نانو الیاف و کاربرد های آن

الیاف:

دسته ای از مواد که به صورت فیلا منهای مداوم بوده یا در طول های مشخص بریده شده اند؛که خود دارای سه دسته است:الیاف معمولی،الیاف میکرونی و نانو الیاف.

الیاف میکرونی:

رشته های ان کمتر از یک دینر می باشد.[دینر:واحد اندازه گیری دانسیته جرمی الیاف میباشد که به صورت جرم در واحد اندازه گرم بر ۹۰۰متر میباشد.

نانو الیاف:

الیافی باقطر کمتر از میکرو متر رانانو الیاف می نامند؛طول انها نسبتا کوتاه در حدود چند میکرون،قطری کمتر از ۵۰۰نانو متر دارد.

نانو الیاف دارای خواص ومشخصه هایی هستند که انها را از سایر ساختار های یک بعدی (مانند نانو سیم ونانومیله ) متمایز میسازد .نانوالیاف از مواد اولیه مختلفی مانند کامپوزیت ها ، سرامیک ها و پلیمر ها ساخته می شوند.

روش های تولید نانو الیاف:

روشهای بسیاری طی سالهای اخیر برای ساخت نانو الیاف مورد استفاده قرار گرفته است ؛از جمله روش های چون طراحی ،سنتز با الگو، کشش،جداسازی الیاف چند جزیی،روش قالب،دمش،جدایش فازی،خود ارایی ماکرومولکولها،الکتروریسی و…

دربین این روشها ،روش الکتروریسی ساده ترین روش برای تولید نانو الیاف با انواع ساختار ها مانند توخالی و هسته ـ پوسته با زول زیاد وقطر یکنواخت و با انواع ترکیبات می باشد.

 تولید نانو الیاف  با روش الکترو ریسی(ریسندگی الکترونیکی):

این روش بحز در مورد دافعه الکترواستاتیکی بین بار های سطحی (به جای نیروی برشی یا مکانیکی) برای کاهش پوسته قطر جت ویسکو الاستیک،مشابه روش تجاری طراحی کردن میکرو الیاف است.الکتروریسی مانند فرایند پاشندگی الکترو استاتیکی (یا پاشش الکتریکی)نیز است. در هر دو روش از بالا برای القاء جت مایع استفاده میشود . در پاشش الکتریکی ،با در هم شکستن انبساط جت های الکتریکی که اغلب با محلول ها با ویسکوزیته پایین وجود دارد. قطرات کوچک یا ذراتی شکل میگیرد .در ریسندگی الکتر یکی ،جت جامد به عنوان جت الکتریکی تولید می شود (ترکیبی از محلول های پلیمری با ویسکوزیته بالا ) که به علت دافعه الکترو استاتیکی بین بار های سطحی و تبخیر حلال به طور پیوسته منبسط خواهد شد.از این روش برای تولید الیاف پلیمری استفاده می شود با قطر زیر نانومتری.در این روش هم از محلول مذاب وهم از محلول پلیمری میتوان استفاده کرد.طبق نتایج محققان میتوان از این روش به عنوان روش برتر نسبت به سایر روش ها یاد کرد؛زیرا از نظر سرعت تولید،تنوع پیوستگی،سادگی هزینه و تجاری سازی از سایر روشها ارجح است.تاکنون بیش از ۱۰۰ نوع ماده پلیمری،کوپلیمری ومواد کامپوزیتی توسط این فرایند با موفقیت به نانو الیاف تبدیل شده است.قطر نانو الیاف به پارا متر های غلظت پلیمر، ولتاژ الکتریکی اعمال شده،فاصله،دبی،دما،رطوبت محیط،ویسکزیته،قطر سوزن نوع جمع کننده بستگی دارد.نانو الیاف می توانند با کمترین جرم بیشترین میزان لایه وسطح را تو لید کنند. با یک گرم پلیمر میتوان ۳۲۰۰۰کیلو متر الیاف ۱۰۰ نانو متری تولید کرد.

کار بررد های نانو الیاف:

کاربرد های نانو الیاف در زمینه هایی نظیر فیلتراسیون،لباس های محافظ،غشاءپایه های کاتا لیسیت و داربست های مهندسی بافت هست.در فیلتراسیون برای آلودگی زدایی از نانو الیاف معدنی استفاده می کنند.با اضافه کردن بسیاری از مواد به محلول الکتروریسی در فرایندهای الکتروریسی می توان انواع مختلف از نانو الیاف عامل دار با کار بردهای ویژه طراحی کرد.با تغییر شرایط عملیاتی ویا فرایندی ونیز افزودن برخی تجهیزات به سا مانه های الکتروریسی می توان انواع نانو الیاف را تولید کرد.

انواع نانو الیاف تولید شده:

نانو الیاف ارایش یافته،بافته شده،هیبریدی دو یا چند جزئی،هسته ـ پوسته،سرامیکی،تو خالی،نواری شکل،متشکل از دانه های تسبیه متخلخل است.نانو الیاف یکی از مهم ترین محصولات فناوری نانو در حوزه های زیر

حوزه های پزشکی،دارویی و بهداشتی[مهندسی بافت ماسک های فیلتر های پزشکی،پوشش زخم های سامانه های رهش وغیره]،حوزه های صنعتی شامل صنایع دفایی امنیتی،جداسازی فیلتراسیون،صنایع شیمیایی،صنایع رنگ و پوشش،صنایع نساجی،صنایع نفت و گاز و پترو شیمی،صنایع هوا فضا،صنایع خودرو سازی،ساختمان سازی،صنایع غذایی،فناوری اطلاعات وارتباطات،صنایع نانو کامپوزیت ونانو الیاف کربن،انواع حسگر های زیستی وشیمیایی،تولید وذخیره سازی انرژی و نیز بهینه سازی مصرف انرژی[پیل های خورشیدی،پیل های سوختی،باطری های پلیمری وغیره]،حوزه های مربوط به زیست فنا وری،محیط زیست،کشاورزی وغیره کاربرد های زیادی دارد.

نانو الیاف در پزشکی:

دو سوم از کار برد های الکتروریسی در زمبنه پزشکی میباشد. الکتروریسی به عنوان روشی برای تولید الیاف بسیار نازک شناخته می شود.پلیمر های مصنوعی وطبیعی به صورت ساختار های بی بافت باندل ها(bundles)لیفی ارایش یافته با تخلخل وسطح مخصوص بالاتولید می شوند.

کاربرد نانو الیاف الکتروریسی در پزشکی:

مواد نساجی در ارائه خدمات در حوزه پزشکی نقش مهمی دارد؛به طوری که عنوان منسوجات پزشکی دایره عظیمی را در بر گرفته است.در این بین ساختار های نانو لیفی به دلیل کاربرد های فراوان وخصوصیات منحصر به فرد در علم پزشکی موردتوجه قرار می گیرد.برای تولید ساختارهای لیفی روش های زیادی وجود وجود دارد.ساده ترین روش برای تولید نانو الیاف بسیار ظریف وپیوسته روش الکتروریسی است؛که از موادی چون پلیمر های محلول در حالت مذاب تهیه می شوند.سطح مخصوص این الیاف با کاهش اندازه انها افزایش می یابد.با این روش میتوانیم اندازه،شکل .تخلخل زیر لایه حاصل شده از الیاف را کنترل کنیم و ترکیبات شیمیایی ماتریس های لیفی حاصل شده رامی توان متناسب با خصوصیات وکاربرد مورد نظر تغییر داد.به دلائل ذکر شده میتوان روش الکتروریسی را به عنوان بهترین روش برای تولید الیاف در ابعاد نانو معرفی کرد.درکاربرد های پزشکی این روش متداول است.

 

 

نمونه ای از انواع نانوالیاف الکتروریسی شده رامشاهده میکنم.

نانو الیاف در پزشکی کاربردهای متفاوتی دارد از جمله مهندسی بافت که از ماتریس های نانو لیفی برای داربست برای رشد سلول ها استفاده می شود.از این الیاف الکتروریسی شده به عنوان بستری برای بهبود زخم استفاده می کنند.تثبیت انزیم ها وسایرکاتالیست های بیولوژیکی به  دلیل نسبت سطح به حجم بالای الیاف الکتروریسی شده به راحتی صورت می گیرد.یک رویکرد چند رشته ای در حوزه ی کاربرد زیست پزشکی لازم است تا علوم حیاتی وپزشکی را با علم مواد ومهندسی ترکیب کنندبرای زیست سازگار بودن باید مواد کارکرد های خوبی داشته یا به عبارت دیگر می توات گفت بایدقادر به پاسخ گویی مناسب درکاربرد های زیستی باشند.نمی توان یک معنای دقیق یا اندازه گیری دقیقی از زیست سازگاری ارائه کرد.معیاری برای ارزیابی زیست سازگاری میتوان نام برد وآن پذیرش مواد توسط بدن موجود زنده است.

مهم ترین کاربرد های نانو الیاف زیست سازگار در پزشکی

مهندسی بافت:

تعریف جاع ارائه شده “مهندسی بافت یک حوزه ی بین رشته ای است که اصول مهندسی وعلوم زیستی به کمک بهبود اجزای بیولوژیکی امده تا بتوانند انهارا بازسازی ،نگهداری واز لحاظ عملکرد بافت بهبود بخشید .”امکان تولید یک بافت جدید با کمک سلول های بنیادی ویا سلول های تمایز یافته همان بافت همان بافت را برای مافراهم میا ورد.برای ایجاد بافت جدید در خارج از بدن، نیازمند یک بستر در داخل بدن می باشد که در اصطلاح به ان داربست(scaffold)گفته می شود. سلولها برروی داربست قرار میگیرند ومجموعه سلولها و داریست در محلول های پیچیده ای از ترکیبات شناخته شده (نمک ها، امینو اسید ها، ویتامین ها)، که به طور غالب اجزای سرم به ان اضافه می شود و محیط کشت نام دارد رشد داده میشوند. ساختار بی بافت (mat)الکتروریسی شده نانو الیاف به عنوان یک داربست برای سلول ها عمل کرده وتا بازیابی مجدد ماتریس خارج سلولی در بدن باقی میماند. خصوصیات مورد نظر برای یک داربست نانو لیفی متناسب با نوع بافت تغییر میکند .خصوصیاتی چون زیست سازگاری ، زیست تخریب پذیری، ارایش یافتگی، تخلخل، ناهمواری وسفتی سطح نانو الیاف در تمامی بافت ها مشترک بوده وباید در طراحی داربست های نانو لیفی در نظر گرفته شود.

زیست سازگاری (biocompatibility):

به توانایی یک ماده برای ایفای نقش در یک کاربرد ویژه و اجرای یک وظیفه خاص می باشد. از پلیمر های زیست سازگار برای تولید نانو الیاف استفاده می شود.

زیست تخریب پذیری (biodegradability):

داربست نانو لیفی باید تا حد امکان زیست تخریب پذیر باشند تا نیازی به جراحی ثانویه برای خروج داربست نباشد ونرخ این تخریب نیز باید متناسب با نرخ تشکیل یک ماتریس خارج سلولی جدید باشد.

ارایش یافتگی(orientation):

نوع جمع کنند چرخان و یا ثابت ،درارایش یافتگی الیاف بسیار موثر میباشد .درجه ارایش یافتگی بر خصوصیات مکانیکی، چسبندگی، تکثیر وارایش سلولی در ون ماتریس لیفی الکتروریسی شده تاثیر می گذارد.

تخلخل(porosity):

اندازه حفره وچگالی حفره ها ،هم نقش مهمی در مهاجرت و فیلتراسیون سلولها وماکرومولکولها دارد؛و می تواند بر جابه جایی معدنی ومواد معدنی کنترل داشته باشد.

رهایش دارو و انتقال ژن:

کنترل رهایش ،انتقال ژن و مهندسی بافت ،حوزه های نزدیکی به یک دیگر هستند.مواد فعال بیولوژیکی [دارو های ضد سرطان‌، دارو های ضد التهاب ،انتی بیوتیک ها وپرو تئین ها ] و ژن ها (دزوکسی ریبو نوکلئیک اسید(DNA))میتوانند در نانو الیاف به عنوان یک عامل بار گذاری شده و به بافت مورد نظر انتقال داده شوند.

رهایش دارو در نانو الیاف الکتروریسی شده در مقایسه با فیلم ها ،به دلیل نسبت سطح به حجم بالا تر ،با کنترل بهتری صورت می گیرد.

پرو فیل های رهایش دارو به نوع توزیع دارو در ماتریس پلیمری بستگی دارد .دومدل توزیع دارو در نانو الیاف وجود دارد: مدل ماتریسی و مدل مخزنی.

مدل ماتریسی (matrix):

در مدل ماتریسی دارو ها در محلول پلیمری قبل از الکتروریسی حل می شوند که منجر به حضور دارو در سطح و درون ساختار الیاف می گردد. از معایب این روش میتوان به رهایش اضافی (burst release) در مراحل اولیه را ذکر کرد ؛که نامطلوب میباشد.

مدل مخزنی (reservoir devices):

با الکتروریسی هم محور، دارو درون ساختار نانو الیاف پلیمری محبوس (encapsulate) می گردد. الکتروریسی هم محور برای تولید ساختار های پوسته ـ هسته  یک روش الکتروریسی پیشرفته محسوب میشود.

میتوان از راندمان بار گذاری بالای دارو وکنترل بهتر بر رهایش دارو نسبت به روشهای قدیمی تر به عنوان مزایای این روش یاد کرد.در الکتروریسی هم محور ،رهایش اضافی (burst release effect) بسیار کاهش می یابد ؛ولی کامل حذف نمی شود.

رهایش دارو در این مدل ها با دو ساز و کار ۱٫ نفوذ ۲٫ انحلال صورت میگیرد.

نفوذ

دارو به غشاء پلیمری نفوذ واز ان عبور می کند تا در بافت هدف رها شود.

میزان نفوذ بستگی به تخلخل سامانه دارد . تفاوت حالت متخلخل وغیر متخلخل در رسیدن به بافت در این است که در حالت اول دارو از بین حفره ها عبور میکند و در حالت دوم از فضای بین زنجیر های پلیمری(free volume)

انحلال یا تخریب

نرخ رهایش دارو توسط نرخ انحلال غشاء و یا ماتریس کنترل میگردد. اساس این روش انحلال پلیمری است ؛که این پلیمر ها باید قابلیت انحلال و تخریب درون اب را دارا باشد .باید پارا متر هایی همانند مکانیزم انحلال ، دوره زمانی رهایش ، مسیر رهایش دارو برای انتخاب یک پلیمر خاص برای رهایش کنترل شده دارو را مورد توجه قرار دهیم .

سنسور هابر پایه نانو الیاف

نانو الیاف الکترو ریسی شده حاوی فلئورسانس را به عنوان سنسور های فلئورسانسی مورد استفاده قرار میگیرد . در سنسور های کازی بر پایه نانو الیاف به خاطر نسبت طول به قطر وسطح به حجم زیادافزایش حساسیت داریم وبه خاطر این خاصیت است که مورد توجه زیادی قرار گرفته است.

الکترود بر پایه نانو الیاف

نانو الیاف متخلخل ، ماتریکس های خوبی برای حفظ الکترو لیت های پلیمری هستند ؛ ودر ساخت باتری های لیتیومی با عملکرد بسیار بالا مورد استفاده هستند .غشاءمتخلخل زمانی که محلول الکترو لیتی مرطوب باشد هدایت یونی افزایش بافته ای را نمایش میدهد. و این پدیده به بخاطر ساختار متخلخل غشاء های حاوی  نانو الیاف الکترو ریسی شده است.تسهیل در اتتقال یونها به دلیل ساختار متخلخل این غشاء ها می باشد .

نتیجه گیری

الکتروریسی یکی از روشهای ممکن در تولید نانو الیاف پیوسته می باشد؛ وتوانایی تولید انواع الیاف پلیمری آلی ، سرامیکی  و ساخت مواد کامپوزیتی با قطر قابل کنترل را دارد . در پزشکی کار برد های ویژه ای در بخش مهندسی بافت ،سامانه رهایش دارو پوشش های زخم بند و … دارد . با کنترل پارا متر های الکتروریسی و عملیات تکمیلی میتوان نمونه های تولیدی وبهترین عملکرد را داشت اگر شرایط مناسب را فراهم کنیم.  کنترل نوع نانو الیاف  برای قابلیت بالقوه انها در ساخت دستگاه ها و علم مواد نیز دارای اهمیت میباشد .تحقیقات درزمینه الکترو ریسی منجر به کاربرد نانو الیف در طیف وسیعی از حوزه ها شده است.

نویسنده مطلب: hamid

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *