CN104018238A - 一种静电纺丝可控有序收集系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电纺丝可控有序收集系统，包括供液挤出装置，承接部件，阵列针接收板，计算机控制系统和阵列针控制电路；所述供液挤出装置位于承接部件的上方，所述承接部件与阵列针接收板上的阵列针尖之间的距离按照需要调整；所述供液挤出装置的供料喷头连接电源的正极，所述阵列针接收板上每根针相互绝缘，分别与阵列针控制电路独立连接，并通过阵列针控制电路连接电源的负极；所述阵列针控制电路连接计算机控制系统，并通过计算机控制系统控制阵列针接收板上每根针与电源负极的通断。本发明可以得到任意形状的电纺丝结构，不受材料和工艺的限制。

Description

一种静电纺丝可控有序收集系统和方法

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝可控有序收集系统和方法，属于静电纺丝技术领域和生物制造技术领域。

背景技术

静电纺丝技术是利用高压电场的电场力对喷头挤出的聚合物熔体或溶液拖拽并在空气中形成纤维,最终在接收装置上得到电纺丝纤维聚集体的工艺方法。电纺丝具有纳米或微米的纤维尺度，孔径小、孔隙率高，且分布均匀，在纳米过滤材料、传感材料、特别是生物支架改性、医用材料、组织工程等方面应用广泛。随着生物制造技术的快速发展和深入研究，静电纺丝技术得到越来越多的关注，电纺丝结构体的有向性、有序性、收集的可控性等要求也越来越高。

电纺丝的有序和图案化收集在微电子、光电材料等方面有重要应用，而其最突出的功能主要应用于组织工程；特别是在电纺丝复合支架、细胞培养和细胞定向组装中，有序的纺丝纤维能够促进细胞的黏附、存活和增殖，引导细胞迁移；具有特定图案的电纺丝纤维能够得到具有特定结构的生物组织单元。但是由于电纺丝技术自身的特点，现有的很多工艺方法很难得到符合要求的纤维结构，甚至有些材料很难收集到电纺丝。

静电纺丝系统通常包括供料装置、高压电源和接收装置3个部分，供料装置和高压电源将材料挤出拉丝，在接收装置中得到所需的电纺丝纤维。从挤出头得到的纺丝纤维由于空气浮力和鞭动影响通常是随机分布、杂乱无章的，这其中接收装置直接决定了所得电纺丝的分布形状、搭接方向和其他结构特征。利用接收装置获得有序电纺丝的方法目前主要包括：滚筒收集、带有绝缘端口的导电板收集和带有凸起图案的收集板收集等。但是这些收集方法通常只能得到单一形状的电纺丝结构，或者接收板的结构复杂、制作困难，图案化用几何方法和机械结构实现，图形不够丰富，可控性不强。

发明内容

为了实现电纺丝的可控有序收集，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种静电纺丝可控有序收集系统和方法，制备出有序的、具有所需图案形状的电纺丝纤维结构体。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种静电纺丝可控有序收集系统，包括供液挤出装置，承接部件，阵列针接收板，计算机控制系统和阵列针控制电路；所述供液挤出装置位于承接部件的上方，所述承接部件与阵列针接收板上的阵列针尖之间的距离按照需要调整；所述供液挤出装置的供料喷头连接电源的正极，所述阵列针接收板上每根针相互绝缘，分别与阵列针控制电路独立连接，并通过阵列针控制电路连接电源的负极；所述阵列针控制电路连接计算机控制系统，并通过计算机控制系统控制阵列针接收板上每根针与电源负极的通断。

所述阵列针接收板上每根针直径为0.1-0.3mm，长度为30mm，根据不同的需求摆成不同间距、不同密度的阵列。所述承接部件为接收薄膜或带有阵列孔的承接板。

一种静电纺丝可控有序收集方法，包括以下步骤：

1）选用适于静电纺丝的高分子生物材料，利用热熔或者溶剂溶解的方法得到静电纺丝的熔体或者溶液；

2）将生物材料的熔体或溶液装入供液挤出装置中；

3）调节阵列针接收板上的阵列针尖与承接部件之间的距离，调节供液挤出装置与承接部件的距离为200-400mm；

4）在计算机控制系统绘制所需的静电纺丝图案，通过阵列针控制电路控制阵列针接收板上的针与电源负极的连通与断开，与电源负极连通的针作为静电纺丝图案中的一个像素点，与供液挤出装置的供料喷头之间存在高电压，与电源负极断开的针与供料喷头之间无电压；

5）打开电源，提供10-20kv的电压；

6）调节供液挤出装置的微量泵控制静电纺丝的熔体或者溶液供给流量为20-100uL/min，使挤出的熔体或者溶液电纺出纤维丝，纤维丝在电场力作用下落到指定区域，得到所需形状的静电纺丝结构。

本发明的原理如下：

本发明利用阵列针控制电路，有选择地控制阵列针与电源负极的通断，组成图案的针尖与供料喷头之间存在高电压，未连通的针尖与供料喷头无电压，这就在电纺丝的针尖与阵列针接收板之间形成了可控的高压电场；阵列针的针尖都磨削为尖端，在曲率半径极小的针尖电荷聚集最密集，电场强度也就最大， 电纺丝纤维在电场力的作用下落到通电的针尖附近时，带电纤维受到针尖的电场吸引力最大，纤维主动朝向针尖飘落，并且沿着针尖组成的形状和方向有序搭接。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明在已有的电纺丝工艺方法的基础上，设计了一套新颖的有序可控收集装置和控制方法，可以方便地得到所需图案或形状的电纺丝结构，图案绘制灵活、可控性强，纤维具有方向一致性和有序性，使电纺丝的收集更加灵活、控制方法更加简便、接收图案化效果更好；本发明可以得到任意形状的电纺丝结构，不受材料和工艺的限制；本发明扩展了电纺丝在工业、特别是生物制造中的应用，设计的接收装置不局限于二维电纺丝聚集体的收集，可通过改变阵列针的高低得到三维电纺丝结构，阵列针与3D打印多孔生物支架相结合可制作电纺丝复合支架，为复合生物支架、细胞受控组装提供了新型的工艺方法。

附图说明

图1为静电纺丝可控有序收集系统示意图。

图2为一种阵列针接收板结构示意图。

图3为实施例1获得接收图案的示意图。

图4为实施例2制备电纺丝复合支架示意图。

具体实施方式

本发明优选实施例结合附图详述如下：

如图1和图2所示，一种静电纺丝可控有序收集系统，包括供液挤出装置1，承接部件2，阵列针接收板3，计算机控制系统4和阵列针控制电路5；所述供液挤出装置1位于承接部件2的上方，所述承接部件2与阵列针接收板3上的阵列针尖之间的距离按照需要调整；所述供液挤出装置1的供料喷头连接电源的正极，所述阵列针接收板3上每根针相互绝缘，分别与阵列针控制电路5独立连接，并通过阵列针控制电路5连接电源的负极；所述阵列针控制电路5连接计算机控制系统4，并通过计算机控制系统4控制阵列针接收板3上每根针与电源负极的通断。所述阵列针接收板3上每根针直径为0.1-0.3mm，长度为30mm，根据不同的需求摆成不同间距、不同密度的阵列。

实施例1

如图3所示，一种静电纺丝可控有序收集方法，包括以下步骤：

配置8.8%的PVA溶液10ml，静置得到稳定均一的电纺丝溶液，装入供液挤出装置1中；阵列针接收板3的针间距为3mm，将阵列针控制电路5接到计算机控制系统4，并接好阵列针与负极的连接电路；承接部件2选取接收薄膜，在阵列针上铺好接收薄膜，调节阵列针接收板3上的阵列针尖与接收薄膜之间的距离小于0.5mm，供液挤出装置1与接收薄膜的距离为200mm；打开电源，调整电压为10KV；打开微量泵，控制溶液挤出速率为40ul/min；计算机控制系统4控制阵列针的通电，获得“SH”图案的针形。

实施例2

如图4所示，一种静电纺丝可控有序收集方法制备电纺丝复合生物支架，包括以下步骤：

阵列针接收板3的针间距为1mm，将阵列中所有的针接负极；承接部件2为带有阵列孔的承接板，取已制成的明胶-海藻酸钠骨支架7，骨支架7孔隙度较高，并且孔隙规则，将针穿插过承接板的阵列孔6和支架孔隙；配置8.8%的PVA溶液10ml，静置得到稳定均一的电纺丝溶液，装入供液挤出装置1中；调节供液挤出装置1与针尖距离为300mm，打开微量泵，控制溶液挤出速率为100ul/min；电纺丝挤出头接高压电源的正极，调整电压为10KV；电纺丝过程中纤维搭接到针尖和骨支架7上，结束后阵列针向下回落。通过此过程得到电纺丝复合生物支架。 

Claims (4)

1.一种静电纺丝可控有序收集系统，其特征在于，包括供液挤出装置（1），承接部件（2），阵列针接收板（3），计算机控制系统（4）和阵列针控制电路（5）；所述供液挤出装置（1）位于承接部件（2）的上方，所述承接部件（2）与阵列针接收板（3）上的阵列针尖之间的距离按照需要调整；所述供液挤出装置（1）的供料喷头连接电源的正极，所述阵列针接收板（3）上每根针相互绝缘，分别与阵列针控制电路（5）独立连接，并通过阵列针控制电路（5）连接电源的负极；所述阵列针控制电路（5）连接计算机控制系统（4），并通过计算机控制系统（4）控制阵列针接收板（3）上每根针与电源负极的通断。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝可控有序收集系统，其特征在于，所述阵列针接收板（3）上每根针直径为0.1-0.3mm，长度为30mm，根据不同的需求摆成不同间距、不同密度的阵列。

3.根据权利要求1所述的静电纺丝可控有序收集系统，其特征在于，所述承接部件（2）为接收薄膜或带有阵列孔的承接板。

4.一种静电纺丝可控有序收集方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）选用适于静电纺丝的高分子生物材料，利用热熔或者溶剂溶解的方法得到静电纺丝的熔体或者溶液；

2）将生物材料的熔体或溶液装入供液挤出装置（1）中；

3）调节阵列针接收板（3）上的阵列针尖与承接部件（2）之间的距离，调节供液挤出装置（1）与承接部件（2）的距离为200-400mm；

4）在计算机控制系统（4）绘制所需的静电纺丝图案，通过阵列针控制电路（5）控制阵列针接收板（3）上的针与电源负极的连通与断开，与电源负极连通的针作为静电纺丝图案中的一个像素点，与供液挤出装置（1）的供料喷头之间存在高电压，与电源负极断开的针与供料喷头之间无电压；

5）打开电源，提供10-20kv的电压；

6）调节供液挤出装置（1）的微量泵控制静电纺丝的熔体或者溶液供给流量为20-100uL/min，使挤出的熔体或者溶液电纺出纤维丝，纤维丝在电场力作用下落到指定区域，得到所需形状的静电纺丝结构。