Nanofiber & ElectroSpun & Electrospinning

รูปแสดง ภาพขยายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอน(SEM) ของนาโนไฟเบอร์(ElectroSpun) ด้วยอัตราขยาย x1000 , x3500 

รูปแสดงการเปรัยบเทียบขนาดเส้นใย 3 ประเภท ด้วยกล้อง Digital Microscope AM4515T8 Dino-Lite Edge
ที่มีอัตราการขยายสูงสุด 950 เท่า

  นาโนไฟเบอร์ (Nanofiber) เป็นเส้นใยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางในช่วงนาโนเมตร (โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 1 นาโนเมตรถึง 1 ไมโครเมตร)
นาโนไฟเบอร์ สามารถผลิตได้จากพอลิเมอร์ชนิดต่างๆ ดังนั้นจึงสามารถกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและศักยภาพในการใช้งานที่แตกต่างกัน
ตัวอย่างของพอลิเมอร์จากธรรมชาติ ได้แก่ คอลลาเจน เซลลูโลส ไฟโบรอินไหม เคราติน เจลาติน และโพลีแซ็กคาไรด์ เช่น ไคโตซานและอัลจิเนต
ตัวอย่างของพอลิเมอร์สังเคราะห์ ได้แก่ โพลี(กรดแลกติก) (PLA), โพลีคาโปรแลกโทน (PCL),โพลียูรีเทน (PU), โพลี(กรดแลกติกโคไกลโคลิก) (PLGA), 
โพลี(3-ไฮดรอกซีบิวไทเรตโค-3-ไฮดรอกซีวาเลอเรต) (PHBV) และโพลี(เอทิลีนโคไวนิลอะซีเตต) (PEVA)
โซ่พอลิเมอร์เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ เส้นผ่านศูนย์กลางของ นาโนไฟเบอร์ ขึ้นอยู่กับประเภทของพอลิเมอร์ที่ใช้และวิธีการผลิต
นาโนไฟเบอร์ พอลิเมอร์ทั้งหมดมีลักษณะเฉพาะตัวด้วยอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรขนาดใหญ่ ความพรุนสูง ความแข็งแรงเชิงกลที่เห็นได้ชัด
และความยืดหยุ่นในการทำงานเมื่อเทียบกับไมโครไฟเบอร์

มีวิธีการต่างๆ มากมายในการผลิตนาโนไฟเบอร์ เช่น กระบวนการอิเลคโตรสปินนิ่ง การเพาะเลี้ยงเชื้อ self-assembly, template synthesis,
และ thermal-induced phase separation
กระบวนการอิเลคโตรสปินนิ่ง เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปที่สุดในการผลิตนาโนไฟเบอร์ หรือที่เรียกว่า เส้นใยนาโน
จาก กระบวนการอิเลคโตรสปินนิ่ง หรือ กระบวนการผลิตเส้นใยจากไฟฟ้าสถิต (Electrospun)
เนื่องจากการตั้งค่าที่สามารถกำหนดควบคุมการใช้งานได้ง่าย และสามารถในการผลิตนาโนไฟเบอร์ อย่างต่อเนื่องเป็นจำนวนมากจากพอลิเมอร์ต่างๆ
และความสามารถในการผลิตเส้นใยที่บางมาก โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง องค์ประกอบ และทิศทางที่ควบคุมได้

ความยืดหยุ่นนี้ช่วยให้สามารถควบคุมรูปร่างและการจัดเรียงของเส้นใยได้ เพื่อให้สามารถผลิตโครงสร้างต่างๆ (เช่น กลวง แบน และทรงริบบิ้น)
ได้ตามวัตถุประสงค์การใช้งานที่ต้องการ

นาโนไฟเบอร์ มีการใช้งานทางเทคโนโลยีและเชิงพาณิชย์ที่เป็นไปได้มากมาย นาโนไฟเบอร์ ใช้ในงานวิศวกรรมเนื้อเยื่อ การส่งยา
วัสดุเคลือบเมล็ดพืช การวินิจฉัยโรคมะเร็ง แบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศ เซ็นเซอร์ออปติก การกรองอากาศ แบตเตอรี่แบบรีดอกซ์โฟลว์ และวัสดุคอมโพสิต

กระบวนการอิเล็กโตรสปินนิง แบบดั้งเดิม


                

รูปแสดง ส่วนประกอบพื้นฐานของอิเล็กโตรสปินนิงแบบดั้งเดิม                      กรวยเทย์เลอร์ที่ฉีดไอพ่นของสารละลายโพลีเมอร์ออกมา

กระบวนการอิเล็กโตรสปินนิง  เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตนาโนไฟเบอร์
อุปกรณ์พื้นฐานที่จำเป็นสำหรับกระบวนการอิเล็กโตรสปินนิงแบบดั้งเดิม ได้แก่
1. อุปกรณ์จ่ายไฟฟ้าศักย์สูง
2. อุปกรณ์สร้างนาโนไฟเบอร์ (Nanofiber Spinneret)
    หลอดไซริงก์ซึ่งบรรจุสารละลายพอลิเมอร์ ที่มีเข็มโลหะที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก ต่อกับขั้วบวกของไฟฟ้าศักย์สูง
    ติดตั้งหลอดไซริงก์บนไซริงก์ปั๊ม

3. อุปกรณ์รับนาโนไฟเบอร์ (Nanofiber collector)  ใช้แผ่นโลหะเป็นตัวรับเส้นใยที่เกิดขึ้น ต่อกับขั้วลบของไฟฟ้าศักย์สูง

การทำงานของกระบวนการอิเล็กโตรสปินนิง แบบดั้งเดิม
1. เมื่อระบบทำงาน จะเกิดสนามไฟฟ้าระหว่างปลายเข็มโลหะของสปินเนอร์เรท และ ส่วนที่เป็นแผ่นโลหะของอุปกรณ์รับนาโนไฟเบอร์
   ปลายเข็มโลหะของสปินเนอร์เรท มีความเข้มของสนามไฟฟ้าที่สูงมาก เนื่องจากปลายเข็มมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กมาก
                        
2. สารละลายส่งมาสู่ปลายเข็มโลหะของสปินเนอร์เรท ถูกควบคุมการส่งสารละลายอย่างสม่ำเสมอจากไซริงก์ปั๊ม
3. พื้นผิวของหยดสารละลายที่ปลายเข็มโลหะได้รับประจุไฟฟ้าบวกที่มีความเข้มสนามไฟฟ้าที่สูงมาก
   และถูกแรงดึงจากแผ่นโลหะบนอุปกรณ์รับนาโนไฟเบอร์ สารละลายนี้ถูกแรงดึงจนเป็นรูปกรวยที่เรียกว่า Taylor cone
   จนชนะแรงตึงผิวและถูกพ่นฉีดเป็นเส้นใยขนาดนาโนไปสะลมแบบสุ่มบนแผ่นรับเส้นใยแบบไม่ทักทอ(non-woven)
   ตัวทำละลาย(Solvent)ในสารละลาย จะระเหยไประหว่างกระบวนการ   

	รูปแสดงให้เห็นถึงการเกิด เทย์เลอร์โคน(Taylorcone) ที่ปลายเข็มโลหะของหลอดไซริงก์  เมื่อสารละลายที่มีประจุไฟฟ้าและมีความเข้มสนามไฟฟ้าสูงมาก ถูกแรงดึงจากแผ่นโลหะบนอุปกรณ์รับ นาโนไฟเบอร์ (Collector)
	รูปแสดง ให้เห็นถึงเมื่อสารละลายที่เป็นเทย์เลอร์โคน มีแรงดึงจนชนะแรงติงผิว จนเกิดเป็นละอองฉีดพ่น(Jet) ตัวทำละลายของสารละลายจะระเหยไป เหลือเส้นใยที่สาดประสานกันแบบสุ่มไปสะสมอยู่ที่ แผ่นโลหะบน อุปกรณ์รับ นาโนไฟเบอร์ (Collector) ภาพจาก The Formation Mechanism of Electrospun Beaded Fibers: Experiment and Simulation Study Cheng Ge, Yuansheng Zheng, Kai Liu1, Binjie Xin, Masha Li and MD.
	ภาพถ่ายด้วยกล้องที่มีความเร็วการถ่ายที่สูง ทำให้เห็นถึงลักษณะการเปลี่ยนแปลงของเส้นใยจากสารละลายที่ออกจากปลายเข็มไซริงก์ เปลี่ยนไปเป็นเส้นใย ก่อนจะสะสมเป็นแผ่นบนตัวรับ

4. สามารถกำหนดขนาดของแผ่นนาโนไฟเบอร์ ที่ได้สามารถกระจาย นาโนไฟเบอร์ ที่ได้ไปอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งแผ่น จากอุปกรณ์พิเศษ คือ
  4.1 อุปกรณ์เลื่อนสไลด์
        อุปกรณ์รับนาโนไฟเบอร์ที่เลื่อนสไลด์ทั้งแกน X และ แกน Y
        อุปกรณ์เลื่อนสไลด์อุปกรณ์สร้างนาโนไฟเบอร์  (Spinneret) ในแกน X และเลื่อนสไลด์อุปกรณ์รับนาโนไฟเบอร์ (Collector) ในแกน Y
   4.2 อุปกรณ์รับเส้นใยแบบลูกกลิ้งทรงกระบอกหมุน (Roller Collector)

        อุปกรณ์นี้จะช่วยกระจายนาโนไฟเบอร์ ในแนวเส้นรอบวง ซึ่งแผ่นรับเส้นใยถูกติดตั้งบนทรงกระบอก
        ต้องใช้อุปกรณ์เลื่อนสไลด์อุปกรณ์สร้างนาโนไฟเบอร์ (Spinneret) ในการกระจายนาโนไฟเบอร์ ให้ทั่วหน้ากว้าง
   5. หากต้องการรูปแบบ นาโนไฟเบอร์ ในลักษณะอื่นๆ สามารถออกแบบ อุปกรณ์รับเนาโนไฟเบอร์ ในลักษณะอื่นได้เช่น
       5.1 แบบเส้นด้าย ( Yarn nanofiber )
       5.2 แบบท่อ นาโนไฟเบอร์  ( Tube nanofiber )

	รูปแสดง แผ่นนาโนไฟเบอร์ (ElectroSpun) ที่ลอกออกจากกระดาษซิลิโคน ที่พันอยู่บนส่วนรับ นาโนไฟเบอร์(Collector)

วัสดุพอลิเมอร์

เนื่องจากความพรุนสูงและพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่มาก นาโนไฟเบอร์ จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างโครงสำหรับการประยุกต์ใช้ทางชีวภาพ

ตัวอย่างหลักของพอลิเมอร์ธรรมชาติที่ใช้ในการผลิตโครง ได้แก่ คอลลาเจน เซลลูโลส ไฟโบรอินไหม เคราติน เจลาติน และโพลีแซ็กคาไรด์ เช่น ไคโตซานและอัลจิเนต

คอลลาเจนเป็นส่วนประกอบนอกเซลล์ตามธรรมชาติของเนื้อเยื่อเกี่ยวพันหลายชนิด

โครงสร้างเส้นใยซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางแตกต่างกันตั้งแต่ 50-500 นาโนเมตร มีความสำคัญต่อการจดจำเซลล์ การยึดเกาะ การแพร่กระจาย และการแยกตัว

Shih และคณะ ใช้นาโนไฟเบอร์ คอลลาเจนชนิด I ที่ผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการอิเล็กโตรสปินนิง
พบว่าโครงคอลลาเจนที่ออกแบบขึ้นนั้นมีการยึดเกาะของเซลล์เพิ่มขึ้นและการเคลื่อนตัวของเซลล์ลดลงเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยเพิ่มขึ้น

Kim และคณะ ใช้โครงไหมเป็นแนวทางในการเจริญเติบโตเพื่อสร้างเนื้อเยื่อกระดูกใหม่
พบว่ากระดูกประสานกันอย่างสมบูรณ์หลังจาก 8 สัปดาห์ 
และกระดูกที่เสียหายหายอย่างสมบูรณ์หลังจาก 12 สัปดาห์
ในขณะที่กลุ่มควบคุมที่กระดูกไม่มีโครงยึด พบว่ากระดูกที่เสียหายสามารถซ่อมแซมได้จำกัดในช่วงเวลาเดียวกัน

ในทำนองเดียวกัน เคราติน เจลาติน ไคโตซาน และอัลจิเนตแสดงให้เห็นถึงความเข้ากันได้ทางชีวภาพและฤทธิ์ทางชีวภาพที่ยอดเยี่ยมในโครงยึด

อย่างไรก็ตาม การรับรู้ระดับเซลล์ของพอลิเมอร์ธรรมชาติสามารถกระตุ้นให้เกิดการตอบสนองของภูมิคุ้มกันได้อย่างง่ายดาย

ดังนั้น พอลิเมอร์สังเคราะห์ เช่น โพลี(กรดแลกติก) (PLA) โพลีคาโปรแลกโทน (PCL) โพลียูรีเทน (PU) โพลี(กรดแลกติกโคไกลโคลิก) (PLGA)
โพลี(แอล-แลกไทด์) (PLLA) และโพลี(เอทิลีนโคไวนิลอะซีเตต) (PEVA)
จึงได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อเป็นทางเลือกสำหรับการผสานเข้ากับโครงนั่งร้าน
เนื่องจากพอลิเมอร์สังเคราะห์เหล่านี้ย่อยสลายได้ทางชีวภาพและเข้ากันได้ทางชีวภาพ
จึงสามารถใช้สร้างเมทริกซ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยภายในช่วงนาโนเมตรได้
จากพอลิเมอร์สังเคราะห์เหล่านี้ PCL ได้สร้างความสนใจอย่างมากในหมู่ผู้วิจัย

PCL เป็นโพลีเอสเตอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพชนิดหนึ่งซึ่งสามารถเตรียมได้โดยใช้กระบวนการโพลีเมอไรเซชันแบบเปิดวงแหวน
ของ ε-คาโปรแลกโทนโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา

PCL มีพิษต่ำ ต้นทุนต่ำ และย่อยสลายช้า PCL สามารถนำมาผสมกับวัสดุอื่น เช่น เจลาติน คอลลาเจน ไคโตซาน และแคลเซียมฟอสเฟต
เพื่อปรับปรุงความสามารถในการแยกตัวและแพร่กระจาย 

PLLA เป็นโพลิเมอร์สังเคราะห์อีกชนิดหนึ่งที่ได้รับความนิยม

PLLA เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่า ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ และความเข้ากันได้ทางชีวภาพ

PLLA แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเคลื่อนที่ของเซลล์อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากการเชื่อมต่อในเชิงพื้นที่สูง
ความพรุนสูง และการจัดตำแหน่งที่ควบคุมได้

การผสมผสานเมทริกซ์นั่งร้าน PLLA และ PLGA แสดงให้เห็นถึงโครงสร้างเลียนแบบชีวภาพที่เหมาะสม
ความแข็งแรงเชิงกลที่ดี และฤทธิ์ทางชีวภาพที่ดี

ภาพจาก Biomimetic electrospun nanofibrous structures for tissue engineering Xianfeng Wang1,2, Bin Ding2 and Bingyun Li1,3,* https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136970211300196X

นาโนไฟเบอร์ สามารถเลียนแบบโครงสร้างเส้นใยคอลลาเจน และเนื้อเยื่อภายในร่างกายได้

ในการสร้างเนื้อเยื่อ จำเป็นต้องใช้เมทริกซ์นอกเซลล์เทียมที่มีรูพรุนสูงเพื่อรองรับและชี้นำการเจริญเติบโตของเซลล์และการสร้างเนื้อเยื่อใหม่

โพลีเมอร์ที่ย่อยสลายได้ตามธรรมชาติและสังเคราะห์ถูกนำมาใช้ในการสร้างโครงยึดดังกล่าว

ในรายงานทุน NIH SBIR ปี 1988 Simon แสดงให้เห็นว่ากระบวนการอิเล็กโตรสปินนิง 
สามารถใช้ในการผลิตแผ่นใยโพลีสไตรีนและโพลีคาร์บอเนตในระดับนาโน
และระดับย่อยไมครอนที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นของเซลล์ในหลอดทดลอง

การใช้โครงตาข่ายเส้นใยจาก กระบวนการอิเล็กโตรสปินนิง ในช่วงแรกสำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์และการสร้างเนื้อเยื่อ
แสดงให้เห็นว่าไฟโบรบลาสต์ของหนังหุ้มปลายองคชาตของมนุษย์ (Human Foreskin Fibroblasts: HFF),
มะเร็งของมนุษย์ที่เปลี่ยนรูป (Transformed Human Carcinoma: HEp-2) และเยื่อบุผิวปอดมิงค์ (MLE) จะยึดเกาะและแพร่พันธุ์บนเส้นใย
โครงสร้างนาโนไฟเบอร์ ใช้ในงานวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกเพื่อเลียนแบบเมทริกซ์นอกเซลล์ตามธรรมชาติของกระดูก

เนื้อเยื่อกระดูกถูกจัดเรียงในรูปแบบที่กะทัดรัดหรือเป็นเนื้อกระดูก และประกอบด้วยโครงสร้างที่จัดระเบียบ
ซึ่งมีความยาวแตกต่างกันตั้งแต่ช่วงเซนติเมตรไปจนถึงระดับนาโนเมตร

ส่วนประกอบอินทรีย์ที่ไม่มีแร่ธาตุ (เช่น คอลลาเจนประเภท 1) ส่วนประกอบอนินทรีย์ที่มีแร่ธาตุ (เช่น ไฮดรอกซีอะพาไทต์)
และโปรตีนเมทริกซ์ที่ไม่ใช่คอลลาเจนอื่นๆ อีกมากมาย (เช่น ไกลโคโปรตีนและโปรตีโอไกลแคน)
ประกอบกันเป็นโครงสร้างนาโนคอมโพสิตของ ECM ของกระดูก

เส้นใยคอลลาเจนอินทรีย์และเกลือแร่อนินทรีย์ให้ความยืดหยุ่นและความเหนียวตามลำดับแก่ ECM

แม้ว่ากระดูกจะเป็นเนื้อเยื่อที่มีพลวัตซึ่งสามารถรักษาตัวเองได้เมื่อได้รับบาดเจ็บเล็กน้อย
แต่ไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้หลังจากประสบกับข้อบกพร่องขนาดใหญ่
เช่น การตัดเนื้องอกของกระดูกและกระดูกหักที่ไม่ประสานกันอย่างรุนแรง เนื่องจากขาดแม่แบบที่เหมาะสม

ปัจจุบัน การรักษาแบบมาตรฐานคือ การปลูกถ่ายกระดูกด้วยตนเอง
ซึ่งเกี่ยวข้องกับการนำกระดูกบริจาคจากบริเวณที่ไม่สำคัญและเข้าถึงได้ง่าย
(เช่น สันกระดูกอุ้งเชิงกราน) ในร่างกายของคนไข้เอง และปลูกถ่ายเข้าไปยังบริเวณที่บกพร่อง
การปลูกถ่ายกระดูกจากร่างกายของตัวเองให้ผลทางคลินิกที่ดีที่สุด เพราะกระดูกจะผสานเข้ากับกระดูกของเจ้าของได้อย่างน่าเชื่อถือ
และสามารถหลีกเลี่ยงภาวะแทรกซ้อนของระบบภูมิคุ้มกันได้

แต่การใช้กระดูกนั้นถูกจำกัดเนื่องจากมีปริมาณน้อยและเกิดโรคที่บริเวณที่บริจาคซึ่งเกี่ยวข้องกับขั้นตอนการเก็บเกี่ยว

ยิ่งไปกว่านั้น กระดูกที่ปลูกถ่ายจากร่างกายของตัวเองจะไม่มีหลอดเลือด ดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับการแพร่กระจายของสารอาหาร
ซึ่งส่งผลต่อความสามารถในการมีชีวิตอยู่ของกระดูกในเจ้าของ
นอกจากนี้ กระดูกที่ปลูกถ่ายจากร่างกายของตัวเองยังสามารถดูดซึมกลับได้ก่อนที่กระบวนการสร้างกระดูกจะเสร็จสมบูรณ์
เนื่องจากร่างกายมีอัตราการเปลี่ยนแปลงรูปร่างสูง

อีกกลยุทธ์หนึ่งในการรักษาความเสียหายของกระดูกอย่างรุนแรงคือการปลูกถ่ายกระดูกจากศพมนุษย์
อย่างไรก็ตาม การปลูกถ่ายกระดูกจากร่างกายจะทำให้เจ้าของมีความเสี่ยงต่อโรคและการติดเชื้อ
วิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกเป็นการตอบสนองที่หลากหลายในการรักษาอาการบาดเจ็บและการผิดรูปของกระดูก
นาโนไฟเบอร์ ที่ผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการอิเล็กโตรสปินนิง เลียนแบบโครงสร้างและลักษณะของเมทริกซ์นอกเซลล์ตามธรรมชาติได้เป็นอย่างดี

โครงนั่งร้านเหล่านี้สามารถใช้ในการส่งมอบสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่ส่งเสริมการสร้างเนื้อเยื่อใหม่
วัสดุชีวภาพเหล่านี้ควรมีคุณสมบัติในการกระตุ้นให้กระดูกสร้างกระดูกได้ นำกระดูกไปใช้งานได้ และรวมเข้ากับกระดูกได้
วัสดุทดแทนกระดูกที่ใช้ทดแทนกระดูกที่ผลิตขึ้นเองหรือจากผู้อื่น ประกอบด้วยเซรามิกชีวภาพ แก้วชีวภาพ และโพลีเมอร์ชีวภาพและสังเคราะห์

พื้นฐานของวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกก็คือ วัสดุเหล่านี้จะถูกดูดซึมและแทนที่ด้วยเนื้อเยื่อชีวภาพของร่างกายที่สร้างขึ้นใหม่เมื่อเวลาผ่านไป
วิศวกรรมเนื้อเยื่อไม่ได้จำกัดอยู่แค่กระดูกเท่านั้น แต่ยังมีงานวิจัยจำนวนมากที่อุทิศให้กับกระดูกอ่อน เอ็น กล้ามเนื้อโครงร่าง ผิวหนัง
หลอดเลือด และวิศวกรรมเนื้อเยื่อประสาทด้วย

สามารถโหลดยาและไบโอโพลีเมอร์ลงบนนาโนไฟเบอร์ ได้โดยการดูดซับแบบง่ายๆ
การดูดซับอนุภาคขนาดนาโน และการประกอบแบบหลายชั้น

การนำส่งยาไปยังเป้าหมายที่ต้องการได้สำเร็จนั้นส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการเลือกตัวพายา

เกณฑ์สำหรับตัวพายาในอุดมคติ ได้แก่ การให้ผลสูงสุดเมื่อนำส่งยาไปยังอวัยวะเป้าหมาย
การหลีกเลี่ยงระบบภูมิคุ้มกันของร่างกายในกระบวนการเข้าถึงอวัยวะ
การกักเก็บโมเลกุลที่ใช้ในการรักษาตั้งแต่ขั้นตอนการเตรียมการจนถึงการส่งยาขั้นสุดท้าย
และการปล่อยยาอย่างเหมาะสมเพื่อให้เกิดผลการรักษาที่ต้องการ

กำลังศึกษาอยู่ว่า นาโนไฟเบอร์ อาจนำมาใช้เป็นตัวพายาได้หรือไม่

พอลิเมอร์จากธรรมชาติ เช่น เจลาตินและอัลจิเนต เหมาะที่จะนำมาใช้เป็นวัสดุชีวภาพสำหรับ นาโนไฟเบอร์  ตัวพา
เนื่องจากมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพและย่อยสลายได้ทางชีวภาพ จึงไม่เป็นอันตรายต่อเนื้อเยื่อของโฮสต์
และไม่มีการสะสมของสารพิษในร่างกายมนุษย์ เนื่องมาจากรูปร่างทรงกระบอก นาโนไฟเบอร์  จึงมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูง

ด้วยเหตุนี้ นาโนไฟเบอร์  จึงมีความสามารถในการบรรจุยาสูง และอาจปล่อยโมเลกุลที่ใช้ในการรักษาได้ในพื้นที่ผิวขนาดใหญ่

ในขณะที่อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสามารถควบคุมได้โดยการปรับรัศมีสำหรับเวสิเคิลทรงกลมเท่านั้น
นาโนไฟเบอร์  มีระดับความอิสระในการควบคุมอัตราส่วนโดยการเปลี่ยนแปลงทั้งความยาวและรัศมีหน้าตัด

ความสามารถในการปรับนี้มีความสำคัญสำหรับการนำไปใช้ในระบบส่งยาซึ่งจำเป็นต้องควบคุมพารามิเตอร์การทำงานอย่างแม่นยำ

การศึกษาเบื้องต้นระบุว่ายาปฏิชีวนะและยาต้านมะเร็งสามารถห่อหุ้มไว้ใน นาโนไฟเบอร์  จาก กระบวนการอิเล็กโตรสปินนิง 
ได้โดยการเติมยาลงในสารละลายโพลีเมอร์ก่อน กระบวนการอิเล็กโตรสปินนิง

โครงนั่งร้านนาโนไฟเบอร์ ที่บรรจุบนพื้นผิวมีประโยชน์เป็นตัวกั้นการยึดเกาะระหว่างอวัยวะภายในและเนื้อเยื่อหลังการผ่าตัด

การยึดเกาะเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการรักษา และอาจทำให้เกิดภาวะแทรกซ้อน เช่น อาการปวดเรื้อรังและการผ่าตัดซ้ำล้มเหลว

แม้ว่าการตรวจทางพยาธิวิทยาจะเป็นวิธีมาตรฐานในปัจจุบันสำหรับการจำแนกลักษณะทางโมเลกุลในการตรวจหาไบโอมาร์กเกอร์ในเนื้องอก
แต่การวิเคราะห์ตัวอย่างเดียวเหล่านี้ไม่สามารถอธิบายลักษณะทางจีโนมที่หลากหลายของเนื้องอกได้

เมื่อพิจารณาถึงลักษณะการรุกราน ความเครียดทางจิตใจ และภาระทางการเงินที่เกิดจากการตรวจชิ้นเนื้อเนื้องอกซ้ำๆ ในผู้ป่วย
ไบโอมาร์กเกอร์ที่สามารถตัดสินได้จากขั้นตอนที่รุกรานน้อยที่สุด เช่น การเจาะเลือด ถือเป็นโอกาสสำหรับความก้าวหน้าในการแพทย์เฉพาะบุคคล

การตรวจชิ้นเนื้อในของเหลวเป็นทางเลือกที่ได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้นในฐานะทางเลือกแทนการตรวจชิ้นเนื้อเนื้องอกแข็ง

การตรวจชิ้นเนื้อในของเหลวเป็นเพียงการเจาะเลือดที่มีเซลล์เนื้องอกที่ไหลเวียน (CTCs) ซึ่งหลั่งเข้าสู่กระแสเลือดจากเนื้องอกแข็ง

ผู้ป่วยมะเร็งที่แพร่กระจายมีแนวโน้มที่จะตรวจพบ CTCs ในกระแสเลือดได้มากกว่า แต่ CTCs ก็มีอยู่ในผู้ป่วยที่มีโรคเฉพาะที่เช่นกัน

พบว่าจำนวน CTCs ที่มีอยู่ในกระแสเลือดของผู้ป่วยมะเร็งต่อมลูกหมากและมะเร็งลำไส้ใหญ่แพร่กระจายเป็นตัวทำนายการอยู่รอดโดยรวมของเนื้องอกได้

CTCs ยังได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถบอกการพยากรณ์โรคในระยะเริ่มแรกของโรคได้อีกด้วย

กลไกการจับและปล่อย CTC ของ Thermoresponsive Chip รุ่นที่สาม

เมื่อไม่นานนี้ Ke และคณะ ได้พัฒนาชิป NanoVelcro ที่จับ CTCs จากตัวอย่างเลือด

เมื่อเลือดผ่านชิป นาโนไฟเบอร์ที่เคลือบด้วยแอนติบอดีโปรตีนจะจับกับโปรตีนที่แสดงอยู่บนพื้นผิวของเซลล์มะเร็งและทำหน้าที่เหมือนเวลโครเพื่อดักจับ CTC เพื่อการวิเคราะห์

การทดสอบ CTCs แบบ NanoVelcro ได้รับการพัฒนามาแล้วสามรุ่น

ชิป NanoVelcro รุ่นแรกถูกสร้างขึ้นสำหรับการนับ CTCs เพื่อใช้ในการพยากรณ์มะเร็ง การตรวจระยะ และการตรวจติดตามแบบไดนามิก

NanoVelcro-LCM รุ่นที่สองได้รับการพัฒนาสำหรับการแยก CTCs เซลล์เดียว

CTCs ที่แยกได้ทีละตัวสามารถนำไปทำการสร้างจีโนไทป์สำหรับ CTCs เดี่ยวได้

ชิป Thermoresponsive รุ่นที่สามช่วยให้สามารถฟอก CTCs ได้

แปรงโพลีเมอร์นาโนไฟเบอร์จะเปลี่ยนแปลงโครงสร้างตามอุณหภูมิเพื่อจับและปล่อย CTCs

แบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศ

แบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศแบบชาร์จไฟได้เป็นอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมีขั้นสูงชนิดหนึ่งที่มีความน่าสนใจเป็นพิเศษ
เนื่องจากมีความสามารถในการจัดเก็บพลังงานได้สูงและมีความหนาแน่นของพลังงานสูง

ในขณะที่ใช้งานแบตเตอรี่ ไอออนลิเธียมจะรวมตัวกับออกซิเจนจากอากาศเพื่อสร้างอนุภาคของลิเธียมออกไซด์
ซึ่งจะเกาะติดกับเส้นใยคาร์บอนบนอิเล็กโทรด

ในระหว่างการชาร์จใหม่ ลิเธียมออกไซด์จะแยกตัวอีกครั้งเป็นลิเธียมและออกซิเจน ซึ่งจะถูกปล่อยกลับสู่ชั้นบรรยากาศ

ลำดับการแปลงนี้ไม่มีประสิทธิภาพอย่างมาก เนื่องจากมีความต่างศักย์ไฟฟ้ามากกว่า 1.2 V
ระหว่างศักย์ไฟฟ้าขาออกและศักย์ไฟฟ้าในการชาร์จของแบตเตอรี่
ซึ่งหมายความว่าพลังงานไฟฟ้าประมาณ 30% จะสูญเสียไปในรูปของความร้อนเมื่อชาร์จแบตเตอรี่

นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่มากอันเป็นผลมาจากการแปลงออกซิเจนอย่างต่อเนื่องระหว่างสถานะก๊าซและของแข็ง
ยังสร้างแรงกดดันต่ออิเล็กโทรดและจำกัดอายุการใช้งานอีกด้วย

แผนผังโครงสร้างของแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศ สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศแบบนาโนไฟเบอร์
แคโทดจะประกอบด้วยคาร์บอนนาโนไฟเบอร์

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เหล่านี้ขึ้นอยู่กับลักษณะของวัสดุที่ประกอบเป็นแคโทด

วัสดุคาร์บอนถูกนำมาใช้เป็นแคโทดอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าได้ดี มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่
และมีความเสถียรทางเคมี วัสดุคาร์บอนมีความเกี่ยวข้องโดยเฉพาะกับแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศ
โดยทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับรองรับออกไซด์ของโลหะ

คาร์บอนนาโนไฟเบอร์  แบบอิเล็กโตรสปันที่ปราศจากสารยึดเกาะเป็นตัวเลือกที่มีศักยภาพที่ดี
โดยเฉพาะสำหรับใช้ในอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจน
เนื่องจากไม่มีสารยึดเกาะ มีโครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ที่เปิดกว้าง
มีคาร์บอนที่ช่วยสนับสนุนและเร่งปฏิกิริยารีดักชันออกซิเจน และมีความคล่องตัว

Zhu และคณะได้พัฒนาแคโทดแบบใหม่ที่สามารถเก็บลิเธียมและออกซิเจนในอิเล็กโทรดที่พวกเขาเรียกว่านาโนลิเธีย
ซึ่งเป็นเมทริกซ์ของคาร์บอนนาโนไฟเบอร์ ที่ฝังด้วยออกไซด์ของโคบอลต์เป็นระยะๆ

ออกไซด์ของโคบอลต์เหล่านี้ทำให้นาโนลิเธียมที่มีซูเปอร์ออกไซด์ซึ่งโดยปกติไม่เสถียรมีความเสถียร
ในการออกแบบนี้ ออกซิเจนจะถูกเก็บไว้เป็น LiO₂ และจะไม่เปลี่ยนรูประหว่างก๊าซและของแข็งในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ
เมื่อแบตเตอรี่กำลังคายประจุ ไอออนลิเธียมในนาโนลิเธียมจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนซูเปอร์ออกไซด์เพื่อสร้างเมทริกซ์ Li₂O₂, และ Li₂O

ออกซิเจนยังคงอยู่ในสถานะของแข็งในขณะที่เปลี่ยนรูประหว่างรูปแบบเหล่านี้

ปฏิกิริยาเคมีของการเปลี่ยนรูปเหล่านี้ให้พลังงานไฟฟ้า ในระหว่างการชาร์จ การเปลี่ยนรูปจะเกิดขึ้นแบบย้อนกลับ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ไฟเบอร์ออปติกโพลีเมอร์ได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้น

เนื่องจากต้นทุนต่ำ ง่ายต่อการจัดการ ความโปร่งใสในความยาวคลื่นยาว ความยืดหยุ่นสูง และความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
ไฟเบอร์ออปติกโพลีเมอร์จึงมีศักยภาพสูงสำหรับการเชื่อมต่อเครือข่ายระยะสั้น การตรวจจับด้วยแสง และการจ่ายพลังงาน

นาโนไฟเบอร์ แบบ Electrospun เหมาะเป็นพิเศษสำหรับเซ็นเซอร์ออปติก
เนื่องจากความไวของเซ็นเซอร์จะเพิ่มขึ้นตามพื้นที่ผิวต่อหน่วยมวลที่เพิ่มขึ้น
การตรวจจับด้วยแสงทำงานโดยตรวจจับไอออนและโมเลกุลที่สนใจผ่านกลไกดับการเรืองแสง

Wang และคณะ ประสบความสำเร็จในการพัฒนาเซ็นเซอร์ออปติกฟิล์มบางแบบนาโนไฟเบอร์ สำหรับการตรวจจับไอออนโลหะ (Fe³⁺ และ Hg²⁺)
และ 2,4-dinitrotoluene (DNT) โดยใช้เทคนิค Electrospinning

จุดควอนตัมแสดงคุณสมบัติทางแสงและทางไฟฟ้าที่มีประโยชน์ รวมถึงค่าขยายแสงสูงและเสถียรภาพทางเคมี

จุดควอนตัมหลากหลายชนิดถูกนำมารวมเข้ากับนาโนไฟเบอร์ โพลีเมอร์ได้สำเร็จ

Meng และคณะแสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์นาโนไฟเบอร์ โพลีเมอร์ที่โดปจุดควอนตัมสำหรับการตรวจจับความชื้นแสดงให้เห็นถึงการตอบสนองที่รวดเร็ว ความไวสูง และความเสถียรในระยะยาว ในขณะที่ต้องใช้พลังงานต่ำ
Kelly และคณะได้พัฒนาเซ็นเซอร์ที่เตือนผู้ตอบสนองฉุกเฉินเมื่อตัวกรองคาร์บอนในเครื่องช่วยหายใจอิ่มตัวด้วยอนุภาคควันพิษ
เครื่องช่วยหายใจโดยทั่วไปจะมีถ่านกัมมันต์ที่ดักจับสารพิษในอากาศ

เมื่อตัวกรองอิ่มตัว สารเคมีจะเริ่มผ่านเข้ามาและทำให้เครื่องช่วยหายใจไร้ประโยชน์

เพื่อให้ระบุได้ง่ายว่าตัวกรองหมดลงเมื่อใด Kelly และทีมของเขาได้พัฒนาหน้ากากที่มีเซ็นเซอร์ที่ประกอบด้วยเส้นใยคาร์บอนนาโน
ที่ประกอบเป็นโครงสร้างซ้ำๆ ที่เรียกว่าผลึกโฟโตนิกส์ซึ่งสะท้อนแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะ เซ็นเซอร์แสดงสีรุ้งที่เปลี่ยนไปเมื่อเส้นใยดูดซับสารพิษ

การกรองอากาศ

สีและสารเคลือบป้องกันบนเฟอร์นิเจอร์ประกอบด้วยสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย เช่น โทลูอีนและฟอร์มาลดีไฮด์

นาโนไฟเบอร์ แบบอิเล็กโตรสปัน มีประโยชน์ในการกำจัดสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOC) จากบรรยากาศ

Scholten และคณะ. แสดงให้เห็นว่าการดูดซับและการแยกตัวของ VOC โดยเมมเบรน นาโนไฟเบอร์ 
แบบอิเล็กโตรสปัน นั้นเร็วกว่าอัตราของคาร์บอนกัมมันต์แบบธรรมดา

การปนเปื้อนในอากาศในห้องโดยสารของพนักงานอุปกรณ์การทำเหมืองเป็นเรื่องที่คนงานเหมือง
บริษัทเหมืองแร่ และหน่วยงานของรัฐ เช่น สำนักงานความปลอดภัยและสุขภาพเหมืองแร่ (MSHA)

งานวิจัยล่าสุดร่วมกับผู้ผลิตอุปกรณ์การทำเหมืองและ MSHA แสดงให้เห็นว่าสื่อกรองนาโนไฟเบอร์ 
สามารถลดความเข้มข้นของฝุ่นในห้องโดยสารได้ในระดับที่มากกว่าสื่อกรองเซลลูโลสมาตรฐาน

นาโนไฟเบอร์สามารถใช้ในหน้ากากเพื่อปกป้องผู้คนจากไวรัส แบคทีเรีย หมอกควัน ฝุ่น สารก่อภูมิแพ้ และอนุภาคอื่นๆ

ประสิทธิภาพการกรองอยู่ที่ประมาณ 99.9% และหลักการกรองเป็นกลไก

อนุภาคในอากาศมีขนาดใหญ่กว่ารูพรุนในใยนาโน แต่อนุภาคออกซิเจนมีขนาดเล็กพอที่จะผ่านเข้าไปได้

นาโนไฟเบอร์ มีความสามารถในการแยกน้ำมันและน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการดูดซับเมื่อวัสดุที่ใช้มีพื้นผิวที่เป็นน้ำมันและไม่ชอบน้ำ

ลักษณะพิเศษเหล่านี้ทำให้นาโนไฟเบอร์ สามารถใช้เป็นเครื่องมือในการต่อสู้กับน้ำเสียที่มีน้ำมันจากกิจกรรมในครัวเรือนและอุตสาหกรรม
หรือน้ำทะเลที่มีน้ำมัน  เนื่องมาจากน้ำมันไหลลงสู่มหาสมุทรจากกิจกรรมการขนส่งน้ำมันและการทำความสะอาดถังน้ำมันบนเรือ

สิ่งทอสำหรับชุดกีฬาที่มีเมมเบรน นาโนไฟเบอร์ อยู่ภายในนั้นใช้เทคโนโลยีนาโนไฟเบอร์ สมัยใหม่
โดยแกนของเมมเบรนประกอบด้วยเส้นใยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางบางกว่าเส้นผมของมนุษย์ถึง 1,000 เท่า

ตะแกรงที่มีความหนาแน่นสูงมากนี้มีรูพรุนมากกว่า 2,500 ล้านรูต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งมีประสิทธิภาพในการกำจัดไอระเหยได้ดีกว่ามาก
และให้ระดับการต้านทานน้ำที่ดีขึ้น

หากพูดกันตามตัวเลขแล้ว สิ่งทอนาโนไฟเบอร์มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• มีค่าการซึมผ่านของไอระเหย RET 1.0 และคอลัมน์น้ำ 10,000 มม. (รุ่นที่ต้องการการระบายอากาศ)
• มีค่าการซึมผ่านของไอระเหย RET 4.8 และคอลัมน์น้ำ 30,000 มม. (รุ่นที่ต้องการการต้านทานน้ำ)

เมมเบรนสำหรับเสื้อผ้าและรองเท้าที่ทำจาก นาโนไฟเบอร์ ประกอบด้วยโพลียูรีเทน ดังนั้นการผลิตจึงไม่เป็นอันตรายต่อธรรมชาติ

เมมเบรนของชุดกีฬาที่ทำจาก นาโนไฟเบอร์ นั้นสามารถรีไซเคิลได้