Proces elektroprzędzenia

Elektroprzędzenie to technika polegająca na wykorzystaniu sił elektrostatycznych do produkcji włókien o średnicy do kilku nanometrów z roztworów polimerów naturalnych lub syntetycznych. Włókna wytworzone w ten sposób charakteryzują się znacznie większą powierzchnią właściwą niż wytworzone konwencjonalnymi metodami przędzenia. Elektroprzędzenie opiera się na przezwyciężeniu za pomocą siły elektrostatycznej wewnętrznych sił panujących w naładowanych roztworach polimerów. Aparatura do elektroprzędzenia składa się z trzech głównych elementów: generatora wysokiego napięcia, dyszy oraz kolektora, którym zwykle jest płaska płyta, na której zbierają się gotowe włókna. W roztworze znajdującym się w dyszy za pomocą generatora wytwarzane jest wysokie napięcie, dzięki któremu następuje łączenie się polimeru we włókna. Za pomocą różnicy potencjałów w dyszy i na kolektorze następuje wypływ polimeru z dyszy, podczas którego dochodzi do odparowania rozpuszczalnika i wytworzenia włókien.

Mimo dość prostej budowy, na proces elektroprzędzenia wpływa wiele parametrów, które dotyczą właściwości roztworu (lepkość, przewodność, masa, stężenie, siły powierzchniowe) oraz parametrów procesowych, takich jak: wartość przyłożonego napięcia, prędkość wypływu polimeru z dyszy, odległość między dyszą a kolektorem, kształt kolektora oraz warunki panujące w otoczeniu aparatury. Dzięki kontroli tych parametrów można otrzymać włókna o różnych właściwościach, odpowiednich do wybranego zastosowania. Wytworzone nanowłókna mogą różnić się powierzchnią, porowatością, średnicą oraz budową wewnętrzną.

Nowoczesne opatrunki wytworzone elektroprzędzeniem

Włókna wytworzone za pomocą elektroprzędzenia mogą zastąpić opatrunki stosowane na rany powierzchowne skóry, do których opatrywania używane są najczęściej gazy jałowe. Opatrunki jałowe spełniają swoje główne zadanie, jakim jest zapobieganie zakażenia rany, natomiast powodują wysuszanie zranionego miejsca oraz często przylegają do nowo wytworzonej tkanki, co przy zmianie opatrunku prowadzi do jej oderwania i spowolnienia procesu gojenia się. Te wady skłaniają naukowców do opracowania nowoczesnych opatrunków, którym nadać można właściwości promujące zrost uszkodzonych tkanek.

Opatrunki na bazie nanowłókien można modyfikować na różnych etapach elektroprzędzenia – podczas tworzenia roztworu polimeru oraz poprzez wprowadzanie zmian we właściwościach powierzchniowych wytworzonych włókien. Modyfikacje polegają zwykle na wprowadzeniu substancji leczniczej do polimeru, z którego włókna powstają. Wprowadzenie substancji bezpośrednio do roztworu polimeru umożliwia uzyskanie jej dużego stężenia i równomiernego rozproszenia w całej objętości roztworu oraz późniejszych nanowłókien. Tę metodę stosuje się do wprowadzenia odpowiednich enzymów usprawniających proces gojenia się ran. Modyfikacja właściwości powierzchniowych poprzez dodanie substancji leczniczej odbywa się tuż po wypływie roztworu z dyszy i jest wykorzystywana do przyłączania kolagenu lub żelatyny, które są białkami odpowiedzialnymi za proliferację komórek zdrowej tkanki. Opracowana została również metoda elektroprzędzenia koncentrycznego, którą stosuje się, gdy niepożądane jest gwałtowne uwalnianie środków terapeutycznych. W jej wyniku otrzymuje się nanowłókno stworzone z rdzenia, w którym zawarte są substancje lecznicze oraz powłoki, która umożliwia kontrolowane uwalnianie leku.

Opatrunki wytworzone za pomocą elektroprzędzenia można podzielić na trzy grupy: pasywne, interaktywne oraz zaawansowane. Działanie opatrunków pasywnych ogranicza się do zapewnienia odpowiedniej przepuszczalności tlenu potrzebnego do gojenia się ran. Opatrunki interaktywne zapewniają dodatkowo odpowiednie środowisko i kontrolę wzrostu bakterii. Natomiast opatrunki zaawansowane zawierają również środek leczniczy, który przyspiesza proces gojenia się. Substancje lecznicze mogą być dodawane według indywidualnej potrzeby pacjenta. Należą do nich środki antybakteryjne oraz przeciwzapalne, które mogą być syntetyczne lub naturalne. Jako dodatki lecznicze można wykorzystać nanorurki węglowe, tlenek grafenu, a także wiele związków i pierwiastków w postaci nanocząstek – srebro, wapń lub tlenek tytanu, które wykazują działanie antybakteryjne.

Mimo dużego potencjału, metoda elektroprzędzenia w wytwarzaniu opatrunków jest jeszcze nieopłacalna na skalę przemysłową. Nie wszystkie wytworzone nanowłókna spełniają rygorystyczne standardy jakości, mają też słabą wytrzymałość mechaniczną, co jest istotną wadą opatrunku. Aktualne działania naukowców obejmują zatem przełożenie procesu w skali laboratoryjnej na skalę przemysłową przy zachowaniu odpowiedniej wydajności i bezpieczeństwa oraz poprawę właściwości mechanicznych wytwarzanych opatrunków.