Elettrospinning

L’elettrofilatura, o anche definita elettrospinning, è il processo di produzione che consente, dato un polimero in forma fusa o in soluzione, la realizzazione di nanostrutture monodimensionali in forma fibrosa.

Nato inizialmente come un processo per la produzione di fibre tessili ha visto un grande sviluppo nell’ambito della TE e della Medicina Rigenerativa in quanto favorisce la realizzazione di nanostrutture a diametro controllato e con proprietà specifiche in grado di imitare la ECM dei tessuti biologici.

L’elevata gamma di biomateriali che è in grado di trattare (polimeri naturali, sintetici, compositi e semiconduttori) e le diverse tipologie di collettori (che consentono una distribuzione delle fibre personalizzata in funzione della struttura da imitare) sono tra i principali vantaggi che l’elettrospinning può vantare.

Tuttavia, il limitato tasso di deposizione delle fibre (è possibile ottenere scaffold con uno spessore non superiore ad 1 mm), la loro eccessiva densità all’interno della struttura e la distribuzione irregolare e non controllabile, che ne limita la migrazione cellulare all’interno dello scaffold, risultano svantaggi rilevanti e sono attualmente oggetto di studio in ambito di ricerca [87].

Un tipico apparecchio di elettrofilatura è solitamente costituito da (Fig. 9): • una pompa volumetrica collegata alla siringa contenente il materiale da

elettrofilare;

• un collettore metallico collegato a massa;

Figura 9 Disegno schematico del setup di base per l'elettrofilatura [88]

Il processo di elettrofilatura (Fig.10) può essere suddiviso in quattro fasi consecutive che prevedono (i) il caricamento della siringa con polimero fuso o solvente e formazione del getto a cono di Taylor; (ii) l’estensione del getto dentro una prima regione definita di campo vicino; (iii) diradamento del getto in presenza di un campo elettrico e crescita dell'instabilità elettrica di flessione e (iv) solidificazione e raccolta del getto come fibra solida sul collettore collegato a massa [88].

i) All’inizio del processo, la soluzione del materiale viene estrusa (ad una velocità costante e controllabile) dall’ago della siringa a formare una piccola goccia. L’alta differenza di potenziale tra ago e collettore provoca un trasferimento di cariche con una certa polarità sulla superficie della goccia. Il graduale aumento della tensione, con il conseguente accumulo di cariche, si opporrà alla tensione superficiale, fino ad un valore limite di tensione per cui il materiale estruso defluirà dall’ago con una conformazione meglio nota come “Cono di Taylor”. ii) Dall'apice del cono di Taylor, un getto elettricamente carico viene

espulso e poi accelerato dal campo elettrico. Il getto si estenderà in direzione del campo elettrico muovendosi e riducendo il proprio diametro in prossimità del collettore. Come illustrato in Fig.10, il getto segue inizialmente una linea quasi rettilinea per una certa distanza dalla punta dell’emettitore meglio definita come regione di campo vicino.

iii) L’allungamento e conseguente assottigliamento del diametro del getto, man mano che questo si allontana dalla punta, lo rendono vulnerabile a fattori d’instabilità. In particolare, nella regione di campo lontano l’instabilità nota come whipping o instabilità di flessione impone sulla fibra una perturbazione in direzione radiale rispetto al getto; questo non è altro che il risultato della repulsione elettrostatica che si verifica tra le cariche superficiali sottoposte ad un forte campo elettrico. La fibra risulta dunque costretta a piegarsi e la traiettoria si evolve in una serie di loop, generando una spirale rispetto alla direzione di partenza. iv) Durante il processo di allungamento, si ha la solidificazione della fibra

dovuta all’evaporazione del solvente o al raffreddamento del fuso. v) La fase finale del processo di elettrofilatura è la deposizione delle fibre

parte delle cariche sulle fibre viene rapidamente dissipata attraverso la messa a terra del collettore. Tuttavia, a causa della bassa conducibilità della maggior parte dei materiali, sulla superficie delle fibre raccolte rimane ancora una quantità misurabile di cariche residue. Tale accumulo sulle fibre tende a respingere il getto analogamente caricato, causando in tal modo un ridotto spessore di deposizione (limite massimo 0.5-1 mm).

Il risultato ottimale di un processo di elettrofilatura dovrebbe prevedere una deposizione di fibre continue e priva di gocce. A tale scopo è richiesta particolare attenzione nella scelta dei parametri di processo (i quali possono dipendere da caratteristiche proprie della soluzione, quali: tensione superficiale, concentrazione, viscosità, peso molecolare e conducibilità), da parametri di macchina (come: portata, tensione, tipo di collettore e distanza collettore- emettitore) e da parametri ambientali.

Parametri della soluzione § Concentrazione

Il processo di formazione delle fibre è garantito all’interno di un range utile di concentrazione che dipende dal materiale. Tale range è influenzato a sua volta dalla viscosità e dalla tensione superficiale.

Per concentrazione inferiori alla concentrazione minima del range, la struttura elettrofilata presenta dei beads, mentre concentrazioni maggiori della concentrazione massima del range non consentono un flusso continuo in punta all’ago. Soluzioni con concentrazioni che rientrano all’interno del range garantiscono una struttura elettrofilata con una distribuzione uniforme di fibre [87].

Il peso molecolare definisce il numero di legami tra le catene polimeriche e, insieme alla concentrazione, influenza la viscosità della soluzione e la morfologia delle fibre. È stato osservato che un peso molecolare elevato consente di aumentare il numero di legami tra le catene favorendo il flusso continuo di fibre, riducendo in tal modo la produzione di beads e aumentando la dimensione del diametro delle fibre elettrofilate.

§ Viscosità

La viscosità è un parametro che dipende fortemente dalla concentrazione e dal peso molecolare del materiale elettrofilato. È necessario definire il valore corretto di viscosità in quanto per valori bassi non si assiste alla formazione di fibre continue producendo in genere delle beads, mentre un valore elevato di viscosità rende difficile l’estrusione del materiale.

§ Tensione superficiale

La tensione superficiale dipende dal tipo di solvente impiegato. Secondo Bhardwaj et al. [87], la tensione superficiale determina il limite di elettrofilatura delle nanofibre se tutte le altre variabili sono mantenute costanti. Per valori bassi di tensione superficiale è possibile ottenere fibre prive di beads ed in tal modo operare con campi elettrici minori.

§ Conduttività e densità di carica superficiale

Con poche eccezioni, quasi tutti i polimeri sono polielettrolitici e questa capacità influenza fortemente la formazione delle fibre. Solitamente, valori più elevati di conducibilità della soluzione comportano una diminuzione del diametro della nanofibra, viceversa una bassa conducibilità comporta alla formazione di fibre non uniformi e con beads. L'aumento della conducibilità può essere ottenuto aggiungendo sali ionici all’interno della soluzione

polimerica come NaCl o KH5POQ, ottenendo fibre di diametro decrescente e senza gocce.

Parametri di macchina § Tensione

La tensione è uno dei parametri più importanti nell’elettrofilatura in quanto l’estrusione del materiale avviene solo dopo una certa soglia di tensione. Anche se la morfologia della fibra dipende maggiormente dalla concentrazione e dalla distanza collettore-emettitore, è stato osservato che una tensione elevata influenza il diametro delle fibre.

§ Portata

La portata determina la velocità di estrusione del materiale e la quantità di materiale deposto. E’ generalmente richiesta una portata inferiore per consentire una migliore polarizzazione ed evaporazione della soluzione polimerica. Valori più elevati della portata possono indurre la formazione di gocce a causa di un breve periodo di essiccazione prima di raggiungere il collettore.

§ Tipo di collettore

I collettori sono substrati conduttivi che raccolgono le fibre cariche durante il processo di elettrofilatura. I collettori si differenziano per materiale e geometria. Il collettore più semplice è il foglio di alluminio. Altre tipologie di collettore sono: la carta conduttiva, la barra reticolata, l’asta rotante. Alcune di esse possono anche contribuire all’allineamento delle fibre necessario per la realizzazione di alcune strutture per la TE.

La distanza tra emettitore e collettore influenza il diametro e la struttura delle fibre. La distanza richiesta è solitamente minima in modo che le fibre si asciughino prima di raggiungere il collettore. In generale, a distanze troppo ravvicinate o elevate si osserva la presenza di beads nella struttura elettrofilata. Parametri ambientali

Come spiegato in precedenza, le condizioni ambientali, come umidità e temperatura, sono in grado d’influenzare la morfologia delle nanofibre. L'umidità sembra, infatti, avere un grande impatto sulla volatilità e quindi sulla velocità di evaporazione del solvente.

Mentre è stato dimostrato che temperature più basse portino ad una più lenta evaporazione del solvente compromettendo la riuscita dell’elettrofilatura.