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Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações

Adillys Marcelo da Cunha Santos

Laboratório de Tecnologia de Materiais – LTM

Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais - UAEMa / UFCG

Importância da Engenharia de Materias

Fratura bilateral de úmero proximal

O que é Engenharia de Materias?

Metais

Polímeros Cerâmicas

Compósitos

Primeiras evidências do uso da nanotecnologia


Idade média (456 – 1453) e durante a renascença (XIV – XVI) : uso de uma tinta feita com nanopartículas de prata e cobre

Aço de Damasco Indiano (600 BC) : continham nanotubo de carbono e nanopartículas de cementita

Artesãos na Mesopotamia (XIX) : usaram nanopartículas de cobre a óxido de prata para dar brilho a cerâmicas

Primeiras ideias sobre nanociência


• Gravidade se torna menos importante;

• Tensão superficial e as forças de Van Der Walls tem maior importância

• Escassez de tecnologia

Quem cunhou o termo nanotecnologia?


Norio Tiniguchi (Tokyo University of Science, 1974) : Descreveu processos de materias semicondutores por deposição de filmes finos com controle morfologico da ordem de nanômetros

Quem popularizou o termo nanotecnologia?


Erick Dexler (MIT, 1980) : “Molecular Engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation,”

Livro: ”Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology”, 1986

Invenção do microscópio de tunelamento em 1980


Gerd Binning (esquerda ) e Heinrich Rohrer (direita) ganharam o prêmio Nobel de Física em 1981 pela a invensão do microscópio de tunelamento

Ocorreu um grande ”BOOM”nos estudos voltados a nanociência

Avanços nos estudos de interface e colóides (“disperão de partíluas em um meio com tamamanho infeior a 1um”)

Descoberta do Fulenero


Buckyball C60 - estrutura baseada em hexágonos e pentágonos e na forma de nanotubos de carbono

Resitência térmica e supercondutivodde

Descoberto em 1985 por HW Kroto e R Smalley

1.1 nm

Nanociência: “estudo dos fenômenos e manipulação dos materiais na escala atômica e molecular onde as proriedades se diferenciam significativamente de escala maiores”

Nanotecnologia:” desenho, produção, caracterização e aplicação de estruturas, dispositivos e sistemas através do controle da forma e tamanho numa escala nanométrica”

Algumas definições



”Nano”, do grego nánnos: ”anão”

1/1.000.000.000

ou 10-9

A bilionésima parte do metro

1 nm

10 átomos

6,5 cm

Nano não é visto a olho nu…


Resolução: 0.2 mm

”Fibras”: definição


Do ponto de vista geométrico: ”um material delgado, alongado, com uma estrutura tipo fio”

Fibra possui alta razão de aspecto; com grande relação comprimento diâmetro (L/d)

Nanofibra <= 100 nm, definição acadêmica; A indústria tem dado maior flexibilidade na definação para 300 nm ou mesmo 500 nm

ALTA ÁREA SUPERFICIAL … D = 10 µm ----------------- Asup = 0.4 m2/gD= 100 nm ----------------- Asup = 40 m2/g

A natureza inventou a fibra e nós a copiamos


Cabelo humano

Nanofibras

Fio de cabelo humano sobre uma manta de nanofibras


80 µm

Hemácia coberta por nanofibras


Hemácia do ser humano

Nanofibra6 µm

Esporo de pólen sobre uma manta de nanofibras


Esporo de pólen

Manta de nanofibras

Curiosidade


Quanto de polímero precisamos para cobrir a distância entre a lua e a terra (cerca de 384400 km) se usássemos uma nanofibra de diâmetro igual a 100 nm?

Elevada razão superfície-volume

Métodos de produção


Micro e nanofibras de polímeros

Solution

Spinning

Melt

Spinning

Melt

Blowing

Dry

Spinning

Wet

Spinning

Electrospinning Solution Blow

Spinning

Métodos de produção: eletrofiação (”electrospinning”)


Fibras poliméricas e cerâmicas

Métodos de produção: eletrofiação e limitações


Baixa produtividade: manta de 2 mm leva 8h

Altas voltagens: riscos ao operador e limita aplicação em tecidos vivos;

Limitação da constante dielétrica de solventes;

Limitação para a produção em 3D

Alto custo: c.a. R$ 100.000,00

Parâmetros que afetam o processo de eletrofiação


Concetração da solução


Massa molar do polímero

Mw aumenta



Tensão superficial: solução de 4% m/m PVP/solventes


Etanol MC DMF



Voltagem: maiores voltagens tendem a reduzir diâmetro de fibra

Taxa de alimentação: Não há um concenso, mas surege-se uso de baixa alomentação da solução polimérica;

Rotção do coletor: reduz diâmetro de fibra

Eletrofiação tipo core-shell / coaxial


Esquemas para aumento de produtividade


Good Year, vulcanização (1839)

Fiação por sopro em solução - SBS – (Solution blow spinning)


Fiação por sopro em solução - SBS – (Solution blow spinning)


“Pesquisa na mais é do que estudo e observação”

Alan MacDiarmid, compartilhou nobel de química sobre polímeros condutores

Fiação por sopro em solução (SBS – Solution blow spinning)


Prof. Eliton Medeiros



Coletor rotativo PMMA

PS PLA Escala 5 um

Fiação por sopro em solução: vantagens


Fácil scale-up comercial;

30 – 100 x maior produtividade que a taxa da eletrofiação;

Sem necessidade de altas voltagens, condutividade de coletor ou limitação dielétrica de solvente;

Baixo custo

Deposição direta em tecidos vivos e confecção de estruturas 3D.

Parâmetros que afetam o processo


Concentração da solução;

Massa molar do polímero

Pressão

Taxa de alimentação

Outros



Solução diluída

Solução semi-diluída

Solução concentrada

Air jet spinning; em busca da patente perdida…


Solução diluída

Solução semi-diluída

Solução concentrada

Rotary spinning


Número de papers SBS


Aplicações


Nanofibras

Curativos

Engenhariade tecidos

Entrega de fármacos

Filtros

Roupas de proteção Materias de

reforço

Aplicaçõesópticas

Condutoreselétricos

Sensores

Aplicaçõesópticas

Prótesesmédicas

Dispositivoshemostáticos

Deposição direta em orgãos (in-situ)


Pulmão (A), Intestino (B), Fígado (C), Hérnia (D)

Aplicações


Folhas contendo nanofibras com pesticidas

Nanofibras como barreira de proteção contra insetos

Aplicações roupas protetoras


Apicações: sensores de gás a bases de SnO2


SnCl.2H2O + PVP/DMF/EtOH

Emanuel Pereira

Apicações: sensores de gás a bases de SnO2


Emanuel Pereira

Aplicações: estudos de maturaçõa de frutos


Preparação de sensores de gás a base de nanofibras de PLA/PAni


Aplicações: estudos de maturaçõa de frutos


Aplicações: Liberação de fármacos

Kaline Nascimento

Raquel leite


Aplicações: degradação de corantes

Híbrido PVAc/TiO2

500o CTratamento em UV por 12 horas

Raquel leite


Aplicações: antimicrobianas contra E.coli

Híbrido PVAc/TiO2

Tratamento em UV 500o C

Culture plate (bacteria)

Bonan, R. in preparation

Culture plate (bacteria)

Islands of bacteria (E.coli)

SB-Spun fibers (PLA+natural oils)


Aplicações: antimicrobianas contra bactérias

Híbridos PLA/nanopartícula de sílica Eng. de tecidos


Híbridos PLA/sílica para engenharia de tecidos


Aspecto tipo chumaço de algodão


Híbridos PLA/sílica para engenharia de tecidos


Híbridos gelatina/sílica para engenharia de tecidos

Túbulos para angiogênese e regeneração de nervos


A

B

CD

Rojerson Ramos

Déborah Santos

Híbridos PLA/PEG/Fosfatos de cálcio Eng. de tecidos


Fibras PVA/precursores inorgâncos

1000o C

PLA/PEG/Fosfato

Fibra cerâmica

Fibras de Biovidro para regenação do tecido ósseo


Eudes Leonnan

Morfologia antes e após queima



Ensaios in vitro (SBF) e difração de raios-X


Esponjas cerâmicas ultra-leves

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Polímero biodegradável + nutrientes para agricultura

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Liberação controlada de nutrientes para agricultura

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Obrigado!

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