Characterization of nanofibers produced by electrospinning for biomedical applications

Abstract

L'electrospinning o electrofilat és una tècnica versàtil i innovadora que s'utilitza per produir fibres ultrafines amb un diàmetre mitjà en un rang que va des de nanòmetres a micròmetres. Es basa en l'aplicació d'un camp elèctric a una solució polimèrica o massa fosa de polímer, cosa que dona com a resultat la formació de fibres contínues que es recullen en un elèctrode-recol·lector connectat a terra. Aquestes fibres tenen una alta relació superfície-volum i poden exhibir propietats úniques, cosa que les fa molt atractives per a moltes i diverses aplicacions. En aquesta tesi ens centrem principalment en aplicacions en enginyeria de teixits. Proposem un nou mètode per a la determinació de la porositat de fibres individuals (IFP) basat en la fosa de la nanofibra per col·lapsar els porus i en tècniques de microscòpia (SEM i AFM). Es van realitzar experiments d'IFP per a poli(ε-caprolactona) (PCL), un polímer comú a l'enginyeria de teixits, així com fibres de poliestirè (PS) a causa del seu ús habitual. Es van utilitzar imatges SEM per determinar l'àrea de la secció transversal de la nanofibra abans de la fosa. Es van fer servir eines de càlcul de volum i AFM per determinar l'àrea de la secció transversal de les fibres foses. També proposem un nou mètode per determinar el mòdul d'elasticitat en què també utilitzem dades d'IFP, ja que la porositat de les nanofibres influeix en les propietats mecàniques. Això permet calcular la secció transversal "veritable" de les fibres PCL per excloure l'àrea dels buits al seu interior i entre les fibres, cosa que ens permet estimar el mòdul d'elasticitat d'una fibra individual. Els resultats de les nostres proves de tensió es comparen bé amb les dades de la literatura per a fibres electrofilades individuals obtingudes mitjançant mètodes menys fiables. Finalment, vam fer una reconstrucció 3D de bastides electrofilades de poli(sebacat de glicerol) (PGS) i tropoelastina (TE). El renderitzat 3D ens va permetre visualitzar la distribució del material dins de la bastida. També vam fer l'intent inicial de simular les propietats mecàniques dels feltres electrofilats de TE utilitzant el mòdul de Young d'una sola fibra de TE.

El electrospinning o electrohilado es una técnica versátil e innovadora que se utiliza para producir fibras ultrafinas con un diámetro medio en un rango que va desde nanómetros a micrómetros. Se basa en la aplicación de un campo eléctrico a una solución polimérica o masa fundida de polímero, lo que da como resultado la formación de fibras continuas que se recogen en un electrodo-recolector conectado a tierra. Estas fibras poseen una alta relación superficie-volumen y pueden exhibir propiedades únicas, lo que las hace muy atractivas para muchas y diversas aplicaciones. En esta tesis nos centramos principalmente en aplicaciones en ingeniería de tejidos. Proponemos un nuevo método para la determinación de la porosidad de fibras individuales (IFP) basado en el fundido de la nanofibra para colapsar los poros y en técnicas de microscopía (SEM y AFM). Se realizaron experimentos de IFP para poli(ε-caprolactona) (PCL), un polímero común en la ingeniería de tejidos, así como fibras de poliestireno (PS) debido a su uso habitual. Se utilizaron imágenes SEM para determinar el área de la sección transversal de la nanofibra antes de su fundido. Se utilizaron herramientas de cálculo de volumen y AFM para determinar el área de la sección transversal de las fibras fundidas. También proponemos un nuevo método para la determinación del módulo de elasticidad en el que también utilizamos datos de IFP, ya que la porosidad de las nanofibras influye en sus propiedades mecánicas. Esto permite calcular la sección transversal "verdadera" de las fibras PCL para excluir el área de los huecos en su interior y entre las fibras, lo que nos permite estimar el módulo de elasticidad de una fibra individual. Los resultados de nuestras pruebas de tensión se comparan bien con los datos de la literatura para fibras electrohiladas individuales obtenidas mediante métodos menos fiables. Finalmente, hicimos una reconstrucción 3D de andamios electrohilados de poli(sebacato de glicerol) (PGS) y tropoelastina (TE). El renderizado 3D nos permitió visualizar la distribución del material dentro del andamio. También hicimos el intento inicial de simular las propiedades mecánicas de los fieltros electrohilados de TE utilizando el módulo de Young de una sola fibra de TE.

Electrospinning is a versatile and innovative technique used to produce ultrafine fibers with mean diameter in a range from nanometers to micrometers. It involves the application of an electric field to a polymer solution or melt, resulting in the formation of continuous fibers that are collected on a grounded collector electrode. These fibers possess a high surface area-to-volume ratio and can exhibit unique properties, making them highly attractive for many and diverse applications. In this thesis, we target mostly tissue engineering applications. We propose a new method for individual fiber porosity (IFP) determination based on annealing the nanofiber to collapse the pores and on microscopy techniques (SEM and AFM). IFP experiments were done for poly(ε-caprolactone) (PCL), which is a popular polymer in tissue engineering, as well as polystyrene fibers (PS) due to their common use. SEM images were used to determine the cross-sectional area of the nanofiber before annealing. AFM and volume computation tools were used to determine the cross-sectional area of annealed fibers. We also propose a new method for tensile modulus determination where we used IFP data as well, since the porosity of nanofibers influences their mechanical properties. This allows computing the "true" cross-section of the PCL fibers in order to exclude the area of the voids between fibers, which allows us to estimate the tensile modulus of an individual fiber. Our tensile testing results compare well with literature data for individual electrospun fibers obtained by less reliable methods. Finally, we did a 3D reconstruction of electrospun scaffolds made of poly(glycerol sebacate) (PGS) and tropoelastin (TE). 3D rendering allowed us to visualize the material distribution within the scaffold. We also made the initial attempt to simulate the mechanical properties of TE electrospun mats using the single TE fiber Young’s modulus.