Diseño y construcción de una máquina de electrohilado vertical de 0 a 50 kV para generar nanofibras a base de polímero colágeno
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Date
2026-07-06
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Publisher
Universidad Técnica de Ambato-Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica-Carrera de Ingeniería Mecánica
Abstract
This technical project aimed to design and construct a vertical electrospinning machine with an operating range of 0 to 50 kV for the production of collagen-based nanofibers with applications in biomaterials and tissue engineering. Equipment development was grounded in the analysis of critical electrospinning process parameters and component selection through weighted decision matrices. The methodology encompassed the mechanical and electromechanical design of the injection system, driven by a NEMA 23 stepper motor, ZK-SMC01 controller, and TB6600 driver configured at 6400 microsteps, achieving continuous and pulse-free volumetric control. A 0– 50 kV high-voltage power supply was integrated alongside a cabin featuring dielectric insulation and electromagnetic shielding based on the Faraday cage principle, ensuring protection of electronic components and operator safety. Experimental validation employed commercial gelatin dissolved in acetic acid as an experimental analog for collagen. Through visual inspection, metallurgical microscopy, and scanning electron microscopy (SEM), stabilization of the Taylor cone and formation of continuous fibrillar structures were confirmed. Optimal operating parameters were established at 25 kV applied voltage, 9 cm needle-to-collector distance, and 1 ml/h injection flow rate, yielding nanofibers with a minimum average diameter of 947.84 nm. The equipment was developed with a total investment of USD 2,028.34, becoming the first system of this capacity at the faculty.
Description
El presente proyecto técnico tuvo como objetivo diseñar y construir una máquina de electrohilado vertical con capacidad de operación de 0 a 50 kV para la obtención de nanofibras a base de colágeno con aplicaciones en biomateriales e ingeniería de tejidos. El desarrollo del equipo se fundamentó en el análisis de los parámetros críticos del proceso de electrohilado y en la selección de alternativas mediante matrices de decisión ponderadas. La metodología abarcó el diseño mecánico y electromecánico del sistema de inyección, accionado por un motor paso a paso NEMA 23, controlador ZK-SMC01 y driver TB6600 configurado a 6400 micropasos, logrando un control volumétrico continuo y libre de pulsaciones. Se integró una fuente de alta tensión de 0 a 50 kV y se implementó una cabina con aislamiento dieléctrico y blindaje electromagnético bajo principio de jaula de Faraday, garantizando la protección de los componentes electrónicos y la seguridad del operador. La validación experimental empleó soluciones de gelatina comercial disueltas en ácido acético como análogo experimental del colágeno. Mediante inspección visual, microscopía metalúrgica y microscopía electrónica de barrido (SEM), se confirmó la estabilización del cono de Taylor y la formación de estructuras fibrilares continuas. Los parámetros operativos óptimos determinados fueron 25 kV de tensión, 9 cm de distancia boquilla–colector y 1 ml/h de caudal, obteniéndose nanofibras con un diámetro promedio mínimo de 947,84 nm. El equipo fue desarrollado con una inversión de USD 2.028,34, constituyéndose como el primer sistema de esta capacidad en la facultad.
Keywords
ELECTROHILADO VERTICAL, NANOFIBRAS, COLÁGENO, GELATINA, CONO DE TAYLOR, JAULA DE FARADAY, MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO, BIOMATERIALES, ALTO VOLTAJE, MICROPASOS
Citation
Universidad Técnica de Ambato-Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica-Carrera de Ingeniería Mecánica