Tecniche di fabbricazione Scaffold

ELETTROSPINNING

L’elettrospinning è una tecnica che consiste nella produzione di fibre polimeriche

grazie all’utilizzo di una forza elettrostatica. L’aspetto veramente interessante e che lo

differenzia dalle altre tecniche è il fatto che la dimensione delle fibre che possiamo

ottenere variano in un range piuttosto ampio, in particolare possiamo ottenere fibre

che vanno dall’ordine dei micron fino alle dimensioni del nanometro. Essenzialmente la

tecnica consiste nel far viaggiare una soluzione polimerica all’interno di un campo

elettrico. Sotto l’effetto di questo campo elettrico, la soluzione polimerica viene

elongata e questo processo di elongazione si traduce nella formazione del filamento. Il

filamento, quindi, viaggia all’interno di questo campo elettrico prima di raggiungere

collettore

quello che si chiama , che è la regione di deposizione delle fibre ottenute su

cui vengono osservate i filamenti. La soluzione polimerica è allo stato liquido, ed è

possibile portarla allo stato liquidi utilizzando ad esempio opportuni solventi organici.

Illustriamo più nel dettaglio la tecnica: la soluzione polimerica è contenuta in un tubo

di vetro, in genere una pipetta che va a formare una specie di siringa. Questa

soluzione polimerica viene spinta alla punta della siringa attraverso l’utilizzo di una

pompa; è importante lavorare a controllo di pressione perché la quota di getto

polimerico che viene immesso nel campo elettrico è determinante per il

funzionamento della tecnica stessa. Quindi questa pompa attaccata al pistone della

siringa genera una pressione costante in modo tale che una quota di questa soluzione

polimerica sia alla punta del tubo capillare (la pressione deve essere controllata per

evitare che la soluzione polimerica inizi a gocciolare). Dopodiché la soluzione viene

caricata elettricamente connettendo l’elettrodo ad un generatore di alta tensione. Il

collettore è un collettore la cui geometria può essere diversificata e inoltre può essere

statico o capace di muoversi. DI solito il collettore è movibile e può essere messo in

rotazione. Se la pressione applicata dalla pompa è opportunamente definita

all’estremità della punta del capillare si sviluppa questa gocciolina che rimane stabile.

Quindi la finalità è di introdurre un campo elettrico che vince la tensione superficiale

che si sviluppa sulla goccia di soluzione polimerica all’estremità del capillare. Questa

forza elettrica comporta che il getto comincia a muoversi all’interno della regione in

cui esiste questo campo elettrico. Anche il campo elettrico va opportunamente

controllato, in particolare è fondamentale che il campo elettrico sia superiore al valore

di tensione superficiale, ma in tutti i casi non va aumentato in maniera eccessiva.

Gli elementi base dell’elettrospinning sono i seguenti:

- Abbiamo il sistema di alimentazione della soluzione polimerica che banalmente

è una pompa collegata ad una siringa

- Poi abbiamo un campo elettrico che induce la formazione di cariche all’interno

del fluido

- Infine, abbiamo il collettore che ha la banale funzione di raccogliere le fibre

VARIANTI DI PROCESSO

È importante ricordare che il materiale polimerico ovviamente deve passare allo stato

fluido e questo può essere fatto lavorando o con soluzioni polimeriche o grazie ai

polimeri termoplastici. Un altro aspetto importante è legato al getto: esso può

avvenire da un capillare con ago (getto singolo) o da un capillare senza ago (getti

multipli). Come ultima variante di processo abbiamo il collettore che come già detto

può essere statico o dinamico. Nel caso in cui sia statico abbiamo fibre orientate in

maniera casuale, nel caso in cui sia dinamico abbiamo un cilindro.

VANTAGGI E SVANTAGGI VARIANTI DI PROCESSO

Soluzioni polimeriche/polimeri termoplastici : sicuramente un vantaggio

importante delle soluzioni polimeriche è che ci permette di ottenere fibre con un

diametro molto piccolo; inoltre, il set up è sicuramente più semplice e poi c’è la

possibilità di scegliere numerosi polimeri; il problema invece è sempre lo stesso,

ovvero l’utilizzo dei solventi organici. Per quanto riguarda i polimeri termoplastici un

vantaggio è sicuramente poter passare allo stato fluido banalmente innalzando la

temperatura ed essendo tenuti da polimeri termoplastici la soluzione polimerica

presenta una viscosità più facilmente controllabile. Il problema ovviamente sta nel

fatto che presentano un set up molto più complesso.

Getto: se il getto è ottenuto da capillare con ago il processo di evaporazione del

solvente è un processo ridotto e quindi evapora più velocemente tuttavia produce una

deposizione non uniforme ed inoltre abbiamo una bassa resa. Se invece il getto è

ottenuto da capillari senz’ago la superficie è più ampia ma il processo di

evaporizzazione è più complicato.

Collettore : nel caso di collettore statico il vantaggio è che è facilmente

implementabile ma il problema sta nel posizionamento delle fibre mentre il collettore

dinamico permette un giusto posizionamento delle fibre ma presenta un set up più

complesso.

Fasi elettrospinning prima fase

La formazione del filamento è legata a quattro fasi. La è quella che

riguarda la generazione del cono di Taylor e l’emissione del getto. Il cono di Taylor è la

fase due

struttura che vediamo all’estremità del capillare. Dopodiché c’è una che si

identifica come fase lineare perché il viaggio del getto segue una traiettoria lineare.

fase tre

Poi c’è una , che è la fase in cui si realizza il moto whipping e quello che

accade è che il getto incomincia ad avere un movimento che si definisce di whipping;

in poche parole, si formano queste traiettorie elicoidali. Infine, l’ultima fase, è quella

conosciuta come Nanofiber collection che consiste appunto nel raccoglimento delle

fibre.

È importante ricordare che, quando un piccolo volume di liquido elettricamente

conduttivo è esposto ad un campo elettrico, esso acquista una forma stabile grazie

all’equilibrio che si è formato tra le tensioni superficiali del liquido e le forze elettriche.

Ciò che succede è che, quando il potenziale aumenta fino a raggiungere il potenziale

critico, l’equilibrio si rompe e il liquido assume una forma conica con un angolo di 49.3

cono di Taylor.

gradi, conosciuto come Il valore minimo da superare affinché la

funzione polimerica viaggi all’interno del campo elettrico si può ricavare dalla

VOLTAGGIO CRITICO

seguente relazione:

All’interno di questa relazione ci sono numerosi parametri. Sicuramente il campo

elettrico è direttamente proporzionale a gamma, che rappresenta la tensione

superficiale e che dipende strettamente dalla soluzione polimerica. Poi abbiamo altri

parametri, che sono quelli dimensionali. In particolar modo H è la distanza tra la

punta della siringa e il collettore, L è la lunghezza della punta della siringa ed R il

diametro della siringa. Ovviamente il voltaggio dipende dalla distanza.

Vantaggi

Quindi gli aspetti positivi di questa tecnica sono sicuramente: diametro molto piccolo,

elevata porosità del tessuto, elevato rapporto superficie-volume, possibilità di

allineamento delle fibre, e nel caso in cui non si lavori con polimeri termoplastici

possiamo pensare anche di incapsulare biomolecole sensibili all’interno delle fibre (ad

esempio fattori di crescita).

PARAMETRI DI PROCESSO [elettrospinning]

I parametri di processo sono il potenziale elettrico, velocità e concentrazione del

flusso, parametri ambientali e la distanza tra il capillare e lo schermo collettore.

Vediamo in che termini i parametri di processo possono condizionare il risultato del

capillare-collettore

processo di elettrospinning. Per quanto riguarda la distanza è

facilmente intuibile che nel momento in cui aumentiamo questa distanza, quello che

riduciamo è il diametro del filamento. Questo in primis perché l’intensità della forza

che è responsabile dell’elongazione della soluzione polimerica è maggiore, ma anche

perché il getto polimerico viaggia all’interno del campo elettrico per più tempo. Un

problema da tenere sotto controllo è quello dovuto alla formazione di strutture

beads

globulari che prendono il nome di . Questo fenomeno può essere legato alla

rottura del getto durante il viaggio all’interno del campo elettrico e conseguentemente

alla deposizione di una quota del materiale con la formazione di queste strutture

globulari. È importante sottolineare che queste sono strutture che non si vogliono

avere. Le cause che possono generare la formazione delle beads sono sicuramente la

viscosità della soluzione, la densità di carica netta della soluzione e la tensione

superficiale della soluzione polimerica. Un altro parametro da controllare è la

concentrazione, infatti l’aumento della concentrazione del polimero si traduce in un

aumento della dimensione del diametro delle fibre. Questo perché aumentare la

concentrazione del polimero, significa ridurre la quota all’interno della soluzione di

solvente. Aumentare la concentrazione del polimero, vuol dire anche aumentare la

viscosità della soluzione. Se si abbassa notevolmente la concentrazione è possibile

potenziale elettrico,

riscontrare la presenza di beads. Per quanto riguarda il aumentare

il potenziale elettrico vuol dire ridurre la dimensione del filamento stesso.

PHASE SEPARATION

Quando parliamo di phase separation intendiamo un mix di tecnologie differenti. Ci

stiamo riferendo ai diagrammi di fase delle soluzioni polimeriche; quindi, ancora una

volta abbiamo la necessità di richiamare alcuni principi di termodinamica; infatti,

sfruttiamo la miscibilità delle soluzioni per la formazione di strutture porose. L’idea è la

seguente: la phase separation si basa sul fatto che la formazione di queste matrici

porose può essere ottenuta partendo da una soluzione omogenea solvente-polimero,

inducendo all’interno di questa soluzione una smiscelazione attraverso un’instabilità

termodinamica, che può essere introdotta o chimicamente o fisicamente. Il gas

foaming è a tutti gli effetti una tecnologia di phase separation perché si basa sul fatto

che nella prima fase portiamo il gas nella zona super critica che ne garantisce una sua

solubilizzazione all’interno del polimero (aumentando temperatura e pressione); dopo

di che, creiamo l’instabilità termodinami