Un origami

Nov 18, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7083 (2023) Citer cet article

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La fabrication de fibres hautement alignées par électrofilage en champ lointain est une tâche difficile à accomplir. Plusieurs études présentent des progrès dans l'alignement des fibres électrofilées qui impliquent une modification de la configuration d'électrofilage conventionnelle avec des ajouts complexes, une fabrication en plusieurs phases et des composants coûteux. Cette étude présente une nouvelle conception de collecteur avec une structure en origami pour produire des fibres électrofilées en champ lointain hautement alignées. Le collecteur d'origami se monte sur le tambour rotatif et peut être facilement fixé et retiré pour chaque cycle de fabrication de fibres. Cette technique simple, efficace et peu coûteuse produit des fibres ultra-alignées de haute qualité tandis que la configuration reste intacte pour d'autres types de fabrication. Les fibres électrofilées de poly (ɛ-caprolactone) (PCL) ont été évaluées par microscope électronique à balayage (MEB), distribution du diamètre des fibres, angle de contact avec l'eau (WCA), analyse par transformée de Fourier rapide (FFT), profil de tracé de surface et tracés d'intensité de pixel. Nous avons exploré en profondeur l'impact de paramètres influents, notamment la concentration en polymère, le taux d'injection, la vitesse de rotation du collecteur, la distance entre le collecteur et la pointe et le numéro de jauge de l'aiguille, sur la qualité et l'alignement des fibres. De plus, nous avons utilisé des algorithmes d’apprentissage automatique pour prédire les résultats et classer les fibres de haute qualité plutôt que les productions de mauvaise qualité.

La technique d'électrofilage a été largement utilisée pour générer des fibres à l'échelle nanométrique à microscopique à partir de divers polymères, copolymères et combinaisons de polymères. Généralement, l’installation d’électrofilage en champ lointain est couplée à un tambour rotatif pour créer des fibres alignées. Cependant, la création de fibres alignées est fonction de multiples éléments à contrôler et ne dépend pas uniquement des tambours en rotation. Un contrôle élevé de l'orientation des fibres est crucial pour élargir la gamme d'applications des fibres, notamment l'administration de médicaments1, l'ingénierie tissulaire2,3,4, la cicatrisation des plaies5, les biocapteurs6,7, la régénération nerveuse8,9 et d'autres applications biomédicales10,11,12. Le mandrin cylindrique conventionnel, généralement utilisé pour les fibres alignées, présente certaines restrictions, notamment un manque de contrôle étroit sur le dépôt et l'alignement des fibres13. Il a également été rapporté que la rotation du mandrin peut entraîner un dépôt aléatoire de fibres à faible vitesse, tandis qu'une vitesse de mandrin plus élevée pourrait conduire à des fibres bien orientées. Néanmoins, un réglage fin de la vitesse du collecteur est obligatoire car une vitesse élevée du collecteur détériore l'alignement de la fibre en raison d'un manque de contrôle sur le degré d'anisotropie14,15. De plus, la production de fibres hautement alignées peut également nécessiter le recrutement d'une configuration complexe (rotation des électrodes auxiliaires autour de l'axe de l'aiguille)16, des ajouts coûteux (ajout d'un collecteur d'électrodes parallèles)17 et plusieurs étapes de fabrication (post-étirage)18.

Les chercheurs ont proposé des méthodes polyvalentes pour former des fibres alignées19,20,21,22,23. Récemment, Cui et al. fabriqué une membrane PCL alignée avec du chitosane pour contrôler la libération de ciprofloxacine encapsulée. Dans ce travail, l’électrofilage coaxial a été utilisé pour produire des fibres aléatoires/alignées pour des applications de cicatrisation des plaies, même si la membrane chargée de médicament ne présentait pas un alignement élevé des fibres1. Dans d'autres études menées par Hu et al.24 et Xu et al.25, des fibres hautement alignées ont été fabriquées avec succès via un collecteur à disque mince d'un diamètre de 280 mm et 200 mm, respectivement. Cette méthode peut offrir une meilleure orientation des fibres, néanmoins, ce type de collecteur est doté d'une zone accessible limitée pour collecter les fibres alignées. Kador et coll. recouvert d'une tasse en plastique avec du papier d'aluminium et placé un fil de cuivre au centre de la tasse comme broche centrale tandis que les deux étaient connectés à la même masse. Les auteurs ont affirmé avoir réussi à éliminer les vides et les billes des fibres générées, alors qu'un traitement préalable à l'électrofilage était nécessaire26. Certains chercheurs ont utilisé des configurations d'électrodes auxiliaires pour atteindre un degré élevé de contrôle sur l'orientation et le dépôt des fibres électrofilées sur la zone du collecteur27. Par exemple, Zaho et al. utilisé un collecteur d'électrodes parallèles au lieu d'un tambour rotatif ordinaire et placé un anneau de cuivre chargé positivement entre le collecteur et l'aiguille. Des nanofibres hautement alignées ont été produites pendant une longue période de filage ; cependant, les ajouts rendent la configuration plutôt complexe et coûteuse28. Dans un travail plus récent de Tindell et al., un contrôle spatial précis de l’orientation des fibres a été obtenu en utilisant l’électrofilage à assistance magnétique. En installant plusieurs configurations d'aimants dans l'installation, divers gradients de fibres ont été produits, notamment des fibres hautement alignées dans la région magnétique et des fibres parfaitement alignées dans la région non magnétique. Les fibres hautement alignées, dans cette étude, dépendent entièrement de la configuration de l'aimant. De plus, d’autres études ont fabriqué des nanofibres via des filières latérales qui déposent les fibres sur le collecteur dans des directions opposées30,31. Par exemple, en 2019, Tian et al. utilisé une configuration d'électrofilage conjuguée pour obtenir des microfibres alignées en améliorant les conditions de la configuration. Les fibres fabriquées bénéficiaient de caractéristiques importantes, notamment un magnétisme accordable, une conduction électriquement anisotrope et une fluorescence améliorée32.