靜電紡絲微納米纖維裝置及制備微納米纖維的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種靜電紡絲微納米纖維裝置及制備微納米纖維的方法，屬于生物材料與組織工程領域。所述裝置，包括高壓電源、接收裝置、多孔噴絲頭、回轉電機；所述的多孔噴絲頭為中空的圓柱型結構，中空部分為電紡原液儲存槽，可容納電訪原液，多孔噴絲頭的表面設有多個噴孔，高壓電源的一極接在接收裝置，另一極接在多孔噴絲頭，所述的回轉電機驅動多孔噴絲頭的旋轉。本發(fā)明可以經由多孔裝置提高產率并且獲得均勻方向性的微納米纖維，同時所需要的施加電壓可以大幅將低，并且提供一種單一步驟獲得更加均勻紡絲方向性調控。
【專利說明】
靜電紡絲微納米纖維裝置及制備微納米纖維的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于微/納米材料的制備領域，特別涉及到一種靜電紡絲微納米纖維裝置及制備微納米纖維的方法?！颈尘凹夹g】
[0002]微/納米纖維由于具有高比表面積已被制備成的纖維薄膜并且廣泛應用于藥物載體、生物支架、組織工程與化工應用。在組織修復應用中，微/納米纖維堆所制備的纖維支架，可以用于模擬人體細胞外基質結構，提供細胞附著、增殖、分化的微生長環(huán)境，對受損組織或器官的修復、再生起著重要作用。
[0003]靜電紡絲技術是一種能夠有效生產與制備微納米纖維的方式之一，其主要作用機理就是通過在針管尖端流過一個電紡原液，通過施加一個高電場，利用帶電粒子的靜電排斥作用，當電場力的作用大于溶液的表面張力，會在針管尖端的錐上形成噴射狀的無序的微納米纖維，這些纖維會由于電場力的牽引作用被引導并沉積在收集裝置上，在纖維收集的飛行過程中，高揮發(fā)性的溶劑會揮發(fā)，在收集裝置上會收集到凝固的微納米纖維。由于原液受到電場拉動并延展，最后的成品直徑一般在微納米級。微納米纖維在收集過程中會形成相互堆疊的網格狀結構，這種結構與天然的細胞外基質等生物結構非常相似，所以納米纖維的研究被廣泛的應用于生物支架。
[0004]傳統(tǒng)的靜電紡絲制備裝置，受限于單針等特性，纖維制備效率較低，而在靜電紡絲產業(yè)化的過程中，電紡纖維的低產率以及無序性影響到了電紡規(guī)?；a與制造的可行性。因此，在靜電紡絲制備微納米纖維領域中，已經有許多科研人員對靜電紡絲裝置進行了許多優(yōu)化與改進，以期提高靜電紡絲的產率。Theron等(Theron, S.A., et al.，Multiple jets in electrospinning: experiment and modeling.Polymer, 2005.46(9): p.2889-2899)利用9個針頭排列成3X3和9 XI陣列進行電紡實驗，發(fā)現此種多針頭裝置能夠顯著提高靜電紡絲產量。Zhou等(Zhou, F.L., R.H.Gong, and P.1saac, Polymeric nanofibers via flat spinneret electrospinning.Polymer Engineering & Science, 2009.49(12): p.2475-2481.)利用橢圓形和圓形分布的多針頭平面排布進行電紡實驗， 發(fā)現其改善了工藝穩(wěn)定性，并在一定程度上提高了電紡產量。對于靜電紡絲的基礎研究以及裝置改進都對靜電紡絲產量增加有一定的功效。但礙于單針電紡的產量過低，多數靜電紡絲裝置都需要借由多個注射系統(tǒng)以及電噴口來實現產量提升，裝置的復雜程度以及各部件之間的協(xié)調都對靜電紡絲的產業(yè)化形成了一定的阻礙。[〇〇〇5]在現有的靜電紡絲批量制備裝置中，向上電紡裝置(范建娥等，實驗室制納米纖維的靜電紡絲設備，2013.)通過特殊的回轉元件增加了溶液的暴露面積，能夠同時形成多個紡絲電極，對于靜電紡絲產量有明顯的提升。但受限于無均一口徑的限制，電紡纖維直徑分布較為廣泛，對于窄直徑分布電紡纖維的大量制備方式受限于選擇的原液，同時必須施加極大的電場克服向上電紡的重力。同時，在靜電紡絲應用領域，對紡絲參數進行調控，特別是對紡絲直徑、方向性的調控，也是一項關鍵技術。目前紡絲直徑、方向性的調控方式可以藉由改變電壓、紡絲距離、溶液濃度、注射流量以及工作距離來實現。但在工業(yè)化生產中， 一般需要固定所有其它參數后，再對某一參數進行調節(jié)，在實際生產中，難以實現對所有參數的穩(wěn)定調控，難以大量制備直徑、方向性統(tǒng)一的電紡纖維，更限制了許多應用的展開。
【發(fā)明內容】

[0006]為了解決現有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種靜電紡絲微納米纖維裝置及制備微納米纖維的方法。本發(fā)明提供一種新的大量制備微納米纖維方案，并提供原位紡絲方向性即時調控，實現有效控制生成纖維的形態(tài)結構并改善現有的問題。為了提高產量并且獲得均勻方向性的微納米纖維，本申請設計了一組固定于回轉電機且能勻速轉動的多孔噴絲頭電極;并將電紡原液置入多孔噴絲頭的儲存槽中，然后通過施加電場于多孔噴絲頭與收集裝置間，以及通過施加均勻轉速于多孔噴絲頭電極，電紡原液會經由離心力與電場力朝向收集裝置運動并產生納米纖維，之后可以在收集裝置獲得高產率與方向性的纖維。該方案可以經由多孔裝置獲得同時電紡提高產率，同時所需要的施加電壓可以大幅將低，并且提供一種單一步驟獲得更加均勻紡絲方向性調控。
[0007]為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:一種靜電紡絲微納米纖維裝置，包括高壓電源、接收裝置、多孔噴絲頭、回轉電機;所述的多孔噴絲頭為中空的圓柱型結構，中空部分為電紡原液儲存槽，可容納電訪原液，多孔噴絲頭的表面設有多個噴孔，高壓電源的一極接在接收裝置，另一極接在多孔噴絲頭，所述的回轉電機驅動多孔噴絲頭的旋轉。
[0008]所述的多孔噴絲頭的下部設有金屬片，與高壓電源相連。
[0009]進一步設有注射栗，向多孔噴絲頭提供電訪原液。
[0010]所述的回轉電機的工作轉速為30 RPM-15000 RPM。[0〇11] 所述的噴孔直徑為5 um-5 mm。[0〇12] 所述的接收裝置3選用導電金屬材料，包括:Fe、Al、N1、Au、Ag、Cu、CuO、Al2〇3、Zn、ZnO、Fe3〇4、Fe2〇3D
[0013]所述的噴孔的直徑、距離與高度，根據微納米纖維材料的直徑和結構堆疊參數選取和調節(jié)。
[0014]—種根據所述的靜電紡絲微納米纖維裝置制備微納米纖維的方法，包括如下步驟:1)將電紡原液，經注射栗注入多孔噴絲頭中；2)通過回轉電機對多孔噴絲頭施加一個轉速30 RPM-15000 RPM;3)在多孔噴絲頭與接收裝置間施加電壓0.2 kV至60 kV;4)電紡原液在離心作用力以及高壓電源的電場作用力下，在噴口處形成靜電紡絲纖維，在外部的接收裝置上獲得所制備的微納米纖維。
[0015]所述的電紡原液，采用兩種以上原液混合，摻雜功能治療藥物或納米材料。
[0016]所述的電紡溶液選自以下材料:聚醚、聚苯醚、聚酸酐、聚噻吩、聚苯胺、聚酰胺、聚酰亞胺、聚酯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚烯烴、聚鹵代烯烴、聚苯乙烯、聚對苯乙烯、聚氧乙烯、聚乙烯亞胺、聚苯乙烯磺酸鈉、聚環(huán)氧乙烷、聚甲基乙烯酸甲酯、聚對苯二甲酸對苯二胺、聚醋酸乙烯、聚乙炔、聚羥基乙酸、聚丙烯酸、聚乳酸、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基倍半硅氧烷，聚e-己內酯、聚丁內酯、聚戊內酯、聚吡咯、聚_ a_氨基酸、甲基纖維素、乙基纖維素、羧甲基纖維素鈉、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、對苯二甲酸羥丙基甲基纖維素、對苯二甲酸纖維素、淀粉及其衍生物、纖維蛋白、絲蛋白、甲殼素、殼聚糖、硫酸軟骨素;膠原、明膠、水凝膠、透明質酸以及其共聚物、衍生物或混合物。
[0017]與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:(1)多孔噴絲頭具有中空的圓柱型結構，上部電紡原液儲存槽微敞開利于即時提供電紡原液，保障了操作的便利性與確保紡絲的制備穩(wěn)定性;而且本發(fā)明的設備結構合理，安全性高，操作簡便。
[0018](2)多孔噴絲頭具有兩個以上的噴絲孔，利于纖維大量生產；而且所述的回轉多孔噴絲頭，可保持勻速回轉運動，不僅降低了靜電紡絲的高壓電場，而且克服了紡絲庫倫相斥力放電不均的影響，顯著提高了紡絲的效率和纖維的質量;另外，多孔噴絲頭采用了回轉離心力與高壓電力制備纖維，可以針對不同電紡原液進行匹配制備參數調控。
[0019](3)本發(fā)明能夠實現微納米纖維的高方向性纖維結構堆疊;而且所述的噴孔直徑、 距離與高度可用于調節(jié)紡不同直徑的納米纖維材料，從而能夠得到不同絲纖維結構堆疊， 從而極大的豐富了微納米纖維材料的種類?！靖綀D說明】
[0020]下面結合附圖和實施例對本實用發(fā)明進一步說明:圖1是靜電紡絲微納米纖維裝置的結構示意圖，附圖標記:1.注射栗、2.高壓電源、3.接收裝置、4.多孔噴絲頭、5.電訪原液、6.回轉電機、7.金屬片、8.噴孔；圖2是本發(fā)明到的聚乙烯吡咯烷酮纖維光學纖維圖片。【具體實施方式】
[0021]下面結合具體實施實例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明的講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求的范圍。
[0022]本發(fā)明靜電紡絲微納米纖維裝置具體包括:一種回轉式靜電紡絲多孔噴絲頭，該噴絲頭4擁有四個間隔90°、垂直高度5mm排列的噴孔8,電紡原液5可以經由這些噴口流出， 在電場以及回轉離心力作用下，流出噴孔8的液體能夠形成微納米纖維。多孔噴絲頭具有四個噴孔，能夠顯著提高微納米纖維的產率。纖維材料制備所使用的液體的選擇可以搭配不同控制參數的選擇做電紡纖維直徑、方向性、表面特征與形態(tài)的調控。
[0023]本發(fā)明解決其技術為題所采用的技術方案是:多孔噴絲頭4搭配不同電紡原液5進行靜電紡絲，例如聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，將原液經注射栗1注入噴絲頭4中，在噴絲頭及收集裝置3間施加高電壓，同時，使用回轉電機6對噴絲頭4提供一個穩(wěn)定的轉速，使得噴絲頭四個噴孔7能夠同時產生微納米纖維，以接收固化裝置3來收集制得的微納米纖維。[〇〇24]上述方法中，溶液中聚乙烯吡咯烷酮的質量分數為15%_25%，溶液的進給速率為 10-30ml/h，噴絲頭與接收裝置之間的收集距離為4-9cm，回轉裝置的轉速為40-90RPM。
[0025]上述方法中，多孔噴絲頭可由金屬空心圓柱與金屬片7構成;使用不同直徑的圓柱狀金屬網作為接收裝置3。
[0026]圖1所示的靜電紡絲微納米纖維裝置由注射栗1、高壓電源(高壓靜電發(fā)生器)2、接收(固化)裝置3、多孔噴絲頭4、回轉電機6、金屬片7構成，將注射器安裝于注射栗1。具體操作如下:將濃度為20%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液通過5ml注射針筒由硅膠管連接至滴液針頭，注射針筒以適當速率向多孔噴絲頭4進給聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，由多孔噴絲頭的四個噴孔(孔徑為〇.8mm，角度差90°，垂直高度差5mm)噴出，通過微量注射栗控制聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液的進液速度為20ml/h。噴絲頭金屬片7與高壓靜電發(fā)生器連接，上電極固定于金屬片7處，下電極固定于接收裝置3上，當靜電力與離心力的合力大于溶液表面張力時，溶液被拉伸，在噴絲頭噴孔處形成噴射流。噴射過程中溶劑揮發(fā)，最終在接收裝置上收集到固化的聚乙烯吡咯烷酮纖維(圖2)。[〇〇27] 通過上述方法制備的聚乙烯吡咯烷酮纖維，其平均直徑在2?20wii，可以通過調節(jié)噴口 8孔徑、溶液濃度、靜電紡絲電壓、溶液進給速率、回轉裝置轉速和收集距離等參數來調控纖維直徑的大小。本靜電紡絲多孔噴絲頭可以獲得較高的產率，所得到的微納米纖維直徑均勻性好，方向性佳，適合細胞的附著和生產。[〇〇28] 實施例1稱取8g聚e-己內酯，將其溶解于20ml二氯甲烷作為溶中，在常溫下磁力攪拌60min，得到無色透明的電紡原液。
[0029]將配制好的電紡原液注入5ml注射器中，通過硅膠管將注射器連接注射針頭，將高壓靜電發(fā)生器的正級接兩孔噴絲頭金屬片，地級接外部接收裝置，將噴絲頭固定于回轉裝置上，回轉速度調控為70RPM，注射栗流速調控為20ml/h，接收裝置半徑選用9cm，然后同時啟動回轉裝置以及高壓電源，將電壓設置為15kv，即可收集到多倍產率與方向性的電紡纖維。
[0030]實施例2稱取PVP質量分數為15%的溶液，使用水作為溶劑，同時加入0.lg Fe3〇4與0.5g四環(huán)素藥物，在常溫下磁力攪拌60min，得到無色透明的電紡原液。
[0031]將配制好的電紡原液注入5ml注射器中，通過硅膠管將注射器連接注射針頭，將高壓靜電發(fā)生器的正級接四孔噴絲頭軸承，地級接外部接收裝置，將噴絲頭固定于回轉裝置上，回轉速度調控為180RPM，注射栗流速調控為15ml/h，接收裝置半徑選用5cm，然后同時啟動回轉裝置以及高壓電源，將電壓設置為12kv，即可收集到多倍產率與方向性的電紡纖維。 [〇〇32] 實施例3稱取5g聚乙烯吡咯烷酮，將其溶解于25ml乙醇中，同時加入0.lg Fe3〇4,常溫下磁力攪拌60min，得到磁粉均勻分布的棕色電紡原液。
[0033]將配制好的電紡原液注入5ml注射器中，通過硅膠管將注射器連接注射針頭，將高壓靜電發(fā)生器的正級接四孔噴絲頭軸承，地級接外部接收裝置，將噴絲頭固定于回轉裝置上，回轉速度調控為3000RPM，注射栗流速調控為30ml/h，接收裝置半徑選用13cm，然后同時啟動回轉裝置以及高壓電源，將電壓設置為18kv，即可收集到多倍產率與方向性的電紡纖維。
【主權項】
1.一種靜電紡絲微納米纖維裝置，其特征在于，包括高壓電源(2)、接收裝置(3)、多 孔噴絲頭(4)、回轉電機(6);所述的多孔噴絲頭(4)為中空的圓柱型結構，中空部分為電 紡原液儲存槽，可容納電訪原液(5)，多孔噴絲頭(4)的表面設有多個噴孔(8)，高壓電源 (2)的一極接在接收裝置(3)，另一極接在多孔噴絲頭(4)，所述的回轉電機(6)驅動多 孔噴絲頭(4)的旋轉。2.根據權利要求1所述的靜電紡絲微納米纖維裝置，其特征在于，所述的多孔噴絲頭 (4)的下部設有金屬片(7)，與高壓電源(2)相連。3.根據權利要求1所述的靜電紡絲微納米纖維裝置，其特征在于，進一步設有注射栗 (1)，向多孔噴絲頭(4)提供電訪原液(5)。4.根據權利要求1所述的靜電紡絲微納米纖維裝置，其特征在于，所述的回轉電機(6) 的工作轉速為30 RPM-15000 RPM。5.根據權利要求1所述的靜電紡絲微納米纖維裝置，其特征在于，所述的噴孔(8)直徑 為5 um_5 mm〇6.根據權利要求1所述的靜電紡絲微納米纖維裝置，其特征在于，所述的接收裝置(3) 選用導電金屬材料，包括:Fe、Al、N1、Au、Ag、Cu、CuO、Al2〇3、Zn、ZnO、Fe3〇4、Fe2〇3。7.根據權利要求1所述的靜電紡絲微納米纖維裝置，其特征在于，所述的噴孔(8)的直 徑、距離與高度，根據微納米纖維材料的直徑和結構堆疊參數選取和調節(jié)。8.—種根據權利要求1-7任一項所述的靜電紡絲微納米纖維裝置制備微納米纖維的方 法，其特征在于，包括如下步驟:1)將電紡原液，經注射栗注入多孔噴絲頭中；2)通過回轉電機對多孔噴絲頭施加一個轉速30 RPM-15000 RPM;3)在多孔噴絲頭與接收裝置間施加電壓0.2 kV至60 kV;4)電紡原液在離心作用力以及高壓電源的電場作用力下，在噴口處形成靜電紡絲纖 維，在外部的接收裝置上獲得所制備的微納米纖維。9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述的電紡原液，采用兩種以上原液混合， 摻雜功能治療藥物或納米材料。10.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述的電紡溶液選自以下材料:聚醚、聚 苯醚、聚酸酐、聚噻吩、聚苯胺、聚酰胺、聚酰亞胺、聚酯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚烯烴、聚鹵代 烯烴、聚苯乙烯、聚對苯乙烯、聚氧乙烯、聚乙烯亞胺、聚苯乙烯磺酸鈉、聚環(huán)氧乙烷、聚甲基 乙烯酸甲酯、聚對苯二甲酸對苯二胺、聚醋酸乙烯、聚乙炔、聚羥基乙酸、聚丙烯酸、聚乳酸、 聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基倍半硅氧烷，聚￡_ 己內酯、聚丁內酯、聚戊內酯、聚吡咯、聚-a_氨基酸、甲基纖維素、乙基纖維素、羧甲基纖維 素鈉、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、對苯二甲酸羥丙基甲基纖維素、對 苯二甲酸纖維素、淀粉及其衍生物、纖維蛋白、絲蛋白、甲殼素、殼聚糖、硫酸軟骨素;膠原、 明膠、水凝膠、透明質酸以及其共聚物、衍生物或混合物。
【文檔編號】D01D5/00GK106012053SQ201610646216
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月9日
【發(fā)明人】張明暐, 王力, 李勁松
【申請人】浙江大學