나노섬유

Nanofiber
셀룰로오스 나노섬유 네트워크의 예.

나노파이버는 나노미터 범위에 지름이 있는 섬유다. 나노파이버는 다른 폴리머에서 생성될 수 있기 때문에 물리적 특성과 응용 잠재력이 다르다. 천연 중합체의 예로는 콜라겐, 셀룰로오스, 실크 피브로인, 케라틴, 젤라틴, 키토산, 알긴산 등의 다당류 등이 있다.[1][2] Examples of synthetic polymers include poly(lactic acid) (PLA), polycaprolactone (PCL),[3] polyurethane (PU), poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV), and poly(ethylene-co-vinylacetate) (PEVA).[1][2] 폴리머 체인은 공동 결합을 통해 연결된다.[4] 나노파이버의 지름은 사용되는 폴리머의 종류와 생산 방법에 따라 달라진다.[5] 모든 폴리머 나노파이버는 마이크로파이버에 비해 표면 면적 대 부피 비율, 다공성, 눈에 띄는 기계적 강도, 기능화 유연성이 독특하다.[1][2][6]

나노파이버를 만드는 방법은 그리기, 전기 스핀, 자가 조립, 템플릿 합성, 열 유도 위상 분리를 포함한 여러 가지가 있다. 전기스파이닝은 간단한 설정, 다양한 폴리머에서 연속 나노파이버를 대량 생산할 수 있는 능력, 제어 가능한 직경, 구성, 방향성을 가진 울트라틴 섬유 생성 능력 때문에 나노파이버를 생성하는 데 가장 많이 사용되는 방법이다.[6] 이러한 유연성은 의도된 적용 목적에 따라 서로 다른 구조물(즉, 속이 빈 구조, 평평한 구조 및 리본 모양)이 제작될 수 있도록 섬유의 모양과 배열을 제어할 수 있다. 산업용 양산에 적합한 혁신적인 용융처리 방식을 사용해 미네소타 대학의 과학자와 엔지니어는 단 36nm의 나노파이버를 얇게 만들 수 있었다.[7]

나노파이버는 가능한 많은 기술적, 상업적 응용을 가지고 있다. 그것들은 조직 공학,[1][2][8] 약물 전달,[9][10][11] 씨앗 코팅 재료,[12][13][14] 암 진단,[15][16][17] 리튬 공기 배터리,[18][19][20] 광학 센서[21][22][23], 공기 여과 등에 사용된다.[24][25][26]

나노섬유 생산의 역사

나노파이버는 4세기 이상 전에 전기스핀을 통해 처음 만들어졌다.[27][28] 영국 물리학자 윌리엄 길버트(1544~1603)는 전기방전법의 개발을 시작으로 전기충전된 황색 아래를 잡았을 때 마른 표면에 있는 구형 물방울이 원뿔 모양으로 휘어지는 것을 관찰하는 실험을 준비하여 액체 사이의 정전기 흡인력을 최초로 기록하였다.[29] 이 변형은 후에 테일러 콘으로 알려지게 되었다.[30] 1882년 영국의 물리학자 레일리 경(1842~1919)은 전기충전된 액체 방울의 불안정한 상태를 분석하여 표면 장력과 정전기력 사이에 평형이 형성되었을 때 그 액체가 작은 제트기로 분출되었다고 언급했다.[31] 1887년 영국의 물리학자 찰스 버논 보이즈(1855~1944)가 나노섬유의 개발과 생산에 관한 원고를 출간했다.[32] 1900년에 미국의 발명가 존 프랜시스 쿨리(1861-1903)가 최초의 현대식 전기스핀 특허를 출원했다.[33]

안톤 포말스는 1934년에서 1944년 사이에 나노섬유 생산을 시도하고 나노섬유 생산의 실험적 생산을 기술한 최초의 특허를 발표한 사람이다.[28] 1966년 해롤드 시몬스는 다양한 모티브를 가진 얇고 가벼운 나노섬유 원단을 생산할 수 있는 장치에 대한 특허를 냈다.[34]

20세기 말에야 전기 스핀과 나노섬유의 단어가 과학자와 연구자들 사이에서 공통적인 언어가 된다.[27][28] 전기스핀은 오늘날에도 계속 개발되고 있다.

합성법

나노파이버를 준비하기 위한 많은 화학적, 기계적 기법이 존재한다.

전기스파이닝

주요 기사: 전기스파이닝
전기 스팽글의 일반 설정 다이어그램.
중합체 용액 제트기가 배출되는 테일러 콘.

전기스파이닝은 나노파이버를 만드는 데 가장 흔히 사용되는 방법이다.[35][6] [36][37][38][39] 전기스핀에 필요한 기구로는 고압공급기, 지름이 작은 피펫이나 바늘이 달린 모세관, 금속수집용 스크린 등이 있다. 한 전극은 폴리머 용액에 넣고 다른 전극은 컬렉터에 부착한다. 모세관 끝에는 표면 장력에 의해 고정된 폴리머 용액을 포함하고 액체의 표면에 전하를 형성하는 전기장이 적용된다. 전기장의 강도가 증가함에 따라 모세관 끝에 있는 유체의 반구형 표면이 길어져 테일러 원뿔모양으로 알려진 원뿔모양을 형성하게 된다. 임계값은 반발하는 정전력이 표면 장력을 극복하고 충전된 유체 분사물이 테일러 원뿔의 끝에서 배출되는 전기장의 추가 증가에 따라 얻는다. 방출된 폴리머 용액 제트는 불안정하고 그 결과 연장으로 인해 제트가 매우 길고 얇아질 수 있다. 충전된 폴리머 섬유는 용매 증발로 굳는다.[6][40] 무작위 지향 나노파이버가 수집기에 수집된다. 나노파이버는 회전 드럼,[41] 금속 프레임 또는 [42]2병 평판 시스템과 같은 전문 수집기를 사용하여 고도로 정렬된 방식으로 수집할 수도 있다.[43] 제트 스트림 이동과 폴리머 농도와 같은 매개변수를 제어하여 지름이 균일한 나노파이버를 생성해야 한다.[44]

전기 스핀 기술은 많은 종류의 폴리머를 나노파이버로 변형시킨다. 전기 스푼 나노섬유 네트워크는 세포외 매트릭스(ECM)와 잘 닮았다.[6][45][46] 이러한 유사성은 섬유 직경, 높은 다공성 및 기계적 특성과 관련하여 ECM을 모방할 가능성을 열어주기 때문에 전기 스핀화의 주요 장점이다. 전기스핀은 1대 1 연속 나노파이버 양산을 위해 추가 개발되고 있다.[45]

열유인상분리

열유발상분리는 열역학적 변화를 통해 균질 폴리머 용액을 다상계통으로 분리한다.[1][8][47] 이 절차에는 폴리머 용해, 액체-액체-액체-고체 위상 분리, 폴리머 젤화, 물로 젤에서 용매 추출, 진공 상태에서 동결 및 동결 건조 등 5단계가 포함된다.[1][8] 열유발상분리법은 조직재생을 위한 지반생성을 위해 널리 사용된다.[47]

첫 번째 단계에서 균질 폴리머 용액은 열역학적으로 불안정하며 적절한 온도에서 폴리머가 풍부한 상과 폴리머-울 상으로 분리되는 경향이 있다. 결국 용매 제거 후 폴리머가 풍부한 위상이 응결되어 매트릭스를 형성하고 폴리머-린 위상이 모공으로 발전한다.[citation needed] 다음으로 원하는 패턴에 따라 중합체 용액에 대해 두 가지 유형의 위상 분리를 수행할 수 있다. 액상-액상 분리는 보통 쌍상 구조를 형성하는 데 사용되는 반면 고체-액상 분리는 결정 구조를 형성하는 데 사용된다. 겔화 단계는 나노섬유 매트릭스의 다공성 형태학을 제어하는 데 결정적인 역할을 한다. 젤리화는 온도, 폴리머 농도, 용매 성질에 의해 영향을 받는다.[47] 온도는 섬유망의 구조를 조절한다: 낮은 겔화 온도는 나노 크기의 섬유망을 형성하는 반면 높은 겔화 온도는 혈소판과 같은 구조의 형성을 이끈다.[1] 폴리머 농도는 섬유 특성에 영향을 미친다: 폴리머 농도의 증가는 다공성을 감소시키고 인장 강도와 같은 기계적 특성을 증가시킨다. 용제 성질은 비계의 형태학에 영향을 미친다. 젤화 후 젤을 증류수에 넣어 용매 교환한다. 이후 젤을 물에서 제거한 뒤 동결건조 과정을 거친다. 그런 다음 특성화가 이루어질 때까지 건조기에 보관한다.

그리기

그리기 방식은 나노파이버의 긴 한 가닥을 한 번에 하나씩 만든다. 당기는 과정에는 용해된 회전 물질을 고체 섬유로 변환하는 고체화가 수반된다.[45][48] 용해 회전 시 냉각 단계가 필요하며, 건식 회전 시 용제가 증발한다. 단, 당기는 과정에서 발생하는 스트레스에서 살아남기 위한 충분한 응집력을 가지면서도 광범위한 변형을 겪을 수 있는 점탄성 물질만 이 과정을 통해 나노파이버로 만들 수 있다는 한계가 있다.[45][49]

템플릿 합성

템플릿 합성법은 지름이 균일한 원통형 모공으로 구성된 나노섬유막 템플릿을 사용해 섬유질(고체 나노섬유)과 관개(하중 나노섬유)를 만든다.[50][51] 이 방법은 금속, 반도체, 전자 전도성 중합체를 포함한 많은 종류의 물질의 섬유와 관을 준비하는데 사용될 수 있다.[50][51] 균일한 모공 덕분에 섬유 치수를 조절할 수 있어 직경이 매우 작은 나노파이버가 이 방법을 통해 생산될 수 있다. 다만 이 방법의 단점은 연속 나노파이버를 한 번에 하나씩 만들 수 없다는 점이다.

자가 조립

자가 조립 기법은 펩타이드 나노파이버와 펩타이드 앰플리드를 생성하는데 사용된다. 이 방법은 아미노산 잔류물의 자연 접힘 과정에서 영감을 받아 독특한 3차원 구조로 단백질을 형성했다.[52] 펩타이드 나노파이버의 자가 조립 공정은 소수성 상호작용, 정전력, 수소 결합력, 판데르 발스력 등 다양한 추진력을 수반하며, 이온 강도, pH 등의 외부 조건에 의해 영향을 받는다.[53]

폴리머 소재

밀도가 높은 결합조직의 단면적에 있는 콜라겐 섬유.

다공성이 높고 표면 면적 대 부피 비율이 크기 때문에 나노파이버는 생물학적 용도를 위한 비계를 만드는 데 널리 사용된다.[1][2] 비계 생산에 사용되는 천연 중합체의 주요 예는 콜라겐, 셀룰로오스, 실크 피브로인, 케라틴, 젤라틴, 키토산, 알긴산 등의 다당류 등이다. 콜라겐은 많은 결합조직의 천연 세포외 성분이다. 50500nm에서 직경이 다른 섬유 구조는 세포 인식, 부착, 증식, 분화 등에 중요하다.[2] 시 외 연구진은 전기스파이닝을 통해 생산된 제1형 콜라겐 나노파이버를 사용하여 공학적 콜라겐 비계를 통해 섬유 직경이 증가함에 따라 세포 접착력이 증가하고 세포이동이 감소하는 것을 발견했다.[54] 킴 외 연구진은 골조직 재생의 성장지침으로 실크스케이프를 이용해 8주 후 골격의 완전한 결합을 관찰하고 12주 후 결함의 완치까지 관찰한 반면, 골격의 비계가 없는 대조군은 같은 기간 동안 결함의 수정이 제한적인 것으로 나타났다.[55] 마찬가지로 케라틴, 젤라틴, 키토산, 알긴산염은 비계에서 우수한 생체적합성과 생체적합성을 보여준다.[2]

그러나 천연 중합체의 세포인식은 면역 반응을 쉽게 시작할 수 있다.[2][46] Consequently, synthetic polymers such as poly(lactic acid) (PLA), polycaprolactone (PCL), polyurethane (PU), poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA), poly(L-lactide) (PLLA), and poly(ethylene-co-vinylacetate) (PEVA) have been developed as alternatives for integration into scaffolds. 생분해성 및 생체적합성이 있는 이러한 합성 중합체는 나노미터 범위 내에서 섬유 직경의 매트릭스를 형성하는데 사용될 수 있다. 이러한 합성 고분자 중에서 PCL은 연구자들 사이에서 상당한 열정을 불러일으켰다.[56] PCL은 생분해성 폴리에스테르의 일종으로 촉매를 이용한 ε카프로락톤의 링 오프닝 폴리머를 통해 제조할 수 있다. 낮은 독성, 낮은 비용 및 느린 성능 저하를 보여준다. PCL은 젤라틴, 콜라겐, 키토산, 인산칼슘 등의 다른 물질과 결합하여 분화와 증식능력을 향상시킬 수 있다(2, 17).[2][56] PLA는 또 다른 인기 있는 합성 중합체다. PLA는 우수한 기계적 특성, 생분해성, 생체적합성으로 잘 알려져 있다. 공간 상호연결성이 높고 다공성이 높고 정렬이 제어돼 효율적인 세포이전 능력을 보여준다.[57] PLA와 PLGA 비계 매트릭스의 조합은 적절한 생체모방 구조, 우수한 기계적 강도, 유리한 생체 활동을 보여주었다.

적용들

조직공학

콜라겐 섬유질로 구성된 뼈 매트릭스. 나노섬유 비계는 그러한 구조를 모방할 수 있다.

조직공학에서는 세포 성장과 조직 재생을 지원하고 지도하기 위해 다공성 인공 세포외 매트릭스가 필요하다.[1][2][58][59] 천연 및 합성 생분해성 중합체가 그러한 비계를 만드는데 사용되어 왔다.[1][2]

1988년 NIH SBIR 보조금 보고서에서 사이먼은 전기스핀이 체외 세포 기판으로 사용하기 위해 특별히 고안된 나노 및 서브마이크론 크기의 폴리스티렌과 폴리카보네이트 섬유 매트를 생산하는 데 사용될 수 있다는 것을 보여주었다. 세포 배양과 조직 공학에 전기 스펀 섬유 격자의 조기 사용은 인간 포피 섬유로블라스트 (HFF), 변형 인간 암종 (HEP-2), 밍크 폐 상피질 (MLE)이 섬유에 달라붙어 증식한다는 것을 보여주었다.[60][61]

나노섬유 비계는 뼈 조직 공학에서 뼈의 자연적인 세포외 기질을 모방하기 위해 사용된다.[8] 뼈조직은 콤팩트한 패턴이나 3각형 패턴으로 배열되어 있으며, 센티미터 범위부터 나노미터 눈금까지 길이가 다른 조직적인 구조로 구성되어 있다. 비미네랄화된 유기성분(즉, 타입 1 콜라겐), 미네랄화된 무기성분(즉, 히드록사파타이트), 그리고 다른 많은 비협착성 매트릭스 단백질(즉, 당단백질 및 프로테오글리칸)은 골 ECM의 나노콤포사이트 구조를 구성한다.[58] 유기농 콜라겐 섬유와 무기 미네랄 솔트는 각각 ECM에 유연성과 견고성을 제공한다.

뼈는 경미한 부상에도 자가 치유할 수 있는 동적 조직이지만 적절한 템플릿이 없어 골종양 절제, 심한 비조합성 골절 등 큰 결함을 경험한 후에는 재생이 불가능하다.[1][8] 현재 표준 치료법은 환자 자신의 신체에 있는 비중요하고 쉽게 접근할 수 있는 부위(즉 장골 파고)에서 기증자 뼈를 얻어 결함 부위에 이식하는 자동 이식이다. 자가뼈 이식은 숙주뼈와 안정적으로 통합돼 면역체계와의 합병증을 피할 수 있기 때문에 임상적 결과가 가장 좋다.[62] 그러나 그것의 사용은 수확절차와 관련된 그것의 부족한 공급과 기증자의 부지의 병적인 정도에 의해 제한된다.[58] 게다가, 자동기생골은 분자성이기 때문에 영양소의 확산에 의존하고 있으며, 숙주의 생존능력에 영향을 미친다.[62] 이식도 체내 리모델링 비율이 높아 골생식이 완료되기 전에 재흡수할 수 있다.[58][62] 심각한 뼈 손상을 치료하기 위한 또 다른 전략은 시체에서 채취한 뼈를 이식하는 alografting이다. 그러나, 모든 기구는 숙주의 질병과 감염의 위험을 소개한다.[62]

뼈 조직 공학은 뼈의 부상과 변형을 치료하기 위한 다용도적인 반응을 제공한다. 전기 스핀을 통해 생산된 나노파이버는 특히 자연 세포외 기질의 구조와 특성을 잘 모방한다. 이러한 비계는 조직 재생을 촉진하는 생체 활성제를 전달하는 데 사용될 수 있다.[2] 이러한 생체 활성 물질은 이상적으로 골 유도성, 골수축성, 그리고 오서인트 배은망덕한 것이어야 한다.[58] 자가 또는 동종유전자 뼈를 대체하기 위한 뼈 대체 물질은 생체 활성 세라믹, 생체 활성 안경, 생물학적 및 합성 중합체로 구성되어 있다. 뼈 조직 공학의 기본은 이 물질들이 시간이 지남에 따라 신체의 새로 재생된 생물 조직으로 재흡수되고 대체될 것이라는 것이다.[59]

조직공학은 뼈에만 국한된 것이 아니다: 연골,[63] 인대,[64] 골격근,[65] 피부,[66] 혈관,[67] 신경조직공학에도[68] 많은 연구가 투입된다.

약물전달

약물과 바이오폴리머는 간단한 흡착, 나노입자 흡착, 다층 조립을 통해 나노입자에 적재할 수 있다.

의도된 목표물에 대한 치료법의 성공적인 전달은 대부분 제약회사의 선택에 달려 있다. 이상적인 약물전달물질의 기준은 표적장기에 약물을 전달했을 때의 최대 효과, 장기에 도달하는 과정에서 신체의 면역체계의 회피, 준비단계부터 약물의 최종 전달까지의 치료분자 보유, 의도된 약물의 작용을 위한 적절한 방출 등을 포함한다.강간 [9]효과 나노파이버는 가능한 마약 운반책으로 연구되고 있다.[10][11][69] 젤라틴과 알긴산염과 같은 천연 중합체는 각각 숙주의 조직에 해를 끼치지 않고 인체에 독성이 축적되지 않는 생체적합성과 생분해성 때문에 캐리어 나노피버에 좋은 제조 바이오소재를 만든다. 나노파이버는 원통형 형태학 때문에 표면 면적 대 부피 비율이 높다. 결과적으로, 이 섬유는 높은 약물 적재 용량을 가지고 있고 넓은 표면적에 치료 분자를 방출할 수 있다.[9][46] 표면 면적 대 부피 비율은 구형 베시클의 반지름을 조정해야만 제어할 수 있는 반면 나노파이버는 길이와 단면 반지름을 모두 변경하여 비율을 제어하는 자유도가 더 높다. 이러한 조정성은 기능 매개변수를 정밀하게 제어해야 하는 약물 전달 시스템에서 이들의 적용에 중요하다.[9]

예비 연구에서는 항생제와 항암제가 전기스핀에 앞서 폴리머 용액에 첨가되어 전기스펀 나노피버에 캡슐화 될 수 있다는 것을 보여주고 있다.[70][71] 표면 탑재 나노섬유 비계는 수술 후 내부 장기와 조직 사이의 접착 장벽으로 유용하다.[72][73] 유착은 치유 과정에서 발생하며 만성통증과 재수술 실패 등의 합병증을 유발할 수 있다.[72][73][74]

암 진단

병리학적 검사가 종양 내 바이오마커 존재에 대한 시험에서 분자 특성화의 현행 표준 방법이지만, 이러한 단일 샘플 분석은 종양의 다양한 유전학적 특성을 설명하지 못한다.[15] 침습성, 심리적 스트레스, 환자의 반복적인 종양 바이오시술로 인한 경제적 부담 등을 고려할 때, 혈청 채취 등 최소침습적 시술로 판단할 수 있는 바이오마커는 정밀의학 진전의 계기가 된다.

액체 생검은 고형 종양 생검의 대안으로 점점 인기를 끌고 있는 옵션이다.[15][16] 이것은 단순히 고형종양에서 혈류로 빠져나가는 순환종양세포(CTCs)가 들어 있는 혈류다. 전이성 암 환자는 혈류에서 발견 가능한 CTC를 가질 가능성이 더 높지만 CTC는 국소성 질환 환자에서도 존재한다. 전이성 전립선암과 대장암 환자의 혈류 속에 존재하는 CTC의 수가 종양의 전반적인 생존을 예측하는 것으로 밝혀졌다.[17][75] CTCs는 또한 질병의 초기 단계에서 예후를 알려주는 것으로 증명되었다.[76]

3세대 Thermore 스폰서 칩의 CTC 캡처 및 릴리스 메커니즘.

최근, Ke et al.는 혈액 샘플에서 CTCs를 포착하는 나노벨크로 칩을 개발했다.[16] 혈액이 칩을 통과하면 단백질 항체로 코팅된 나노파이버가 암세포 표면에 발현된 단백질에 결합해 분석을 위해 CTCs를 가두는 벨크로처럼 작용한다. NanoVelcro CTC 어세이들은 3세대의 개발을 겪었다. 1세대 나노벨크로 칩은 암 예후, 스테이징,[77] 동적 모니터링을 위한 CTC 열거용으로 만들어졌다. 2세대 나노벨크로-LCM은 단세포 CTC 격리를 위해 개발되었다.[78][79] 개별적으로 격리된 CTC는 단일 CTC 유전자형을 적용할 수 있다. 3세대 써모어 스폰서 칩은 CTC 정화를 허용했다.[16][80] 나노섬유 폴리머 브러시는 온도 의존적인 순응 변화를 통해 CTC를 캡처 및 방출한다.

리튬-공기전지

많은 진보된 전기 화학 에너지 저장 장치들 중에서, 충전 가능한 리튬 공기 배터리는 상당한 에너지 저장 용량과 높은 전력 밀도로 인해 특히 관심이 많다.[18][19] 배터리를 사용하면서 리튬 이온은 공기 중의 산소와 결합하여 전극의 탄소 섬유에 부착되는 리튬 산화물의 입자를 형성한다. 재충전하는 동안, 리튬 산화물은 다시 리튬과 산소로 분리되어 대기 중으로 방출된다. 이 변환 순서는 배터리의 출력 전압과 충전 전압 사이에 1.2V 이상의 상당한 전압 차이가 있기 때문에 매우 비효율적이다. 이는 배터리가 충전 중일 때 전기 에너지의 약 30%가 열로 손실된다는 것을 의미한다.[18] 또한 기체 상태와 고체 상태 사이의 산소의 연속적인 전환에 따른 큰 부피 변화는 전극에 스트레스를 주고 전극의 수명을 제한한다.

리튬 공기 배터리의 개략도 나노섬유 기반의 리튬 공기 배터리의 경우 음극은 탄소 나노파이버로 구성될 것이다.

이 배터리의 성능은 음극을 구성하는 소재의 특성에 따라 달라진다. 탄소 재료는 전기 전도성이 뛰어나고 표면적이 넓으며 화학적 안정성이 높아 음극으로 널리 사용되어 왔다.[20][81] 특히 리튬-공기 배터리와 관련된 탄소 재료는 금속 산화물을 지지하기 위한 기판 역할을 한다. 바인더 프리 전기스펀 탄소나노피버는 바인더가 없고, 마크로포틱 구조를 가지며, 산소 감소 반응을 지지하고 촉매하는 탄소를 가지며, 다용성을 가지기 때문에 리튬-산소 배터리의 전극에 사용하기에 특히 좋은 잠재 후보들이다.[82]

주 외 연구진은 주기적으로 코발트 산화물이 내장된 탄소 나노파이버의 매트릭스인 나노석기라는 이름을 붙인 전극에 리튬과 산소를 저장할 수 있는 새로운 음극을 개발했다.[83] 이 코발트 산화물들은 보통 불안정한 과산화수소를 함유하고 있는 나노석회에 안정성을 제공한다. 이 설계에서 산소는 LiO로2 저장되며 충전 및 방전 중에는 기체와 고체 형태 간에 변환되지 않는다. 배터리가 방전되면 나노석상에 리튬 이온이 있고 과산화질소와 반응하여 기질(Matrix22)과 LiO를2 형성한다. 산소는 이러한 형태들 사이에서 전환될 때 고체 상태를 유지한다. 이러한 전환의 화학적 반응은 전기 에너지를 제공한다. 충전 중 전환은 역방향으로 발생한다.

광학 센서

중합체 광섬유는 최근 몇 년 동안 점점 더 많은 관심을 불러일으켰다.[21][22] 저비용, 취급 용이성, 장파장 투명성, 뛰어난 유연성, 생체적합성 때문에 폴리머 광섬유는 단거리 네트워킹, 광학 감지 및 전력 공급에 큰 잠재력을 보인다.[23][84]

전기스펀 나노파이버는 단위 질량당 표면적이 증가함에 따라 센서 감도가 증가하기 때문에 광학 센서에 특히 적합하다. 광학 감지는 형광 투과 기구를 통해 관심 있는 이온과 분자를 감지하는 방식으로 작동한다. 왕 외 연구진은 금속 이온(Fe3+ 및 Hg2+)을 위한 나노섬유 박막 광학센서와 전자스파이닝 기법을 이용한 2,4-디니트로톨루엔(DNT) 검출에 성공했다.[21]

양자점은 높은 광학적 이득과 광화학적 안정성을 포함한 유용한 광학적 및 전기적 특성을 보여준다. 다양한 양자점이 고분자 나노입자(nanofiber)에 성공적으로 통합되었다.[85] 멍 외 연구진은 습도 감지를 위한 양자점 도핑 폴리머 나노섬유 센서가 저전력 소비를 요구하면서 빠른 반응, 고감도, 장기 안정성을 보인다는 것을 보여주었다.[86]

켈리 등은 호흡기의 탄소 필터가 유독성 흄 입자로 포화되었을 때 최초 대응자들에게 경고하는 센서를 개발했다.[24] 인공호흡기에는 일반적으로 공기 중 독소를 가두어 주는 활성탄이 들어 있다. 필터가 포화 상태가 되면서 화학물질이 통과하기 시작하며 호흡기를 무용지물로 만든다. 필터가 언제 소비되는지를 쉽게 판단하기 위해 켈리와 그의 팀은 특정한 빛의 파장을 반사하는 광자 결정이라는 반복적인 구조로 조립된 탄소 나노파이버로 구성된 센서가 장착된 마스크를 개발했다. 그 센서는 섬유가 독소를 흡수할 때 변하는 무지개빛 색상을 나타낸다.

공기 여과

가구의 페인트와 보호 코팅은 톨루엔, 포름알데히드 등 휘발성 유기화합물을 함유하고 있다.

전기스펀 나노파이버는 대기 중 휘발성 유기화합물(VOC)을 제거하는 데 유용하다. 숄텐 외 연구진은 전기 스펀 나노섬유 막에 의한 VOC의 흡착과 탈착이 기존의 활성탄 속도보다 빠르다는 것을 보여주었다.[25]

채굴장비의 인원실에서의 공기중 오염은 채굴 근로자, 채굴 회사, 그리고 광산안전보건청(MSHA)과 같은 정부 기관의 관심사다. 최근 채굴 장비 제조업체 및 MSHA와의 연구 결과 나노섬유 필터 매체가 표준 셀룰로오스 필터 매체에 비해 실내 먼지 농도를 더 크게 낮출 수 있다는 사실이 밝혀졌다.[26]

나노피버는 바이러스, 박테리아, 스모그, 먼지, 알레르기 유발물질 및 기타 입자로부터 사람들을 보호하기 위해 마스크에 사용될 수 있다. 여과 효율은 약 99.9%이며 여과 원리는 기계적이다. 공기중의 입자는 나노섬유 거미줄의 모공보다 크지만 산소 입자는 통과하기에 충분히 작다.

유수분리

나노파이버는 특히 사용 중인 물질이 올레오필릭 및 소수성 표면을 갖는 흡착 과정에서 유-물 분리 기능을 가지고 있다. 이러한 특성은 나노파이버를 가정과 산업 활동에서 나오는 기름진 폐수나 기름 수송 활동과 선박의 기름 탱크 청소로 인해 바다로 흘러가는 기름기 많은 바닷물과 싸우는 도구로 사용할 수 있게 한다.[36]

스포츠웨어 방직물

나노섬유 막이 내장된 스포츠웨어 섬유는 인간의 머리카락보다 1000배 얇은 직경의 섬유로 막의 핵심이 구성되는 현대 나노섬유 기술을 기반으로 한다. 1평방 센티미터 당 25억 개 이상의 모공을 가진 이 극도로 조밀한 "증기"는 증기 제거와 함께 훨씬 더 효율적으로 작용하고 더 나은 수준의 내수성을 가져온다. 숫자의 언어에서 나노섬유 섬유는 다음과 같은 파라미터를 가져온다.

· RET 1.0 증기 투과성 및 10,000 mm 물기둥(버전은 통풍성을 선호함)

· RET 4.8 증기 투과성 및 30,000 mm 물기둥(버전에서는 내수성을 선호함)

나노섬유 의복과 신발막은 폴리우레탄으로 이루어져 있어 자연에 해롭지 않다. 나노섬유로 만든 막부터 운동복까지 재활용이 가능하다.

참고 항목

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