آزمایش شماره ۴: تولید نانو الیاف ضد باکتری PVA حاوی نانو ذرات نقره به روش الکتروریسی

۱- هدف

هدف از انجام این آزمایش آشنایی با روش الکتروریسی، روش کار با دستگاه الکتروریس، تولید نانو الیاف ضدباکتری PVA حاوی نانو ذرات نقره و آشنایی با خواص ضد باکتری نانو ذرات نقره است.

۲- تئوری آزمایش

۱-۲-نانو الیاف

بر اساس مقالات و مراجع مرتبط با تکنولوژی و علوم الیاف، به لیفی با قطر زیر nm1000 یا زیر یک میکرون با نسبت طول به قطر بزرگ‌تر از 1000، نانو لیف[1] اطلاق می‌شود و به مجموعه نانو لیف‌­ها که می‌­تواند به­‌صورت شبکه بافته نشده یا بافته شده باشد، نانو الیاف اطلاق می­‌شود. امروزه الیاف پلیمری، سرامیکی و کامپوزیتی به قطر چندین نانومتر تا چند میکرون را می‌­توان به سهولت توسط روش الکتروریسی[2]، به اشکال مختلف و با هزینه بسیارکم تهیه نمود. همان طور که درشکل 1 مشاهده می­‌شود قطر این الیاف در محدوده نانو در مرتبه باکتری­‌ها و ویروس‌­ها قرار دارد. این ویژگی سبب شده است که این الیاف برای کاربردهای بیولوژیک و مهندسی بافت مورد توجه قرار بگیرد.

شکل ۱- تصویری از نانو الیاف در کنار موی انسان و مقایسه نانو الیاف و برخی اجسام کوچک

خواص جالب توجه نانو الیاف بدست آمده توسط الکتروریسی عبارتند از:

• نسبت سطح به حجم بالا (1000 برابر میکرو الیاف) یا سطح ویژه بزرگ
• قابلیت کنترل اندازه حفر­ه­‌ها در شبکه
• خواص مکانیکی بالا در جهت محوری الیاف
• مقاوت اهمی کمتر نسبت به نانو الیاف تولید شده به دیگر روش‌­ها
• پایداری شیمیایی و حرارتی بالاتر
• پیوستگی الیاف با طول بیش از چند صدمتر تا چندکیلومتر
• ساختار کریستالی جهت‌دار که سبب چقرمگی و استحکام کششی بالاتر الیاف در راستای طول الیاف می‌­شود
• تنوع در مورفولوژی و شکل الیاف از تسمه­‌ای مانند و گره‌­دار گرفته تا الیاف توخالی و الیاف چند لایه کامپوزیتی

۲-۲- فرایند الکتروریسی

یکی از روش‌­های نسبتاً جدید برای تولید نانو الیاف پلیمری، استفاده از یک میدان الکترواستاتیکی قوی است. این روش به نام ریسندگی الکترواستاتیکی الیاف یا الکتروریسی شناخته می‌­شود. می­‌توان گفت الکتروریسی شبیه فرآیند کشش است، اما به جای نیروی مکانیکی از نیروی الکترواستاتیکی برای بیرون کشیدن محلول و کشش الیاف استفاده می‌کند. در این روش، محلول یا مذاب پلیمری از درون یک نازل مویینه به بیرون هدایت می­‌شود. سپس ولتاژ بالایی بین نازل و صفحه جمع کننده رسانا برقرار می­‌شود. میدان الکتریکی سبب می­‌شود قطره تشکیل شده بر سر نازل، شکل مخروطی به خود گیرد. در رأس مخروط شارش میدان ناپایدار بوده و با افزایش میدان، نیروی الکتروستاتیک بر کشش سطحی محلول غلبه کرده، جت از رأس آن خارج می‌­شود و به سمت جمع کننده شتاب می­‌گیرد. در این هنگام، جت وارد مرحله دیگری از ناپایداری شده و پس از تقسیم شدن شروع به حرکت دورانی می‌­کند که به شلاق­زنی معروف است. دلیل این نوع حرکت وجود میدان الکتریکی و اندرکنش­‌های الکترواستاتیکی است.

این عمل سبب ازدیاد طول جت و شکل گیری نانو الیاف می‌­گردد. فرآیند تشکیل نانو الیاف بسیار سریع بوده و الیاف به طور پیوسته تا طول چند صدمتر تا چند هزارمتر به طور پیوسته تولید می­‌شوند. این پیوستگی به علت گرانروی بالای محلول، ناشی از درهم فرورفتگی زنجیره­‌‌‌های پلیمری است که از فروپاشی جت الکتروریسی جلوگیری می­‌کند. با این روش می­توان شبکه­‌های بافته نشده با نخ­‌های درهم تابیده از نانو الیاف را در مقیاس صنعتی تولید کرد. این الیاف قطری در محدوده چند صد نانومتر داشته و شبکه بافته نشده حاصل از آن‌ها متخلخل است.

۳- روش کار آزمایش

  ۱-۳- وسایل تجهیزات مورد نیاز

وسایل مورد نیاز برای تولید نانو الیاف ضد باکتری عبارتند از:

• پلیمر پلی وینیل الکل (PVA) به­‌عنوان پلیمر تولید الیاف
• نانو ذرات نقره
• آب مقطر یون گیری شده
• همزن مغناطیسی
• مقدار کیک خوراکی تازه

۲-۳- معرفی دستگاه الکتروریس روش استفاده از آن

• هشدار ایمنی: با توجه به استفاده از جریان الکتریکی ولتاژ بالا در این دستگاه استفاده از آن در صورت عدم حضور مسئول آزمایشگاه ممنوع می­باشد.

دستگاه­‌های  الکتروریسی مورد استفاده در مجموعه آزمایشگاه­‌های دانش آموزی نانو فناوری توان تولید انواع نانو الیاف با ترکیبات مختلف را دارد. این دستگاه از یک پمپ سرنگی دقیق برای تزریق محلول پلیمری و ایجاد جت پلیمر استفاده می­‌کند (نرخ تزریق μl/h 100 – 10). این پمپ به گونه­‌ای طراحی شده است که با قرار گرفتن عمودی سرنگ مورد استفاده، حداقل فضای ممکن را اشغال کند. همچنین این پمپ توان استفاده همزمان از دو سرنگ را دارد.

این دستگاه می‌­تواند از انواع سوزن‌­های توخالی به­‌عنوان نازل استفاده کند. دستگاه توان کنترل سرعت روبش رفت و برگشتی نازل با سرعتی نزدیک به mm/min 2500 – 0 و نیز معمولا نقطه آغاز فرایند در بازه cm 30 – 0 را دارد. جمع‌آوری نانو الیاف بر روی جمع کننده غلطکی چرخان صورت می­‌گیرد که دارای سرعت چرخشی متغیر نزدیک به rpm 3000 – 200 است. اختلاف پتانسیل مورد استفاده در این دستگاه‌ها برای فرایند ریسندگی حداکثر برابر kV 35 است که با استفاده از سامانه کنترلی دستگاه قابل تنظیم است. دما و غلظت بخارات حلال در محیط ریسندگی نیز با استفاده از سامانه گرم کن و تهویه قابل تنظیم است.

• هشدار ایمنی: حتماً پیش از روشن کردن دستگاه از اتصال صحیح کابل اتصال به زمین دستگاه اطمینان حاصل کنید. در صورت عدم اتصال صحیح امکان آسیب جدی قطعات الکترونیکی و نیز کاربر دستگاه وجود دارد.

پس از آماده‌سازی محلول مورد نظر برای ریسندگی، سرنگ دستگاه را با محلول پر کرده و در محل خود قرار دهید. همچنین با استفاده از فویل آلومینیومی سطح غلطک چرخان را پوشش دهید تا الیاف ریسیده شده در حین جدا کردن آسیب نبینند.

پس از نصب سرنگ در جای خود و برقراری اتصالات ولتاژ بالای مربوط به سوزن، دستگاه را روشن کرده و با استفاده از ابزار کنترلی موجود در صفحه کنترل نرخ تزریق محلول، موقعیت روبش توسط سوزن، فاصله میان جمع کننده و سر سوزن و سرعت چرخش جمع کننده غلطکی را تنظیم کنید.

• هشدار ایمنی: در حین کار با اجزای درون محفظه ریسندگی حتماً دستگاه خاموش باشد. احتمال برق گرفتگی با ولتاژ بالا وجود دارد.

پس از تنظیمات اولیه دستگاه، منبع تغذیه دستگاه را روشن کرده و ولتاژ خروجی آنرا تنظیم کنید. در نهایت پس از بررسی نهایی تنظیمات صورت گرفته، دکمه آغاز فرایند الکتروریسی را فشار دهید. این فرایند می­‌تواند بر اساس تنظیمات صورت گرفته برای حجم مشخص محلول مصرفی و یا زمان مشخصی از فرایند انجام شود.

۳-۳- آماده سازی محلول پلیمری

با توجه به اینکه نانو ذرات مورد استفاده برای تولید الیاف ضد باکتری در آزمایش مرحله اول در محیط محلول آبی تولید شده­‌اند، برای تهیه محلول پلیمری از این محلول حاوی نانو ذرات نقره استفاده می‌­کنیم. به این صورت که با افزودن مقدار مناسب PVA به محلول، محلول نهایی با غلظت 15% وزنی PVA برای ریسندگی را تهیه می­‌کنیم (محاسبات مربوط به تهیه محلول بر عهده دانش آموزان است). ابتدا محلول حاوی نانو ذرات نقره را با استفاده از هم­زن مغناطیسی به مدت 30 دقیقه و با دور اختلاط rpm 700 هم­‌بزنید تا ذرات ته‌نشین شده در محیط مایع غوطه­‌ور شوند. سپس حجم مورد نیاز از محلول را برداشته و در ظرف دیگر تحت اختلاط قرار دهید. در ادامه دانه­‌های جامد PVA را به آرامی به محلول در حال اختلاط افزوده و اجازه دهید با دور rpm 700 به مدت 2 ساعت مخلوط شوند. برای اینکه فرایند انحلال PVA و یکنواختی محلول به­‌راحتی صورت گیرد دمای محلول اولیه را ᵒC 80 تنظیم کنید.

۴-۳- روش ریسیدن نانو الیاف ضد باکتری حاوی نانو ذرات نقره

در نهایت پس از آماده سازی محلول، سرنگ دستگاه الکتروریس را با آن پر کرده و با رعایت تمام نکات ایمنی، بر روی پمپ نصب کنید. در نهایت فویل آلومینیومی را بر روی غلطک جمع کننده نصب کنید؛ همچنین برای نمونه برداری از نانو الیاف تولیدی برای تصویر برداری از الیاف حاصل، قطعه بسیار کوچکی از لام را برش داده و در قسمت حاشیه­‌ای غلطک که مقدار کمی از الیاف روی آن خواهد نشست نصب کنید. پس از بررسی اتصالات و اعمال تنظیمات دستگاه، ریسیدن نانو الیاف ضد باکتری حاوی نانو ذرات نقره را آغاز کنید. پس از اتمام کار، ابتدا به ترتیب منبع تغذیه ولتاژ بالا و کل دستگاه را خاموش کنید. فویل آلومینیومی و لام را از غلطک جدا کنید؛ دقت کنید نمونه­‌ای که بر روی لام قرار دارد را به هیچ وجه با دست لمس نکنید و آن را در محل مناسبی به دور از هر گرد و خباری برای آزمایش مرحله بعد نگه­داری کنید. سر سوزن را به خوبی تمیز کرده و سیم نازکی را بر روی سر آن قرار دهید تا از انسداد مجرای آن در اثر تبخیر حلال جلوگیری شود.

تکه­‌ای از فویل پوشش داده شده با نانو الیاف ضد باکتری را جدا کرده و مقداری کیک تازه را بر روی نانو الیاف ریخته و از تماس کامل کیک با الیاف مطمئن شوید. کیک و الیاف را به مدت 24 ساعت در محیط مرطوب و گرمی (دمای در حدود ᵒC 30) قرار دهید. پس از گذشت این مدت مشاهدات خود را ثبت کنید.

۵- پرسش

• تأثیر عوامل مؤثر بر فرایند الکتروریسی، بیان شده در قسمت تئوری آزمایش را بررسی کنید.
• در صورتی که به‌­جای فویل آلومینیومی از ماده نارسانایی مانند کاغذ استفاده شود چه اتفاقی خواهد افتاد؟
• چه پدیده یا پدیده­‌هایی موجب ایجاد خاصیت ضدباکتری در نانو ذرات نقره می‌­شود؟
• تحقیق کنید تغییر فاصله جمع کننده چه اثری بر خواص الیاف تولیدی دارد؟
• پس از گذشت زمان 24 ساعت چه پدیده­ای بر روی کیک قرار گرفته در میان نانو الیاف در محیط گرم و مرطوب مشاهده می­‌کنید؟ دلیل این امر در چیست؟

[1] nanofiber

[2] electrospining