L'influenza dei sistemi multi-solvente sul processo di elettrospinning

Perché fibre piccolissime e liquidi semplici contano

Dalle mascherine traspiranti a cerotti intelligenti e imballaggi alimentari, molti materiali moderni si basano su tappeti di fili plastici estremamente sottili. Uno dei modi più versatili per produrre queste nanofibre è una tecnica chiamata elettrospinning, che tira filamenti da un liquido usando alta tensione. Questo articolo pone una domanda apparentemente semplice ma con grandi conseguenze pratiche: come la scelta e la miscela di solventi di laboratorio di uso comune — i liquidi usati per sciogliere la plastica — controllano se si formano fibre ordinate e utili oppure il liquido si trasforma improvvisamente in un gel inutilizzabile?

Filare reti da un liquido carico

L'elettrospinning inizia con un polimero disciolto in un solvente e alimentato attraverso un piccolo ugello. Quando si applica una alta tensione, un sottile getto spara verso una piastra collettore e si solidifica in una rete di fibre più sottili di un capello umano. La bellezza del metodo è che diametro, liscezza e porosità delle fibre possono essere regolati per usi diversi, dai medicazioni veicolanti farmaci ai filtri per aria e acqua. Ma il processo è estremamente sensibile alle proprietà del liquido: la sua viscosità, tensione superficiale e capacità di condurre elettricità dipendono tutte dal solvente o dalla combinazione di solventi impiegati. In questo studio gli autori si concentrano su una plastica biodegradabile, il poli(butilene succinato) (PBS), e esplorano cosa succede quando è disciolta in cloroformio insieme a un secondo liquido a più alto punto di ebollizione.

Quando un liquido limpido diventa improvvisamente gelatina

Il gruppo ha miscelato sistematicamente il cloroformio con tre solventi organici comuni — dimetilformammide (DMF), dimetilsolfossido (DMSO) e d-limonene — e vi ha disciolto due gradi commerciali di PBS. Hanno osservato che molte di queste miscele a due solventi, invece di rimanere limpide, diventavano lentamente torbide e infine in una massa gelatinosa o grassosa, particolarmente quando erano presenti DMF o DMSO. Riscaldando e raffreddando con cura le soluzioni e monitorando i punti in cui passavano da liquido a gel, i ricercatori hanno mappato le temperature di transizione e stimato la barriera energetica per questo cambiamento. La loro analisi delle forme molecolari dei solventi e delle distribuzioni di carica suggerisce che i molto polari DMF e DMSO si associano fortemente sia fra loro sia con siti specifici sulle catene di PBS. Questi contatti fissano di fatto parti della catena, riducendo la mobilità e spingendo l'intera miscela verso una precipitazione locale e la gelificazione.

Piccole differenze nella plastica, grandi differenze nel comportamento

Interessante, i due prodotti PBS, pur avendo peso molecolare quasi identico, hanno risposto in modo molto diverso. Un grado (BioPBS FD 92) gelificava solo quando la frazione di co-solvente polare era relativamente alta, mentre l'altro (PBE 003) cominciava a diventare torbido con aggiunte molto più piccole. Gli autori collegano questo contrasto a sottili differenze di densità, architettura delle catene e additivi di processo introdotti in fabbrica, che modificano quanto facilmente le molecole di solvente possono insinuarsi tra i segmenti polimerici. Misure di viscosità hanno mostrato che le soluzioni di BioPBS erano più dense, il che aiutava a stabilizzare il getto carico durante l'elettrospinning, portando a fibre più uniformi. Al contrario, le soluzioni a minore viscosità di PBE 003 erano più soggette a instabilità, producendo fibre con una più ampia distribuzione di diametri e più difetti a forma di fuso, specialmente man mano che la gelificazione progrediva nel tempo.

Da filamenti lisci a fibre porose e instabili

Usando microscopi elettronici, i ricercatori hanno confrontato le fibre prodotte da ogni combinazione di solventi. Con DMF come secondo solvente hanno ottenuto fibre lisce e continue. Quando invece è stato usato DMSO, le fibre hanno sviluppato una superficie porosa. Gli autori attribuiscono questo a una separazione di fase indotta dal vapore: il DMSO, molto igroscopico, assorbe umidità dall'aria circostante, causando la precipitazione del PBS disciolto sulla superficie della fibra prima che i solventi evaporino completamente, lasciando minuscoli vuoti. Per le miscele che gelificavano rapidamente, la finestra di lavorabilità utile si riduceva a circa mezz'ora. Oltre questo intervallo, il getto si rompeva, i diametri delle fibre diventavano irregolari e comparivano grossi fusiformi, mostrando come la gelificazione dipendente dal tempo comprometta direttamente la qualità del prodotto e la scalabilità.

Cosa significa per materiali fibrosi più sostenibili

In termini pratici, questo lavoro mostra che sciogliere una plastica in “qualsiasi” miscela compatibile di liquidi non basta se si vogliono nanofibre affidabili e finemente regolate. L'esatta coppia e il rapporto di miscelazione dei solventi possono indirizzare silenziosamente il liquido da uno stato amichevole e filabile a una gelatina rigida che intasa il processo, o verso una soluzione che genera fibre lisce o porose. Per il PBS biodegradabile, partner polari come DMF e DMSO offrono un controllo utile su dimensione e texture delle fibre ma possono anche innescare la gelificazione a meno che la loro frazione e la temperatura non siano gestite con cura. Identificando queste interazioni nascoste e il loro impatto sul tempo di lavorabilità, lo studio fornisce una mappa pratica per progettare prodotti di nanofibra più sicuri e verdi per medicina, imballaggio e filtrazione, senza spiacevoli sorprese nella linea di filatura.

Citazione: Borowczak, M., Sobczyk, K. & Leluk, K. The influence of multi-solvent systems on the electrospinning process. Sci Rep 16, 8666 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42574-0

Parole chiave: elettrospinning, nanofibre, polimeri biodegradabili, miscele di solventi, gelificazione