Exploring the limits of foamed electrospun PCL fibers

Abstract

Electrospinning, which is a technique capable of producing solid micro and nano fibers through the use of polymers solutions, have been used to produce polycaprolactone (PCL) fibers with different diameters. There are different parameters that influence the final characteristics of the fibers and, specifically, the relationship between the diameters of the fibers and the polymer concentration, the voltage, the flow rate, the distance needle-collector or the humidity have been studied. Furthermore, other techniques have been presented as possibilities to fabricate the hollow fibers, such as dry/melt/wet spinning and extrusion processes. Although those techniques are known nowadays and are used in practical applications, they did not allow producing hollow structures from fibers with a few micrometers of diameter or in the nanometer range. In this work a gas dissolution foaming path was followed, as it has been suggested previously, being an environmentally friendly and easy scalable technique. The fibers with different diameters have been subjected to a one-step gas dissolution foaming path, observing if the method allowed the fabrication of hollow fibers, and explore how the diameter of fibers influence the result. First, solid fibers from around 0.3 to 21 μm were obtained from electrospinning. Then, after the foaming procedure, it was found that fibers of a few micrometers presented hollow structures, while the smallest ones (close to 300nm) remained apparently intact. Moreover, the superficial morphology and the expansion ratio was studied, obtaining hollow fibers of 4 μm of diameter with superficial pores, and others, of about 20 μm of diameter, with an uniform solid skin.

El electrospinning, una técnica capaz de producir micro y nanofibras sólidas mediante el uso de polímeros, se ha utilizado para producir fibras de policaprolactona (PCL) de diferentes diámetros. Hay diferentes parámetros que influyen en las características finales de las fibras y, específicamente, se ha estudiado la relación entre los diámetros de la fibra y la concentración del polímero, el voltaje, la velocidad de flujo, la distancia aguja-colector o la humedad. Además, otras técnicas se han presentado como posibilidades viables para fabricar fibras huecas, como los procesos de dry/melt/wet spinning y otros de extrusión. Aunque esas técnicas son conocidas hoy en día y se usan en la práctica para la producción de fibras, no permiten producir estructuras huecas con diámetros de unos pocos micrómetros o de rango nanométricos. En este trabajo se siguió una ruta, utilizada previamente con el mismo tipo de materiales, en la cual se aplica la técnica conocida como “gas dissolution foaming” sobre las fibras sólidas, siendo una técnica ecológica y fácil de escalar a grandes cantidades de muestras. Se ha utilizado la espumación “one-step” con el objetivo de observar si el método permitía la fabricación de fibras huecas, y explorar como influye el diámetro de las fibras en el resultado. Se obtuvieron fibras sólidas de alrededor de 0.3 a 21 μm mediante electrospinning. Mientras que las fibras de unos pocos micrómetros presentaron estructuras huecas después del gas dissolution foaming, las más pequeñas (cerca de 300nm) permanecieron aparentemente intactas. Además, se estudió la morfología superficial y el factor de expansión, obteniendo fibras huecas de aproximadamente 4 μm de diámetro con poros superficiales, y otras, con tamaños de 20 μm con una piel sólida uniforme.