Centrifugale multispundne nanofibre sætter et nyt spin på COVID-19-masker

KAIST-forskere har udviklet en ny nanofiberproduktionsteknik kaldet 'centrifugal multispinning', der vil åbne døren for sikker og omkostningseffektiv masseproduktion af højtydende polymer nanofibre. Denne nye teknik, som har vist op til en 300 gange højere nanofiberproduktionshastighed i timen end ved den konventionelle elektrospinningsmetode, har mange potentielle anvendelser, herunder udvikling af ansigtsmaskefiltre til beskyttelse mod coronavirus.

Nanofibre er gode ansigtsmaskefiltre, fordi deres mekaniske interaktioner med aerosolpartikler giver dem en større evne til at fange mere end 90 % af de skadelige partikler såsom fint støv og virusholdige dråber.

Virkningen af ​​COVID-19-pandemien har yderligere accelereret den stigende efterspørgsel i de senere år efter en bedre slags ansigtsmaske. Et polymer nanofiber-baseret maskefilter, der mere effektivt kan blokere skadelige partikler, har også været efterspurgt efterhånden som pandemien fortsætter.

"Elektrospinning" har været en almindelig proces, der bruges til at fremstille fine og ensartede polymer nanofibre, men med hensyn til sikkerhed, omkostningseffektivitet, og masseproduktion, det har flere ulemper. Elektrospinningsmetoden kræver et elektrisk højspændingsfelt og elektrisk ledende mål, og dette hindrer sikker og omkostningseffektiv masseproduktion af polymer nanofibre.

Som svar på denne mangel, 'centrifugalspinding', der bruger centrifugalkraft i stedet for højspænding til at producere polymer nanofibre, er blevet foreslået som et sikrere og mere omkostningseffektivt alternativ til elektrospinning. Nem skalerbarhed er en anden fordel, da denne teknologi kun kræver en roterende spindedyse og en opsamler.

Imidlertid, da den eksisterende centrifugalkraft-baserede spindeteknologi kun anvender en enkelt roterende spindedyse, produktiviteten er begrænset og ikke meget højere end for nogle avancerede elektrospinningsteknologier, såsom 'multi-dyse electrospinning' og 'dyseløs elektrospinning'. Dette problem fortsætter, selv når størrelsen af ​​spindedysen øges.

Inspireret af disse begrænsninger, et forskerhold ledet af professor Do Hyun Kim fra Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik ved KAIST udviklede en centrifugal multispindedyse med masseproducerbarhed, ved at opdele en roterende spindedyse i tre underskiver. Denne undersøgelse blev offentliggjort som en forsideartikel af ACS makrobogstaver , bind 10, Udgave 3 i marts 2021.

Ved at bruge denne nye centrifugal multispindedyse med tre underskiver, hovedforfatteren af ​​papiret Ph.D. kandidat Byeong Eun Kwak og hans medforskere Hyo Jeong Yoo og Eungjun Lee demonstrerede gram-skala produktion af forskellige polymer nanofibre med en maksimal produktionshastighed på op til 25 gram i timen, hvilket er cirka 300 gange højere end det konventionelle elektrospinningssystem. Produktionshastigheden på op til 25 gram polymer nanofibre i timen svarer til produktionshastigheden på omkring 30 ansigtsmaskefiltre om dagen i et produktionssystem i laboratorieskala.

Ved at integrere de masseproducerede polymer nanofibre i form af et maskefilter, forskerne var i stand til at fremstille ansigtsmasker, der har sammenlignelig filtreringsydelse med KF80 og KF94 ansigtsmaskerne, der i øjeblikket er tilgængelige på det koreanske marked. KF80- og KF94-maskerne er blevet godkendt af Koreas Ministerium for Fødevare- og Lægemiddelsikkerhed til at bortfiltrere henholdsvis mindst 80 % og 94 % af de skadelige partikler.

"Når vores system skaleres op fra laboratorieskalaen til industriel skala, den storstilede produktion af centrifugale multispundne polymer nanofibre vil blive muliggjort, og prisen på polymer nanofiber-baserede ansigtsmaskefiltre vil også blive sænket dramatisk, " forklarede Kwak.