PROCESADO DE MATRICES POLIMÉRICAS MEDIANTE

PROCESADO DE MATRICES POLIMÉRICAS MEDIANTE

 PROCESADO DE MATRICES POLIMÉRICAS MEDIANTE ELECTROHILADO Carlos Jiménez; Félipe Cordobés; Antonio Guerrero Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Sevilla Introducción Procedimiento experimental Las matrices poliméricas cons0tuidas por nanofibras presentan propiedades que los convierten en excelentes candidatos en muchas aplicaciones (químicas, alimentarias, farmacéu0cas, biomédicas, electrónicas, etc.). Entre las alterna0vas de procesado de nanofibras poliméricas destaca la técnica de electrohilado (electrospinning) que conduce de forma simple y efec0va a la obtención de nanofibras de excepcional longitud, diámetros uniformes (< 300 nm), porosidad ajustable y gran flexibilidad en composición, presentando además un gran potencial en nano-­‐ o microencapsulación e immobilización de agentes ac0vos (enzimas, medicamentos, ingredientes funcionales, etc.). Además, al ser un proceso con0nuo presenta una gran versa0lidad para su aplicación en sistemas con grandes producciones (Sun et al. 2014 ). Prótesis DisposiLvos El obje0vo global del estudio consiste en el desarrollo de matrices poliméricas mediante electrohilado con aplicación potencial en la generación de atmósferas protectoras para envasado alimentario. Para ello es necesario evaluar la influencia de parámetros de composición (concentración de alcohol polivinílico, PVA, contenido de ácido cítrico y carbonato sódico) y procesado (diferencia de potencial eléctrico, distancia entre capilar y colector y caudal de salida del capilar) sobre la morfología (mediante microscopía SEM) de las matrices de nanofibras. médicas Andamios para lngeniería de tejidos ópLcos y electrónicos Bomba Syringe Pump, NE-­‐300 NANOFIBRAS POLIMÉRICAS Fuente de alimentación Phywe 0-­‐25 kV Aplicaciones ambientales Materiales Cicatrización de heridas Nanosensores v  Alcohol polivinílico (PVA) v  Carbonato sódico (SC) v  Ácido cítrico (CA) Creación de atmósferas protectoras Materiales inteligentes Placa metálica Esquema para procesado de matrices mixtas Soportes de catalizadores y enzimas Microreactores Encapsulación y liberación de fármacos Colector Influencia de la concentración de PVA Influencia de la diferencia de potencial eléctrico Influencia del caudal Influencia de la distancia al colector 0,25 mL/h PVA 4% 9 kV PVA 7% 0,40 mL/h 10 cm 12 kV 1,20 mL/h 7,5 cm 15 cm Caudal (mL/h)
7,5
Caudal (mL/h)
PVA (% p/p)
300
200
100
0
4
7
15 kV 10
Concentración de PVA (%)
Solubilidad Capacidad de absorción de humedad PVA Velocidad de disolución de productos (mg/s) 0,0347 SC 0,0494 PVA 7% SC 20% + PVA 7% Velocidad de disolución de nanofibras (mg/s) 12,5 0,0250 CA 30% + PVA 7% 7,27 8,57 Condiciones para determinar la velocidad de disolución: •  Agitador magné0co; Velocidad de rotación: 400 rpm •  Temperatura: 25 ºC. 90 15
Distancia al colector (cm)
Diferencia de potencial (kV)
400
300
200
100
0
9
12
15
Diferencia de potencial (kV)
Adición de carbonato sódico y ácido cítrico PVA 80 70 SC + PVA 60 50 CA + PVA 40 30 20 PVA SC+CA + PVA 10 0 30 40 50 60 70 80 90 100 Humedad relaLva (%) Conclusiones •  Si la concentración de la disolución de PVA es moderada, se ob0enen fibras de tamaño bastante uniforme e inferior a los 200 nm. Un aumento de concentración produce una reducción inicial del diámetro de las nanofibras y un cambio de morfología. Así, se ob0ene un mínimo a concentración intermedia, relacionado con el requerimiento de una viscosidad óp0ma para el proceso (Bhardwaj y Kundu, 2010). •  No se observan cambios significa0vos en el diámetro medio de las nanofibras al aumentar el caudal de salida de la disolución de PVA, si bien la morfología resulta más uniforme a caudales intermedios. •  La distancia entre los polos (capilar y colector) no induce grandes diferencias en la morfología de las nanofibras. Tan sólo se observa una leve reducción de diámetro, que puede atribuirse a que un mayor recorrido favorece la eliminación de disolvente (Wang et al. 2013). •  Un aumento de la diferencia de potencial eléctrico provoca un notable cambio de morfología y una reducción significa0va del tamaño de las nanofibras, ya que aumenta las fuerzas repulsivas necesarias (cono de Taylor) y favorece tanto el impulso del filamento hacia el colector como la evaporación del disolvente (Wang et al. 2013). 500
10
100 CA CanLdad de agua absorbida (%) Compuestos Matrices 1.2
Diametro (nm)
PVA 10% 0.4
•  Es posible incorporar otras sustancias solubles en agua a las matrices de nanofibras, si bien provocan modificaciones importantes en la morfología: en un caso (SC/PVA) con aparición de defectos (beads, d ≥ 1 μm) y en otro (CA/PVA) con un aumento considerable de tamaño. •  La ciné0ca de disolución de las matrices de nanofibras (PVA, SC/PVA y CA/PVA) es muy superior a la de sus componentes sólidos (2 a 3 ordenes de magnitud), debido al extraordinario aumento de superficie específica. •  Las matrices que con0enen SC/PVA o CA/PVA 0enen mayor capacidad de absorción que las las procesadas sólo con PVA, a par0r de cierto valor de humedad rela0va (RH). Sin embargo, las matrices que combinan SC, CA y PVA presentan una capacidad similar a las que sólo con0enen PVA. Este efecto se atribuye a la reacción que se produce entre SC y CA, para RH > 70%: Na2CO3 + 2 H3C6H5O7 3 H2O + 3 CO2 + 2 Na3C6H5O •  Puede concluirse que el proceso de electrohilado presenta un claro interés potencial para su aplicación en envasado alimentario, mediante liberación de CO2 para generación de una atmosfera protectora. SC/PVA 20/80 CA/PVA 30/70 Diametro (nm)
Diámetro (nm)
0.25
Distancia (cm)
400
300
200
100
0
PVA
SC/PVA CA/PVA
20/80 30/70
Referencias:
•  Bhardwaj, N., Kundu, S.C. (2010). Electrospinning: A fascinan0ng fiber fabrica0on technique. Biotechnol Adv, 28, 325-­‐347. •  Sun B., et al. (2014). Advances in three-­‐dimensional nanofibrous macrostructures via electrospinning. Progr Polym Sci, 39, 862-­‐890. •  Wang, X., et al. (2013). Electro-­‐spinning/nefng: A strategy for the fabrica0on of three-­‐dimensional polymer nano-­‐fiber/nets. Progr Mater Sci, 58: 1173–1243. Agradecimientos:
Esta comunicación forma parte de un proyecto
de investigación (MAT2011-29275-C02-02)
patrocinado por los programas MEC-FEDER.