Diseño, desarrollo e implementación de un dispositivo de pruebas de electrohilado (electrospinning) para aplicaciones en nanoinstrumentación
El presente trabajo contempla la investigación sobre el Diseño desarrollo e implementación de un dispositivo de pruebas basado en la Tecnica de Electrohilado (hilado electrónio ) que consiste en el control del flujo de la solución de un polímero que bajo la acción del campo eléctrico de alto voltaje...
- Autores:
-
Roa Rodríguez, Mónica Fernanda
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2017
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
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- OAI Identifier:
- oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/1515
- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/1515
- Palabra clave:
- Mechatronic Engineering
Nanotechnology
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Electrospinning
Electrospinning
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El presente trabajo contempla la investigación sobre el Diseño desarrollo e implementación de un dispositivo de pruebas basado en la Tecnica de Electrohilado (hilado electrónio ) que consiste en el control del flujo de la solución de un polímero que bajo la acción del campo eléctrico de alto voltaje, permite obtener la conformación de fibras a escala nanométrica. Esta técnica está compuesta por dos partes fundamentales: un inyector y un dispositivo colector; el inyector esencialmente consiste en una jeringuilla de cristal o plástico con una boquilla metálica, que contiene la solución del polímero. El colector es una placa metálica, y su forma varía según la finalidad de la fibra, la boquilla metálica se conecta a la fuente de alto voltaje, y el colector se conecta a tierra; en este proceso la solución del polímero se carga a un potencial eléctrico alto y la diferencia de potencial entre los dos electrodos, causa una fuerza opuesta a la tensión de superficie de la solución del polímero a medida que el campo eléctrico aumenta, la superficie de la solución en el tubo capilar se extiende para formar una estructura cónica, conocida como el cono del Taylor, cuando la fuerza electrostática es suficiente para superar la fuerza de tensión de superficie del polímero se producen nanohilos que se recogen aleatoriamente en el colector. En el proyecto se lleva a cabo con el diseño, desarrollo e implementación de un dispositivo de pruebas de electrohilado (electrospinning ) para aplicaciones en nanoinstrumentación que controla las variables físicas que intervienen en la producción de nanohilos como aporte en uno de los resultados del proyecto aprobado en la convocatoria bienal 2015-2016 titulado “Diseño y desarrollo de un laboratorio de nanotecnología como parte del proyecto FOSUNAB” financiado por la UNAB que se justifica porque está orientado a continuar las investigaciones en Nanotecnología como parte de la prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenierías en sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingeniería Biomédica, el Proyecto FOSUNAB, Proyectos del Doctorado en Ingeniería Red Mutis, de la Maestría en Automatización Industrial y Mecatrónica los Programas de Ingeniería Mecatrónica e Ingeniería de Sistemas, los resultados contribuirán con nuevos conocimientos para la electiva de profundización en Aplicación de Sistemas nanotecnológicos en Ingeniería, para las estudiantes investigadores del Semillero de Instrumentación y control, además se dispone del apoyo en alianza con el Laboratorio de Nanotecnología de la Universidad Técnica de Dinamarca y el Laboratorio de Biotecnología y Ambiente de la UNAB, que permitirán realizar pruebas para la fabricación de nanosensores con el apoyo (ver carta de intención firmada) con la dirección del Centro de Investigaciones de Dinamarca y la participación del Dr.Jaime Castillo León, investigador del Nano Bio Integrated System Group (NaBIS) y profesor de la misma universidad para las primeras pruebas de fabricación de nanosensores en el centro de investigación y producción en nanotecnología del Technical University of Denmark DTU. |
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Esta técnica está compuesta por dos partes fundamentales: un inyector y un dispositivo colector; el inyector esencialmente consiste en una jeringuilla de cristal o plástico con una boquilla metálica, que contiene la solución del polímero. El colector es una placa metálica, y su forma varía según la finalidad de la fibra, la boquilla metálica se conecta a la fuente de alto voltaje, y el colector se conecta a tierra; en este proceso la solución del polímero se carga a un potencial eléctrico alto y la diferencia de potencial entre los dos electrodos, causa una fuerza opuesta a la tensión de superficie de la solución del polímero a medida que el campo eléctrico aumenta, la superficie de la solución en el tubo capilar se extiende para formar una estructura cónica, conocida como el cono del Taylor, cuando la fuerza electrostática es suficiente para superar la fuerza de tensión de superficie del polímero se producen nanohilos que se recogen aleatoriamente en el colector. En el proyecto se lleva a cabo con el diseño, desarrollo e implementación de un dispositivo de pruebas de electrohilado (electrospinning ) para aplicaciones en nanoinstrumentación que controla las variables físicas que intervienen en la producción de nanohilos como aporte en uno de los resultados del proyecto aprobado en la convocatoria bienal 2015-2016 titulado “Diseño y desarrollo de un laboratorio de nanotecnología como parte del proyecto FOSUNAB” financiado por la UNAB que se justifica porque está orientado a continuar las investigaciones en Nanotecnología como parte de la prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenierías en sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingeniería Biomédica, el Proyecto FOSUNAB, Proyectos del Doctorado en Ingeniería Red Mutis, de la Maestría en Automatización Industrial y Mecatrónica los Programas de Ingeniería Mecatrónica e Ingeniería de Sistemas, los resultados contribuirán con nuevos conocimientos para la electiva de profundización en Aplicación de Sistemas nanotecnológicos en Ingeniería, para las estudiantes investigadores del Semillero de Instrumentación y control, además se dispone del apoyo en alianza con el Laboratorio de Nanotecnología de la Universidad Técnica de Dinamarca y el Laboratorio de Biotecnología y Ambiente de la UNAB, que permitirán realizar pruebas para la fabricación de nanosensores con el apoyo (ver carta de intención firmada) con la dirección del Centro de Investigaciones de Dinamarca y la participación del Dr.Jaime Castillo León, investigador del Nano Bio Integrated System Group (NaBIS) y profesor de la misma universidad para las primeras pruebas de fabricación de nanosensores en el centro de investigación y producción en nanotecnología del Technical University of Denmark DTU.INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………….. 18 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN……………………….19 2. ANTECEDENTES……………………………………………………………………20 2.1 PROYECTOS RELACIONADOS CON EL ELECTROSPINNING ................ 20 2.1.1 Prototipo automatizado para la implementación de la técnica “electrospinning” en aplicaciones farmacológicas ........................................... 20 2.2 ELECTROSPINNING: LA ERA DE LAS NANOFIBRAS ............................... 20 3. OBJETIVOS………………………………………………………………………….. 22 3.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................. 22 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 22 4. ESTADO DEL ARTE………………………………………………………………… 23 4.1 APLICACIONES BIOMÉDICAS .................................................................... 23 4.2. MÁQUINAS DE ELECTROHILADO Referencia DLi Tong Tech. ............... 24 5. MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………26 5.1 EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIÓN ............................................... 26 5.2 DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA DE ELECTROSPINNING ........................ 27 5.3 PARÁMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING ......................... 28 5.4 APLICACIONES DE LAS FIBRAS POR ELECTROSPINNING .................... 29 5.5 PROCEDIMIENTO PARA DIMENSIONAR EL MODELO DE MEDICIÓN A NANOESCALA ................................................................................................... 31 6. DISEÑO METODOLÓGICO………………………………………………………… 32 6.1 METODO CIENTÍFICO APLICADO A LA METODOLÓGIA DE DISEÑO 32 6.2 METODOLOGÍA DE DISEÑO MECATRÓNICO........................................... 33 6.2.1 Diagrama de flujo ................................................................................... 33 7. DISEÑO MECANICO DE LA MAQUINA DE ELECTROSPINNING……………. 35 7.1 PARTES DE LA MAQUINA DE ELECTROSPINNING ................................ 35 7.1.1 Bomba de infusión o elemento actuador lineal ....................................... 35 7.1.2 Diseño mecánico tornillo de potencia ..................................................... 36 7.1.2.1 Terminología de los tornillos de potencia. ........................................ 36 7.1.2 Colector .................................................................................................. 37 7.1.3 Generador de alta tensión ...................................................................... 37 7.1.4 Circuito electrónico ................................................................................. 38 7.1.5 Caja protectora ....................................................................................... 40 7.1.6 Inyector, tubo de conexión y aguja ......................................................... 40 7.1.7 Sensores y actuadores. .......................................................................... 41 7.1.7.1 Características Estáticas del Motor paso a paso ............................. 41 7.1.8.2 Selección de sensores ..................................................................... 43 7.2 MODELIZACIÓN DEL PROCESO ............................................................... 44 7.3 DETERMINACIÓN DEL FLUJO MÁXIMO DEL SISTEMA ........................... 45 8. MODELO ELECTRICO……………………………………………………………… 46 8.1 DISEÑO DE TARJETA ELECTRÓNICA ....................................................... 46 8.2 CIRCUITO ELECTRÓNICO ......................................................................... 47 8.3 PROGRAMACIÓN ........................................................................................ 48 8.3.1 Programación basada en arduino .......................................................... 48 8.3.2 Programación de interfaz gráfica (Labview) ........................................... 50 9. ANALISIS DEL POLIMERO………………………………………………………… 53 9.1 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................. 53 9.1.1 Materiales ............................................................................................... 53 9.2 CARACTERÍSTICAS .................................................................................... 55 9.3 DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL ................................................................ 56 9.4 VALIDACIÓN EXPERIMENTAL ................................................................... 59 9.4.1 Diseño de experimentos con el uso del polimero ................................... 59 9.4.2 Desarrollo de las pruebas y obtencion de las muestras ........................ 60 9.4.3 Resultado del procesamiento y análisis de muestra............................... 60 10. RESULTADOS EXPERIMENTALES…………………………………………….. 69 10.1 ANÁLISIS DE LA MUESTRA ...................................................................... 70 10.2 EXPERIMENTOS ...................................................................................... 71 10.3 ANALISIS DE ALTA TENSION SIN INYECCION DE POLIMERO ............. 76 10.4 ANALISIS ESTADISTICO DE LAS PRUEBAS DESARROLLADAS VOLTAJE Vs DISTANCIA ................................................................................................... 81 10.5 VOLTAJES Y DIAMETROS PROMEDIOS DE LOS EXPERIMENTOS ... 130 11. INVESTIGACIÒN DE MODELACION Y SIMULACION DE SISTEMAS NANOTECNOLOGICOS DOTADOS EN NANOINSTRUMETACION (NANOSENSORES)……………………………………………………………………139 CONCLUSIONES……………………………………………………………………… 151 RECOMENDACIONES……………………………………………………………….. 153 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………… 154 ANEXOS……………………………………………………………………………….. 159PregradoThe present work contemplates the research on the Design, development and implementation of a test device based on the Electrospinning Technique (electron spinning) that consists of controlling the flow of a polymer solution that under the action of the high voltage electric field , makes it possible to obtain the conformation of fibers on a nanometric scale. This technique is composed of two fundamental parts: an injector and a collecting device; the injector essentially consists of a glass or plastic syringe with a metal nozzle, which contains the polymer solution. The collector is a metal plate, and its shape varies according to the purpose of the fiber, the metal nozzle is connected to the high voltage source, and the collector is grounded; In this process the polymer solution is charged to a high electric potential and the potential difference between the two electrodes causes a force opposite to the surface tension of the polymer solution as the electric field increases, the surface of the solution in the capillary tube spreads to form a conical structure, known as the Taylor cone, when the electrostatic force is sufficient to overcome the surface tension force of the polymer produces nanowires that are randomly collected in the collector. The project is carried out with the design, development and implementation of an electrospinning test device for nanoinstrumentation applications that controls the physical variables involved in the production of nanowires as a contribution to one of the results of the approved project in the 2015-2016 biennial call entitled "Design and development of a nanotechnology laboratory as part of the FOSUNAB project" funded by UNAB, which is justified because it is aimed at continuing research in Nanotechnology as part of the prospective development plans of the Faculty of Engineering in its projects of the new undergraduate program of Biomedical Engineering, the FOSUNAB Project, Projects of the Doctorate in Engineering Mutis Network, of the Master in Industrial Automation and Mechatronics, the Mechatronics Engineering and Systems Engineering Programs, the results will contribute with new knowledge for the pro elective founding in the Application of Nanotechnology Systems in Engineering, for the research students of the Instrumentation and Control Nursery, in addition, support is available in alliance with the Nanotechnology Laboratory of the Technical University of Denmark and the Biotechnology and Environment Laboratory of the UNAB, which will allow to carry out tests for the manufacture of nanosensors with the support (see signed letter of intent) with the direction of the Danish Research Center and the participation of Dr Jaime Castillo León, researcher at the Nano Bio Integrated System Group (NaBIS) and professor of the same university for the first manufacturing tests of nanosensors at the research centerapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 InternationalDiseño, desarrollo e implementación de un dispositivo de pruebas de electrohilado (electrospinning) para aplicaciones en nanoinstrumentaciónDesign, development and implementation of an electrospinning test device for nano-instrumentation applicationsIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronic EngineeringNanotechnologyResearchElectrospinningElectrospinningNanowiresPolymeric nanosensorsMectronic designIngeniería mecatrónica NanotecnologíaInvestigacionesElectrohiladoElectrospinningNanosensores polímericosDiseño mecatrónicoNanohilosRoa, Mónica Fernanda (2017). 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