Electrospinning and polymer nanofibers: Process fundamentals

Comprehensive Biomaterials

Volumn 1, Issue , 2011, Pages 497-512

  Bhattacharjee, P K ^a   Rutledge, G C ^b  

^a MONASH UNIVERSITY   (Australia)

^b MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (United States)

Author keywords

Electrospinning; Electrostatics; Fiber; Hydrodynamics; Jetting; Morphology; Nanofiber; Nonwoven; Porosity; Rheology; Viscoelasticity

Indexed keywords

POLYMER NANOFIBERS; PROCESS FUNDAMENTALS;

EID: 84896353400     PISSN: None     EISSN: None     Source Type: Book    
DOI: None     Document Type: Chapter

References (128)

1. Huang, Z.-M.; Zhang, Y. Z.; Kotaki, M.; Ramakrishna, S. Compos. Sci. Technol. 2003, 63(15), 2223-2253.
2. Ramakrishna, S.; Fujihara, K.; Teo, W. E.; Yong, T.; Ma, Z.; Ramasheshan, R. Mater. Today 2006, 9, 40-50.
3. Reneker, D. H.; Chun, I. Nanotechnology 1996, 7(3), 216-223.
4. Altman, G. H.; Diaz, F.; Jakuba, C.; et al. Biomaterials 2002,24(3), 401-416.
5. Keun Kwon, I.; Kidoaki, S.; Matsuda, T. Biomaterials 2005,26(18), 3929-3939.
6. Sill, T. J.; von Recum, H. A. Biomaterials 2008,29(13), 1989-2006.
7. Wang, X.; Wenk, E.; Matsumoto, A.; Meinel, L.; Li, C.; Kaplan, D. L. J. Control. Release 2007,117(3), 360-370.
8. Zeng, J.; Xu, X.; Chen, X.; et al. J. Control. Release 2003,92(3), 227-231.
9. Barnes, C. P.; Sell, S. A.; Boland, E. D.; Simpson, D. G.; Bowlin, G. L. Adv. Drug Deliv. Rev. 2007,59(14), 1413-1433.
10. Laurencin, C. T.; Ambrosio, A. M. A.; Borden, M. D.; Cooper, J. A. Annu. Rev. Biomed. Eng. 1999,1(1), 19-46.
11. Pham, Q. P.; Sharma, U.; Mikos, A. G. Tissue Eng. 2006, 12(5), 1197-1211.
12. Xu, C.; Inai, R.; Kotaki, M.; Ramakrishna, S. Tissue Eng. 2004, 10(7-8), 1160-1168.
13. Xu, C. Y.; Inai, R.; Kotaki, M.; Ramakrishna, S. Biomaterials 2004,25(5), 877-886.
14. Koombhongse, S.; Liu, W.; Reneker, D. H. J. Polym. Sci. B Polym. Phys. 2001, 39(21), 2598-2606.
15. Casper, C.-L.; Stephens, J. S.; Tassi, N. G.; Chase, D. B.; Rabolt, J. F. Macromolecules 2003,37(2), 573-578.
16. Pai, C.-L.; Boyce, M. C.; Rutledge, G. C. Macromolecules 2009, 42(6), 2102-2114.
17. Yu, J. H.; Rutledge, G. C. In Encyclopedia of Polymer Science and Technology, Wiley: New Jersey, 2007.
18. Sun, Z.; Zussman, E.; Yarin, A. L.; Wendorff, J. H.; Greiner, A. Adv. Mater. 2003, 15(22), 1929-1932.
19. Yu, J. H.; Fridrikh, S. V.; Rutledge, G. C. Adv. Mater. 2004,16(17), 1562-1566.
20. Gupta, P.; Wilkes, G. L. Polymer 2003,44(20), 6353-6359.
21. Kameoka, J.; Orth, R.; Yang, Y.; et al. Nanotechnology2003,14(10), 1124-1129.
22. Yarin, A. L.; Zussman, E. Polymer 2004, 45, 2977-2980.
23. Fang, D.; Chang, C.; Hsiao, B. S.; Chu, B. In Polymeric Nanofibers; Reneker, D. H., Fong, H., Eds.; American Chemical Society: Washington, DC, 2006; pp 91-105.
24. Theron, S. A.; Yarin, A. L.; Zussman, E.; Kroll, E. Polymer 2005, 46(9), 2889-2899.
25. Melcher, J. R.; Taylor, G. I. Annu. Rev. Fluid Mech. 1969, 1(1), 111-146.
26. Saville, D. A. Annu. Rev. Fluid Mech. 1997,29, 27-64.
27. Marginean, I.; Nemes, P.; Vertes, A. Phys. Rev. Lett. 2006, 97(6), 064502-064504.
28. Hohman, M. M.; Shin, M.; Rutledge, G.; Brenner, M. P. Phys.Fluids2001,13(8), 2201-2220.
29. Feng, J. J. Phys. Fluids 2002,14, 3912.
30. Carroll, C. P.; Joo, Y. L. Phys. Fluids 2006,18.
31. Reneker, D. H.; Yarin, A. L.; Fong, H.; Koombhongse, S. J. Appl. Phys. 2000, 87(9), 4531-4547.
32. Gupta, R. K.; Nguyen, D. A.; Sridhar, T. Phys. Fluids 2000,12(6), 1296-1318.
33. Bhattacharjee, P. K.; Oberhauser, J. P.; McKinley, G. H.; Leal, L. G.; Sridhar, T. Macromolecules 2002,35(27), 10131-10148.
34. Larson, R. G.; Sridhar, T.; Leal, L. G.; McKinley, G. H.; Likhtman, A. E.; McLeish, T. C. B. J. Rheol. 2003, 47(3), 809-818.
35. Doi, M.; Edwards, S. F. The Theory of Polymer Dynamics; Oxford University Press: Oxford, 1986.
36. Strobl, G. R. The Physics of Polymers: Concepts for Understanding Their Structures and Behavior; Springer: Berlin, 1997.
37. McKinley, G. H.; Sridhar, T. Annu. Rev. Fluid Mech. 2002,34(1), 375-415.
38. Graessley, W. W. Polymer 1980,21, 258-262.
39. Yu, J. H.; Fridrikh, S. V.; Rutledge, G. C. Polymer 2006, 47(13), 4789-4797.
40. Shin, Y. M.; Hohman, M. M.; Brenner, M. P.; Rutledge, G. C. Appl. Phys. Lett. 2001, 78(8), 1149-1151.
41. Shin, Y. M.; Hohman, M. M.; Brenner, M. P.; Rutledge, G. C. Polymer 2001, 42(25), 09955-09967.
42. Daga, V. K.; Helgeson, M. E.; Wagner, N. J. J. Polym. Sci. B Polym. Phys. 2006, 44(11), 1608-1617.
43. Zhou, F.-L.; Gong, R.-H.; Porat, I. J. Mater. Sci. 2009, 44(20), 5501-5508.
44. Deitzel, J. M.; Kleinmeyer, J.; Harris, D.; Beck Tan, N. C. Polymer 2001,42(1), 261-272.
45. Uyar, T.; Besenbacher, F. Eur. Polym. J. 2009, 45(4), 1032-1037.
46. Liu, Y.; He, J.-H. Int. J. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 2007, 8, 393-396.
47. Panda, P.; Ramakrishna, S. J. Mater. Sci. 2007, 42(6), 2189-2193.
48. Daga, V. K.; Wagner, N. J. Rheol. Acta 2006, 45, 813-824.
49. Osaki, K.; Nishimura, Y.; Kurata, M. Macromolecules 1985,18,1153-1157.
50. Fetters, L. J.; Lohse, D. J.; Richter, D.; Witten, T. A.; Zirkel, A. Macromolecules 1994,27(17), 4639-4647.
51. Bird, R. B.; Armstrong, R. C.; Hassager, O. Dynamics of Polymeric Liquids. Wiley: New York, 1987.
52. Watanabe, H. Prog. Polym. Sci. 1999,24,1253-1403.
53. Ianniruberto, G.; Marrucci, G. J. Rheol. 2001, 45,1305-1318.
54. Bhattacharjee, P. K.; Nguyen, D. A.; McKinley, G. H.; Sridhar, T. J. Rheol. 2003, 47(1), 269-290.
55. Spivak, A. F.; Dzenis, Y. A.; Reneker, D. H. Mech. Res. Commun. 2000,27(1), 37-42.
56. Treolar, L. R. Physics of Rubber Elasticity, Oxford University Press: Oxford, 1958.
57. Taylor, G. I. Proc. R. Soc. Lond. A Math. Phys. Sci. 1964,280(1382), 383-397.
58. Zeleny, J. Phys. Rev. 1917, 10,1.
59. Yarin, A. L.; Koombhongse, S.; Reneker, D. H. J.Appl. Phys. 2001,89(5), 3018-3026.
60. Yarin, A. L.; Koombhongse, S.; Reneker, D. H. J.Appl. Phys. 2001,90, 4836-4846.
61. Collins, R. T.; Jones, J. J.; Harris, M. T.; Basaran, O. A. Nat. Phys. 2008,4(2), 149-154.
62. Hayati, I.; Bailey, A. I.; Thadros, T. F. Nature 1986,319, 41-43.
63. Barrero, A.; Gañán-Calvo, A. M.; Fernandez-Feria, R. J. Aerosol Sci. 1996,27, S175-S176.
64. Rutledge, G. C.; Fridrikh, S. V. Adv. Drug Deliv. Rev. 2007,59(14), 1384-1391.
65. Kirichenko, V. N.; Petryanov-Sokolov, I. V.; Suprun, N. N.; Shutov, A. A. Sov. Phys. Dokl 1986,31, 611.
66. Carroll, C. P.; Joo, Y.-L. J. Non-Newtonian Fluid Mech. 2008, 153(2-3), 130-148.
67. Zhmayev, E.; Joo, Y. L. In TheXVInternational Congress on Rheology: The Society of Rheology 80th Annual Meeting, Monterey, California; American Institute of Physics: College Park, MD, 2008.
68. Han, T.; Yarin, A. L.; Reneker, D. H. Polymer 2008, 49(6), 1651-1658.
69. Helgeson, M. E.; Grammatikos, K. N.; Deitzel, J. M.; Wagner, N. J. Polymer 2008, 49(12), 2924-2936.
70. Orr, N. V.; Sridhar, T. J. Non-Newtonian Fluid Mech. 1996,67, 77-108.
71. Fridrikh, S. V.; Yu, J. H.; Brenner, M. P.; Rutledge, G. C. Phys. Rev. Lett. 2003, 90(14), 144-502.
72. Fridrikh, S. V.; Yu, J. H.; Brenner, M. P.; Rutledge, G. In Polymeric Nanofibers; Reneker, D. H., Fong, H., Eds.; American ChemicalSociety: Washington, DC, 2006; Vol. 918, pp 36-55.
73. Paruchuri, S.; Brenner, M. P. Phys. Rev. Lett. 2007, 98(13), 134502-134504.
74. Ganán-Calvo, A. M. J. Fluid Mech. 1997,335,165-188.
75. Reneker, D. H.; Yarin, A. L. Polymer 2008, 49(10), 2387-2425.
76. Demir, M. M.; Yilgor, I.; Yilgor, E.; Erman, B. Polymer2002,43(11), 3303-3309.
77. Theron, S. A.; Zussman, E.; Yarin, A. L. Polymer 2004,45(6), 2017-2030.
78. Bhattacharjee, P. K.; Schnieder, T.; Brenner, M. P.; McKinley, G. H.; Rutledge, G. C. J.Appl. Phys. 2008,107, 044306-044313.
79. De La Mora, J. F.; Loscertales, I. G. J. Fluid Mech. 1994,260(1), 155-184.
80. Yarin, A. L.; Kataphinan, W.; Reneker, D. H. J.Appl. Phys. 2005, 98(6), 064501-064512.
81. Korkut, S.; Saville, D. A.; Aksay, I. A. Phys. Rev. Lett. 2008, 100(3), 034503-034504.
82. Ma, M.; Gupta, M.; Li, Z.; et al. Adv. Mater. 2007, 19(2), 255-259.
83. Tuteja, A.; Choi, W.; Ma, M.; et al. Science 2007,318(5856), 1618-1622.
84. Tuteja, A.; Choi, W.; Mabry, J. M.; McKinley, G. H.; Cohen, R. E. Proc. Natl.Acad. Sci. USA 2008, 105(47), 18200-18205.
85. Ma, M.; Hill, R. M.; Rutledge, G. C. J. Adhesion Sci. Technol. 2008,22(15), 1799-1817.
86. Arinstein, A.; Burman, M.; Gendelman, O.; Zussman, E. Nat. Nano 2007,2(1), 59-62.
87. Helgeson, M. E.; Wagner, N. J. AIChEJ. 2007,53(1), 51-55.
88. Barrero, A.; Loscertales, I. G. Annu. Rev. Fluid Mech. 2007,39, 89-109.
89. Shenoy, S. L.; Bates, W. D.; Frisch, H. L.; Wnek, G. E. Polymer 2005,46(10), 3372-3384.
90. Wang, L.; Pai, C.-L.; Boyce, M. C.; Rutledge, G. C. Appl. Phys. Lett. 2009, 94(15), 151916-3.
91. Pauchard, L.; Allain, C. Europhys. Lett. 2003,62(6), 897-903.
92. Pauchard, L.; Allain, C. Phys. Rev. E 2003,68(5), 052801.
93. Pauchard, L.; Couder, Y. Europhys. Lett. 2004, 66(5), 667-673.
94. Megelski, S.; Stephens, J. S.; Chase, D. B.; Rabolt, J. F. Macromolecules 2002, 35(22), 8456-8466.
95. Srinivasarao, M.; Collings, D.; Philips, A.; Patel, S. Science 2001,292(5514), 79-83.
96. Dayal, P.; Kyu, T. J. Appl. Phys. 2006, 100(4), 043512-043516.
97. Li, D.; Xia, Y. Nano Lett. 2004, 4(5), 933-938.
98. Zhang, Y.; Huang, Z.-M.; Xu, X.; Lim, C. T.; Ramakrishna, S. Chem. Mater. 2004, 16(18), 3406-3409.
99. Reznik, S. N.; Yarin, A. L.; Zussman, E.; Bercovici, L. Phys. Fluids 2006, 18(6), 062101-062113.
100. Qi, H.; Hu, P.; Xu, J.; Wang, A. Biomacromolecules 2006, 7(8), 2327-2330.
101. Sanders, E. H.; Kloefkorn, R.; Bowlin, G. L.; Simpson, D. G.; Wnek, G. E. Macromolecules 2003,36(11), 3803-3805.
102. Kalra, V.; Lee, J. H.; Park, J. H.; Marquez, M.; Joo, Y.-L. Small 2009,5(20), 2323-2332.
103. Kalra, V.; Mendez, S.; Lee, J. H.; Nguyen, H.; Marquez, M.; Joo, Y. L. Adv. Mater. 2006, 18(24), 3299-3303.
104. Ma, M.; Krikorian, V.; Yu, J. H.; Thomas, E. L.; Rutledge, G. C. Nano Lett. 2006, 6(12), 2969-2972.
105. Ma, M.; Titievsky, K.; Thomas, E. L.; Rutledge, G. C. Nano Lett. 2009, 9(4), 1678-1683.
106. Deitzel, J. M.; Kleinmeyer, J. D.; Hirvonen, J. K.; Beck Tan, N. C. Polymer 2001, 42(19), 8163-8170.
107. Bhattarai, N.; Edmondson, D.; Veiseh, O.; Matsen, F. A.; Zhang, M. Biomaterials 2005,26(31), 6176-6184.
108. Sundaray, B.; Subramanian, V.; Natarajan, T. S.; Xiang, R.-Z.; Chang, C.-C.; Fann, W.-S. Appl. Phys. Lett. 2004,84(7), 1222-1224.
109. Li, D.; Ouyang, G.; McCann, J. T.; Xia, Y. Nano Lett. 2005,5(5), 913-916.
110. Li, D.; Wang, Y.; Xia, Y. Adv. Mater. 2004,16, 361-366.
111. Bazbouz, M. B.; Stylios, G. K. Eur. Polym. J. 2008, 44(1), 1-12.
112. Gokul, S.; Darrell, H. R. Polym. Int. 1995,36(2), 195-201.
113. Myung-Seob, K.; Shanta Raj, B.; Hak-Yong, K.; Sung-Zoo, K.; Keun-Hyung, L. J. Biomed. Mater. Res. 2005, 72B(1), 117-124.
114. Teo, W.-E.; Gopal, R.; Ramaseshan, R.; Fujihara, K.; Ramakrishna, S. Polymer 2007, 48(12), 3400-3405.
115. Anzenbacher, P.; Palacios, M. A. Nat. Chem. 2009, 1(1), 80-86.
116. Jang, S. Y.; Seshadri, V.; Khil, M. S.; et al. Adv. Mater. 2005,17(18), 2177-2180.
117. Eichhorn, S. J.; Sampson, W. W. J. R. Soc. Interface 2005,2, 309-318.
118. Ko, J.-B.; Lee, S.; Kim, D.; et al. J. Porous Mater. 2006, 13, 325-330.
119. Li, D.; Frey, M. W.; Joo, Y. L. J. Membr. Sci. 2006,286,104-114.
120. Ryu, Y. J.; Kim, H. Y.; Lee, H. K.; Park, H. C.; Lee, R. D. Eur. Polym. J. 2003,39, 1883-1889.
121. Ho, S. T.; Hutmacher, D. W. Biomaterials 2006,27(8), 1362-1376.
122. Lowery, J. L.; Datta, N.; Rutledge, G. C. Biomaterials 2010,31(3), 491-504.
123. Rutledge, G. C.; Lowery, J. L.; Pai, C.-L. J. Eng. Fibers Fabrics 2009, 4(3), 1-13.
124. Mitchell, S. B.; Sanders, J. E. J. Biomed. Mater. Res. A 2006, 78A(1), 110-120.
125. Zucchelli, A.; Fabiani, D.; Gualandi, C.; Focarete, M. J. Mater. Sci. 2009,44(18), 4969-4975.
126. Kidoaki, S.; Kwon, I. K.; Matsuda, T. J. Biomed. Mater. Res.BAppl. Biomater. 2006, 76B(1), 219-229.
127. Lee, Y. H.; Lee, J. H.; An, I.-G.; et al. Biomaterials 2005,26(16), 3165-3172.
128. Simonet, M.; Schneider, O.; Neuenschwander, P.; Stark, W. Polym. Eng. Sci. 2007, 47, 2020-2026.