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Sensores para medir el nivel de glucosa mediante nanofibras electrohiladas

Posted on by Vicente Zaragozá
Glucose sensor
09
Ene

Introducción: La necesidad de innovación en los sensores de glucosa electrohilados

La diabetes es uno de los retos sanitarios mundiales que más rápido está creciendo. Según la Federación Internacional de Diabetes, más de 540 millones de adultos viven actualmente con diabetes en todo el mundo, una cifra que se prevé que aumente hasta los 783 millones en 2045. El control eficaz de esta enfermedad crónica depende en gran medida de la monitorización continua de la glucosa (MCG), pero las tecnologías convencionales, como los análisis con pinchazos en los dedos, las tiras reactivas o los dispositivos implantables, siguen teniendo limitaciones en cuanto a invasividad, coste, precisión y estabilidad a largo plazo.

Esta necesidad no cubierta ha acelerado la investigación de biosensores de glucosa innovadores capaces de realizar una detección no invasiva, en tiempo real y altamente fiable. Entre los enfoques más prometedores se encuentra el sensor de glucosa que utiliza nanofibras electrohiladas, que combina las ventajas de la nanotecnología, la ciencia de los materiales y la biomedicina para mejorar la sensibilidad, el tiempo de respuesta y la comodidad del usuario.

Las nanofibras electrohiladas, con su alta relación superficie-volumen y sus propiedades ajustables, están revolucionando el diseño de los biosensores. Permiten una inmovilización eficiente de las enzimas, una rápida difusión de los analitos y una integración perfecta en sistemas portátiles o implantables, lo que las posiciona como la piedra angular de las tecnologías de gestión de la diabetes de próxima generación.

Nanofibras electrohiladas para la detección de glucosa

El electrospinning es una técnica versátil y escalable que produce nanofibras con diámetros que van desde unos pocos nanómetros hasta varios micrómetros. Estas fibras pueden diseñarse para que presenten una alta porosidad, flexibilidad mecánica y funcionalidad química, lo que las convierte en un excelente sustrato para la biodetección.

Las principales ventajas de las nanofibras electrohiladas en los biosensores de glucosa son:

  • Gran superficie, lo que permite una inmovilización densa de las enzimas y una mayor intensidad de la señal.
  • Estructura porosa, lo que permite una rápida difusión de la glucosa para obtener tiempos de respuesta más rápidos.
  • Versatilidad de los materiales, compatibles con polímeros, cerámicas, metales y nanocompuestos.
  • Facilidad de uso: esteras delgadas y flexibles que pueden integrarse en textiles, parches cutáneos o dispositivos microfluídicos.

Aprovechando estas propiedades, los investigadores han desarrollado biosensores de glucosa basados en nanofibras con un rendimiento superior en comparación con los sensores de película plana o de material a granel.

Nanofibras funcionalizadas con enzimas para biosensores

La detección enzimática de la glucosa sigue siendo el mecanismo más ampliamente adoptado, normalmente utilizando glucosa oxidasa (GOx). La inmovilización de enzimas en nanofibras electrohiladas mejora la estabilidad y la actividad del sensor. Las estrategias más comunes incluyen:

  • Adsorción física: sencilla, pero propensa a la lixiviación de enzimas.
  • Enlace covalente: inmovilización más fuerte, lo que garantiza la estabilidad a largo plazo.
  • Encapsulación en fibras de núcleo-cubierta: protección de la actividad enzimática contra la desnaturalización.

Las nanofibras suelen modificarse con materiales conductores como polianilina, grafeno, nanotubos de carbono o nanopartículas metálicas (plata, óxido de cobre, platino). Estos aditivos mejoran la transferencia de electrones, reducen los límites de detección y aumentan la selectividad.

Esta sinergia —la inmovilización de enzimas en fibras electrohiladas combinada con nanomateriales conductores— ha permitido crear sensores de glucosa robustos, reproducibles y miniaturizados.

Estrategias de fabricación y arquitectura de sensores

El rendimiento de un sensor de glucosa electrohilado depende no solo de los materiales, sino también de las estrategias de fabricación y la arquitectura del dispositivo. El electrospinning permite una personalización flexible de la morfología y la composición de las nanofibras para adaptarse a las necesidades de la biosensórica.

Los enfoques clave incluyen:

  • Electrospinning mixto: los polímeros y los ingredientes funcionales (por ejemplo, GOx, nanopartículas) se disuelven en la solución de hilado, lo que garantiza una distribución uniforme.
  • Electrosipinning por emulsión: permite la encapsulación de compuestos lipofílicos utilizando polímeros hidrofílicos de bajo coste y evita el uso de disolventes orgánicos.
  • Electrosipinning coaxial: genera nanofibras de núcleo-cubierta, en las que las biomoléculas sensibles, como las enzimas, se encapsulan en el núcleo, protegidas de la desnaturalización.
  • Ensamblaje capa por capa: apilamiento de esteras de nanofibras con electrodos o películas conductoras para crear biosensores híbridos.

En la arquitectura de los sensores, las esteras de nanofibras suelen integrarse con electrodos flexibles (carbono, oro, óxido de indio y estaño). Esto crea dispositivos conformables que se adhieren cómodamente a la piel o a los tejidos, al tiempo que mantienen un rendimiento eléctrico robusto.

El electrospraying, una técnica electrohidrodinámica complementaria, también se utiliza para la deposición precisa de enzimas, anticuerpos o nanopartículas en esteras de nanofibras, lo que ofrece una mayor reproducibilidad en la fabricación de biosensores.

Rendimiento del sensor y mecanismos de detección

Los sensores basados en nanofibras electrohiladas muestran notables mejoras en todas las métricas esenciales de los biosensores:

Métricas de rendimiento de los sensores de glucosa de nanofibras

  • Sensibilidad: la alta carga enzimática y la transferencia eficiente de electrones aumentan la respuesta de la señal.
  • Selectividad: el ajuste de la química de la superficie minimiza la interferencia de moléculas como el ácido ascórbico o el ácido úrico.
  • Tiempo de respuesta: las nanofibras porosas facilitan la rápida difusión del analito para obtener lecturas casi instantáneas.
  • Estabilidad: las nanofibras entrecruzadas o encapsuladas protegen las enzimas inmovilizadas de la degradación, lo que prolonga la vida útil del sensor.

Los sensores enzimáticos (basados en GOx) suelen basarse en la detección del peróxido de hidrógeno generado durante la oxidación de la glucosa, mientras que los sensores de glucosa electrohilados no enzimáticos utilizan nanofibras metálicas (fabricadas via una técnica de electrohilado mixto y posteriores procesos de tratamiento térmico) o compuestos para catalizar directamente la oxidación de la glucosa, lo que ofrece una mayor estabilidad sin depender de la actividad enzimática.

Estudios recientes han informado de límites de detección en el rango micromolar bajo (μM), una amplia linealidad en concentraciones fisiológicas de glucosa (2-20 mM) y una estabilidad operativa a largo plazo bajo monitorización continua.

Del laboratorio al dispositivo portátil: el futuro de la monitorización de la glucosa

Las nanofibras electrohiladas están impulsando la innovación desde los prototipos de laboratorio hacia los biosensores de glucosa portátiles del mundo real.

Las tendencias clave incluyen:

  • Biosensores basados en textiles: esteras electrohiladas integradas en tejidos o parches para una monitorización discreta y no invasiva a través del sudor.
  • Pieles electrónicas: compuestos transparentes y flexibles de nanofibras y electrodos que se adhieren directamente a la piel para un control continuo e inalámbrico.
  • Chips microfluídicos: acoplamiento de nanofibras con microcanales para el análisis multiplexado de biomarcadores.
  • Sensores basados en lágrimas y saliva: lentes de contacto y dispositivos orales que aprovechan las nanofibras electrohiladas para biofluidos alternativos.

Estas innovaciones están transformando la monitorización de la glucosa al hacer hincapié en la comodidad, la portabilidad y el cumplimiento por parte del usuario, factores clave para la adopción por parte de los pacientes en su vida cotidiana.

Aplicaciones en el mundo real y tendencias futuras

Los sensores de glucosa electrohilados se están abriendo camino en múltiples ámbitos biomédicos y sanitarios:

  • Diagnósticos en el punto de atención: pruebas de glucosa rápidas y de bajo coste en clínicas o farmacias.
  • Dispositivos sanitarios portátiles: monitorización continua integrada en relojes inteligentes, parches cutáneos o textiles inteligentes.
  • Biosensores implantables: sistemas basados en nanofibras diseñados para la detección estable y a largo plazo de la glucosa in vivo.
  • Telemedicina e IoT: datos de glucosa en tiempo real transmitidos de forma inalámbrica para el análisis predictivo mediante IA.

Las futuras tendencias:

  • Detección no invasiva de glucosa mediante nanofibras en el sudor, las lágrimas y el líquido intersticial.
  • Biosensores multiplexados para detectar glucosa junto con lactato, cortisol o cuerpos cetónicos.
  • Plataformas ecológicas: nanofibras biodegradables que reducen los residuos médicos.
  • Escalabilidad de la producción en masa: avances en los sistemas de electrospinning que hacen viable la fabricación industrial.

Enlaces internos (ejemplo):

  • Nanofibras electrohiladas en medicina.
  • Biosensores portátiles: aplicaciones de las nanofibras.

Referencias externas: Journal of Biomedical Nanotechnology, Biosensors and Bioelectronics, Sensors (MDPI), Nature Biomedical Engineering.

Cómo Fluidnatek posibilita el desarrollo de biosensores

La transición desde la prueba de concepto a escala de laboratorio hasta los sensores de glucosa comerciales y escalables requiere alta precisión, reproducibilidad y solidez industrial. Aquí es donde destacan los sistemas de electrospinning y electrospraying de Fluidnatek.

Las principales ventajas para los desarrolladores de biosensores incluyen:

  • Control avanzado del proceso: ajuste preciso del voltaje, el caudal, la humedad y la temperatura para obtener una morfología de nanofibras reproducible.
  • Capacidad multimaterial: electrospinning y electrospraying simultáneos para arquitecturas híbridas (por ejemplo, inmovilización de enzimas + nanopartículas conductoras).
  • Escalabilidad: sistemas diseñados desde I+D hasta líneas piloto y producción industrial lista para GMP.
  • Flexibilidad de integración: compatibilidad con polímeros de grado médico, nanomateriales biocompatibles y sustratos flexibles.
  • Equipos listos para salas blancas: esenciales para el desarrollo de dispositivos biomédicos que cumplan con la normativa.

Al asociarse con Fluidnatek, los investigadores y fabricantes pueden acelerar el desarrollo de biosensores de glucosa basados en nanofibras, desde la validación del concepto hasta la implementación industrial, garantizando tanto la excelencia científica como la viabilidad comercial.

Conclusión

Los sensores de glucosa que utilizan nanofibras electrohiladas están redefiniendo el futuro del control de la diabetes. Con una sensibilidad, estabilidad y comodidad sin igual, ofrecen una vía hacia soluciones de control de la glucosa no invasivas, en tiempo real y cómodas para el paciente. Los avances en electrospinning y electrospraying están permitiendo la creación de biosensores fiables que se integran perfectamente en la vida cotidiana, lo que ofrece una nueva esperanza a millones de personas que viven con diabetes.

¿Desea desarrollar sensores de glucosa avanzados que utilicen nanofibras?
Los sistemas de electrospinning de Fluidnatek proporcionan soluciones precisas, escalables y reproducibles para biosensores de última generación en aplicaciones médicas y wearables. Tanto si trabaja con nanofibras funcionalizadas con enzimas, dispositivos wearables no invasivos o plataformas implantables, Fluidnatek le permite salvar la brecha entre la investigación y la comercialización.

Referencias

  1. Du Y, Zhang X, Liu P, Yu DG, Ge R. Electrospun nanofiber-based glucose sensors for glucose detection. Frontiers in Chemistry. 2022;10:944428.
  2. Advanced biosensors based on various electrospun nanofiber materials. ScienceDirect. 2024.
  3. Multifunctional Conductive Nanofibers for Self‐Powered Glucose Detection. Advanced Science. 2024.
  4. Electrospun biosensors for biomarker detection. ScienceDirect. 2024.
  5. Electrospun nanofibers and their application as sensors for healthcare. Frontiers in Bioengineering & Biotechnology. 2025.
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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.
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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.

News, Tecnología

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

Posted on by Vicente Zaragozá
PAN scalability optimized
24
Oct

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

Fluidnatek-electrospinning-equipo
Enviromental Control Unit de Fluidnatek

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

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

 

  • Polímeros
  • Disolventes
  • Ingredientes activos
  • Propiedades de la fibra y Morfología
  • Escalabilidad
  • Seguridad

 

POLÍMEROS

Polímeros sensibles a la temperatura y la humedad relativa:

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

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

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

Electrospun microfibers
Electrospun sub microfibers

Foto 1a

Foto 1b

Foto 1. Fibras electrospun desarrolladas en condiciones estrictas con la tecnología de la Unidad de Control Ambiental (ECU) de Fluidnatek: a) microfibras de PCL a 24°C/40% HR, b) submicrofibras de PLA a 25°C/30% HR. Imágenes: Nanoscience Instruments.

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

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

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

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

Electrospun collagen fibers
Electrospun gelatin fibers

Foto 2a

Foto 2b

Foto 2. Fibras naturales electrohiladas producidas en condiciones ambientales definidas. Fibras naturales electrospun producidas en condiciones ambientales definidas. a) Fibras de colágeno a 22°C y 63% HR, b) Fibras de gelatina a 25°C y 35% HR, ambas disueltas en HFIP. Imágenes: Nanoscience Instruments.

CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU

Disolventes

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

Disolventes Volátiles:

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

Foto 3

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

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

Electrospun fibers and electrosprayed particles 1
Electrospun fibers and electrosprayed particles 2
Electrospun fibers and electrosprayed particles 3

Foto 4a

Foto 4b

Foto 4c

Foto 4. Fibras electrospun y partículas electrospray producidas a partir de disolventes altamente volátiles en condiciones ambientales estrictas a) PCL en DCM a 25°C, 40% HR, b) PLA en DCM a 25°C, 50% HR y c) PCL en MA a 22°C, 60% HR. Imágenes: Nanoscience Instruments.

Disolventes no volátiles (baja velocidad de evaporación):

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

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

Electrospun synthetic polymers dissolved in water
Electrospun synthetic polymers dissolved in dmf
Electrospun synthetic polymers dissolved in Thermoplastic polyurethane

Foto 5a

Foto 5b

Foto 5c

Foto 5. Polímeros sintéticos electrospun disueltos en disolventes de baja presión de vapor en condiciones ambientales estrictas utilizando la Unidad de Control Ambiental Fluidnatek: a) PEO en agua a 28°C, 40% HR, b) PAN en DMF a 25°C, 40% HR, c) Poliuretano termoplástico (TPU) en DMAc a 24°C, 43% HR. Imágenes: Nanoscience Instruments.

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

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

CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU

Principios activos

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

CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU

Propiedades de las fibras y morfología de los materiales Electrospun

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

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

Gelatin fibers 70RH
Gelatin fibers 35RH

Foto 6a

Foto 6b

Foto 6c

Foto 6. Fibras de gelatina producidas a diferentes niveles de humedad relativa. a) 25°C, 70% HR y b) 25°C, 35% HR. Las fibras producidas a niveles altos de HR muestran estructuras rebordeadas, mientras que las fibras generadas a niveles más bajos de humedad son fibras lisas, redondas y alargadas. Imágenes: Nanoscience Instruments.

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

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

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

CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU

Escalabilidad

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

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

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

PAN scalability defects
Electrospinning environmental control

Foto 7a

Foto 7b

Foto 7. Efecto de la temperatura y la humedad relativa en la escalabilidad de las PAN:: a) ejemplos claros de defectos de apilamiento y apilamiento cruzado presentes. a) temperatura y humedad relativa optimizadas y flujo de aire sin defectos. Imágenes: Nanoscience Instruments.

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

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

 

Agujas Velocidad de flujoCondiciones medioambientalesResultado
6030 mL/h25°C, 35% RH, air flow of 90 m3/hProceso estable
12060 mL/h25°C, 35% RH, air flow de 90 m3/hDefectos de apilado y apilado cruzado
12060 mL/h40°C, 18% RH, air flow de 120 m3/hProceso estable
120120 mL/h40°C, 18% RH, air flow de 120 m3/hRendimiento estable y aumentado

 

CONTROL MEDIOAMBIENTAL EN ELECTROSPINNING CON FLUIDNATEK ECU

Seguridad

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

Sistema de escape con regulación activa

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

Atmósfera inerte

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

CONCLUSIONES

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

Fluidnatek ECU de 2ª Generación

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

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

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