Hur multisolvents system påverkar elektrospinningsprocessen

Varför små fibrer och enkla vätskor spelar roll

Från andningsbara ansiktsmasker till smarta förband och livsmedelsförpackningar bygger många moderna material på mattor av extremt tunna plastfibrer. En av de mest mångsidiga metoderna för att framställa dessa nanofibrer är elektrospinning, där man med högspänning drar ut strängar från en vätska. Denna artikel ställer en förvillande enkel fråga med stora praktiska följder: hur påverkar valet och blandningen av vanliga laboratorielösningsmedel—de vätskor som används för att lösa plasten—om man får prydliga, användbara fibrer eller om vätskan plötsligt förvandlas till en oanvändbar gel?

Spinna nät från laddad vätska

Elektrospinning börjar med en polymer upplöst i ett lösningsmedel och tillförd genom en liten nozzle. När hög spänning appliceras skjuter en tunn stråle mot en uppsamlingsplatta och stelnar till ett nät av fibrer tunnare än ett mänskligt hårstrå. Metodens fördel är att fibrernas diameter, släthet och porositet kan justeras för olika användningar, från läkemedelsavgivande förband till luft- och vattenfilter. Men processen är extremt känslig för vätskans egenskaper: dess viskositet, ytspänning och ledningsförmåga beror alla på vilket lösningsmedel eller vilken kombination av lösningsmedel som används. I denna studie fokuserar författarna på en biologiskt nedbrytbar plast, polybutylensuccinat (PBS), och undersöker vad som händer när den löses i kloroform tillsammans med en andra, högre kokande vätska.

När en klar vätska plötsligt blir gelé

Gruppen blandade systematiskt kloroform med tre vanliga organiska lösningsmedel—dimetylformamid (DMF), dimetylsulfoxid (DMSO) och d-limonen—och löste två kommersiella PBS-kvaliteter i dem. De observerade att många av dessa tvåkomponentsblandningar, i stället för att förbli klara, långsamt blev grumliga och slutligen förvandlades till en gele- eller fettliknande massa, särskilt när DMF eller DMSO fanns närvarande. Genom att noggrant värma och kyla lösningarna och följa när de växlade mellan vätska och gel kartlade forskarna övergångstemperaturer och uppskattade energibarriären för denna förändring. Deras analys av lösningsmedels molekylära former och laddningsfördelningar tyder på att de mycket polära DMF och DMSO starkt associerar både med varandra och med specifika platser på PBS-kedjorna. Dessa kontakter låser i praktiken delar av kedjan, minskar rörligheten och driver hela blandningen mot lokal fällning och gelning.

Små skillnader i plast, stora skillnader i beteende

Intressant nog reagerade de två PBS-produkterna, trots nästan identisk molekylvikt, mycket olika. En kvalitet (BioPBS FD 92) gelade bara när andelen polar samlösningsmedel var relativt hög, medan den andra (PBE 003) började bli grumlig vid mycket mindre tillsatser. Författarna kopplar denna kontrast till subtila skillnader i densitet, kedjearkitektur och fabrikstillsatta bearbetningshjälpmedel, vilka förändrar hur lätt lösningsmedelsmolekyler kan tränga in mellan polymersegment. Viskositetsmätningar visade att BioPBS-lösningarna var tjockare, vilket bidrog till att stabilisera den laddade jetstrålen under elektrospinning och gav mer enhetliga fibrer. I motsats var de lägre viskositetslösningarna av PBE 003 mer benägna till instabiliteter, vilket gav fibrer med större spridning i diameter och fler spolformade defekter, särskilt när gelningen fortskred över tid.

Från släta strängar till porösa och instabila fibrer

Med elektronmikroskop jämförde forskarna fibrerna framställda från varje lösningsmedelskombination. Med DMF som det andra lösningsmedlet erhölls släta, kontinuerliga fibrer. När DMSO användes istället utvecklade fibrerna en porös yta. Författarna tillskriver detta en ånginducerad fasseparation: den starkt vattenälskande DMSO absorberar fukt från omgivande luft, vilket gör att den upplösta PBS fälls ut vid fibrernas yta innan lösningsmedlen helt avdunstar, och lämnar små tomrum efter sig. För blandningar som gelade snabbt krympte det användbara bearbetningsfönstret till ungefär en halvtimme. Därefter bröts jetstrålen, fibrerdimensionerna blev ojämna och tjocka spindlar uppstod, vilket visar hur tidsberoende gelning direkt underminerar produktkvalitet och skalbarhet.

Vad detta innebär för grönare fibermaterial

I vardagliga termer visar detta arbete att det inte räcker att lösa en plast i "vilken" kompatibel vätskeblandning som helst om man vill ha pålitliga, fint anpassade nanofibrer. Exakt vilka parningar och blandningsförhållanden av lösningsmedel som används kan tyst styra vätskan från ett spinnbart, vänligt tillstånd till en stel gel som täpper igen processen, eller till en lösning som bildar antingen släta eller porösa fibrer. För biologiskt nedbrytbar PBS ger polära partners som DMF och DMSO användbar styrning av fibrernas storlek och textur men kan också utlösa gelning om inte deras andel och temperaturen hanteras omsorgsfullt. Genom att identifiera dessa dolda interaktioner och deras inverkan på bearbetningstiden ger studien en praktisk färdplan för att utforma säkrare, grönare nanofiberprodukter för medicin, förpackning och filtrering utan obehagliga överraskningar i spinningslinjen.

Citering: 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

Nyckelord: elektrospinning, nanofibrer, biologiskt nedbrytbara polymerer, lösningsmedelsblandningar, gelning