ナノファブリック

ナノファブリックは、通常の材料に超疎水性（極度の耐水性、「ロータス効果」も参照）^[1]、 臭気および湿気の除去、^[2]、 弾力性と強度の向上、^[3] 、および細菌耐性^[4]などの有利な特性を与える小さな粒子で設計された繊維です。 望ましい特性に応じて、ナノファブリックは、ナノファイバーと呼ばれるナノスケールの繊維から構築されるか、ナノ粒子を含む溶液を通常の繊維に塗布することによって形成されます。 ナノファブリックの研究は、バイオエンジニアリング、^{[5] 、}分子化学、物理学、電気工学、コンピューターサイエンス、およびシステムエンジニアリングを含む学際的な取り組みです。^[3]ナノファブリックの用途は、繊維製造^[6]や薬物送達や組織工学などの医療分野に革命を起こす可能性があります。^[7]

幅が1000ナノメートル（1000 nmまたは1μm）未満の繊維は、一般的にナノファイバーと定義されています。^[9]ナノ粒子は、半径が100ナノメートル（100 nm）未満の原子または分子の小さなグループと定義されています。^[10]ナノスケールの粒子は表面積と体積の比が非常に高いのに対し、マクロスケールの物体ではこの比ははるかに低くなります。相対的な表面積が大きいということは、粒子の質量の大部分が表面に存在することを意味し、ナノファイバーとナノ粒子は他の材料との相互作用のレベルが高くなります。非常に小さな粒子で観察される表面積と体積の比が高いため、ナノファブリックが示す多くの特殊な特性を生み出すことができます。^[11]

1980年代にゾルゲル^[12]とエレクトロスピニング^[13]の技術が完全に開発されて以来、ナノ粒子とナノファイバーを使用して特殊なナノファブリックを製造することが関心の対象となりました。 ^{[14] 2000年以降、世界的な資金の劇的な増加により、ナノファブリック研究を含む}ナノテクノロジーの研究努力が加速しています。^[15]

ゾルゲル法は、液体仕上げとして繊維に塗布できるゲル状の溶液を作成し、新しい特性を持つナノファブリックを作成するために使用されます。 ^{[16]このプロセスは、}ナノ粒子を液体 溶媒（多くの場合アルコール）に 溶解することから始まります。溶解すると、いくつかの化学反応が起こり、ナノ粒子が成長して液体全体にネットワークが確立されます。^[17]このネットワークにより、溶液はゼラチン状の質感を持つコロイド（液体中の固体粒子の懸濁液）に変換されます。最後に、コロイドは、布地の処理に使用できるようにする前に、混合物から余分な溶媒を除去するために乾燥プロセスを経る必要があります。 ^[18]ゾルゲル法は、タンパク質が結合した長くて極細の鎖であるポリマー ナノファイバーの製造にも同様に使用されます。

電界紡糸法は、ポリマー溶液（ゾルゲル法で合成）からナノファイバーを抽出し、それらを集めて不織布ナノファブリックを形成する。^[19]溶液に強い電界をかけてポリマーストランドを帯電させる。溶液を注射器に入れ、反対に帯電したコレクタープレートに向ける。ポリマーナノファイバーとコレクタープレート間の引力が溶液の表面張力を超えると、ナノファイバーは溶液から放出され、コレクタープレートに堆積する。堆積した繊維は多孔質ナノファブリックを形成し、使用するポリマーの種類に応じて薬物送達や組織工学に役立つ可能性がある。^[20]

ナノエンジニアリングコーティングを布地に塗布すると、ナノ粒子は素材の繊維と容易に結合します。粒子の体積に対する表面積が大きいため、化学反応性が高まり、より永久的に素材に付着します。製造中にナノ粒子コーティングで処理された布地は、細菌を殺し、湿気や臭いを取り除き、静電気を防ぐ素材を生み出します。繊維に塗布されたポリマーナノファイバーコーティングは、ポリマーの一端で素材に結合し、小さな毛のような構造の表面を形成します。^[16] ポリマーの「毛」は、液体が実際の布地と接触するのを防ぐ薄い層を作ります。汚れやシミに強く、超疎水性の特性を持つナノファブリックは、ポリマーナノファイバーによって形成された層によって可能になります。^[6]

衣料品や繊維産業で利用するためのナノファブリックの開発はまだ初期段階にあります。細菌耐性衣料などの一部の用途は、経済的観点からはまだ実用的ではありません。たとえば、コーネル大学の学生が作成した殺菌ジャケットの試作品だけでも1万ドルの費用がかかりました^[4] 。そのため、ナノファブリック衣料が市場に出るまでには長い時間がかかるかもしれません。

医療に使われるナノファブリックは、抗生物質、抗がん剤、タンパク質、DNAを正確な量で 送達することができる。電界紡糸法で多孔質ナノファブリックを作成し、そこに目的の薬剤を充填して標的部位の組織に塗布する。薬剤は拡散によって組織を通過し、膜を通って高濃度から低濃度へと物質が移動する。薬剤の投与速度は、ナノファブリックの組成を変えることで変えることができる。^[21]

電界紡糸法で作られた不織布は、臓器組織、骨、ニューロン、腱、靭帯の成長を助ける可能性があります。ポリマーナノファブリックは、損傷した組織を支える足場として、または実際の組織の合成代替品として機能します。機能に応じて、ナノファブリックは天然ポリマーまたは合成ポリマー、またはその両方の組み合わせで作ることができます。 ^[20]

ナノテクノロジーが進歩するにつれて、ナノエンジニアリングされた材料が環境に与える影響を調べるための多くの研究が行われてきました。^[22] ほとんどの繊維は、その寿命の間に最大20％の質量を失う可能性があるため、ナノファブリックの製造に使用されるナノ粒子は、空気や水路に放出される危険性があります。^[23]

ナノ銀は抗菌性があるため、世界生産量の49.5％がナノ繊維産業で消費されると見込まれている。ナノファブリック産業で使用されるナノ銀の20％が水路に放出され、微生物に害を及ぼす可能性があると予測されている。しかし、ナノ銀の90％以上は廃水処理施設での処理中に除去されるため、環境への影響は最小限に抑えられる可能性が高い。^{[24]酸化アルミニウム}ナノ粒子に関する研究では、吸入するとラットの肺に炎症が生じたことが示された。 ^[25]酸化アルミニウムナノ粒子は大量に使用されないため、健康リスクはごくわずかである。ナノ粒子について実施された他の研究では、ナノ繊維産業が成長し続けるにつれて、環境への影響は低くなると示唆されている。

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