Кіріспе

Электроспининг – электр күшін пайдаланып полимер ерітінділерінің немесе полимер қорытпаларының зарядталған жіптерін бірнеше жүз нанометрге дейін созу арқылы талшықтар өндіру әдісі. Электроспининг электрмен шашырату және дәстүрлі ерітіндіні құрғату арқылы талшық пішіндіру сияқты қасиеттерге ие. Бұл процесте ерітіндіден қатты жіптер алу үшін коагуляциялық химия немесе жоғары температура қолданудың қажеті жоқ. Осы себепті, бұл әдіс үлкен және күрделі молекулаларды қолдана отырып талшықтар өндіруге өте ыңғайлы. Сонымен қатар, балқытылған прекурсорлардан электроспининг жасау да мүмкін; бұл әдіс түпкі өнімге ешқандай еріткіш өтпеуін қамтамасыз етеді.

Процесс

Сұйық тамшысына жеткілікті жоғары кернеу қолданғанда, сұйықтың денесі зарядтанады, электростатикалық итергіш күш беттік кернеуге қарсы әрекет етеді және тамшы созылады; белгілі бір шекті нүктеде сұйық ағыны бетінен шығады. Бұл шығу нүктесі Тейлор конусы деп аталады. Егер сұйықтың молекулалық байланысы жеткілікті күшті болса, ағын үзілмейді (егер үзілсе, тамшылар электрораспылдау арқылы шашыратылады) және зарядталған сұйық шоғыр пайда болады. Шоғыр ұшу кезінде кепкенде ток ағынының режимі омикалықтан конвективтікке өтеді, себебі заряд талшықтың бетіне жылжуда. Содан кейін шоғыр, талшықтың кішкентай иілімдерінде басталатын электростатикалық итергіш күш тудырған қамшылау процесі арқылы ұзартылады, және соңында жерге қосылған жинақтағышқа орналасады. Бұл иілімнің тұрақсыздығынан туындаған талшықтың ұзартылуы мен жұқаруы нанометрлік өлшемдегі біркелкі талшықтардың қалыптасуына алып келеді.

Құрылғы және қашықтық

Электроспинингке арналған стандартты зертханалық жабдық спиннереттен (әдетте гиподермалық шприц инесінен) тұрады, ол жоғары кернеулі (5-тен 50 кВ-қа дейін) тұрақты ток көзіне, шприц сорғысына және жерге қосылған жинақтағышқа қосылған. Полимерлік ерітінді, золь-гель, бөлшектік суспензия немесе балқыма шприцке салынады, ал бұл сұйықтық шприц сорғысы арқылы ине ұшынан тұрақты жылдамдықпен сығылып шығарылады. Балама ретінде, спиннерет ұшындағы тамшы тұрақты қысымды қамтамасыз ететін қоректендіргіш резервуардан толықтырылуы мүмкін. Бұл тұрақты қысыммен жұмыс істейтін жүйе төмен тұтқырлықтағы материалдар үшін тиімдірек.

Басқа әдістер

Шпинеттің және/немесе ерітінді түрінің өзгеруі ерекше құрылымдары мен қасиеттері бар талшықтар жасауға мүмкіндік береді. Электропырланған талшықтар, қолданылатын материалдарға, сондай-ақ қолданылатын еріткіштердің булану жылдамдығы мен араласу қабілетіне байланысты, кеуекті немесе ядро-қабықшалы құрылымға ие болуы мүмкін. Егер бірнеше иіру сұйықтығы қолданылса, талшықтар жасаудың негізгі шарты сыртқы ерітіндінің иірілу қабілетіне байланысты болады. Бұл, дәрі-дәрмек жеткізу жүйесі ретінде жұмыс істейтін немесе бұзылған жағдайда өздігінен жаңаруға қабілетті композиттік талшықтар жасау мүмкіндігін ашады.

Коаксиалдық электроплинтинг

Коаксиалды орналастыруда екі ерітіндіні беру жүйесі қолданылады, бұл бір ерітіндіні екіншісіне шпинеттің ұшында құюға мүмкіндік береді. Сыртқы қабық сұйықтығының электросорғыштың саптамасының Тейлор конусынан ішкі сұйықтықты тартатын тасымалдаушы қызметін атқарады деп саналады.

Эмульсиялық электропсилингі

Эмульсиялар спиннеретті өзгертусіз негізгі қабықты немесе композитті талшықтар жасауға қолданылуы мүмкін. Дегенмен, эмульсия құру кезінде ескерілуі тиіс көптеген факторлар болғандықтан, осы талшықтарды коаксиалды иіруге қарағанда жасау әдетте қиын. Эмульсияны құру үшін су фазасы мен араласпайтын еріткіш фазасы эмульсиялағыш заттың қатысуымен араластырылады. Араласпайтын фазалар арасындағы интерфейсті тұрақтандыратын кез келген затты пайдалануға болады. Мысалы, натрий додецил сульфаты, Triton X 100 және нанобөлшектер сәтті қолданылған. Электроспин процесінде сұйықтықтағы эмульсия тамшылары созылып, бірте-бірте шектеледі, бұл олардың бірігуіне (коалесценцияға) алып келеді. Ішкі сұйықтықтың көлемдік үлесі жеткілікті жоғары болса, үздіксіз ішкі ядро қалыптасуы мүмкін. Полимерлердің көбінесе бір-бірімен араласпайтынын және беттік белсенді заттарды қолданбастан фазалық бөлініске ұшырайтынын пайдаланатын техниканың нұсқасы – қоспаларды электроспинтеу. Егер екі полимерді де ерітетін еріткіш қолданылса, бұл әдісті одан да оңайлатуға болады.

Ерітілген электрлік спиннинг

Полимерлік балқымалардың электроспиннингі ерітінді электроспиннингіндегі ұшпалы еріткіштердің қажеттілігін жояды. ПЭ, ПЭТ және ПП сияқты жартылай кристалдалған полимерлік талшықтар, әдетте ерітінді арқылы иіруде жасау мүмкін емес немесе өте қиын болған жағдайда, осы әдіс арқылы жасалуы мүмкін. Орнату дәстүрлі электроспиннингке ұқсас және шприц немесе спиннер, жоғары кернеу көзі және коллекторды пайдалануды қамтиды. Полимерлік балқыма әдетте кедергілік қыздыру, айналымдағы сұйықтықтар, ауамен қыздыру немесе лазерлер арқылы қыздыру арқылы жасалады. Полимерлік балқымалардың жоғары тұтқырлығына байланысты, талшықтардың диаметрі ерітінді электроспиннингінен алынғандарға қарағанда сәл ірі болады. Тұрақты ағын жылдамдығына және жылулық тепе-теңдікке қол жеткізілген кезде талшықтардың біркелкілігі өте жақсы болады. Ерітіндіден иіру үшін талшықты созудың басым кезеңі болып табылатын қамшының тұрақсыздығы, балқыманың төмен өткізгіштігі және жоғары тұтқырлығына байланысты процесте болмауы мүмкін. Талшықтың мөлшеріне ең көп әсер ететін факторлар – азықтандыру жылдамдығы, полимердің молекулалық салмағы және спиннердің диаметрі. Қазірге дейін ~250 нм-ден бірнеше жүз микрометрге дейінгі талшық мөлшері жасалды, төменгі мөлшерлер төмен молекулалық салмақты полимерлерді қолдану арқылы қол жеткізілді.

Тарих

XVI ғасырдың соңында Уильям Гилберт магниттік және электростатикалық құбылыстардың қалай өтетінін сипаттауға кірісті. Ол, егер электр қуатымен зарядталған янтарьдың бөлігін су тамшысына жақындатса, оның конус пішініне келіп, конус ұшынан кішкентай тамшылар шашыратылатынын байқады: бұл электроспрейдің алғашқы тіркелген байқауы. 1887 жылы К. В. Бойз «электрлік иірудің ежелгі, бірақ көпке таныс емес тәжірибесі» деп сипаттады. Бойздің аппараты «электр машинасымен байланыстырылған, оқшауланған кішкентай ыдыстан» тұрды. Ол өзінің сұйықтығы ыдыстың жиегіне жеткенде, шелақ, ара шабағы, мөр балауызы, гутта-перча және коллодион сияқты бірнеше материалдардан жіптер тартып ала алатынын анықтады. Электроспининг процесін 1900 жылдың мамырында және 1902 жылдың ақпанында Дж. Ф. Кули, ал 1902 жылдың шілдесінде В. Дж. Мортон патенттеді. 1914 жылы Джон Зелени металл капиллярларының ұштарындағы сұйық тамшыларының қалай өтетіні туралы жұмысын жариялады. Оның еңбегі электростатикалық күштердің әсерімен сұйықтардың қалай өтетінін математикалық түрде модельдеуге жасалған әрекетті бастады. Коммерциялық өндіріске қарай дамуды Антон Формхальс жасады және 1934 жылдан 1944 жылға дейін мата жіптерін жасауға арналған бірнеше патенттерде сипаттады. Ерітінді емес, балқымадан электроспининг жасауды 1936 жылы C. L. Norton патенттеді. 1938 жылы Наталья Д. Розенблум мен Игорь В. Петрянов-Соколов, Л. Я. Карпов атындағы КСРО Ғылым академиясының Аэрозольдік зертханасында Николай А. Фукс тобында жұмыс істеді. Олар «Петрянов сүзгілері» деп аталатын сүзгі материалдарын жасады. 1939 жылы бұл жұмыс газ маскаларына арналған электроспининг түтін сүзгі элементтерін өндіру үшін Тверьде зауыт салуға әкелді. BF (Battlefield Filter) деп аталған материалды дихлорэтан және этанол қоспасындағы еріткіште целлюлоза ацетатынан иірді. 1960 жылдарға қарай, жасалған сүзгі материалдарының өндірісі жылына 20 миллион м2 құрады. 1964 және 1969 жылдар аралығында сэр Джеффри Инграм Тейлор электроспинингтің теориялық негізін жасады. Тейлордың жұмысы электроспинингке электр өрісінің әсерінен сұйық тамшысының қалыптасқан конусының пішінін математикалық түрде модельдеу арқылы үлкен үлес қосты; бұл ерекше тамшы пішіні қазір Тейлор конусы деп аталады. Ол сондай-ақ Ж. Р. Мелчермен бірге өткізгіш сұйықтар үшін «бұзылатын диэлектрлік модельді» жасады. Саймон 1988 жылғы NIH SBIR грант есебінде электроспининг ерітіндісін нано және субмикрондық өлшемдегі полистирол және поликарбонат талшықты төсемдерін жасауға болатынын көрсетті, олар жасуша субстраттары ретінде қолдануға арналған. Электроспининг талшықты торларды жасуша өсіру және тіндік инженерия үшін қолданудың алғашқы кезеңдері түрлі жасуша түрлерінің талшықтарға жабысып, ин витрода көбейе алатынын көрсетті. Электроспининг кезінде электр өрісінің полярлығына байланысты талшықтардың беттік химиялық қасиеттерінде де өзгерістер байқалды. 1990 жылдардың басында бірнеше зерттеу тобы (әсіресе Ренекер мен Ратледж, олар бұл процеске электроспининг деген атауды танымал етті) көптеген органикалық полимерлерді наноталшықтарға электроспинингпен айналдыра алатынын көрсетті. 1996 және 2003 жылдар аралығында электроспинингке қызығушылық күрт өсті, жарияланымдар мен патенттік өтініштер саны жыл сайын шамамен екі есеге артты. Хоман және басқалар. ұшу кезінде электрлік күшпен итерілгенде көптеген ұсынылған тұрақсыздықтардың салыстырмалы өсу жылдамдықтарын зерттеді және электроспининг процесі үшін ең маңызды тұрақсыздық – иілу (шаптау) тұрақсыздығын сипаттауға тырысты.

Қолданылуы

Электропыршалы талшықтардың мөлшері наноөлшемде болуы мүмкін, ал талшықтардың беткі текстурасы наноөлшемде болуы мүмкін, бұл макроөлшемді материалдармен салыстырғанда басқа материалдармен өзара әрекеттесудің әртүрлі түрлеріне алып келеді. Сонымен қатар, электроспининг арқылы өндірілетін өте жіңішке талшықтар екі негізгі қасиетке ие болуы күтілуде: өте жоғары бет/көлем қатынасы және молекулалық деңгейде салыстырмалы түрде ақаусыз құрылым. Бұл бірінші қасиет электропыршалы материалды жоғары дәрежеде физикалық контактіні қажет ететін іс-әрекеттер үшін қолайлы етеді, мысалы, химиялық реакциялар үшін орын ұсыну немесе физикалық өрілу арқылы кішкентай бөлшекті материалды ұстау – сүзу. Екінші қасиет электропыршалы талшықтарға жасалған материалдың теориялық ең жоғары беріктігіне жуықтауға мүмкіндік береді, бұл жоғары механикалық қасиеттері бар композиттік материалдар жасау мүмкіндігін ашады.

Сүзгілеу

Наноталшықты торларды сүзгілеу ортасы ретінде қолдану кеңінен қалыптасқан. Талшықтардың өте кішкентай мөлшеріне байланысты, Лондон-Ван дер Ваальс күштері талшықтар мен ұсталған материалдар арасындағы жабысудың маңызды механизмі болып табылады. Полимерлік наноталшықтар ауа сүзгілеу саласында жетпіс жылдан бері қолданылып келеді. Жұқа наноталшықтың нашар механикалық қасиеттеріне байланысты, олар сүзгілеу ортасының негізіне орналастырылады. Талшықтардың кішкентай диаметрі талшық беттерінде сырғанақ ағынды тудырады, бұл аталған композиттік сүзгі ортасының тоқтату және инерциялық әсер ету тиімділігін арттырады. 0,5 микрометрден кіші диаметрлі талшықтарды қолдану арқылы, бірдей қысым төмендеуінде сүзгілеу тиімділігін арттыруға болады. Қорғаныш киімдерінің маңызды қасиеттері – жоғары ылғалды будың тасымалдануы, матаның желдетілу қабілетінің жоғарылауы және зиянды химиялық заттарға төзімділіктің күшеюі болғандықтан, электросорғыш наноталшықты мембраналар осы мақсаттар үшін өте қолайлы.

Тоқыма өндірісі

Электропрядтауға арналған алғашқы патенттердің көпшілігі тоқыма қолданыстарына қатысты болған, алайда, көзге көрінбей дерлік талшықтарды өңдеу қиындықтарына байланысты, тоқыма маталар аз ғана өндірілді. Дегенмен, электропрядтаудың жоғары технологиялық өндіріспен талшықты электропрядтауды біріктіру арқылы тігіссіз тоқыма киімдерді жасау әлеуеті бар. Бұл, талшықтарды электропрядтау арқылы әртүрлі талшықтар мен жабындарды біріктіріп, үш өлшемді пішіндер (мысалы, киім) құруға мүмкіндік беретін электропрядталған қабаттарға полимерлік жабындармен қосып, көп функциялылықты (жалынға, химиялық заттарға, қоршаған ортадан қорғауға) енгізуге жол ашады.

Медициналық

Электроспининг медициналық мақсаттар үшін де қолданылуы мүмкін. Тін инженериясы үшін жасалған электроспинмен алынған қаңқалар (эшафолдтар) биологиялық нысаналарды емдеу немесе алмастыру үшін жасушалармен толтырылуы мүмкін. Наноталшықты жара жабындары жараны микробтық инфекциялардан оқшаулау қабілетіне ие. Электроспининг арқылы тігістер сияқты басқа да медициналық маталарды да жасауға болады. Электроспининг ерітіндісіне немесе қорытпасына дәрілік зат қосу арқылы трансдермалды жамбас, тікелей ішке қабылдауға арналған түрлер дайындалуы мүмкін. Электроспинмен алынған прополис наноталшықты мембранасы SARS-CoV-2 вирусына қарсы вирустық әсерді, сондай-ақ Staphylococcus aureus және Salmonella enterica бактерияларына қарсы бактерияға қарсы әсерді көрсетті. Қызығы, электроспининг бір уақытта және әртүрлі жылдамдықпен бірнеше дәріні жеткізуге мүмкіндік беретін, күрделі құрылымға ие наноталшықтарды жасауға мүмкіндік береді.

Косметикалық

Электропряжалы наноматериалдар оларды теріге жеткізуді реттеу үшін қолданылады, осылайша терінің сыртқы түрін жақсартуға мүмкіндік береді. Электроспининг – дәстүрлі наноэмульсиялар мен нанолипосомалардың орнына қолданылатын әдіс.

Фармацевтикалық өндіріс

Тұрақты жұмыс режимі және тиімді кептіру әсері электроплиннингті үздіксіз фармацевтикалық өндіріс жүйелеріне интеграциялауға мүмкіндік береді. Синтезделген сұйық дәріні тез арада таблеткалау және басқа да дозалық формаларға қолдануға болатын электроплинненген қатты өнімге айналдыруға болады.

Композиттер

Өте ұсақ электропыршақты талшықтар ұзын талшықты композиттік материалдарды өндіруде зор мүмкіндіктерді көрсетеді. Қолданылуы, ақылға қонымды уақыт ішінде маңызды, ірі көлемді өнімдер жасау үшін жеткілікті мөлшерде талшықтар жасау қиындықтарымен шектеледі. Осы себепті, салыстырмалы түрде аз мөлшерде талшықтар қажет болатын медициналық қолданыстар электропыршақталған талшықтармен күшейтілген материалдарды қолданудың танымал саласы болып табылады. Электропыршақтау, шығынды тиімді, оңай өндірілетін жара жабатын заттар, медициналық имплантаттар және жасанды адам тіндерін өндіруге арналған мұқтаждарды жасау үшін зерттелуде. Бұл мұқтаждар табиғи тіндердегі жасушадан тыс матрица сияқты мақсатты орындайды. Поликапролактон және полисахаридтер сияқты биодеградацияланатын полимерлер осы мақсаттар үшін әдетте қолданылады. Бұл талшықтар жасушалардың жабысуын жақсарту үшін коллагенмен жабылуы мүмкін, бірақ коллаген сәтті түрде тікелей мембраналарға айналдырылған.

Катализаторлар

Электропыршалы талшықтар ферменттерді бекітуге арналған бет ретінде қолданылуы мүмкін. Бұл ферменттерді қоршаған ортадағы зиянды химиялық заттарды жоюға және басқа да мақсаттарға пайдалануға болады.