一種基于負(fù)壓收集的氣電紡三維支架制備方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明用于納米纖維支架技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于負(fù)壓收集的氣電紡三維支架制備方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]電紡是制備納米纖維的有效方法。纖維直徑通常介于數(shù)十納米至數(shù)微米之間，與細(xì)胞外基質(zhì)中膠原等纖維支架的尺寸相近。采用天然高分子或合成高分子電紡纖維構(gòu)建組織工程支架，可以仿生細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)乃至生物學(xué)功能，利于細(xì)胞的黏附、分化和增殖，引導(dǎo)組織的再生與修復(fù)，成為組織工程支架的研究熱點(diǎn)。大量研究報道顯示，電紡納米纖維支架可以提供理想的細(xì)胞黏附、增殖和分化微環(huán)境。
[0003]但是，傳統(tǒng)直流靜電紡絲方法用于高效制備可控三維結(jié)構(gòu)仍然存在一定的技術(shù)瓶頸。
[0004]靜電紡絲制備纖維支架具有如下局限性:
1、傳統(tǒng)的靜電紡絲是紡絲溶液或熔體在直流電場力的定向作用下，形成泰勒錐，最終突破表面張力形成射流。射流在庫侖力的作用下被拉伸成納米纖維，纖維逐層地被接地收集板吸引堆積，形成薄膜或近似三維的支架。但是，支架的纖維是靠電荷引力進(jìn)行堆積，排列緊密、纖維之間的空隙過小，使細(xì)胞難以長入，無法構(gòu)建出令人滿意的三維組織。另一方面，傳統(tǒng)的直流電紡，電場力方向恒定，當(dāng)紡絲溶液或熔體的粘度較大時，射流需要的啟動電壓高。
[0005]2、隨著薄膜支架厚度增加，噴頭與收集板之間的電場將逐漸減弱，導(dǎo)致薄膜支架上表面電荷不斷積累，因帶同種電荷，先沉積的纖維對電場分布產(chǎn)生影響，并且對于后續(xù)射流產(chǎn)生排斥，從而影響泰勒錐的形成和紡絲的持續(xù)時間，降低了紡絲效率，最終導(dǎo)致電紡過程終止，限制了所能獲得支架的厚度(通常為微米級厚度)，制造大厚度的真正意義的電紡三維結(jié)構(gòu)仍然較為困難。
[0006]3、當(dāng)采用特定形狀的收集器時，纖維往尖端處等電場強(qiáng)度較大的地方沉積，難以形成三維結(jié)構(gòu)。
[0007]4、傳統(tǒng)噴頭式電紡效率低下，單噴頭電紡產(chǎn)量通常只有0.Ι-lg/h，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效率的三維支架生產(chǎn)制造。
[0008]高速氣吹聚合物溶液進(jìn)行大規(guī)模制備納米纖維的技術(shù)(高速氣流紡絲技術(shù))，可以使纖維的制備速度較原來的靜電紡絲速度提高10倍以上，但是，傳統(tǒng)氣紡多采用封閉式接收器或滾筒式接收器，在高速氣流作用下，容易產(chǎn)生反沖氣流，影響纖維的定向沉積，如何采用高速氣紡制備具有三維蓬松結(jié)構(gòu)的納米纖維支架，仍然缺乏穩(wěn)定的通用性的工藝。并且，氣流紡絲的纖維直徑較大(微米級)，直徑分布范圍廣，制備納米纖維仍存在技術(shù)瓶頸。
[0009]目前實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的主要是靜電紡絲(直流高壓電紡)，高壓電源一般采用直流(DC)電源作為高壓電源；交流高壓電紡(AC electrospinning)早在靜電紡絲技術(shù)發(fā)展初期已經(jīng)有研究人員采用過，但是至今仍然沒有得到深入研究和發(fā)展。交流電紡生產(chǎn)效率相對較高。而且，交流電紡不需要接地或者接負(fù)電壓的收集器，收集方式的靈活度更高。但是，定向收集具有特定形狀、結(jié)構(gòu)的纖維支架較為困難，而且，生產(chǎn)效率也有待進(jìn)一步提尚。
[0010]CN1849418A在帶電電極和對電極之間的空間中，利用空氣流對納米纖維施加作用，促進(jìn)納米纖維從帶電電極漂移開，鋪置在帶電電極前用于儲存納米纖維的設(shè)備上。CN102965743A所述的一種帶輔助電極的納米纖維低壓電紡裝置，采用風(fēng)機(jī)設(shè)于收集板上方，通過抽氣作用使纖維沉積在收集板上。CN103952780A在靜電紡絲收集側(cè)設(shè)置有負(fù)壓吸風(fēng)口，利用吸風(fēng)口產(chǎn)生的氣流吸附從噴絲針頭端噴射出來的微納米纖維，使其定點(diǎn)或定區(qū)域附著在吸風(fēng)口前的網(wǎng)孔基布上，通過控制網(wǎng)孔基布與噴絲針頭的相對運(yùn)動軌跡與速度、形成均勻分布的纖維網(wǎng)。上述專利通過靜電紡絲收集側(cè)引入負(fù)壓氣流以利于靜電紡絲微納米纖維的收集，用于改善纖網(wǎng)均勻性。但是，利用負(fù)壓收集交流氣電紡納米纖維制備三維支架的方案尚未見報道。
[0011]綜上所述，制備材料范圍廣泛、纖維直徑極小、絲徑分布均勻、結(jié)構(gòu)蓬松、厚度極大、力學(xué)性能優(yōu)越的納米纖維三維支架仍然沒有通用的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于負(fù)壓收集的氣電紡三維支架制備方法及裝置。所述制備方法工藝簡單，裝置簡易，材料適應(yīng)性廣，生產(chǎn)效率高，能獲得的三維支架厚度大，密度低，孔隙率高，有望實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化。使用不同的紡絲材料可直接制備得到不同力學(xué)強(qiáng)度、生物相容性及降解性能的三維纖維支架。
[0013]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于負(fù)壓收集的氣電紡三維支架制備裝置，包括交流高壓發(fā)生器、供液裝置、供氣裝置、同軸噴頭和與所述同軸噴頭相對設(shè)置的負(fù)壓接收裝置，所述同軸噴頭具有與供液裝置相連的供液通道和與供氣裝置相連的供氣通道，供液通道具有出液口，供液裝置可將紡絲溶液或熔體送入同軸噴頭并由出液口流出，供氣通道具有出氣口，所述供氣裝置通過出氣口可產(chǎn)生由出液口吹向負(fù)壓接收裝置的氣流，交流高壓發(fā)生器與所述同軸噴頭相連并可在同軸噴頭和負(fù)壓接收裝置間形成交變電場，所述負(fù)壓接收裝置包括收集器、負(fù)壓管和可在負(fù)壓管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓的負(fù)氣壓發(fā)生器，所述負(fù)壓管在同軸噴頭的對側(cè)形成負(fù)壓管口，所述收集器具有多孔結(jié)構(gòu)并嵌套在所述負(fù)壓管口內(nèi)，出液口內(nèi)流出的紡絲溶液或熔體在所述氣流和交變電場的作用下在同軸噴頭與收集器形成溶液射流或熔體射流。
[0014]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述供氣裝置包括通過第一輸氣管與供氣通道相連的氣壓供應(yīng)裝置，所述第一輸氣管上設(shè)有第一精密氣壓調(diào)節(jié)閥。
[0015]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，第一輸氣管上在精密氣壓調(diào)節(jié)閥與同軸噴頭間還設(shè)有加熱元件，所述供氣通道在同軸噴頭內(nèi)形成包繞在供液通道外側(cè)的儲氣腔，所述儲氣腔在所述出液口的外側(cè)形成環(huán)形的出氣口，所述出氣口和出液口位于同一軸線上。
[0016]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，還包括箱體，所述同軸噴頭位于箱體內(nèi)，所述負(fù)壓管的負(fù)壓管口位于所述箱體的底部，所述箱體內(nèi)設(shè)有導(dǎo)風(fēng)板，箱體在導(dǎo)風(fēng)板的上方形成鼓風(fēng)腔，在導(dǎo)風(fēng)板的下方形成出風(fēng)腔，所述氣壓供應(yīng)裝置通過第二輸氣管與鼓風(fēng)腔相連，第二輸氣管上設(shè)有第二精密氣壓調(diào)節(jié)閥，所述導(dǎo)風(fēng)板在同軸噴頭的底部設(shè)有若干出風(fēng)孔，所述箱體內(nèi)外表面絕緣，并在內(nèi)部形成密閉的紡絲空間，所述箱體底部設(shè)有平衡紡絲空間與外界壓強(qiáng)差的微孔。
[0017]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述收集器為呈立方體狀或圓筒狀的金屬柵網(wǎng)。
[0018]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述收集器為呈圓筒狀的多孔無紡布制件。
[0019]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述負(fù)氣壓發(fā)生器為設(shè)在所述負(fù)壓管上的真空栗。
[0020]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述交流高壓發(fā)生器包括函數(shù)信號發(fā)生器和高壓放大器。
[0021]—種基于負(fù)壓收集的氣電紡三維支架制備方法，包括以下步驟:
S10.供液裝置可提供紡絲溶液或熔體，打開供液裝置，紡絲溶液或熔體由供液通道進(jìn)入同軸噴頭并由同軸噴頭的出液口流出；
S20.調(diào)節(jié)交流高壓發(fā)生器，輸出適當(dāng)波形、頻率、幅值、偏置值的電壓，并在同軸噴頭和負(fù)壓接收裝置間形成交變電場；
S30.打開負(fù)壓發(fā)生器和氣壓供應(yīng)裝置；調(diào)節(jié)氣壓供應(yīng)裝置，提供流速、溫度、濕度適宜的氣體，氣體流經(jīng)第一輸氣管、同軸噴頭的供氣通道，最終從同軸噴頭出氣口處噴出形成氣流；
S40.在交變電場和氣流的共同作用下，紡絲溶液或熔體液滴被拉伸形成射流，并在氣流的持續(xù)作用下，和在交變電場力的作用下，射流劈裂拉伸，獲得納米纖維；
S40.在氣流推力和負(fù)壓接收裝置的負(fù)壓吸引作用下，氣流路徑可控，纖維往負(fù)壓接收裝置定向沉積，同時，氣流穿過多孔結(jié)構(gòu)的收集器，從收集器的下方和側(cè)端導(dǎo)出，并輔助纖維在收集器上持續(xù)沉積，成為多孔蓬松的三維支架結(jié)構(gòu)。
[0022]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，還包括箱體，所述同軸噴頭位于箱體內(nèi)，所述負(fù)壓管的負(fù)壓管口位于所述箱體的底部，所述箱體內(nèi)設(shè)有導(dǎo)風(fēng)板，箱體在導(dǎo)風(fēng)板的上方形成鼓風(fēng)腔，在導(dǎo)風(fēng)板的下方形成出風(fēng)腔