สาระน่ารู้ : เส้นใยนาโน (nanofiber) ตอนที่ 2
กลับมาอีกครั้งน่ะครับ ครั้งนี้จะมาต่อกันเลยจากครั้งที่แล้ว
เส้นใยที่ประดิษฐ์ได้มีลักษณะหลายรูปแบบ และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตลอดจนความต่อเนื่องของเส้นใยแตกต่างกันออกไป ทั้งนี้ขึ้นกับปัจจัยต่างๆ ซึ่งสามารถแบ่งตัวแปรสำคัญที่ทำให้เกิดผลกระทบต่อลักษณะเส้นใยได้เป็น 3 กลุ่ม [5] คือ
1) ตัวแปรด้านสารละลาย สมบัติของสารละลายเป็น ตัวแปรที่ส่งผลต่อการประดิษฐ์เส้นใยนาโนอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งขนาดและรูปร่างของเส้นใย เช่น ความตึงผิวของสารละลายจะส่งผลต่อการเกิดปุ่มคล้ายลูกปัด (beads) ซึ่งมีลักษณะเป็นก้อนทรงกลมหรือรีอยู่บนเส้นใย หากความเข้มข้นของสารละลายมีค่าสูงจะมีผลทำให้ปริมาณปุ่มคล้ายลูกปัดลดลง ดังตัวอย่างการประดิษฐ์เส้นใยนาโนจากสารละลาย PAN/DMF สำหรับนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมเส้นใยนาโนคาร์บอน (carbon nanofiber) และระบบกรองอย่างละเอียด ของกลุ่มวิจัย SSMG ในรูปที่ 4
2) ตัวแปรในระบบ เป็นปัจจัยที่สำคัญมากอีกกลุ่มหนึ่งประกอบด้วย ความต่างศักย์ไฟฟ้า อัตราการไหลของสารละลาย อุณหภูมิของสารละลาย ชนิดของวัสดุรองรับ ระยะห่างระหว่างปลายเข็มกับวัสดุรองรับ และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเข็มโลหะ ตัวแปรเหล่านี้ล้วนมีผลต่อลักษณะของเส้นใยโดยเฉพาะความต่างศักย์ไฟฟ้าซึ่ง ส่วนใหญ่หากศักย์ไฟฟ้าที่ให้แก่ระบบมีค่ามากจะส่งผลให้ขนาดของเส้นใยเล็กลง ดังในรูปที่ 5 จะเห็นว่า ที่ความเข้มข้นเดียวกันขนาดของเส้นใยจากสารละลาย PAN/DMF จะลดลงเมื่อความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงขึ้น
3) สภาพแวดล้อม สภาพแวดล้อมมีผลต่อสารละลายและทำให้ลักษณะของเส้นใยเปลี่ยนไป เช่นในกรณีที่มีความชื้นในระบบสูงจะเกิดปรากฏการณ์คล้ายกับมีการควบแน่นเป็น หยดน้ำบนผิวของเส้นใย ทำให้เกิดรูพรุนบนเส้นใยในปริมาณมากขึ้น
รูปที่ 4 เส้นใยนาโนของ polyacrylonitrile (PAN) ละลายใน dimethylformamide (DMF) (ก) ความเข้มข้น 6% และ(ข) 10% แสดงให้เห็นว่าปริมาณปุ่มคล้ายลูกปัดลดลงเมื่อสารละลายมีความเข้มข้นสูงขึ้น
รูปที่ 5 ขนาดของเส้นใยที่ค่าความเข้มข้นต่างๆ ของสารละลายพอลิเมอร์ PAN/DMF เมื่อใช้ความต่างศักย์ 5, 10 และ15 kV
ดังนั้นการนำวิธีอิเล็กโตรสปินนิงมาใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนต้องคำนึงถึง ปัจจัยที่เกี่ยวข้องทั้งหมด เพื่อให้ได้เส้นใยที่เหมาะสมต่อการนำไปประยุกต์ใช้ ซึ่งหากมีระบบที่ควบคุมปัจจัยต่างๆ เหล่านี้ได้อย่างสะดวกและแม่นยำจะส่งผลให้การประดิษฐ์เส้นใยมีประสิทธิภาพ สูงขึ้น
4. ระบบอิเล็กโตรสปินนิงขั้นสูง
การพัฒนาระบบอิเล็กโตรสปินนิงที่มีความซับซ้อนมากขึ้นหรืออิเล็กโตรสปินนิง ขั้นสูงนี้มีความสำคัญและกำลังได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก เนื่องจากเป็นหัวข้อวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิงที่มีผลกระทบและมีคุณค่าทาง วิชาการทั้งในปัจจุบันและในอนาคตอันใกล้นี้
ระบบอิเล็กโตรสปินนิงขั้นสูงนี้ได้แก่ อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน (coaxial-electrospinning, Coax-ES) อิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลาย (melt-electrospinning, Melt-ES) อิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้ (near-filed electrospinning, NF-ES) และอิเล็กโตรสปินนิงแบบใช้สนามแม่เหล็กร่วม (magneto-electrospinning, Magneto-ES)
4.1 อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน (Coaxial-Electronspinning)
ในการทำให้เส้นใยนาโนมีหน้าที่หรือสมบัติพิเศษเฉพาะตัว (functionalization) โดยการรวมเอาโมเลกุล สาร วัตถุหรือส่วนประกอบอื่น (โดยเฉพาะในด้านเทคโนโลยีเซนเซอร์ วิศวกรรมเนื้อเยื่อ การนำส่งยา และนาโนอิเล็กโทรนิกส์) เข้ากับเส้นใยนาโน ในหลายกรณีไม่สามารถทำโดยการใช้เทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงอย่างง่าย ทั้งนี้เนื่องจากมีปัญหาที่สำคัญอยู่ 2 ประการ คือ หนึ่ง ปัญหาความต้องการในการเก็บสารที่อยู่ร่วมกับเส้นใยนาโน (เช่น โมเลกุลชีวภาพ ได้แก่ เอนไซม์ โปรตีน ยา ไวรัส และแบคทีเรีย) ในสภาวะแวดล้อมของเหลว เพื่อที่จะคงสภาพหน้าที่หรือสมบัติเดิมของมันนั้นทำได้ยาก สอง ปัญหาเรื่องน้ำหนักโมเลกุลของวัสดุที่จะใช้เป็นส่วนแกนในของเส้นใย (core fiber) ซึ่งส่วนมากจะมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำมาก ทำให้การทำเส้นใยโดยเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงเป็นไปได้ยาก อย่างไรก็ตามปัญหาทั้งสองข้อนี้สามารถแก้ไขได้ด้วยการใช้เทคนิค “อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน” ซึ่งในปัจจุบันได้เริ่มมีการศึกษาและรายงานการวิจัยทางด้านนี้แล้วจาก หลายกลุ่มวิจัย [6-16]
รูปที่ 6 (ซ้าย) แผนภาพการจัดระบบหัวฉีดสำหรับอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน และ (ขวา) ระบบหัวฉีดสำหรับใช้ในห้องปฏิบัติการ [17]
อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนใช้หัวฉีด (nozzle) ที่มีแกนขนานร่วมกันซ้อนกันอยู่สองอัน (รูปที่ 6) ค่าศักย์ไฟฟ้าที่ให้กับทั้งสองหัวฉีดมีขนาดเท่ากัน และทำให้เกิดการหลอมหยดของสารประกอบ ลำของพอลิเมอร์ถูกขับให้พุ่งออกมาจากปลายหลอมของหยดของสารประกอบ และเกิดเป็นเส้นใยนาโนผสมแบบแกนใน-เปลือกนอก (core-shell nanofiber) เมื่อพิจารณาอย่างละเอียด จะพบว่า อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนมี กระบวนการทางกายภาพที่ซับซ้อน และยังมีการทดลองและการใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์มาอธิบายค่อนข้างน้อย [13] ปัญหาที่สำคัญที่พบบ่อยในระหว่างการเกิดเส้นใยนาโนผสมแบบแกนใน-เปลือกนอก คือการที่หยดด้านนอก (outer droplet) สามารถถูกเปลี่ยนเป็นลำได้ ในขณะที่หยดด้านใน (inner droplet) ไม่สามารถถูกเปลี่ยนเป็นลำได้ (รูปที่ 7 ซ้าย) ที่เป็นเช่นนี้ เพระว่าที่หยดด้านในไม่มีประจุที่ผิวจากแรงไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้น การเปลี่ยนรูปของหยดด้านนอกให้เป็นแกนในของเส้นใยเกิดจากแรงหนืด (viscous force) เพียงอย่างเดียว โดยหลักการแล้ว แรงหนืดสามารถหาได้จากการจำลองแบบทางคณิตศาสตร์ซึ่งจะทำให้สามารถหาเงื่อนไข ทั่วไปสำหรับการทดลองได้ง่ายยิ่งขึ้น
ในกรณีที่มีการเลือกใช้ตัวแปรและเงื่อนใขการทดลองที่เหมาะสม อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนสามารถใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนผสมแบบแกนใน-เปลือก นอกของวัสดุหลากหลายชนิดได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น เส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ Polyvinylidene fluoride (PVDF) (แกนใน) และ polycarbonate (PC) (เปลือกนอก) ดังแสดงในรูปที่ 7 เป็นต้น [13] Han และคณะ [15] ได้ใช้เทคนิคนี้โดยจัดระบบอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน ดังแสดงในรูปที่ 8 (ก) เพื่อเตรียมเส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ polyurethane (PU) (แกนใน, เส้นผ่านศูนย์กลาง ~ 168 นาโนเมตร) และ polycarbonate (PC) (เปลือกนอก, เส้นผ่านศูนย์กลาง ~ 316 นาโนเมตร) ซึ่งเส้นใยที่ได้มีลักษณะแสดงดังในรูปที่ 8 (ข)
รูปที่ 7 (ซ้าย) ภาพจากกล้องจุลทรรศน์เชิงแสงของหยดผสมแบบแกนใน-เปลือกที่หัวฉีดของอิเล็กโต รสปินนิงแบบร่วมแกน และ (ขวา) ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของเส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ Polyvinylidene fluoride (PVDF) (แกนใน) และ polycarbonate (PC) (เปลือกนอก) [13]
อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนไม่เพียงแต่ใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนผสมแบบแกน ใน-เปลือกนอกที่มีแกนในที่ต่อเนื่องท่านั้น ยังสามารถใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนที่มีลักษณะเป็นก้อนรูปหยดที่ต่อเนื่องอยู่ ภายในเปลือกนอกต่อเนื่องได้อีกด้วย รูปร่างเช่นนี้เป็นที่สนใจเป็นอย่างมากสำหรับก้อนรูปหยดที่เป็นสารทางชีวภาพ เช่นโปรตีนเรืองแสงสีเขียว (green fluorescent protein, GFP) ที่ใช้ในสิ่งแวดล้อมที่เป็นของเหลว หรือสำหรับเป็นสารบรรจุและควบคุมการปล่อยยา ข้อดีของอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนในกรณีนี้ คือ หยดด้านในจะไม่ถูกทำให้มีประจุเนื่องจากแรงทางไฟฟ้าสถิต และแรงเชิงกลจะมีผลต่อการเกิดเส้นใยน้อยมากและยังสามารถคำนวณได้อย่างถูก ต้องอีกด้วย
รูปที่ 8 (ก) การจัดระบบสำหรับอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนสำหรับใช้เตรียมเสันใยผสมแบบแกน ใน-เปลือกนอกของ polyurethane (PU) (แกนใน) และ polycarbonate (PC) (เปลือกนอก) และ (ข) ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ของเส้นใยที่ได้โดยเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนในและเปลือกนอกมีขนาด ~ 168 และ 316 นาโนเมตร ตามลำดับ [18]
นอกจากนี้ อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนยังสามารถใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนแกนใน-เปลือกนอก แบบกลวงได้ ในกรณีนี้ต้องเลือกใช้ตัวทำละลายที่เหมาะสม โดยหลังจากการเกิดเส้นใยแบบแกนใน-เปลือกนอกแล้ว นำเส้นใยมาใส่ในสารละลายที่ละลายเฉพาะสารพอลิเมอร์แกนในออกเท่านั้น จะทำให้ได้เส้นใยนาโนแกนใน-เปลือกนอกแบบกลวงตามต้องการ โดยวิธีการเช่นนี้ Li และคณะ [11] ได้ เตรียมเส้นใยนาโนเซรามิกกลวงของ TiO2 โดยใช้ mineral oil เป็นแกนในและสารละลาย polyvinylpyrrolidone/ Ti(OiPr)4/ethanol เป็นเปลือกนอก และทำการแคลไซน์หลังจากการกำจัดน้ำมันออก (รูปที่ 9)
รูปที่ 9 (ก) แผนภาพการจัดระบบอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนสำหรับเตรียมเส้นใยนาโนแบบกลวง ของ TiO2 (ข) ภาพถ่าย TEM ของเส้นใยนาโน mineral oil (แกนใน) และpolyvinylpyrrolidone/Ti(OiPr)4/ethanol (เปลือกนอก) ภายหลังจากที่ mineral oil ถูกกำจัดออกโดยใช้ออคเทน (octane) (ค) ภาพถ่าย TEM และ (ง) ภาพถ่าย SEM ของเส้นใยนาโนเซรามิกกลวงของ TiO2 ซึ่งได้จากการเผาแคลไซน์เส้นใยใน (ข) ที่ 500 C ในอากาศเป็นเวลา 3 ชั่วโมง [9]
รูปที่ 10 (ก) ภาพถ่ายด้วยเทคนิคฟลูออเรสเซนต์แสดงการเจือแกนของน้ำมันด้วย amphiphilic fluorescent dye สำหรับเส้นใยนาโนแบบกลวงของ TiO2 บรรจุด้วย fluorescent dye (ข) ภาพถ่าย TEM ของเส้นใยนาโนแบบกลวงของ TiO2 บรรจุด้วยอนุภาคนาโนเหล็กออกไซด์เคลือบอยู่ที่ผิวด้านใน (ค) ภาพถ่าย SEM ของเส้นใยนาโนแบบกลวงของ TiO2 ที่ปรับสมบัติของผิวด้านในด้วย methyl-terminated silane และตามด้วยการปรับผิวด้านนอกด้วย amino-terminated silane เมื่อจุ่มลงในสารละลายของทองคำ อนุภาคนาโนของทองคำจะเลือกเกาะติดเฉพาะที่ผิวด้านนอกของ TiO2 (ง) เช่นเดียวกับใน (ค) แต่ปรับสมบัติของทั้งผิวด้านนอกและด้านในด้วย amino-terminated silane เพื่อให้อนุภาคนาโนของทองคำเกาะติดที่ผิวทั้งสองด้าน [18]
การประยุกต์ใช้เส้นใยนาโนแบบกลวงในบางกรณี เช่น เส้นใยนาโนสำหรับเป็นตัวสนับสนุนสารเร่งปฏิกริยา (catalyst support) ออปติคอลเวฟไกด์ (optical wavegides) และอุปกรณ์ด้านนาโนฟลูอิดิค (nanofluidic device) การรวมเอาสารหรือโมเลกุลอื่นและปรับแต่งผิวด้านในและด้านนอกของเส้นใยเป็น สิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่ง ทั้งนี้เนื่องจากการปรับแต่งผิวเส้นใยนาโนโดยใช้สารหรือโมเลกุลอื่นนี้ สามารถเปลี่ยนสมบัติเคมีเชิงผิวของเส้นใยนาโน ทำให้สามารถปรับสมบัติต่างๆ เช่น การไหลของของเหลว และการติดอนุภาคนาโนหรือตัวทำปฏิกิริยาอื่นโดยอาศัยการทำปฏิกิริยาทางเคมี กับผิวที่เปลี่ยนสมบัติทางเคมีแล้ว
Xie และคณะ [18, 19] ได้สาธิตการปรับผิวด้านในและด้านนอกของเส้นใยนาโนเซรามิกกลวงของ TiO2 โดยใช้ไซเลนแบบโซ่ยาวที่ละลายได้ในน้ำมัน รูปที่ 10 (ก) เป็นภาพถ่ายด้วยเทคนิคฟลูออเรสเซนต์แสดงการเจือแกนของน้ำมันด้วย amphiphilic fluorescent dye (1,19-dioctadecyl-3,3,39,39-tetramethylindocarbocyanine perchlorate) เพื่อให้ได้เส้นใยนาโยแบบกลวงของ TiO2 บรรจุด้วย fluorescent dye นอกจากนี้ผิวด้านในของเส้นใยนาโนเซรามิกกลวงของ TiO2 สามารถทำให้มีสมบัติที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic) โดยการเจือน้ำมันด้วย methyl-terminated silane ซึ่งการเคลือบผิวด้านในนี้สามารถใช้ในการปรับเปลี่ยนผิวด้านนอกและด้านในของ TiO2 ได้ ดังแสดงในรูปที่ 10(ข) และ รูปที่ 10(ค) ถ้าในตอนแรกผิวด้านนอกถูกเคลือบด้วย methyl-terminated silane มันจะปกป้องผิวด้านนอกเมื่อถูกนำไปจุ่มใน amino-functionalized silane ดังนั้นด้านนี้จะไม่ทำปฏิกิริยาเมื่อจุ่มลงในสารละลายของทองคำ และอนุภาคนาโนของทองคำจะเลือกเกาะติดเฉพาะที่ผิวด้านนอกของ TiO2 เท่านั้น ดังแสดงในรูปที่ 10(ค)
นอกจากนี้ อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนยังสามารถใช้ในการเตรียมเส้นใยนาโนที่มีโครง สร้างแบบรูพรุนได้ เช่น เส้นใยนาโน TiO2 โครงสร้างแบบรูพรุน [9] การเตรียมเส้นใยนาโนแบบนี้ ทำได้โดยการเผาแคลไซน์เส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ poly(styrene)/DMF-THF (แกนใน) และ titanium isopropoxide/PVP (เปลือกนอก) ในอากาศ ซึ่งจะกำจัดทั้ง poly(styrene) และ PVP ออกไป เหลือเพียงเส้นใยนาโน TiO2 โครงสร้างแบบรูพรุน (รูปที่ 11)
รูปที่ 11 เส้นใยนาโน TiO2 โครงสร้างแบบรูพรุน เตรียมโดยการเผาแคลไซน์เส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ poly(styrene)/DMF-THF (แกนใน) และ titanium isopropoxide/PVP (เปลือกนอก) ในอากาศ [9]
ครั้งต่อไปติดตามดูวิธีอิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลาย (Melt-Electrospinning) และแบบอื่นๆ ครับ
สาระน่ารู้เกี่ยวกับ เส้นใยนาโน
กลับมาอีกครั้งน่ะครับ ครั้งนี้จะมาต่อกันเลยจากครั้งที่แล้ว
เส้นใยที่ประดิษฐ์ได้มีลักษณะหลายรูปแบบ และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตลอดจนความต่อเนื่องของเส้นใยแตกต่างกันออกไป ทั้งนี้ขึ้นกับปัจจัยต่างๆ ซึ่งสามารถแบ่งตัวแปรสำคัญที่ทำให้เกิดผลกระทบต่อลักษณะเส้นใยได้เป็น 3 กลุ่ม [5] คือ
1) ตัวแปรด้านสารละลาย สมบัติของสารละลายเป็น ตัวแปรที่ส่งผลต่อการประดิษฐ์เส้นใยนาโนอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งขนาดและรูปร่างของเส้นใย เช่น ความตึงผิวของสารละลายจะส่งผลต่อการเกิดปุ่มคล้ายลูกปัด (beads) ซึ่งมีลักษณะเป็นก้อนทรงกลมหรือรีอยู่บนเส้นใย หากความเข้มข้นของสารละลายมีค่าสูงจะมีผลทำให้ปริมาณปุ่มคล้ายลูกปัดลดลง ดังตัวอย่างการประดิษฐ์เส้นใยนาโนจากสารละลาย PAN/DMF สำหรับนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมเส้นใยนาโนคาร์บอน (carbon nanofiber) และระบบกรองอย่างละเอียด ของกลุ่มวิจัย SSMG ในรูปที่ 4
2) ตัวแปรในระบบ เป็นปัจจัยที่สำคัญมากอีกกลุ่มหนึ่งประกอบด้วย ความต่างศักย์ไฟฟ้า อัตราการไหลของสารละลาย อุณหภูมิของสารละลาย ชนิดของวัสดุรองรับ ระยะห่างระหว่างปลายเข็มกับวัสดุรองรับ และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเข็มโลหะ ตัวแปรเหล่านี้ล้วนมีผลต่อลักษณะของเส้นใยโดยเฉพาะความต่างศักย์ไฟฟ้าซึ่ง ส่วนใหญ่หากศักย์ไฟฟ้าที่ให้แก่ระบบมีค่ามากจะส่งผลให้ขนาดของเส้นใยเล็กลง ดังในรูปที่ 5 จะเห็นว่า ที่ความเข้มข้นเดียวกันขนาดของเส้นใยจากสารละลาย PAN/DMF จะลดลงเมื่อความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงขึ้น
3) สภาพแวดล้อม สภาพแวดล้อมมีผลต่อสารละลายและทำให้ลักษณะของเส้นใยเปลี่ยนไป เช่นในกรณีที่มีความชื้นในระบบสูงจะเกิดปรากฏการณ์คล้ายกับมีการควบแน่นเป็น หยดน้ำบนผิวของเส้นใย ทำให้เกิดรูพรุนบนเส้นใยในปริมาณมากขึ้น
ดังนั้นการนำวิธีอิเล็กโตรสปินนิงมาใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนต้องคำนึงถึง ปัจจัยที่เกี่ยวข้องทั้งหมด เพื่อให้ได้เส้นใยที่เหมาะสมต่อการนำไปประยุกต์ใช้ ซึ่งหากมีระบบที่ควบคุมปัจจัยต่างๆ เหล่านี้ได้อย่างสะดวกและแม่นยำจะส่งผลให้การประดิษฐ์เส้นใยมีประสิทธิภาพ สูงขึ้น
4. ระบบอิเล็กโตรสปินนิงขั้นสูง
การพัฒนาระบบอิเล็กโตรสปินนิงที่มีความซับซ้อนมากขึ้นหรืออิเล็กโตรสปินนิง ขั้นสูงนี้มีความสำคัญและกำลังได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก เนื่องจากเป็นหัวข้อวิจัยด้านอิเล็กโตรสปินนิงที่มีผลกระทบและมีคุณค่าทาง วิชาการทั้งในปัจจุบันและในอนาคตอันใกล้นี้
ระบบอิเล็กโตรสปินนิงขั้นสูงนี้ได้แก่ อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน (coaxial-electrospinning, Coax-ES) อิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลาย (melt-electrospinning, Melt-ES) อิเล็กโตรสปินนิงแบบสนามใกล้ (near-filed electrospinning, NF-ES) และอิเล็กโตรสปินนิงแบบใช้สนามแม่เหล็กร่วม (magneto-electrospinning, Magneto-ES)
4.1 อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน (Coaxial-Electronspinning)
ในการทำให้เส้นใยนาโนมีหน้าที่หรือสมบัติพิเศษเฉพาะตัว (functionalization) โดยการรวมเอาโมเลกุล สาร วัตถุหรือส่วนประกอบอื่น (โดยเฉพาะในด้านเทคโนโลยีเซนเซอร์ วิศวกรรมเนื้อเยื่อ การนำส่งยา และนาโนอิเล็กโทรนิกส์) เข้ากับเส้นใยนาโน ในหลายกรณีไม่สามารถทำโดยการใช้เทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงอย่างง่าย ทั้งนี้เนื่องจากมีปัญหาที่สำคัญอยู่ 2 ประการ คือ หนึ่ง ปัญหาความต้องการในการเก็บสารที่อยู่ร่วมกับเส้นใยนาโน (เช่น โมเลกุลชีวภาพ ได้แก่ เอนไซม์ โปรตีน ยา ไวรัส และแบคทีเรีย) ในสภาวะแวดล้อมของเหลว เพื่อที่จะคงสภาพหน้าที่หรือสมบัติเดิมของมันนั้นทำได้ยาก สอง ปัญหาเรื่องน้ำหนักโมเลกุลของวัสดุที่จะใช้เป็นส่วนแกนในของเส้นใย (core fiber) ซึ่งส่วนมากจะมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำมาก ทำให้การทำเส้นใยโดยเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงเป็นไปได้ยาก อย่างไรก็ตามปัญหาทั้งสองข้อนี้สามารถแก้ไขได้ด้วยการใช้เทคนิค “อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน” ซึ่งในปัจจุบันได้เริ่มมีการศึกษาและรายงานการวิจัยทางด้านนี้แล้วจาก หลายกลุ่มวิจัย [6-16]
อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนใช้หัวฉีด (nozzle) ที่มีแกนขนานร่วมกันซ้อนกันอยู่สองอัน (รูปที่ 6) ค่าศักย์ไฟฟ้าที่ให้กับทั้งสองหัวฉีดมีขนาดเท่ากัน และทำให้เกิดการหลอมหยดของสารประกอบ ลำของพอลิเมอร์ถูกขับให้พุ่งออกมาจากปลายหลอมของหยดของสารประกอบ และเกิดเป็นเส้นใยนาโนผสมแบบแกนใน-เปลือกนอก (core-shell nanofiber) เมื่อพิจารณาอย่างละเอียด จะพบว่า อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนมี กระบวนการทางกายภาพที่ซับซ้อน และยังมีการทดลองและการใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์มาอธิบายค่อนข้างน้อย [13] ปัญหาที่สำคัญที่พบบ่อยในระหว่างการเกิดเส้นใยนาโนผสมแบบแกนใน-เปลือกนอก คือการที่หยดด้านนอก (outer droplet) สามารถถูกเปลี่ยนเป็นลำได้ ในขณะที่หยดด้านใน (inner droplet) ไม่สามารถถูกเปลี่ยนเป็นลำได้ (รูปที่ 7 ซ้าย) ที่เป็นเช่นนี้ เพระว่าที่หยดด้านในไม่มีประจุที่ผิวจากแรงไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้น การเปลี่ยนรูปของหยดด้านนอกให้เป็นแกนในของเส้นใยเกิดจากแรงหนืด (viscous force) เพียงอย่างเดียว โดยหลักการแล้ว แรงหนืดสามารถหาได้จากการจำลองแบบทางคณิตศาสตร์ซึ่งจะทำให้สามารถหาเงื่อนไข ทั่วไปสำหรับการทดลองได้ง่ายยิ่งขึ้น
ในกรณีที่มีการเลือกใช้ตัวแปรและเงื่อนใขการทดลองที่เหมาะสม อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนสามารถใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนผสมแบบแกนใน-เปลือก นอกของวัสดุหลากหลายชนิดได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น เส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ Polyvinylidene fluoride (PVDF) (แกนใน) และ polycarbonate (PC) (เปลือกนอก) ดังแสดงในรูปที่ 7 เป็นต้น [13] Han และคณะ [15] ได้ใช้เทคนิคนี้โดยจัดระบบอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกน ดังแสดงในรูปที่ 8 (ก) เพื่อเตรียมเส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ polyurethane (PU) (แกนใน, เส้นผ่านศูนย์กลาง ~ 168 นาโนเมตร) และ polycarbonate (PC) (เปลือกนอก, เส้นผ่านศูนย์กลาง ~ 316 นาโนเมตร) ซึ่งเส้นใยที่ได้มีลักษณะแสดงดังในรูปที่ 8 (ข)
อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนไม่เพียงแต่ใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนผสมแบบแกน ใน-เปลือกนอกที่มีแกนในที่ต่อเนื่องท่านั้น ยังสามารถใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนที่มีลักษณะเป็นก้อนรูปหยดที่ต่อเนื่องอยู่ ภายในเปลือกนอกต่อเนื่องได้อีกด้วย รูปร่างเช่นนี้เป็นที่สนใจเป็นอย่างมากสำหรับก้อนรูปหยดที่เป็นสารทางชีวภาพ เช่นโปรตีนเรืองแสงสีเขียว (green fluorescent protein, GFP) ที่ใช้ในสิ่งแวดล้อมที่เป็นของเหลว หรือสำหรับเป็นสารบรรจุและควบคุมการปล่อยยา ข้อดีของอิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนในกรณีนี้ คือ หยดด้านในจะไม่ถูกทำให้มีประจุเนื่องจากแรงทางไฟฟ้าสถิต และแรงเชิงกลจะมีผลต่อการเกิดเส้นใยน้อยมากและยังสามารถคำนวณได้อย่างถูก ต้องอีกด้วย
นอกจากนี้ อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนยังสามารถใช้ประดิษฐ์เส้นใยนาโนแกนใน-เปลือกนอก แบบกลวงได้ ในกรณีนี้ต้องเลือกใช้ตัวทำละลายที่เหมาะสม โดยหลังจากการเกิดเส้นใยแบบแกนใน-เปลือกนอกแล้ว นำเส้นใยมาใส่ในสารละลายที่ละลายเฉพาะสารพอลิเมอร์แกนในออกเท่านั้น จะทำให้ได้เส้นใยนาโนแกนใน-เปลือกนอกแบบกลวงตามต้องการ โดยวิธีการเช่นนี้ Li และคณะ [11] ได้ เตรียมเส้นใยนาโนเซรามิกกลวงของ TiO2 โดยใช้ mineral oil เป็นแกนในและสารละลาย polyvinylpyrrolidone/ Ti(OiPr)4/ethanol เป็นเปลือกนอก และทำการแคลไซน์หลังจากการกำจัดน้ำมันออก (รูปที่ 9)
การประยุกต์ใช้เส้นใยนาโนแบบกลวงในบางกรณี เช่น เส้นใยนาโนสำหรับเป็นตัวสนับสนุนสารเร่งปฏิกริยา (catalyst support) ออปติคอลเวฟไกด์ (optical wavegides) และอุปกรณ์ด้านนาโนฟลูอิดิค (nanofluidic device) การรวมเอาสารหรือโมเลกุลอื่นและปรับแต่งผิวด้านในและด้านนอกของเส้นใยเป็น สิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่ง ทั้งนี้เนื่องจากการปรับแต่งผิวเส้นใยนาโนโดยใช้สารหรือโมเลกุลอื่นนี้ สามารถเปลี่ยนสมบัติเคมีเชิงผิวของเส้นใยนาโน ทำให้สามารถปรับสมบัติต่างๆ เช่น การไหลของของเหลว และการติดอนุภาคนาโนหรือตัวทำปฏิกิริยาอื่นโดยอาศัยการทำปฏิกิริยาทางเคมี กับผิวที่เปลี่ยนสมบัติทางเคมีแล้ว
Xie และคณะ [18, 19] ได้สาธิตการปรับผิวด้านในและด้านนอกของเส้นใยนาโนเซรามิกกลวงของ TiO2 โดยใช้ไซเลนแบบโซ่ยาวที่ละลายได้ในน้ำมัน รูปที่ 10 (ก) เป็นภาพถ่ายด้วยเทคนิคฟลูออเรสเซนต์แสดงการเจือแกนของน้ำมันด้วย amphiphilic fluorescent dye (1,19-dioctadecyl-3,3,39,39-tetramethylindocarbocyanine perchlorate) เพื่อให้ได้เส้นใยนาโยแบบกลวงของ TiO2 บรรจุด้วย fluorescent dye นอกจากนี้ผิวด้านในของเส้นใยนาโนเซรามิกกลวงของ TiO2 สามารถทำให้มีสมบัติที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic) โดยการเจือน้ำมันด้วย methyl-terminated silane ซึ่งการเคลือบผิวด้านในนี้สามารถใช้ในการปรับเปลี่ยนผิวด้านนอกและด้านในของ TiO2 ได้ ดังแสดงในรูปที่ 10(ข) และ รูปที่ 10(ค) ถ้าในตอนแรกผิวด้านนอกถูกเคลือบด้วย methyl-terminated silane มันจะปกป้องผิวด้านนอกเมื่อถูกนำไปจุ่มใน amino-functionalized silane ดังนั้นด้านนี้จะไม่ทำปฏิกิริยาเมื่อจุ่มลงในสารละลายของทองคำ และอนุภาคนาโนของทองคำจะเลือกเกาะติดเฉพาะที่ผิวด้านนอกของ TiO2 เท่านั้น ดังแสดงในรูปที่ 10(ค)
นอกจากนี้ อิเล็กโตรสปินนิงแบบร่วมแกนยังสามารถใช้ในการเตรียมเส้นใยนาโนที่มีโครง สร้างแบบรูพรุนได้ เช่น เส้นใยนาโน TiO2 โครงสร้างแบบรูพรุน [9] การเตรียมเส้นใยนาโนแบบนี้ ทำได้โดยการเผาแคลไซน์เส้นใยผสมแบบแกนใน-เปลือกนอกของ poly(styrene)/DMF-THF (แกนใน) และ titanium isopropoxide/PVP (เปลือกนอก) ในอากาศ ซึ่งจะกำจัดทั้ง poly(styrene) และ PVP ออกไป เหลือเพียงเส้นใยนาโน TiO2 โครงสร้างแบบรูพรุน (รูปที่ 11)
ครั้งต่อไปติดตามดูวิธีอิเล็กโตรสปินนิงแบบหลอมละลาย (Melt-Electrospinning) และแบบอื่นๆ ครับ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น