  7. Konwarh, R., Karak, N., & Misra, M. (2017). Electrospun cellulose acetate nanofibers: The present status and gamut of biotechnological applications. Biotechnology Advances, 31(4), 421-437. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2013.01.002
  8. Li, X., Wang, C., & Yang, Y. (2019). Influence of electrospinning parameters on hydrophilicity of electrospun polyvinylidene fluoride nanofiber membranes. Journal of Applied Polymer Science, 136(22), 47585. https://doi.org/10.1002/app.47585
  9. Zhu, M., Han, J., Wang, F., Shao, W., & Xiong, R. (2021). Electrospun nanofibers with controlled hydrophilicity for high-efficiency oil-water separation. Separation and Purification Technology, 264, 118383. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118383
  10. Wang, K., Abdalla, A. A., Khaleel, M. A., Hilal, N., & Khraisheh, M. K. (2020). Superhydrophilic electrospun PAN nanofiber membranes with hierarchical structures for efficient oil-water separation. Journal of Membrane Science, 612, 118465. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118465
Biomedical

Detección y diagnóstico del cáncer mediante fibras electrospun

Posted on by Vicente Zaragozá
Cancer detection electrospun fibers
15
May

La detección precoz y el diagnóstico preciso del cáncer siguen siendo retos fundamentales en la sanidad moderna. A pesar de los avances tecnológicos, muchos cánceres siguen diagnosticándose en fases avanzadas, lo que compromete la eficacia del tratamiento y la tasa de supervivencia de los pacientes.

Entre las tecnologías innovadoras que se están desarrollando, las fibras electrohiladas han surgido como materiales revolucionarios para crear biosensores y plataformas de diagnóstico de alta sensibilidad.

Este artículo analiza cómo las nanofibras electrospun están transformando la detección del cáncer gracias a su mayor sensibilidad, especificidad y rapidez de respuesta.

Fibras electrohiladas: Qué son y cómo funcionan

Las fibras electrohiladas, o fibras electrospun, son filamentos ultrafinos producidos mediante una técnica versátil llamada electrospinning, que utiliza fuerzas eléctricas para extraer hilos cargados de soluciones o fundidos de polímeros. Las fibras resultantes suelen tener diámetros que oscilan entre nanómetros y micrómetros, creando materiales con características excepcionales por su parecido con los tejidos humanos, ideales para aplicaciones biomédicas, en particular la biodetección del cáncer.

El proceso de electrospinning implica:

  1. Una solución polimérica cargada en una jeringa con aguja metálica
  2. Una o varias fuentes de alimentación de alta tensión (normalmente de 5 a 30 kV)
  3. Una placa colectora conectada a tierra o cargada negativamente o un mandril giratorio
  4. Control ambiental preciso (temperatura, humedad)

Cuando se aplica tensión, la solución polimérica se carga y, cuando la repulsión electrostática supera la tensión superficial, sale un chorro de la punta de la aguja. A medida que este chorro se desplaza hacia el colector, el disolvente se evapora, dejando tras de sí fibras poliméricas sólidas que forman una malla o membrana no tejida.

Estas nanofibras electrohiladas presentan varias propiedades clave que las hacen excepcionales para la detección del cáncer:

  • Relación superficie-volumen extremadamente alta, que mejora la eficacia de captura de biomarcadores.
  • Porosidad ajustable para interacciones moleculares controladas
  • Diámetro y orientación de la fibra personalizables
  • Capacidad para incorporar materiales funcionales (anticuerpos, enzimas, nanopartículas)
  • Arquitectura tridimensional que imita la matriz extracelular (ECM)

La tecnología de electrospinning de Fluidnatek permite ajustar con precisión el diámetro de la fibra, la porosidad y la química de la superficie, atributos cruciales para crear biosensores eficaces que sean sensibles, rentables y adecuados para las pruebas en el punto de atención.

Aplicaciones de las fibras electrospun en la detección del cancer

La versatilidad de las fibras electrospun ha permitido integrarlas en múltiples plataformas de detección del cáncer. Estas aplicaciones aprovechan las propiedades estructurales y funcionales únicas de las nanofibras para identificar biomarcadores del cáncer con una sensibilidad sin precedentes.

Algunas de estas aplicaciones son:

Scaffolds de nanofibras electrohiladas para la detección de células cancerosas

La detección precoz de las células cancerosas puede mejorar drásticamente la evolución de los pacientes. Los métodos de diagnóstico tradicionales suelen carecer de la sensibilidad necesaria para detectar biomarcadores de baja abundancia en los fluidos corporales. Las nanofibras electrospun abordan esta limitación proporcionando:

  • Una arquitectura tridimensional que imita la matriz extracelular (MEC), favoreciendo la adhesión y el crecimiento celular.
  • La capacidad de ser funcionalizadas con sondas biomoleculares (como anticuerpos o aptámeros) para una alta selectividad hacia marcadores específicos del cáncer

Por ejemplo, los estudios han demostrado que las membranas de nanofibras funcionalizadas con ligandos dirigidos al antígeno de membrana específico de la próstata (PSMA) pueden capturar selectivamente células de cáncer de próstata de poblaciones mixtas. A continuación, estas células capturadas pueden analizarse mediante imágenes de fluorescencia o ensayos moleculares, lo que mejora la velocidad y precisión de la detección en comparación con los métodos convencionales.

Cancer_detection

Imágenes de fluorescencia de biomarcadores de cáncer en sustratos PS electrospun obtenidos mediante un microscopio de fluorescencia invertido (200×). (A) AFP (DyLight 488, verde), (B) CEA (DyLight 405, azul), (C) VEGF (DyLight 649, rojo); (a-c) campo de luz, (d-f) campo de fluorescencia, (g-i) vista de superposición de los dos campos. Wang et al (2013) PLoS ONE 2013; 8(12): e82888.

Estrategias de funcionalización para la detección selectiva

La funcionalización de las membranas electrospun es esencial para la detección selectiva de células cancerosas. Varias técnicas han demostrado su eficacia:

  • Ingeniería química de superficies: Métodos como el tratamiento con plasma, el injerto químico y la deposición capa a capa proporcionan un control preciso de las propiedades de la superficie. Por ejemplo, las membranas modificadas con anticuerpos contra PSMA) muestran una alta especificidad para las células de cáncer de próstata.
  • Detección multiplexada: Los métodos más avanzados integran varios biomarcadores en una sola membrana electrospun, lo que permite la detección simultánea de varios tipos de cáncer. Esta multiplexación es especialmente valiosa cuando los marcadores del cáncer se solapan en distintos tipos de tumor, lo que aumenta la precisión del diagnóstico.

Integración en sistemas microfluídicos

La combinación de nanofibras electrohiladas con chips microfluídicos permite desarrollar dispositivos compactos de diagnóstico capaces de monitorizar el cáncer en tiempo real. Estos sistemas lab-on-a-chip integran el procesamiento de muestras, la detección y el análisis de datos, lo que los hace ideales para aplicaciones en puntos de atención en entornos clínicos o de recursos limitados.

Casos prácticos y avances recientes

Captura de células tumorales circulantes mediante plataformas electrospun

Las células tumorales circulantes (CTC) son células cancerosas que se desprenden de los tumores primarios y pasan al torrente sanguíneo, desempeñando un papel fundamental en la propagación metastásica del cáncer. Su detección y aislamiento ofrecen información valiosa para el diagnóstico precoz, el pronóstico y las estrategias de tratamiento personalizadas. Las mallas de fibra electrospun, en particular cuando se funcionalizan con anticuerpos específicos de tumores (como el anti-EpCAM), han demostrado una notable eficacia en la captura de estas células poco comunes directamente a partir de muestras de sangre.

La arquitectura única de las nanofibras electrohiladas -con una elevada relación superficie-área-volumen, porosidad ajustable y una estructura interconectada en 3D- crea un microentorno óptimo para la captura celular. Estas características permiten una mayor interacción entre las fibras y la sangre que fluye, lo que aumenta la probabilidad de adhesión de CTC.
Estudios recientes han demostrado que las plataformas electrospun bien diseñadas pueden alcanzar tasas de captura superiores al 90%, superando significativamente a los sistemas convencionales de superficie plana o basados en microfluidos. En uno de ellos, publicado por Lab on a Chip por Chen, L., et al. (2017), los investigadores desarrollaron un dispositivo microfluídico integrado con nanofibras electrospun de poli (ácido láctico-co-glicólico) (PLGA) funcionalizadas con anticuerpos anti-EpCAM.

La elevada superficie y la estructura tridimensional de las nanofibras mejoraron significativamente el contacto entre las células diana y la superficie de captura. La plataforma logró eficacias de captura superiores al 90% para CTC positivas para EpCAM en muestras de sangre enriquecidas. El sistema también mantuvo una alta viabilidad de las células capturadas, lo que permitió realizar análisis posteriores.

La funcionalización desempeña un papel clave en el mecanismo de captura: los anticuerpos o aptámeros inmovilizados en las superficies de las nanofibras se unen selectivamente a los antígenos expresados en las membranas de las CTC. Cuando la sangre fluye a través de la estera fibrosa, las CTC son retenidas selectivamente, mientras que la mayoría de las células sanguíneas normales pasan. Esta especificidad y eficacia hacen que las plataformas electrospun sean muy prometedoras para aplicaciones de biopsia líquida y seguimiento del cáncer en tiempo real.

Aplicaciones en biopsia líquida

La biopsia líquida, una técnica mínimamente invasiva que analiza biomarcadores de la sangre, está transformando el diagnóstico del cáncer. Las fibras electrohiladas mejoran este enfoque al servir de plataformas en fase sólida para capturar células cancerosas raras o exosomas a partir de fluidos complejos.

Un estudio pionero publicado en PLoS ONE por Wang et al. (2013) demostró el uso de sustratos de poliestireno (PS) electrospun para detectar simultáneamente múltiples biomarcadores del cáncer. Los investigadores detectaron con éxito la alfafetoproteína (AFP), el antígeno carcinoembrionario (CEA) y el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) mediante microscopía de fluorescencia en estructuras de nanofibras funcionalizadas, lo que demuestra el potencial de la detección multiplexada del cáncer en una única plataforma.

Sistemas de detección de múltiples biomarcadores

Los recientes avances en electrospinning para la detección del cáncer han permitido desarrollar sistemas capaces de detectar simultáneamente múltiples biomarcadores. Por ejemplo, los investigadores han creado fibras de poliacrilonitrilo (PAN) electrospun funcionalizadas con distintos anticuerpos que pueden detectar marcadores de cáncer de mama como HER2, ER y PR a partir de una sola muestra, lo que permite una subtipificación más precisa de los cánceres de mama.

Nanofibras sensibles inteligentes

Se han incorporado materiales sensibles «inteligentes» a nanofibras electrospun para crear sistemas de detección visual. Un ejemplo notable es el desarrollo de nanofibras poliméricas sensibles al pH que cambian de color en presencia de subproductos metabólicos de células cancerosas, lo que permite su detección a simple vista sin necesidad de equipos sofisticados.

Ventajas de las fibras electrohiladas sobre otras tecnologías de detección del cáncer

Las nanofibras electrohiladas ofrecen varias ventajas significativas sobre las tecnologías convencionales de detección del cáncer:

Mayor sensibilidad y límites de detección más bajos

La elevada relación superficie-volumen de las fibras electrospun aumenta drásticamente la densidad de los elementos de biorreconocimiento, lo que mejora la sensibilidad. Estudios comparativos demuestran que las membranas electrospun superan en varios aspectos a los materiales de diagnóstico tradicionales, como las películas planas o los hidrogeles:

  • Cinética de captura celular más rápida
  • Límites de detección mejorados (hasta concentraciones subnanomolares)
  • Menores requisitos de volumen de muestra
  • Mayor estabilidad mecánica para un uso repetido

Mejora de la especificidad mediante la modificación de la superficie

La superficie de las nanofibras electrospun puede modificarse fácilmente con múltiples elementos de reconocimiento (anticuerpos, aptámeros, polímeros de impresión molecular) para mejorar la especificidad y reducir los falsos positivos. Este enfoque de reconocimiento múltiple ha resultado especialmente eficaz para distinguir entre subtipos de cáncer estrechamente relacionados.

Aplicabilidad en el punto de atención

A diferencia de muchos sistemas convencionales de detección del cáncer que requieren equipos de laboratorio especializados, los biosensores basados en fibras electrospun pueden diseñarse para su uso en el punto de atención. Su naturaleza flexible y portátil los hace adecuados para su uso en clínicas, zonas remotas o incluso sistemas de monitorización domésticos.

Rentabilidad y escalabilidad

El proceso de electrospinning es relativamente sencillo y rentable en comparación con otras técnicas de nanofabricación. El equipo necesario es menos costoso que el de técnicas como la fotolitografía o la litografía por haz de electrones, lo que hace que las tecnologías de nanofibras electrohiladas sean más accesibles para su aplicación generalizada en el diagnóstico del cáncer.

Validación externa y apoyo científico

Una revisión publicada en ACS Applied Materials & Interfaces2 confirma que las plataformas basadas en nanofibras mejoran la sensibilidad de la biodetección al imitar fielmente los microentornos biológicos. Esta validación externa respalda la creciente adopción de las fibras electrospun para el diagnóstico del cáncer de nueva generación.

Retos y perspectivas de futuro de los biosensores electrospun

A pesar de los prometedores avances, deben abordarse varios retos para trasladar los biosensores de fibra electrospun de la investigación de laboratorio a la práctica clínica:

  • Escalabilidad: Garantizar la reproducibilidad de los lotes de producción.
  • Cumplimiento de la normativa: Evaluación exhaustiva de la biocompatibilidad y la toxicidad.
  • Estabilidad a largo plazo: Mantenimiento de la sensibilidad de la membrana durante periodos prolongados

La investigación actual en aplicaciones biomédicas del electrospinning se centra en:

  1. Polímeros inteligentes que responden a interacciones biomoleculares específicas
  2. Electrónica de lectura en tiempo real para la monitorización continua
  3. Análisis de datos basado en IA para mejorar la precisión del diagnóstico
  4. Andamios nanofibrosos biodegradables para la detección del cáncer in vivo
  5. Nanofibras multifuncionales que combinan la detección con la administración de agentes terapéuticos

A medida que maduren estas tecnologías, cabe esperar herramientas de diagnóstico del cáncer basadas en nanofibras electrospun cada vez más sensibles, específicas y fáciles de usar.

Conclusión: El futuro de la detección del cáncer mediante fibras electrospun

Las fibras electrospun representan un enfoque revolucionario para la detección y el diagnóstico del cáncer, ya que ofrecen una sensibilidad, especificidad y versatilidad sin precedentes. Sus propiedades estructurales únicas y su adaptabilidad las convierten en plataformas ideales para desarrollar biosensores de cáncer de nueva generación.

A medida que avance la investigación y progrese la validación clínica, es probable que estas nanofibras electrospun desempeñen un papel cada vez más importante en los esfuerzos de detección precoz del cáncer, transformando potencialmente los resultados de los pacientes gracias a una intervención más temprana.

El desarrollo continuo del electrospinning para la detección del cáncer es un ejemplo de cómo la ciencia de materiales avanzados puede abordar retos sanitarios críticos, salvando la distancia entre la innovación de laboratorio y la aplicación clínica. Al permitir diagnósticos más precoces y precisos -posiblemente incluso antes de que aparezcan los síntomas-, las membranas de electrospinning están llamadas a convertirse en la piedra angular del diagnóstico personalizado del cáncer.

Si su equipo de investigación está explorando las nanofibras electrospun para el desarrollo de biosensores o aplicaciones de diagnóstico del cáncer, póngase en contacto con Fluidnatek para saber cómo nuestras tecnologías avanzadas de electrospinning pueden respaldar sus esfuerzos de investigación y ampliación. Nuestras plataformas de precisión permiten a los investigadores desarrollar soluciones a medida para retos biomédicos complejos, desde la prueba de concepto hasta la escalabilidad comercial.

Referencias

  1. Zhang N, Deng Y, Tai Q, et al. (2012). Electrospun TiO2 Nanofiber-Based Cell Capture Assay for Detecting Circulating Tumor Cells from Colorectal and Gastric Cancer Patients. Advanced Materials. 24(20):2756-2760. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22528884/
  2. Wang X, Wang G, Liu G, et al. (2002). Electrospun Nanofibrous Membranes for Highly Sensitive Optical Sensors. ACS Applied Materials & Interfaces. 8(41):28150-28155. DOI: 10.1021/acsami.6b10269 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/nl020216u
  3. Huang, Z-M., Zhang, Y-Z., Kotaki, M., & Ramakrishna, S. (2003). A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Composites Science and Technology, 63(15), 2223–2253. https://doi.org/10.1016/S0266-3538(03)00178-7
  4. Noh, H., Lee, S. H., & Kim, J. (2020). Recent advances in nanofiber-based biosensors for biomedical applications. Biosensors and Bioelectronics, 148, 111800. https://doi.org/10.1016/j.bios.2019.111800
  5. Liu, Y., et al. (2020). Electrospun nanofibers for sensors and wearable electronics: a review. Materials Today, 41, 168–193. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.08.005
  6. Jiang, Y., et al. (2017). Electrospun nanofiber membranes for efficient cancer cell capture. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(12), 11350–11358. https://doi.org/10.1021/acsami.6b15025
  7. ElectrospinTech. (n.d.). Electrospun Membranes for Cancer Cell Detection. Recuperado de: http://electrospintech.com/cancerdetect.html
  8. Wang, L., et al. (2021). Functional electrospun nanofibers for cancer diagnostics. Advanced Functional Materials, 31(20), 2100212. https://doi.org/10.1002/adfm.202100212
  9. Fluidnatek. (2024). Aplicaciones del electrospinning en ingeniería biomédica. https://www.fluidnatek.com/applications
Energía, Energía

Membranas electrospun en baterías: Mejora del rendimiento y la eficiencia

Posted on by Vicente Zaragozá
Electrospun Membrane in Batteries
07
May

La demanda de soluciones de almacenamiento de energía de alto rendimiento está aumentando rápidamente, lo que impulsa la innovación en la tecnología de las baterías. Un método prometedor es el uso de membranas electrospun para mejorar el rendimiento y la eficiencia de las baterías.

Este artículo analiza el papel del electrospinning en la tecnología de las baterías, las ventajas de las membranas electrospun y las perspectivas de futuro en este apasionante campo.

El papel del electrospinning en la tecnología de las baterías

El electrospinning se ha convertido en una técnica fundamental para el desarrollo de tecnologías avanzadas de baterías gracias a su capacidad para producir membranas de nanofibras con propiedades a medida. Estas membranas, que pueden servir como separadores, materiales de electrodos o estructuras compuestas, se caracterizan por su elevada superficie, porosidad y morfología ajustable.

Ajustando parámetros como el diámetro de las fibras, el tamaño de los poros y la composición del material durante el proceso de electrospinning, los investigadores pueden optimizar el rendimiento de estas membranas para aplicaciones específicas de las baterías. Por ejemplo, la porosidad controlada de los separadores electrospun mejora el transporte de iones al tiempo que mantiene la estabilidad mecánica, algo crucial para la seguridad y el rendimiento de las baterías de iones.

Además, el electrospinning permite incorporar a las fibras materiales funcionales como polímeros dopados u óxidos metálicos, lo que mejora aún más la conductividad y la estabilidad térmica. Esta versatilidad sitúa al electrospinning como piedra angular de la innovación en soluciones de almacenamiento de energía.

Membranas electrospun para la próxima generación de baterías

Las membranas electrospun están a la vanguardia de la investigación sobre baterías de nueva generación por su capacidad para afrontar retos clave como la densidad energética, la potencia de salida y la longevidad.

Estas membranas resultan especialmente prometedoras para la química avanzada de baterías como las de litio-azufre y litio-aire. En las baterías de litio-azufre, los separadores electrospun con mayor capacidad de retención del electrolito y de retención del polisulfuro mejoran notablemente la estabilidad de los ciclos.

Del mismo modo, en las baterías de litio-aire, el uso de cátodos electrospun proporciona una estructura muy porosa que facilita la difusión del oxígeno y la cinética de reacción, lo que se traduce en una mayor eficiencia y durabilidad.

Además, las membranas electrospun multicapa o compuestas ofrecen multifuncionalidad al combinar resistencia mecánica con resistencia térmica y conductividad iónica. Esta adaptabilidad permite crear soluciones personalizadas adaptadas a las exigencias de las nuevas tecnologías de baterías.

A medida que avance la investigación, se espera que la integración de materiales avanzados en las fibras electrospun permita aumentar aún más el rendimiento y allanar el camino hacia sistemas de almacenamiento de energía más eficientes y sostenibles.

Materiales electrospun en baterías: Una revolución en el almacenamiento de energía

El uso de materiales electrospun en baterías representa un avance revolucionario. Las propiedades únicas de las nanofibras electrospun, como su elevada superficie y porosidad, facilitan un transporte de iones más rápido y un mejor contacto electrodo-electrolito. El resultado son baterías con mejores prestaciones.

Cátodo electrospun para batería de litio-aire: Aplicaciones y ventajas

Una aplicación especialmente prometedora es el uso de un cátodo electrospun para baterías de litio-aire. Las baterías de litio-aire tienen el potencial de producir una densidad energética extremadamente alta, pero se enfrentan a retos relacionados con el rendimiento del cátodo.

Los cátodos electrospun pueden mejorar la eficiencia, la vida útil y la estabilidad general de la batería al proporcionar una estructura muy porosa e interconectada que facilita el transporte y la reacción del oxígeno.

Lithium-ion industrial high current batteries

Baterías industriales de ión-litio de alta corriente.

Ventajas de las membranas electrospun en el rendimiento de las baterías

Las membranas de nanofibras electrospun para baterías de iones de litio ofrecen varias ventajas clave:

  • Conductividad iónica mejorada: La estructura porosa de las membranas electrospun permite un transporte de iones más rápido, lo que se traduce en una mayor producción de energía.
  • Mayor retención de electrolitos: Las membranas electrospun pueden retener eficazmente el electrolito, garantizando un buen contacto iónico entre los electrodos.
  • Mayor superficie: La elevada superficie de los materiales electrospun anódicos y electrospun catódicos proporciona más sitios activos para las reacciones electroquímicas, mejorando la capacidad de almacenamiento de energía.
  • Mejores propiedades mecánicas: Las membranas electrospun pueden diseñarse con una buena resistencia mecánica y flexibilidad, lo que aumenta la durabilidad de la batería.
  • Morfología personalizable: El proceso de electrospinning permite controlar con precisión el tamaño de los poros de la membrana, el diámetro de las fibras y su composición, lo que posibilita soluciones a medida para requisitos específicos de las baterías. Los separadores de baterías de nanofibras electrohiladas también se benefician de ello.

Perspectivas futuras del electrospinning para el desarrollo de baterías

El futuro de la electrospinning en la tecnología de baterías parece prometedor, con investigaciones en curso centradas en:

  • Desarrollo de nuevos materiales electrospun para ánodos y cátodos: Exploración de nuevos materiales para mejorar el rendimiento de las baterías.
  • Optimización del proceso de electrospinning: Ajuste de los parámetros para lograr un mayor control de las propiedades de las membranas.
  • Creación de membranas multifuncionales: Combinación de diferentes funcionalidades en una sola membrana de electrospinning para mejorar el rendimiento global de la batería.
  • Aumento de la producción: Desarrollo de métodos rentables para la producción masiva de membranas electrospun.

Conclusión

Las membranas electrospun están llamadas a desempeñar un papel importante en el futuro de la tecnología de las baterías. Sus propiedades únicas y su versatilidad las convierten en una solución ideal para mejorar el rendimiento y la eficiencia de las baterías de nueva generación. El desarrollo del cátodo de electrospun para la batería de litio-aire es sólo un ejemplo de las apasionantes posibilidades que ofrece esta tecnología.

¿Interesado en aprovechar las membranas electrospun para aplicaciones de baterías de alto rendimiento? Póngase en contacto con nuestros expertos de Fluidnatek para explorar soluciones a medida. Obtenga más información sobre nuestra avanzada tecnología de electrospinning en nuestra página de aplicaciones.

Referencias

  1. Preparation of Electrospun Membranes and Their Use as Separators in Lithium Batteries. Batteries, 2023, 9(4), 201; DOI: 10.3390/batteries90402011.
  2. Electrospun Lithium Metal Oxide Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries. RSC Advances, 2013; DOI: 10.1039/c3ra45414b2.
  3. Electrospun Cellulose Nanofiber Membranes as Multifunctional Separators for High Energy and Stable Lithium-Sulfur Batteries. Energy Engineering and Power Technology, 2023; DOI: 10.1155/2023/15418583.
  4. Electrospun Nanofibers Enabled Advanced Lithium–Sulfur Batteries. Accounts of Materials Research, 2022; DOI: 10.1021/accountsmr.1c001984.
  5. Advances in Electrospun Materials and Methods for Li-Ion Batteries. Batteries, 2023; DOI: 10.3390/batteries90402015.
  6. Electrospun Nanofiber Electrodes for Lithium‐Ion Batteries. Macromolecular Rapid Communications, 2022; DOI: 10.1002/marc.2022007406.
  7. A Review of Electrospun Separators for Lithium‐Based Batteries. ChemElectroChem, 2022; DOI: 10.1002/cey2.5397
Novel materials

Protección contra interferencias electromagnéticas mediante fibras electrospun: Soluciones avanzadas de aislamiento

Posted on by Vicente Zaragozá
electromagnetic interference shielding
24
Abr

El aislamiento contra interferencias electromagnéticas (IEM) es cada vez más importante en la electrónica moderna para mantener un rendimiento óptimo de los dispositivos y evitar la degradación de la señal causada por radiaciones electromagnéticas indeseadas.

Entre las soluciones innovadoras disponibles, las fibras electrospun destacan como una tecnología prometedora debido a su estructura única y a su excepcional capacidad para mejorar el rendimiento de la protección contra las IEM. Este artículo analiza el papel de las fibras electrospun en la protección eficaz contra la EMI, sus ventajas y sus perspectivas de futuro.

Entender el blindaje contra Interferencias Electromagnéticas

El aislamiento frente a interferencias electromagnéticas (IEM) aborda los efectos perjudiciales de la radiación electromagnética emitida por los dispositivos electrónicos, que puede comprometer la integridad de la señal, la transmisión de datos y la funcionalidad del dispositivo.
Las IEM se producen en un amplio espectro de frecuencias, desde las ondas de baja frecuencia de las líneas eléctricas (50/60 Hz) hasta las señales de alta frecuencia de las redes 5G (ondas milimétricas superiores a 24 GHz).

Los mecanismos de apantallamiento eficaces se basan en tres principios fundamentales: reflexión (redirigir las ondas a través de superficies conductoras), absorción (disipar la energía a través de materiales magnéticos o dieléctricos) y reflexiones internas múltiples (atrapar las ondas dentro de estructuras porosas).

Las propiedades de los materiales, como la conductividad eléctrica (para la reflexión) y la permeabilidad magnética (para la absorción), determinan la eficacia del apantallamiento. Industrias como la aeroespacial (protección de la aviónica), la sanitaria (compatibilidad con IRM) y las telecomunicaciones (infraestructura 5G) dan prioridad al apantallamiento contra las IEM para cumplir normas reguladoras como la FCC Parte 15 y la IEC 61000.

Un blindaje eficaz contra interferencias electromagnéticas es esencial para minimizar estas interferencias, garantizando el correcto funcionamiento de los equipos electrónicos y evitando la degradación de la señal. A medida que los dispositivos se vuelven más sensibles y funcionan a frecuencias más altas, se requieren materiales y diseños avanzados para lograr una protección IEM óptima.

Non-woven fiber-based film of PEO Biodegradable polymer

Película no tejida a base de fibras de polímero biodegradable PEO Imagen SEM.

El papel de las fibras electrospun en el apantallamiento IEM

El electrospinning es un método versátil de producción de fibras que utiliza la fuerza eléctrica para dibujar hilos cargados de soluciones poliméricas o fundidos en fibras con diámetros en el rango de micrómetros y nanómetros. Estas fibras pueden diseñarse con materiales y arquitecturas a medida para mejorar su eficacia de blindaje frente a la IEM.

Materiales avanzados y diseño para el blindaje contra interferencias electromagnéticas

La eficacia del apantallamiento contra IEM depende en gran medida de los materiales utilizados. Las fibras electrospun pueden incorporar diversos materiales conductores, como metales, nanotubos de carbono y polímeros conductores, para mejorar sus propiedades de protección.

La elevada superficie y porosidad de las mallas de fibras electrospun contribuye además a su eficacia para bloquear la radiación electromagnética.
La posibilidad de ajustar el diámetro de las fibras y la porosidad de las mallas electrospun permite ajustar la gama de longitudes de onda que pueden protegerse.

Materiales para el blindaje contra interferencias electromagnéticas

Se han utilizado con éxito varios materiales en fibras electrospun para el blindaje contra la IEM. Entre ellos se incluyen:

  • Nanofibras de hierro: Estas nanofibras presentan excelentes propiedades magnéticas, lo que mejora su capacidad para atenuar las ondas electromagnéticas (Lee S K et al., 2009).
  • Nanofibras de aleación FeNi: Las aleaciones como FeNi ofrecen una combinación de propiedades magnéticas y conductoras, lo que las hace eficaces para el apantallamiento contra las IEM en toda una gama de frecuencias (Lee Y I, Choa Y H., 2012).
  • Nanofibras metalizadas: El recubrimiento de fibras electrospun con una fina capa de metal aumenta significativamente su conductividad y, en consecuencia, su eficacia de protección (Kim H R et al., 2012; Wei K et al., 2011).
  • Compuestos de PVDF/hexaferrita de bario: Estos compuestos combinan la flexibilidad del PVDF con las propiedades magnéticas de la hexaferrita de bario, lo que se traduce en una mayor protección frente a la IEM en bandas de frecuencia específicas (Salem M M et al., 2023).
  • Nanofibras de carbono con nanocristales de Ni: Este material compuesto proporciona una adaptación de impedancia optimizada, mejorando la absorción de microondas (Zhang D et al., 2024).
  • Fibras electrospun basadas en grafeno: Los materiales compuestos basados en grafeno han mostrado un rendimiento notable en el blindaje contra las IEM debido a su alta conductividad y beneficios estructurales.

Ventajas del uso de fibras electrospun para la protección contra interferencias electromagnéticas

Las fibras electrospun ofrecen varias ventajas para las aplicaciones de protección contra la IEM:

  • Ligereza: Las mallas de fibra electrospun son ligeras, lo que las hace adecuadas para aplicaciones sensibles al peso.
  • Flexibilidad: La flexibilidad de las fibras electrospun les permite integrarse fácilmente en diversas formas y tamaños de dispositivos, proporcionando materiales de blindaje frente a IEM adaptables.
  • Gran superficie: La alta superficie de la protección electromagnética basada en nanofibras mejora su interacción con las ondas electromagnéticas, mejorando el rendimiento del blindaje.
  • Personalizable: La composición y la estructura de las fibras electrospun pueden adaptarse para satisfacer requisitos específicos de protección ante IEM.

Perspectivas futuras de las tecnologías de apantallamiento contra IEM

El campo de la protección contra las interferencias electromagnéticas está en continua evolución, y la investigación actual se centra en el desarrollo de materiales y diseños avanzados. Las tendencias futuras incluyen:

  • Desarrollo de nuevos materiales compuestos: Combinación de distintos materiales para lograr efectos sinérgicos en el blindaje contra la IEM.
  • Optimización de los parámetros de electrospinning: Ajuste del proceso de electrospinning para producir fibras con mejores propiedades de protección.
  • Integración de fibras electrospun en dispositivos electrónicos portátiles: Creación de un blindaje flexible y eficaz contra la IEM para dispositivos portátiles.
  • Exploración de aleaciones magnéticas: Utilización de aleaciones magnéticas como FeCoNi para lograr la absorción de ondas electromagnéticas de baja frecuencia (Yang B et al., 2022).

Entre los avances más recientes cabe citar el electrospinning coaxial para estructuras core-shell y arquitecturas non-woven en 3D que combinan el apantallamiento con la gestión térmica. Estas fibras son especialmente valiosas para la electrónica flexible.

Conclusión

Las fibras electrospun representan un avance significativo en el blindaje contra interferencias electromagnéticas, ya que ofrecen una solución versátil y eficaz para una amplia gama de aplicaciones electrónicas.
A medida que avance la tecnología, seguirá creciendo la demanda de protección contra las interferencias electromagnéticas de alto rendimiento, por lo que las fibras electrospun serán un componente cada vez más importante para garantizar la compatibilidad electromagnética.

¿Interesado en implementar soluciones avanzadas de blindaje frente a IEM con fibras electrospun? Póngase en contacto con nuestros expertos de Fluidnatek para explorar soluciones a medida.

Referencias

  1. Graphene-Based Electrospun Fibrous Materials with Enhanced EMI Shielding. PMC9520699.
  2. Iron Oxide Quantum Dots and Graphene Nanoplatelets Integrated in Conductive Thin Films for Enhanced EMI Shielding. ACS Applied Nano Materials, 2025, 8(7), 3617–3630. DOI: 10.1021/acsanm.4c07086.
  3. Electrospun Nanofiber Based Structures for Electromagnetic Interference Shielding. AZoNano.
  4. A Comprehensive Study on EMI Shielding Performance of Carbon Nanomaterial-Embedded Composites. Materials, 2023, 14(23), 5224. DOI: 10.3390/ma14235224.
  5. Lightweight and Flexible Electrospun Polymer Nanofiber/Metal Nanoparticle Hybrid Membranes for EMI Shielding. npj Flexible Electronics, 2018. DOI: 10.1038/s41427-018-0070-1.
  6. Electromagnetic Interference Shielding with Electrospun Nanofiber Mats. Nanomaterials, 2020, 10(6), 47. DOI: 10.3390/nano10060447.
  7. Progress in Electrospun Polymer Composite Fibers for Microwave Absorption. ACS Applied Electronic Materials, 2021. DOI: 10.1021/acsaelm.1c00827.
  8. Electrospun Composite Nanofiber Membranes for Electromagnetic Interference Shielding. ACS Applied Nano Materials, 2023. DOI: 10.1021/acsanm.3c05572.
Biomedical

Estructuras Electrospun para el tratamiento y la reparación ósea: Un gran avance en ingeniería de tejidos óseos

Posted on by Vicente Zaragozá
Electrospun Scaffolds for Bone Tissue
31
Mar

Los dispositivos electrospun para la ingeniería del tejido óseo se han revelado como una solución innovadora para tratar y reparar defectos óseos. Este enfoque innovador combina la ciencia de los materiales avanzados con los principios de la bioingeniería para crear armazones que imitan la matriz extracelular (MEC) natural del tejido óseo, lo que favorece la regeneración y la cicatrización.

¿Qué es el electrospinning y cómo funciona?

El electrospinning es una técnica versátil que utiliza fuerzas eléctricas para producir fibras finas a partir de soluciones o fundidos poliméricos. El proceso consiste en aplicar un alto voltaje a una solución polimérica compuesta por un polímero y al menos un disolvente, que se transforma en fibras ultrafinas debido a la repulsión eléctrica a medida que se desplaza hacia un colector conectado a tierra. Este método permite controlar con precisión el diámetro, la orientación y la composición de las fibras, por lo que resulta ideal para crear estructuras que se asemejen mucho a la estructura del tejido óseo natural.

Aplicaciones de las fibras electrospun en la ingeniería del tejido óseo

Matrices electrospun para la ingeniería del tejido óseo

Los dispositivos electrospun proporcionan un entorno ideal para el crecimiento y la diferenciación de las células óseas. Estos andamiajes ofrecen una elevada relación superficie-área-volumen, porosidad y diversidad composicional, que son esenciales para imitar la matriz extracelular del hueso natural. Los últimos avances han abordado retos como la infiltración celular y la formación de tejidos tridimensionales mediante técnicas innovadoras como los colectores de matriz inclinada afilada con electrodos puntuales.

Nanoestructuras de bio-nanocompuestos electrospun para la ingeniería del tejido óseo

Los soportes de bio-nanocomposites combinan polímeros sintéticos o naturales con materiales inorgánicos bioactivos para mejorar la resistencia mecánica y la osteoconductividad. Por ejemplo, la incorporación de nanopartículas de hidroxiapatita en armazones de PVA/PVP mejora la adhesión celular y la deposición de calcio. Además, los materiales compuestos reforzados con circonio han demostrado una mayor resistencia a la compresión al tiempo que mantienen la citocompatibilidad.

Fibras de vidrio bioactivas submicrónicas electrohiladas para estructuras de tejido óseo

Las fibras de vidrio bioactivas han llamado la atención por su capacidad para unirse al hueso y estimular la angiogénesis. Estas fibras, compuestas de dióxido de silicio, óxido de calcio y pentóxido de fósforo, liberan iones cruciales para la formación ósea. Los estudios han demostrado que los compuestos de vidrio bioactivo-PCL presentan una actividad de la fosfatasa alcalina significativamente superior a la de los soportes que sólo contienen polímeros, lo que indica una mineralización acelerada.

Electrospun scaffolds preparation

Los dispositivos electrospun para la ingeniería del tejido óseo se han revelado como una solución innovadora para tratar y reparar defectos óseos. Este enfoque innovador combina la ciencia de los materiales avanzados con los principios de la bioingeniería para crear armazones que imitan la matriz extracelular (MEC) natural del tejido óseo, lo que favorece la regeneración y la cicatrización.

Ventajas del uso de fibras electrospun para reparar huesos

Las nanofibras electrospun para la regeneración ósea ofrecen varias ventajas sobre los métodos tradicionales de reparación ósea:

  1. Estructura biomimética: Las fibras electrospun imitan fielmente la matriz extracelular natural del tejido óseo, proporcionando un entorno ideal para el crecimiento y la diferenciación celular.
  2. Propiedades a medida: El proceso de electrospinning permite controlar con precisión el diámetro, la orientación y la composición de las fibras, lo que permite crear estructuras con propiedades mecánicas y biológicas optimizadas.
  3. Mayor adhesión y proliferación celular: La elevada relación superficie-volumen de los armazones electrospun favorece la adhesión y el crecimiento celular.
  4. Administración controlada de fármacos: Las fibras electrospun pueden cargarse con factores de crecimiento, antibióticos u otros agentes terapéuticos para su liberación sostenida, mejorando la regeneración ósea y reduciendo los riesgos de infección. Este enfoque ofrece varias ventajas:
    1. Liberación localizada: Los soportes pueden proporcionar una liberación localizada de fármacos directamente en el lugar del defecto óseo, maximizando la eficacia terapéutica.
    2. Perfiles de liberación sostenida: Seleccionando cuidadosamente las combinaciones de polímero-fármaco y las arquitecturas de las fibras, la cinética de liberación puede adaptarse al proceso de cicatrización, desde la inflamación inicial hasta la remodelación ósea a largo plazo.
    3. Liberación de múltiples fármacos: Se pueden incorporar diferentes fármacos en varias poblaciones de fibras o capas dentro del armazón, lo que permite la liberación secuencial o simultánea de múltiples agentes terapéuticos.
    4. Protección de biomoléculas sensibles: La estructura fibrosa puede proteger los factores de crecimiento y otros compuestos delicados de la degradación, preservando su bioactividad.
    5. Reducción de los efectos secundarios sistémicos: La liberación localizada y controlada minimiza la necesidad de altas dosis sistémicas de fármacos, disminuyendo potencialmente los efectos adversos.
    6. Control de infecciones: Los antibióticos pueden incorporarse para crear un entorno antimicrobiano, crucial para prevenir infecciones postoperatorias en procedimientos de reparación ósea.
    7. Efectos sinérgicos: La combinación de la arquitectura del armazón y la administración de fármacos puede actuar de forma sinérgica para promover la infiltración celular, la vascularización y, en última instancia, la regeneración ósea.
  5. Tasas de degradación personalizables: Mediante la selección de materiales adecuados y parámetros de procesamiento de reparación, la tasa de degradación de los armazones electrospun puede adaptarse para que coincida con la tasa de formación de hueso nuevo.

Perspectivas de futuro en la regeneración del tejido óseo

El futuro de los soportes electrospun para la ingeniería del tejido óseo parece prometedor, con varias tendencias emergentes:

  1. Electrospinning multifluido: Las técnicas avanzadas, como los sistemas coaxiales y triaxiales, permiten crear arquitecturas de fibras en capas con agentes bioactivos controlados espacialmente.
  2. Estructuras dinámicas 4D: Se están desarrollando fibras sensibles a la temperatura y al pH que pueden adaptar el tamaño de sus poros tras el implante para acomodar el crecimiento tisular.
  3. Fabricación basada en inteligencia artificial: Se están empleando algoritmos de aprendizaje automático para optimizar los parámetros del proceso y predecir la morfología y el rendimiento mecánico de las estructuras.
  4. Integración con otras tecnologías: La combinación del electrospinning con la impresión 3D, la electrosoldadura por fusión, electrospraying y la microfluídica está abriendo nuevas posibilidades para crear andamiajes complejos y multifuncionales.

La combinación del electrospinning y la impresión 3D o electrospinning por fusión aprovecha los puntos fuertes de ambas técnicas:

  1. Mayor complejidad estructural: la impresión 3D proporciona un control preciso de la macroestructura, mientras que el electrospinning añade capas de nanofibras que imitan la matriz extracelular.
  2. Mejores propiedades mecánicas: La integración da como resultado armazones con una resistencia mecánica adecuada gracias a las estructuras impresas en 3D y una alta porosidad gracias a las fibras electrospun.
  3. Arquitecturas jerárquicas: Este enfoque permite crear estructuras con características multiescala, desde rangos nanométricos hasta milimétricos.
  4. Métodos de fabricación:
    • Electrospinning directo sobre estructuras impresas en 3D
    • Capas alternas de materiales impresos en 3D y electrospun
    • Uso de nanofibras electrospun como componente de tintas de impresión 3D

Conclusión

A medida que avanza la investigación en este campo, los soportes electrospun para la ingeniería del tejido óseo están a punto de revolucionar el tratamiento y la reparación ósea, ofreciendo soluciones personalizadas para defectos óseos complejos y salvando las distancias entre la investigación de laboratorio y la aplicación clínica.

Para saber más sobre los últimos avances en nanofibras electrohiladas para la regeneración ósea, consulte esta completa revisión de ACS Biomaterials Science & Engineering.

¿Le interesa saber cómo la tecnología de electrospinning puede hacer avanzar la ingeniería del tejido óseo? Póngase en contacto con nosotros para explorar soluciones a medida.

Referencias

  1. Bhardwaj, N., & Kundu, S. C. (2010). Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique. Biotechnology Advances, 28(3), 325-347.
  2. Khajavi, R., Abbasipour, M., & Bahador, A. (2016). Electrospun biodegradable nanofibers scaffolds for bone tissue engineering. Journal of Applied Polymer Science, 133(3), 42883.
  3. Langer, R., & Vacanti, J. P. (1993). Tissue engineering. Science, 260(5110), 920-926.
  4. Li, W. J., Laurencin, C. T., Caterson, E. J., Tuan, R. S., & Ko, F. K. (2002). Electrospun nanofibrous structure: A novel scaffold for tissue engineering. Journal of Biomedical Materials Research, 60(4), 613-621.
  5. Pham, Q. P., Sharma, U., & Mikos, A. G. (2006). Electrospinning of polymeric nanofibers for tissue engineering applications: A review. Tissue Engineering, 12(5), 1197-1211.
  6. Sill, T. J., & von Recum, H. A. (2008). Electrospinning: Applications in drug delivery and tissue engineering. Biomaterials, 29(13), 1989-2006.
  7. Teo, W. E., & Ramakrishna, S. (2006). A review on electrospinning design and nanofibre assemblies. Nanotechnology, 17(14), R89-R106.
  8. Zafar, M., Najeeb, S., Khurshid, Z., Vazirzadeh, M., Zohaib, S., Najeeb, B., & Sefat, F. (2016). Potential of electrospun nanofibers for biomedical and dental applications. Materials, 9(2), 73.
Energía, Energía

Técnicas de electrospinning para la generación y el almacenamiento de energía

Posted on by Vicente Zaragozá
electrospinning-energy-generation-storage
07
Mar

El electrospinning es ampliamente conocida por su papel en la producción de nanofibras, pero también tiene potencial para la generación de energía. Este artículo explora la contribución de la electrospinning a las aplicaciones energéticas.

Nanogeneradores y captación de energía

Una de las aplicaciones más prometedoras del electrospinning en el sector energético es el desarrollo de nanogeneradores. Estos dispositivos aprovechan la energía mecánica y la convierten en energía eléctrica, lo que los hace útiles para alimentar pequeños dispositivos electrónicos y tecnología vestible.

Los nanogeneradores se basan en nanofibras electrohiladas para mejorar su capacidad de captación de energía. Estas fibras mejoran la superficie y las propiedades mecánicas del generador, haciendo más eficiente la conversión de energía.

Algunos de los tipos más comunes de nanogeneradores son:

  • Nanogeneradores piezoeléctricos (PENG): Convierten la tensión mecánica en energía eléctrica.
  • Nanogeneradores triboeléctricos (TENG): Utilizan la electrificación por contacto para generar energía.

Los recientes avances en las técnicas de electrospinning han mejorado notablemente la producción de nanofibras y sus aplicaciones en diversos campos. La ingeniería de cristales se ha revelado como un método prometedor para crear híbridos de LiMPO4/nanofibras de carbono con cristales orientados, mejorando las capacidades de almacenamiento y transferencia de litio en aplicaciones de baterías. Esta técnica permite fabricar electrodos de alto rendimiento sin aglutinantes poliméricos, lo que mejora la retención de capacidad y las velocidades de descarga.

Estos tipos de nanogeneradores dependen de nanofibras de alta calidad, que sólo pueden producirse utilizando una fuente de alimentación de electrospinning estable y fiable.

Scanning Electron Micrographs (SEMs)

Micrografías electrónicas de barrido (SEM) de diferentes estructuras de nanofibras.

Pilas de combustible y aplicaciones de las baterías

Las nanofibras electrohiladas también se utilizan para mejorar los dispositivos de almacenamiento de energía, como las baterías y las pilas de combustible. Estas fibras aumentan la superficie de los electrodos, mejoran la conductividad y la eficiencia del transporte de iones, lo que se traduce en un mejor rendimiento general.

Los recientes avances en las técnicas de electrospinning han permitido fabricar electrodos de alto rendimiento sin aglutinantes poliméricos, mejorando la retención de la capacidad y las velocidades de descarga.

Una innovación notable en este campo es el desarrollo de películas compuestas de gradiente continuo (GCF) mediante técnicas de ajuste dinámico de la concentración combinadas con el electrospinning. Estas películas presentan una distribución gradiente de nanopartículas dentro de la matriz de fibra de carbono, mejorando significativamente la conductividad electrónica y el rendimiento electroquímico. Este enfoque es especialmente prometedor para el desarrollo de cátodos en pilas acuosas de iones de zinc, ya que mejora la eficiencia y la estabilidad.

Otros avances en la tecnología de electrospinning de campo cercano también han contribuido a la deposición precisa de fibras en aplicaciones de almacenamiento de energía. Al reducir la distancia de hilatura y el voltaje, la electrohilatura de campo cercano permite un control de alta precisión del chorro, lo que posibilita la deposición exacta de fibras curadas. Cuando se integra con una plataforma de movimiento preciso, esta técnica facilita la formación de fibras alineadas con topologías prediseñadas, lo que abre nuevas posibilidades para optimizar las arquitecturas de los electrodos y mejorar el rendimiento de las baterías.

Experimental procedures and configurations

Procedimientos y configuraciones experimentales. (A) Síntesis de nanocristales de marco de imidazolato zeolítico (ZIF)-8 y fabricación de esteras nanofibrosas de ZIF/poliacrilonitrilo (PAN) electrohiladas. (B) Dispositivo nanogenerador triboeléctrico de separación por contacto (TENG) que utiliza la estera nanofibrosa de ZIF/PAN como material triboeléctrico electropositivo. (C) Representación esquemática del dispositivo TENG rotativo propuesto que funciona en modo rodante [Tabassian et al., 2024].

Optimización del electrospinning para aplicaciones energéticas

Para obtener los mejores resultados en aplicaciones de electrospinning relacionadas con la energía, los investigadores deben optimizar cuidadosamente los parámetros del proceso. Algunos factores clave son:

1. Selección del polímero

Elegir el polímero adecuado es esencial para maximizar las propiedades electroactivas de las nanofibras utilizadas en dispositivos energéticos. Las opciones más populares son:

  • Fluoruro de polivinilideno (PVDF) para aplicaciones piezoeléctricas
  • Polianilina (PANI) para la producción de fibras conductoras

Además, la mezcla de diferentes polímeros o la incorporación de nanomateriales como nanotubos de carbono o grafeno puede mejorar significativamente las propiedades eléctricas y mecánicas. Esto permite aplicaciones más eficientes de captación y almacenamiento de energía, ampliando aún más el potencial de las fibras electrospun en soluciones energéticas sostenibles.

2. Viscosidad de la solución

La concentración y la viscosidad de la solución polimérica afectan al diámetro y la uniformidad de las fibras. Conseguir el equilibrio adecuado garantiza el mejor rendimiento en los dispositivos energéticos. Las soluciones de alta viscosidad tienden a formar fibras más gruesas, mientras que las de baja viscosidad pueden producir perlas en lugar de fibras continuas. Los investigadores suelen experimentar con distintas composiciones de disolventes para optimizar la viscosidad y garantizar una producción de fibras sin defectos. La elección del disolvente también influye en la velocidad de secado y en la morfología general de la fibra, por lo que es un factor crítico en el proceso de electrospinning.

3. Collector Type

Utilizar un tambor giratorio o un sustrato conductor como colector de fibras puede ayudar a alinear las nanofibras para aplicaciones energéticas específicas, mejorando su eficacia en dispositivos como baterías y nanogeneradores. Además, el ajuste de la velocidad y la forma del colector puede influir en la alineación y la densidad de las fibras. Los últimos avances en la tecnología de electrohilado han permitido desarrollar colectores con patrones que mejoran aún más la organización de las fibras, lo que se traduce en una mejora del transporte de carga en aplicaciones de almacenamiento de energía. Alinear correctamente las nanofibras puede aumentar la conductividad y la eficiencia energética, haciéndolas más viables para aplicaciones industriales.

Los avances en la tecnología de colectores han ampliado la gama de posibles estructuras y morfologías de las nanofibras. Los innovadores diseños de los colectores permiten ahora producir láminas no tejidas sin defectos, estructuras tubulares, hilos continuos y revestimientos finos sobre diversos sustratos. Estos avances permiten a investigadores y fabricantes adaptar la microestructura de una muestra a los requisitos específicos de su aplicación, lo que aumenta aún más la versatilidad de los materiales electrospun.

Rotating drum collector.

Colector de tambor giratorio.

Importancia de una fuente de alimentación fiable para electrospinning

Para garantizar la uniformidad y consistencia de las nanofibras electrospun, es fundamental disponer de una fuente de alimentación estable para el electrospinning. Hay que tener en cuenta varios factores a la hora de seleccionar una fuente de alimentación para el electrospinning:

1. Estabilidad del voltaje

Las fluctuaciones de tensión pueden provocar incoherencias en la morfología de las fibras, lo que afecta a sus propiedades eléctricas y mecánicas. Una fuente de alimentación de alta precisión para el electrospinning garantiza una producción uniforme de fibras.

2. Rango de voltaje ajustable

Diferentes polímeros y aplicaciones requieren diferentes ajustes de voltaje. Una fuente de alimentación de electrospinning ajustable permite a los investigadores ajustar el proceso para una formación óptima de las fibras.

3. Elementos de seguridad

Dado que el electrospinning implica altos voltajes, elegir una fuente de alimentación con mecanismos de seguridad incorporados, como límites de corriente y protección contra sobrecargas, es crucial para las aplicaciones industriales y de laboratorio.

Perspectivas de futuro en electrospinning y la captación de energía

El uso de la electrospinning en aplicaciones energéticas es un apasionante campo de investigación con potencial para revolucionar la captación y el almacenamiento de energía.

A medida que avance la investigación, es probable que la electrospinning desempeñe un papel aún más importante en las aplicaciones relacionadas con la energía. Los avances en la química de polímeros y la optimización de procesos conducirán a soluciones energéticas más eficientes y escalables.

Las fibras electrohiladas están transformando el almacenamiento de energía y la generación de electricidad gracias a sus avanzadas capacidades. En Fluidnatek, ofrecemos tecnología de electrospinning de última generación para aplicaciones de próxima generación. Descubra cómo nuestras soluciones innovadoras pueden mejorar su suministro de energía: ¡póngase en contacto con nosotros hoy mismo!

Autor
Wee-Eong TEO

Referencias:

Electrospinning Technology and Its Energy Applications

Adachi M, Murata Y, Takao J, Jiu J, Sakamoto M, Wang F. Highly efficient dye-sensitized solar cells with a titania thin-film electrode composed of a network structure of single-crystal-like TiO2 nanowires made by the «oriented attachment» mechanism. J Am Chem Soc 2004; 126: 14943.

Al-Dhubhani E, Tedesco M, Vos W M, Saakes M. Combined Electrospinning-Electrospraying for High-Performance Bipolar Membranes with Incorporated MCM-41 as Water Dissociation Catalysts. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023; 15: 45745.

Al-Enizi A M, Karim A, Yousef A. A novel method for fabrication of electrospun cadmium sulfide nanoparticles-decorated zinc oxide nanofibers as effective photocatalyst for water photosplitting. Alexandria Engineering Journal 2023; 65: 825.

Hamadanian M, Jabbari V. Improved conversion efficiency in dye-sensitized solar cells based on electrospun TiCl4-treated TiO2 Nanorod electrodes. International Journal of Green Energy 2014; 11: 364.

Shafii C. Energy Harvesting Using PVDF Piezoelectric Nanofabric. MSc Thesis. University of Toronto 2014

Filtracion

El poder del Electrospinning en Filtración

Posted on by Vicente Zaragozá
The Power of Electrospun Nanofibers in filtration
24
Feb

La tecnología de electrospinning se ha revelado como una solución revolucionaria en el campo de la filtración, ofreciendo enfoques innovadores para purificar el aire, el agua y los gases. Entre sus avances, el desarrollo de membranas de filtración de nanofibras obtenidas por electrospinning ha mejorado notablemente la eficacia de la filtración al ofrecer una porosidad superior y una superficie elevada. Este artículo explora los últimos avances de la tecnología de electrospinning y su impacto transformador en diversos sistemas de filtración.

La versatilidad de las nanofibras en filtración

El electrospinning, una técnica versátil para producir fibras ultrafinas, ha revolucionado el panorama de la ciencia de los materiales, especialmente en aplicaciones de filtración. El uso de fibras en filtración ha suscitado un gran interés por su mayor eficacia. Entre estos avances, las nanofibras electrospun para aplicaciones de filtración de aire destacan como una solución prometedora, ya que ofrecen un rendimiento superior en la captura de partículas suspendidas en el aire.
Al aprovechar las fuerzas electrostáticas, este proceso crea nanofibras con propiedades excepcionales, lo que las hace ideales para una amplia gama de necesidades de filtración.

Principales ventajas de las nanofibras

Las características únicas de las nanofibras obtenidas por electrospinning las hacen excepcionalmente adecuadas para diversas aplicaciones de filtración:

Tamaño de fibra controlable

El ajuste del tamaño de las fibras es una consideración crítica en las aplicaciones de filtración. Las fibras más pequeñas, normalmente de unos cientos de nanómetros, son especialmente importantes porque ofrecen una mayor eficacia de filtración. Su reducido tamaño les permite capturar partículas y contaminantes más finos, mejorando el rendimiento global del sistema de filtración. Esta capacidad de producir fibras ultrafinas es uno de los puntos fuertes del electrospinning.

Tamaño de poro controlable

El electrospinning permite ajustar con precisión el tamaño de los poros, lo que posibilita la creación de filtros adaptados a requisitos de filtración específicos.

Superficie elevada

La mayor superficie de las nanofibras mejora su capacidad para capturar partículas y contaminantes.

Estructura ligera

Nanofiber-based filters are significantly lighter than traditional filtration materials, reducing energy consumption in filtration systems.

Nano fibers and nano particles in different sizes.

Nanofibras y nanopartículas de diferentes tamaños.

Aplicaciones en todos los ámbitos de la filtración

Las nanofibras han revolucionado la tecnología de filtración en diversos ámbitos gracias a sus propiedades únicas, como su elevada relación superficie-volumen, el tamaño controlable de las fibras y los poros y su estructura ligera. Aunque la filtración de aire, agua y gas son aplicaciones destacadas, estas nanofibras también se han utilizado en:

Filtración de gases

En la purificación del aire, la membrana de filtración con nanofibras demuestra una notable eficacia en la captura de partículas, incluidas las PM2,5 y PM10. Estos filtros están transformando los sistemas de limpieza del aire tanto residenciales como industriales.

Electrospun nanofibers for air filtration applications

Un caso de éxito relacionado con la filtración de aire son las mascarillas comercializadas por PROVEIL® y fabricadas con nuestro equipo Fluidnatek. Estas mascarillas incorporan un filtro de nanofibras que proporciona una filtración mecánica y no electrostática. Esto significa que son más seguras, ofrecen una mejor transpirabilidad y no se deterioran con el paso del tiempo. Las nanofibras electrohiladas para aplicaciones de filtración de aire desempeñan un papel crucial en estas mascarillas, ya que mejoran su eficacia de filtración y su fiabilidad. Las mascarillas Proveil, que utilizan nanofibras electrospun, alcanzan un grado de filtración FFP2, lo que garantiza que proporcionan una protección eficaz al filtrar al menos el 94% de las partículas suspendidas en el aire, de tamaño igual o superior a 0,3 micras. PROVEIL nace como solución para la pandemia de 2019 con las primeras mascarillas de nanofibras y filtro virucida del mercado. Son las únicas mascarillas desarrolladas con tecnología del CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas).

Cuentan con un filtro de nanofibras que filtra mecánicamente, no electrostáticamente. Esto significa que es más segura, respira mejor y no se deteriora con el tiempo. Incorporan un componente viricida que inactiva el COVID en menos de 2H.

Proveil Mask with a nanofiber filter.

Mascarilla con filtro de nanofibras.

Purificación del agua

Las nanofibras sobresalen en aplicaciones de tratamiento del agua al eliminar eficazmente los contaminantes y garantizar el suministro de agua limpia. Entre sus diversas aplicaciones, las fibras para filtración de agua destacan por su capacidad para mejorar la eficacia de la filtración. Las nanofibras para filtrar agua son especialmente apreciadas por su elevada superficie y porosidad, que las hacen perfectas en la captura de partículas finas y contaminantes, mejorando en última instancia la calidad general del agua tratada.

Filtración de gases

El uso de nanofibras electrospun en la filtración de gases es eficaz para atrapar diversos contaminantes gaseosos. Por ejemplo, la investigación destaca el potencial de una membrana de filtración nanofibrosa electrospun para capturar CO2, por ejemplo en aplicaciones como los sistemas de carbonatación de bebidas.

Separación de agua y aceite

Las membranas de nanofibras electrohiladas han demostrado ser prometedoras para la separación de agua y aceite. Estas membranas pueden diseñarse con propiedades superficiales específicas para permitir selectivamente el paso del agua y repeler el aceite, o viceversa.

Separación de iones metálicos

El uso de fibras electrospun en filtración ha suscitado gran interés debido a su eficacia en diversas aplicaciones. Las nanofibras electrospun funcionalizadas pueden capturar y eliminar selectivamente iones metálicos de las soluciones, lo que resulta especialmente útil en el tratamiento de aguas residuales y la recuperación de metales valiosos.

Electrospun nanofiber membranes

Las membranas de nanofibras han demostrado ser prometedoras en la separación de agua/aceite, la separación de iones metálicos y la separación de sales.

Separación de sales/Desalinización

Se están estudiando membranas de nanofibras electrohiladas para procesos de desalinización. Su diseño puede separar eficazmente la sal del agua, ofreciendo una alternativa prometedora a los métodos tradicionales.

Desalination plant.

Planta desalinizadora.

Filtración antimicrobiana

Las nanofibras que contienen agentes antimicrobianos o funcionalizadas con propiedades antimicrobianas inherentes son eficaces para crear filtros que no sólo capturan, sino que también neutralizan los microorganismos nocivos.

Filtration efficiency

Eficacia de filtración de medios filtrantes que contienen diferentes pesos areales de NF frente al tamaño de las partículas cuando se prueban de acuerdo con diferentes normas internacionales: (A) ASTM F3502 y (B) ASTM F2299.

Filtración catalítica

Las membranas de filtración basadas en nanofibras que incorporan materiales catalíticos facilitan las reacciones químicas para descomponer o transformar las sustancias nocivas, lo que las convierte en filtros de doble uso con una eficacia mejorada.

Filtración biológica

Las nanofibras también se están desarrollando para aplicaciones biológicas, como la filtración de sangre o la separación de biomoléculas. El uso de fibras en la filtración biológica demuestra su versatilidad, ampliando sus capacidades más allá de los sistemas de filtración tradicionales.

Filtration mechanisms associated with electrospun nanofibre filters.

Mecanismos de filtración asociados a los filtros de nanofibras.

Estas aplicaciones muestran la versatilidad de las nanofibras en la tecnología de filtración, que va mucho más allá de la filtración tradicional de aire, agua y gas. La capacidad de adaptar las propiedades de las nanofibras e incorporar diversos materiales funcionales abre un amplio abanico de posibilidades para afrontar complejos retos de filtración en múltiples sectores.

Tecnologías avanzadas de filtración

Nanofibras multiestructuradas

Uno de los avances más prometedores es la creación de nanofibras electrohiladas multiestructuradas. La creación de nanofibras electrospun multiestructuradas -combinando diferentes morfologías y composiciones de fibras- ofrece un rendimiento de filtración superior en diversos medios.

Nanofibras funcionalizadas

La funcionalización con grupos químicos específicos o nanopartículas mejora la capacidad de las nanofibras para capturar y neutralizar contaminantes nocivos, como compuestos orgánicos volátiles (COV) y patógenos.

Triboelectrification-based particulate matter

Captura de partículas mediante triboelectrificación utilizando etilcelulosa electrospun y esferas de PTFE.

Soluciones de filtración sostenibles

A medida que aumenta la preocupación por el medio ambiente, los investigadores se centran en el desarrollo de materiales de nanofibras sostenibles. Se están estudiando polímeros de origen biológico y materiales reciclados como alternativas a los polímeros sintéticos tradicionales con el fin de reducir el impacto ambiental de los sistemas de filtración.

Perspectivas y retos futuros de las nanofibras en filtración

Aunque las nanofibras han demostrado un inmenso potencial en diversas aplicaciones de filtración, quedan por delante varios retos y oportunidades:

Ecalado de la producción

Aumentar la producción para satisfacer la demanda industrial sigue siendo uno de los principales retos. Los investigadores están trabajando en técnicas de electrospinning de alto rendimiento para resolver este problema.

Durabilidad y longevidad

Mejorar la resistencia mecánica y la longevidad de los filtros de nanofibras es crucial para su viabilidad a largo plazo. Los avances en el diseño de materiales y los métodos de fabricación son fundamentales para superar este reto.

Sistemas de filtración inteligentes

La integración de nanofibras con tecnologías inteligentes presenta posibilidades apasionantes. En el horizonte se vislumbran innovaciones como filtros autolimpiables y sistemas de filtración adaptativos que responden a los cambios ambientales.

Conclusión

Las nanofibras representan un importante avance en la tecnología de filtración. Sus propiedades únicas y su versatilidad ofrecen soluciones a muchos de los retos a los que se enfrentan los métodos de filtración tradicionales. A medida que avanza la investigación, podemos anticipar aplicaciones innovadoras y mejoras en la eficacia de la filtración en diversos sectores. La inversión continua en ciencia de materiales y nanotecnología será decisiva para liberar todo el potencial de estas fibras ultrafinas, allanando el camino hacia soluciones de filtración más sostenibles y eficientes.

Referencias:

  1. Xue, J., et al. (2017). Electrospun Nanofibers: New Concepts, Materials, and Applications. Accounts of Chemical Research, 50(8), 1976-1987.
  2. Wang, X., et al. (2019). Electrospun Nanofibrous Membranes for Air Filtration: A Review. Fibers and Polymers, 20(12), 2468-2487.
  3. Lu, P., et al. (2021). Multistructured Electrospun Nanofibers for Air Filtration: A Review. Nanomaterials, 11(6), 1501.
  4. Zhang, S., et al. (2019). Electrospun nanofibers for air filtration. In Electrospun Nanofibers (pp. 365-389). Woodhead Publishing.
  5. Liu, C., et al. (2017). Transparent air filter for high-efficiency PM2.5 capture. Nature Communications, 8(1), 1-9.
  6. Persano, L., et al. (2013). Industrial upscaling of electrospinning and applications of polymer nanofibers: A review. Macromolecular Materials and Engineering, 298(5), 504-520.
Biomedical

Estructuras celulares: La revolución de la ingeniería biomédica para la regeneración de tejidos

Posted on by Vicente Zaragozá
Cell-Seeded Scaffolds
17
Feb

Durante décadas, los investigadores en ingeniería biomédica se han esforzado por desvelar los secretos de la ingeniería tisular y la regeneración de tejidos. El objetivo último: reparar o sustituir tejidos y órganos dañados, ofreciendo esperanza a millones de personas que sufren lesiones y enfermedades. Uno de los enfoques más prometedores en este campo consiste en la creación de matrices sembradas de células, estructuras que imitan el entorno natural de las células y guían su crecimiento y desarrollo.

Cell-Seeded Scaffolds

La belleza de las matrices celulares

Imagina una estructura tridimensional diminuta, meticulosamente diseñada para favorecer el crecimiento de tejido nuevo. Eso es básicamente un soporte de cultivo celular. Estos andamiajes proporcionan soporte estructural para que las células se adhieran, proliferen y diferencien, formando finalmente tejido funcional. La belleza de este método radica en su potencial para crear implantes biocompatibles personalizados que se integran perfectamente en el organismo.

Pero, ¿cómo se fabrican estas estructuras y por qué son tan eficaces? La respuesta está en una combinación de ciencia de materiales avanzada, biología celular y técnicas de fabricación innovadoras.

Electrospinning: Una tecnología clave para la fabricación de estructuras

Entre los diversos métodos utilizados para crear tejidos moldeados, el electrospinning destaca como una técnica versátil y potente. Este proceso utiliza un campo eléctrico para estirar hilos cargados de soluciones poliméricas, creando nanofibras que forman una estructura tridimensional porosa. Los objetos resultantes se asemejan mucho a la matriz extracelular (MEC), el entorno natural que rodea a las células del organismo.

Ventajas del electrospinning en la ingeniería de tejidos

Las ventajas del electrospinning para la ingeniería biomédica de tejidos son numerosas:

  • Arquitectura regulable: El electrospinning permite un control preciso del diámetro, la porosidad y la alineación de las fibras, lo que posibilita la creación de matrices adaptadas a tipos de tejidos específicos.

  • Materiales versátiles: Se puede electrohilar una amplia gama de polímeros, tanto naturales como sintéticos, lo que permite seleccionar materiales con propiedades específicas como biodegradabilidad, biocompatibilidad y resistencia mecánica.

  • Escalabilidad: El proceso de electrospinning puede ampliarse para la producción en masa, lo que lo convierte en una opción viable para aplicaciones clínicas.

Electrospinning de colágeno: Una elección natural

El colágeno, la proteína más abundante en el cuerpo humano, es una elección popular para las estructuras de electrospinning. Su biocompatibilidad inherente, su biodegradabilidad y su capacidad para favorecer la adhesión celular lo convierten en un material ideal para aplicaciones de ingeniería tisular. Por ello, las técnicas de sembrado celular por electrospinning de colágeno son objeto de un amplio estudio.

Aplicaciones de las estructuras de colágeno

Las matrices de colágeno pueden utilizarse para regenerar y reparar diferentes tejidos:

  • Piel: Las estructuras de colágeno pueden favorecer la cicatrización de heridas y reducir las cicatrices.
  • Hueso: Pueden guiar la formación de nuevo tejido óseo para la reparación de fracturas y la regeneración ósea.
  • Cartílago: Pueden favorecer el crecimiento de condrocitos (células formadoras de cartílago) para tratar la artrosis y otros defectos del cartílago.
  • Vasos sanguíneos: Los soportes de colágeno pueden utilizarse para crear injertos vasculares para cirugía de bypass y otras aplicaciones cardiovasculares.

Bioelectrospinning: Sembrado de células durante la formación de estructuras

Mientras que los métodos tradicionales consisten en sembrar células en andamiajes prefabricados, un enfoque más avanzado -conocido como siembra celular por bioelectrospinning- integra las células directamente en el proceso de electrospinning. Esta técnica consiste en suspender las células en la solución polimérica y electrospinning simultáneamente el polímero mientras encapsula las células dentro de las fibras.

Ventajas del bioelectrospinning

Los beneficios del bioelectrospinning son significativos:

  • Mayor viabilidad celular: El encapsulamiento de las células dentro de las fibras las protege de las duras condiciones durante el electrospinning, mejorando su tasa de supervivencia.
  • Distribución celular uniforme: El bioelectrospinning garantiza una distribución homogénea de las células por toda la estructura, lo que favorece la formación uniforme de tejido.
  • Mejora de las interacciones célula-matriz: La encapsulación directa permite un contacto íntimo entre las células y el material del soporte, mejorando la adhesión, la proliferación y la diferenciación.
Characterization of the 3DPCL-GelMA Scaffold

Caracterización de la estructura 3DPCL-GelMA. (a) Imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) que muestra la sección transversal de las fibras de policaprolactona (PCL) electrospun fundidas, dispuestas en una red porosa. La barra de escala representa 30 µm. (b) Imagen SEM de un soporte de PCL-GelMA (PG) impreso en 3D y compuesto por 50 capas apiladas, en la que destaca su microestructura organizada. La barra de escala representa 200 µm. (e) Un andamio 3DPCL-GelMA con células co-cultivadas, ilustrando la fijación y distribución celular dentro de la estructura de la matriz. (f) Una matriz 3DPCL-GelMA después de retirar el componente de hidrogel, revelando la arquitectura fibrosa restante. Referencia: Kong et al., 2024.

Técnicas avanzadas de electrospinning

Los investigadores desarrollan continuamente nuevas técnicas de electrospinning para mejorar aún más las propiedades de las estructuras. Algunos enfoques avanzados son:

Electrospinning coaxial

Esta técnica utiliza dos agujas concéntricas para crear fibras con núcleo. Permite encapsular células o factores de crecimiento dentro de la estructura de la fibra central para su liberación controlada o su administración dirigida.

Escritura de electrospinning fundido (MEW)

MEW ofrece un control preciso sobre la deposición de polímero fundido. Esto permite crear estrcuturas tridimensionales altamente definidas con arquitectura y propiedades mecánicas controladas.

Combinación de electrospinning con electrospraying

Combinando el electrospinning con el electrospraying se obtienen formas 3D que incorporan células madre directamente en su estructura. Esta técnica mejora la integración celular dentro de los soportes.

Impresión 3D híbrida y electrospinning

Este método combina la impresión 3D con electrospinning para fabricar estructuras tisulares complejas, como parches vasculares o estructuras similares a órganos.

Estas técnicas avanzadas ofrecen un control sin precedentes sobre las propiedades de los soportes y el comportamiento celular, allanando el camino para terapias más eficaces en la regeneración tisular mediante ingeniería biomédica.

histological cross-sections of scaffolds seeded with cells

Ilustración de cortes transversales histológicos de estructuras sembradas con células después de diferentes periodos de cultivo: (A) Después de 1 día, mostrando la adhesión y distribución celular inicial (aumento: ×200). (B) A los 15 días, se observa una mayor proliferación celular e integración en el soporte (aumento: ×100). Barras de escala: 50 µm. [Braghirolli et al., 2015].

Aplicaciones y retos futuros

Aunque las matrices sembradas de células son muy prometedoras para la ingeniería tisular, aún quedan varios retos por superar:

  • Escalabilidad: Aumentar la producción manteniendo la calidad es fundamental para la traslación clínica.
  • Vascularización: La ingeniería de vasos sanguíneos funcionales dentro de los soportes es esencial para el suministro de nutrientes.
  • Respuesta inmunitaria: Minimizar las reacciones inmunitarias es vital para el éxito a largo plazo.

Futuros objetivos de investigación

Los futuros esfuerzos de investigación se centrarán en:

  • Desarrollar biomateriales con biocompatibilidad mejorada.
  • Incorporar moléculas bioactivas, como factores de crecimiento, a los soportes.
  • Diseñar arquitecturas de matrices más sofisticadas que imiten los tejidos nativos.
  • Promover estrategias de vascularización minimizando las respuestas inmunitarias.

Conclusión

Las matrices sembradas de células representan un avance revolucionario en ingeniería biomédica. Al combinar tecnologías innovadoras como la siembra celular por electrospinning de colágeno con técnicas de fabricación avanzadas como el bioelectrospinning o el electrospinning coaxial, los investigadores están ampliando las posibilidades de la medicina regenerativa. Con la innovación continua, estas tecnologías podrían revolucionar los tratamientos de lesiones y enfermedades, acercándonos a un futuro en el que los implantes de tejidos personalizados sean fácilmente accesibles.

References:

Author: Wee-Eong TEO

  1. Ang H Y, Irvine S A, Avrahami R, Sarig U, Bronshtein T, Zussman E, Boey F Y C, Machluf M, Venkatraman. Characterization of a bioactive fiber scaffold with entrapped HUVECs in coaxial electrospun core-shell fiber. Biomatter 2014; 4: e28238. Ver
  2. Braghirolli D I, Zamboni F, Acasigua G A X, Pranke P. Association of electrospinning with electrospraying: a strategy to produce 3D scaffolds with incorporated stem cells for use in tissue engineering. International Journal of Nanomedicine 2015; 10: 5159.
  3. Erben J, Jirkovec R, Kalous T, Klicova M, Chvojka J. The Combination of Hydrogels with 3D Fibrous Scaffolds Based on Electrospinning and Meltblown Technology. Bioengineering. 2022; 9(11):660.
  4. Kong X, Zhu D, Hu Y, Liu C, Zhang Y, Wu Y, Tan J, Luo Y, Chen J, Xu T, Zhu L. Melt electrowriting (MEW)-PCL composite Three-Dimensional exosome hydrogel scaffold for wound healing. Materials & Design 2024; 238: 112717.
  5. Lee H, Kim G H. Enhanced cellular activities of polycaprolactone/alginate-based cell-laden hierarchical scaffolds for hard tissue engineering applications. Journal of Colloid and Interface Science 2014; 430: 315.
Biomedical

De la Ciencia a la Clínica: Implantes Electrospun en la Recuperación de Nervios Periféricos

Posted on by Vicente Zaragozá
Implantes Electrospun en la Recuperación de Nervios Periféricos
19
Dic

El papel de los biomateriales en el tratamiento de lesiones de nervios periféricos

La lesión de nervios periféricos (PNI, por sus siglas en inglés) sigue siendo un desafío médico significativo debido a su lento proceso de recuperación y resultados clínicos complejos. Cuando un nervio se daña, la denervación prolongada puede provocar atrofia muscular y una reducción en la actividad de las células de Schwann, ambas críticas para la regeneración axonal. Pero afortunadamente, han surgido enfoques innovadores, como el uso de implantes hechos de biomateriales, que se presentan como soluciones prometedoras para acelerar la recuperación de los nervios.

Aunque medicamentos como el ibuprofeno han mostrado potencial para promover la regeneración nerviosa gracias a sus propiedades antiinflamatorias, la administración sistémica a menudo provoca efectos secundarios no deseados. Para evitar esto, el electrospinning ha ganado terreno en el campo biomédico como método para administrar medicamentos directamente en la lesión mediante estructuras de soporte (scaffolds) basadas en polímeros. Recientemente, la Facultad de Farmacia de la University College London publicó un estudio en el que el equipo desarrolló materiales mediante electrospinning cargados con ibuprofeno, adecuados para la implantación quirúrgica en lesiones de nervios periféricos. Y para ello emplearon un equipo Fluidnatek LE-50 G2.

¿Qué es el electrospinning y por qué es ideal para la recuperación nerviosa?

El electrospinning es una técnica versátil que transforma soluciones poliméricas en fibras finas de escala nano- a micro- aplicando un campo eléctrico de alto voltaje. Estas fibras se recogen en mallas que imitan la matriz extracelular de los tejidos, lo que las convierte en candidatas ideales para aplicaciones biomédicas, especialmente en la reparación de nervios.

Las ventajas de los materiales electrospun incluyen:

  1. Personalización: Se pueden ajustar propiedades físicas como la resistencia mecánica y las tasas de liberación de medicamentos.
  2. Biocompatibilidad: Polímeros sintéticos como el policaprolactona (PCL) y el ácido poliláctico (PLA) son ampliamente utilizados debido a su compatibilidad con sistemas biológicos.
  3. Liberación sostenida de medicamentos: Las fibras electrospun pueden encapsular medicamentos como el ibuprofeno, garantizando una liberación controlada y prolongada en el lugar de destino.

Para lesiones de nervios periféricos, las envolturas o implantes electrospun cargados con agentes terapéuticos mejoran significativamente el proceso de curación al proporcionar un tratamiento localizado, minimizando los efectos secundarios.

Electrospinning y administración de ibuprofeno para la recuperación nerviosa

Los avances recientes han demostrado el desarrollo exitoso de biomateriales electrospun cargados con ibuprofeno para lesiones de nervios periféricos. El ibuprofeno, un fármaco antiinflamatorio no esteroideo (AINE) ampliamente utilizado, mejora la regeneración nerviosa al inhibir las respuestas inflamatorias y promover el crecimiento de neuritas.

En este estudio innovador, los investigadores optimizaron el uso de envolturas nerviosas electrospun fabricadas con PCL, PLA y sus copolímeros. Los hallazgos subrayan el potencial de estos implantes basados en polímeros:

  • Propiedades optimizadas de las fibras: Se ajustaron los parámetros de electrospinning para producir fibras lisas y sin defectos, con diámetros variables. La incorporación de ibuprofeno en estas fibras permitió una liberación controlada y sostenida durante 21 días.
  • Manejo quirúrgico: Las evaluaciones de los usuarios destacaron la importancia de las propiedades mecánicas, siendo las mezclas PLA/PCL (70/30) las que demostraron mayor flexibilidad y resistencia, haciéndolas ideales para aplicaciones de envoltura nerviosa.
  • Rendimiento in vivo: En modelos animales, los materiales electrohilados cargados con ibuprofeno aceleraron la regeneración nerviosa. El recuento de axones en los nervios tratados fue significativamente mayor en comparación con los controles, confirmando el efecto terapéutico de la administración localizada de ibuprofeno.
electrospun material implantation procedure in a rat sciatic nerve crush model.

Fotografías que muestran las etapas del procedimiento de implantación de material electrohilado en un modelo de aplastamiento del nervio ciático.

Selección de polímeros para electrospinning en implantes biomédicos

El éxito de los biomateriales electrospun depende en gran medida de la elección de los polímeros. Para las lesiones de nervios periféricos, los polímeros deben exhibir biocompatibilidad, biodegradabilidad y estabilidad mecánica. Los siguientes polímeros se emplean comúnmente:

  1. Ácido poliláctico (PLA): Conocido por su lenta tasa de degradación, el PLA proporciona una estructura robusta pero puede ser frágil.
  2. Policaprolactona (PCL): Ofrece excelente flexibilidad y resistencia, ideal para implantes que requieren maleabilidad.
  3. Copolímeros PLA/PCL: Al combinar las fortalezas del PLA y el PCL, estos copolímeros logran el equilibrio deseado entre estabilidad mecánica y facilidad de manejo.

En el caso de implantes electrospun cargados con ibuprofeno, el PLA/PCL (70/30) se identificó como la formulación más adecuada debido a su manejo quirúrgico superior y perfil de liberación sostenida de medicamentos.

Summary of formulation properties

Resumen de las propiedades de la formulación. Las micrografías electrónicas de barrido (A) revelan fibras cilíndricas sin defectos visibles. Un histograma de diámetros de fibras (B) muestra una distribución unimodal para todas las formulaciones probadas. Los datos de liberación acumulativa de ibuprofeno (C) presentan una liberación inicial en estallido seguida de un período de liberación sostenida durante 21 días (Cada formulación fue probada por triplicado y los resultados se presentan como media ± SEM (n = 3)).

El futuro de los biomateriales electrospun en la reparación nerviosa

A medida que avanza la investigación en el campo biomédico, el electrospinning sigue demostrando un inmenso potencial para mejorar los resultados en lesiones nerviosas. Estas son las áreas clave de desarrollo futuro que se desprenden del estudio:

  • Fabricación a escala: Garantizar que los materiales electrospun puedan ser producidos en masa para uso clínico.
  • Carga avanzada de medicamentos: Incorporar múltiples agentes terapéuticos para efectos sinérgicos en la regeneración nerviosa.
  • Ensayos clínicos: Traducir los resultados prometedores obtenidos en estudios in vivo a aplicaciones humanas para validar la eficacia y seguridad de los biomateriales electrospun.

Conclusión

El uso de electrospinning en el campo biomédico ha revolucionado el desarrollo de implantes cargados con medicamentos para el tratamiento de lesiones en nervios periféricos. Aprovechando polímeros como el PLA y el PCL, los investigadores han creado biomateriales capaces de proporcionar un tratamiento sostenido y localizado, acelerando la regeneración nerviosa y la recuperación funcional.

Las fibras con ibuprofeno representan un avance significativo en las estrategias de recuperación nerviosa, ofreciendo una solución dirigida, eficaz y mínimamente invasiva. A medida que el sector sigue evolucionando, estos biomateriales innovadores tienen el potencial de transformar el tratamiento de las lesiones en nervios periféricos y mejorar los resultados para los pacientes.

Referencias

Karolina Dziemidowicz, Simon C. Kellaway, Owein Guillemot-Legris, Omar Matar, Rita Pereira Trindade, Victoria H. Roberton, Melissa L.D. Rayner, Gareth R. Williams, James B. Phillips,

Development of ibuprofen-loaded electrospun materials suitable for surgical implantation in peripheral nerve injury,

Biomaterials Advances,

Volume 154, 2023, 213623,

ISSN 2772-9508,

*Todas las imágenes de este artículo son propiedad de sus autores.

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