CN104225736B - 一种熔融静电喷涂装置及其应用 - Google Patents

Abstract

一种熔融静电喷涂装置，包括控制箱、供液系统、进液管、喷枪手柄、喷头、气流导管和高压导线，控制箱内设有高压电源和气泵，其中：喷头位于喷枪手柄前端，喷头内设有金属针头；金属针头通过进液管与供液系统相连，其管壁通过高压导线与高压电源连接；金属针头的外壁和喷头的内壁之间形成气流通道，通过喷枪手柄与气流导管连通，气流导管又与气泵连接；供液系统由进料系统、熔融加热系统和液压系统组成，待喷涂材料由进料系统送入熔融加热系统，熔融后在液压系统的推动下进入进液管，再流进金属针头，控制箱控制电压和气流大小，实现气流引导的定向原位静电喷涂。该装置可广泛应用于医疗止血、战伤急救、组织工程和美容化妆品、工业喷涂领域。

Description

一种熔融静电喷涂装置及其应用

技术领域

本发明涉及医疗器材技术领域，特别涉及一种利用静电纺丝技术结合气流引导来实现药液及医用生物材料直接在目标处定点、定向、原位精确喷涂的气流引导式定向原位静电喷涂装置。

背景技术

静电喷涂是一种使带大量静电荷的待喷涂溶液在高压静电电场力的作用下定向运动，形成带电射流，从而实现溶液在目标物体表面涂覆的方法。静电喷涂主要有静电喷雾和静电纺丝两种形式。其中，静电喷雾主要用于对水或水溶液或油漆等无成丝性液体的雾化，主要用于农作物喷雾施药和汽车、家电、仪表的外壳喷漆；静电纺丝是高分子流体静电雾化的特殊形式，利用易挥发的有机溶剂配制具有一定黏度的溶液，通过高压静电发生器产生静电场，使溶液在喷口处雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，射流在空气中经劈裂、拉伸、溶剂挥发过程，最终固化成纤维，沉积在目标收集极上。

静电喷涂过程中，由于电场线的发散性分布，以及带有大量同种静电荷雾化液滴或电纺纤维的相互排斥作用，会使雾化液滴或纤维在目标物体上产生很大的喷涂区域，甚至会涂覆至目标物体的背面，即产生环包效应。当静电喷涂技术用于医疗领域时，环包效应会导致涂覆不精确，药液涂覆到不需要的区域，不仅造成药物的浪费，而且当创面位于体腔内深部时，带电的药物大部分会被吸附到离喷口更近的脏器表面上，产生法拉第笼效应，无法对创面进行有效涂覆。环包效应和法拉第笼效应阻碍了静电喷涂技术在医疗领域的发展。

随着生物敷料的发展和需要，敷料材料和结构必须适用人体组织修复的需要。通常生物医用敷料可以分为体外敷料和体内敷料。其中，体外敷料主要包括烧烫伤敷料、止血消炎敷料、绷带等。体内敷料主要指手术隔离膜，特别是应用于心胸血管器官防粘连隔离的手术。静电纺丝作为一种简单、高效的纳米纤维膜制备方法，已被广泛地研究开发和应用。在医疗止血方面，静电纺丝纳米纤维膜既具有透气性能又能提供有效的屏障保护结构，其孔径分布可以控制到足够小以阻挡细菌的入侵，并且在湿润的伤口表面可以均匀黏附防止脱水，因而非常适合用作皮肤敷料和人工皮肤。此外，电纺纤维膜还具有超高的比表面积，可以大量携载包括抗菌药物在内的多种有益成分，有利于促进受损部位的愈合和组织再生。在美容行业，电纺纤维还可制作成面膜，通过电纺将有益成分添加到纤维中，纤维膜不仅具有优异吸附、清洁作用，同时与皮肤接触可以将有益因子稳定均匀地传递给人体，利于人体组织的吸收和运输。

静电纺丝可分为溶液静电纺丝和熔体静电纺丝。相对于溶液静电纺丝，熔体静电纺丝无需溶剂、成本低、生产效率高，适用于一些室温下没有合适溶剂的聚合物。但是对于熔体电纺，聚合物熔体黏度高、导电性差，通常需要比较高的电场强度才能纺丝，而且纺丝过程中射流遇冷迅速固化，鞭动过程受到抑制，导致纤维直径多在微米级别。Dalton等(Dalton et al,Biomacromolecules,2006,7:686)以纤维原细胞作为目标接收物体，将聚合物纤维直接熔融电纺到细胞上，进行细胞培养后发现没有引起细胞死亡，而且纤维原细胞沿着电纺纤维轴向生长。实验证明，熔体纺丝具有安全无毒的特性，可应用于生物医学领域。

专利CN 201320741232.3设计了一种气流引导式定向原位静电喷涂装置，可以将α-氰基丙烯酸酯医用胶电纺成微纳米纤维，并在气流导向下精确均匀沉积到伤口表面形成致密薄膜，从而在几秒至十几秒内实现迅速止血，让手术变得更快更安全。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种气流引导式定向原位熔融静电喷涂装置，无需溶剂，而是利用聚合物本身的适宜熔点性质，利用熔融加热设备使聚合物保持在熔融状态下但不发生降解，进而实施静电喷涂，从而弥补现有静电喷涂技术在医疗等领域应用的缺点，寻求一种能够使聚合物等生物材料直接在人体创面目标处定点、定向、原位精确喷涂的方法。

本发明的技术方案是：

一种熔融静电喷涂装置，包括控制箱、供液系统、进液管、喷枪手柄、喷头、气流导管和高压导线，所述控制箱内设有高压电源和气泵，其中：所述喷头设置在喷枪手柄前端，在喷头内设有金属针头；该金属针头通过进液管与供液系统相连；该金属针头的管壁则通过高压导线与控制箱内的高压电源的正极相连接；在喷头内，金属针头的外壁和喷头的内壁之间形成的空间为气流通道，该气流通道通过喷枪手柄与气流导管相连通，而气流导管又与气泵连接；待喷涂材料由供液系统提供，所述供液系统由进料系统、熔融加热系统和液压系统组成，进料系统将待喷涂材料送入熔融加热系统的熔体腔中，通过熔融加热系统熔融后，在液压系统的推动下进入进液管，再流进金属针头，由控制箱控制高压电源的电压和气泵的气流大小，实现气流引导的定向原位静电喷涂。

进一步的，上述喷头上还设有集成传感系统，包括距离传感系统、温湿度传感系统及高速成像系统，分别具备独立的测量喷头与处理目标物距离、周围环境温湿度监测、静电喷涂过程高速成像的功能，其各自工作时互不干扰，统一由计算机收集处理数据。这里的计算机作为辅助系统可实时监控静电喷涂的工作状态和动态参数，对喷涂时的数据收集与处理以及及时调整更有利的工艺参数有重要的帮助。

进一步的，上述供液系统中的进料系统包括进料斗、进料速度调节杆、进料输送通道和筛网，其中：筛网设置在进料斗出口处，能够过滤掉颗粒比较大的物料或因静电团聚而引起的结块；进料速度调节杆设置在进料斗出口处，筛网的下方，控制进料速度；进料输送通道连通熔融加热系统。所述进料斗内还可设置干燥器，为原料除湿。所述进料斗内还可增加材料的辐照消毒装置，通过紫外线的杀菌作用，使菌体蛋白发生光解、变性，直至死亡，达到为医用生物材料消毒的目的。所述辐照装置采用⁶⁰Co钴源，辐射消毒剂量为25kGy即可满足医疗需求。

进一步的，上述供液系统中的液压系统采用齿轮泵结构，包括油缸、油管、齿轮泵、旋转电机、液压电器系统等。所述齿轮泵能够改变密封油缸的体积进而改变压强，通过油管从密封油缸内吸入液压油，进而将液压油产生的压力能转换为机械能作用在活塞上，使得活塞两端作用力不平衡，驱动活塞向前运动，由于活塞固定在旋转螺杆上，所以会带动旋转螺杆向前运动，使熔体持续不断地从喷嘴挤出注入进液管。同时通过旋转电机提供能量并控制螺杆的扭矩和转速，使物料从进料系统向前输送。

进一步的，上述供液系统中的熔融加热系统包括熔体腔，围绕熔体腔的加热线圈，熔体腔内的旋转螺杆，以及设置在熔体腔与进液管连接处的过滤网膜和喷嘴。在加热线圈的加热下，熔体腔内的物料熔融，旋转电机带动旋转螺杆转动，同时在液压系统的推动下使熔体受到压力向前挤出，经过滤网膜滤除杂质后，熔体经喷嘴注入进液管。其中，在熔体熔融挤出过程中，将经历3个温区：固体输送区、熔融区和熔体输送区。固体输送区是进行固态高分子物料的输送；熔融区是将压缩物料并使物料受热熔融；熔体输送区是对熔融物料进行混合，并定量向喷嘴输送。每段温区均需热电偶进行温度的监控，也可采用腔内埋入探针的方法测量熔体本身的温度，保证熔体温度的精确控制。此外，在喷嘴处，还设有过滤网膜，以用来除去大于几微米的未熔融颗粒或杂质。

所述控制箱上设置有用来插接气流导管的插口、用来插接连接高压电源正极与喷头的高压导线的插口、用来调节高压电源电压大小的电压调节旋钮、用来调节气泵气流大小的气流调节旋钮、用来控制熔融加热系统加热线圈温度的调节旋钮，以及用来控制旋转螺杆转速的调节旋钮。所述控制箱内的高压电源的负极接地。

上述熔融喷涂装置适用于无需溶剂的适宜熔点生物材料在熔融状态下进行静电喷涂，达到原位沉积。适用的喷涂材料包括但不限于：聚酯类，如聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)、聚己内酯(PCL)、聚乙醇酸(PGA)、聚羟基烷酸酯(PHA)、聚氨基甲酸酯、芳香族聚酯、聚酯酰胺、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯等；脂肪族聚酸酐类，如聚癸二酸酐、聚己二酸酐、聚十二酸酐等；以及上述材料与活性添加剂如聚环氧乙烷(PEO)、聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)的两种或多种的混合物。熔体挤出所需加热温度和螺杆挤出速度与高分子物料的类型、分子量和熔体本身流动性有关。保持适宜的温度，物料熔体可拥有优异的流变性，更利于熔体的挤出，同时能够避免温度过高造成的物料降解。

上述熔融静电喷涂装置，进一步可以包括一保温套管，所述进液管套装在该保温套管内。

优选的，所述进液管为聚四氟乙烯管；所述气流导管为硅胶气流导管；所述保温套管由聚氯乙烯外层和石棉保温内层构成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明用来喷涂的喷头与金属针头之间形成气流通道，通过气流导管与气泵相连通，气流可以引导待喷涂药液沿气流方向运动，起到定向功能，还可以通过削弱环包效应和法拉第笼效应起到束缚作用，从而实现定点定向精确喷涂。

2)由于静电吸附作用，聚合物熔体带有大量静电荷，只需将药液直接喷洒在创面，即可与创面形成牢固的结合，形成稳定而有效的保护层，并且喷涂药液不会发生飞溅，利用率高，治疗效果更好。

3)本发明具有过滤、消毒和灭菌装置，可以有效保护创面不受感染。此外，电纺丝纤维膜不仅具有良好的透气性能，还可以滤去空气中的几乎所有的细菌和微尘，避免伤口发生感染，使其在医疗止血、急救上的应用更有优势。经过处理的创口往往愈合良好，不留疤痕。

4)熔融静电喷涂装置将加热装置、贮液装置、输送装置、喷头装置、保温系统集成一体化，提高了喷涂的稳定性和连续性，旋转螺杆挤压装置可以持续有效地将熔体挤出，提高了熔融纺丝的效率。喷涂的纤维膜同时具有较高温度，能够适度烫伤创面更利于凝血、止血。

本发明的装置具有定向、实时、原位的微纳米喷涂特点，适用于多种无需溶剂的或常温下无法电纺的生物医用材料在熔融条件下的静电喷涂。并且，喷涂过程中由于没有溶剂的挥发过程，从而降低了对环境的污染。本装置的发明拓宽了可喷涂微纳米纤维的种类，促进了微纳米纤维形态的生物材料在医学等领域的应用范围。所制备的微纳米材料适用于多种用途：医疗止血方面如临床手术止血、烧烫伤敷料、止血消炎灭菌敷料、医用绷带、手术缝合线、血管器官防粘连手术隔离膜；组织工程方面，如制作组织支架、组织填充物、人工皮肤、用于皮肤再生的伤口敷料；化妆品领域，如面膜的制作和皮肤的护理。特别的，本发明开创了粘附止血材料的潜能基础研究的新途径，可解决手术安全与术后康复控制创面出血难题；创新的理念与外科止血技术的实时结合，进行可靠止血技术的应用与治疗。利用本发明的装置同时可以改变目前传统医用材料的应用方式，可充分保障生物医学材料的粘附力、安全性，实现实质性脏器连续完整性的重建。

附图说明

图1为本发明熔融静电喷涂装置的结构示意图。

图2为熔融静电喷涂装置的进料系统结构示意图。

图3为熔融静电喷涂装置的熔融加热系统结构示意图。

图4为熔融静电喷涂装置的两种静电喷涂状态示意图。

图5为熔融静电喷涂装置的的定向原位沉积原理示意图。

图6为实施例1制备的聚己内酯(PCL)电纺纤维的图片。

其中：1：控制箱；2：电源开关；3：电压调节旋钮；4：气流调节旋钮；5：温度调节旋钮；6：保温套管；7：金属针头；8：进液管；9：喷枪手柄；10：可旋转式喷头；11：集成传感系统；12：气流引导下丝束；13：喷嘴；14：高压导线；15：气流管道；16：液压系统；16-1：液压电器系统；16-2：齿轮泵；16-3：旋转电机；16-4：油管；16-5：活塞；17：进料系统；17-1：进料斗；17-2：进料速度调节杆；17-3：进料输送通道；17-4：通道联结管；17-5：干燥器；17-6：筛网；18：熔融加热系统；19：螺杆转速调节旋钮；20：加热线圈；21：旋转螺杆；22：过滤网膜；23：固体输送区；24：冷却料斗区；25：迟滞区；26：熔融区；27：熔体输送区。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：熔融静电喷涂装置及其应用

如图1所示，本实施例的熔融静电纺丝装置包括：控制箱1、液压系统16进料系统17、熔融加热系统18、保温套管6、金属针头7、进液管8、喷枪手柄9、可旋转式喷头10、高压导线14和气流导管15。可旋转式喷头10设置在喷枪手柄9前端；进液管8套装在保温套管6内，并穿过喷枪手柄9与设置在喷头10内的金属针头7相连接。所述控制箱1内装有气泵和高压电源；气流导管15一端连接气泵，另一端接在喷枪手柄9的末端，喷头10内壁与金属针头7外壁之间形成的环形管道空间为气流通道，气泵产生具有一定压力的气流通过气流导管15与该气流通道相连通，使气泵中的气流可以从喷头10内的气流通道喷出；金属针头7的管壁与高压导线14相连，高压导线14的另一端与高压电源正极相连接。如图2所示，所述进料系统17包括进料斗17-1、进料速度调节杆17-2、进料输送通道17-3和筛网17-6。所述进料斗17-1内设有干燥器17-5(参见图3)，可为原料除湿；通过调节进料速度调节杆17-2可控制进料速度；所述进料系统17通过通道联结管17-4与熔融加热系统18连接，能够持续不断地为装置提供原料，从而实现连续喷涂。筛网17-6能够过滤掉颗粒比较大的物料或因静电团聚而引起的结块。为防止粉体物料与管壁发生静电吸附或自身团簇聚集，可以将进料系统的管道接入地线，使电流导出，或者在物料筛分前添加防静电剂，如滑石粉、微粉硅胶、十二烷基硫酸钠等辅料。

所述液压系统16采用齿轮泵结构，包括油缸、油管16-4、齿轮泵16-2、旋转电机16-3、液压电器系统16-1等，参见图1和图3。所述齿轮泵能够改变密封油缸的体积进而改变压强，通过油管16-4从密封油缸内吸入液压油，进而将液压油产生的压力能转换为机械能作用在活塞16-5上，使得活塞16-5两端作用力不平衡，驱动活塞16-5向前运动，由于活塞16-5固定在旋转螺杆21上，所以会带动旋转螺杆21向前运动，使熔体持续不断地从喷嘴13挤出注入进液管6。同时通过旋转电机16-3提供能量并控制螺杆21的扭矩和转速，使物料从进料系统17向前输送。

如图3所示，所述熔融加热系统18包括熔体腔，以及围绕熔体腔的加热线圈20、熔体腔内的旋转螺杆21和设置在熔体腔与进液管8连接处的过滤网膜22。所述旋转电机16-3的转动带动旋转螺杆21转动，从而使熔体受到压力向前从喷嘴13挤出，进入进液管8。

所述控制箱1上还设有电源开关2、用来调节高压电源电压大小的电压调节旋钮3、用来控制气泵气流大小的气流调节旋钮4、用来控制加热线圈的温度调节旋钮5和用来控制螺杆的转速调节旋钮19以及位于它们上方显示参数的显示屏。螺杆转速调节旋钮19可使熔体挤出流量精确控制，从而控制喷涂流量的稳定。

喷涂时，首先打开电源开关2，调节温度调节旋钮5(可控温度范围50-400℃)，熔融加热系统18将对熔体腔进行预热。开启液压系统16，将原料通过进料系统17加入，调节进料速度调节杆17-2控制进料速度，调节螺杆转速调节旋钮19(可控转速范围0.5-10转/分钟)，待原料充分熔融后，在液压系统16的推动下熔体被挤压出熔体腔，经过过滤网膜滤过杂质颗粒后，从喷嘴13注入进液管8，调节电压调节旋钮3(可控电压最高为60千伏)，气流调节旋钮4(可控流量范围5-20升/分钟)，手持喷枪手柄9，将喷头10对准目标物体开始喷涂。以上参数均可根据需要调节至最佳参数。根据熔体性质的不同，本装置具有原位静电纺丝喷涂(图4左)和静电喷雾喷涂(图4右)两种功能。喷涂结束后，先后调节温度调节旋钮5、螺杆转速调节旋钮19、电压调节旋钮3、气流调节旋钮4至最小，最后关闭电源开关2和液压系统16。

本熔融静电喷涂装置在气流辅助下，可以实现沉积范围和沉积地点的精确控制。其定向原位沉积原理如图5所示，以培养皿中的液面作为收集衬底，打开气泵后，气流通过喷头吹向液面，液面在气流挤压下向周围流动形成一小孔洞，表明气流辅助不仅可以帮助实现精确喷涂和定向沉积，还能够有效清洁收集衬底的表面。

以聚己内酯(PCL)的熔融静电纺丝为例说明熔融静电纺丝的过程如下：

首先，打开电源开关2，调节温度调节旋钮5至70℃，预热5分钟后，开启液压系统16，从进料口17-1加入PCL固态原材料，经过干燥器17-5干燥后进入固体输送区23进行预热，调节螺杆转速调节旋钮19至1转/分钟，PCL在旋转螺杆21的挤压压力下逐渐被送入熔融区26。由于PCL的熔点为65，℃低于熔体腔的加热温度70℃，因此PCL在此区逐渐成为熔融状态。熔融流体在旋转螺杆21的挤压压力下到达熔体输送区27。在此区，PCL已完全变为熔融状态，最终熔体被输送到贮液区，在液压系统16的推动下高温熔体将被挤压出喷嘴13到达进液管8中。调节电压调节旋钮3至30千伏，气流调节旋钮4为10升/分钟，手持喷枪手柄9，对准目标物体开始喷涂，当PCL熔体在针头尖端处产生喷射细流后，螺杆转速调节旋钮19需适当调小，一直到纺丝可以顺利连续进行为止。喷涂结束后，先后调节温度调节旋钮5、螺杆转速调节旋钮19、电压调节旋钮3、气流调节旋钮4至最小，最后关闭电源开关2和液压系统16。

如图6所示为利用熔融静电喷涂装置制备的聚己内酯(PCL)电纺纤维光学照片。

Claims (9)

1.一种熔融静电喷涂装置，包括控制箱、供液系统、进液管、喷枪手柄、喷头、气流导管和高压导线，所述控制箱内设有高压电源和气泵，其中：所述喷头设置在喷枪手柄前端，在喷头内设有金属针头；该金属针头通过进液管与供液系统相连；金属针头的管壁则通过高压导线与控制箱内的高压电源的正极相连接；在喷头内，金属针头的外壁和喷头的内壁之间形成的气流通道通过喷枪手柄与气流导管相连通，而气流导管又与气泵连接；所述供液系统由进料系统、熔融加热系统和液压系统组成，进料系统将待喷涂材料送入熔融加热系统的熔体腔中，通过熔融加热系统熔融后，在液压系统的推动下进入进液管，再流进金属针头，由控制箱控制高压电源的电压和气泵的气流大小，实现气流引导的定向原位静电喷涂。

2.根据权利要求1所述的熔融静电喷涂装置，其特征在于，所述喷头上设置有集成传感系统，该集成传感系统包括：用于测量喷头与处理目标物距离的距离传感系统，用于监测周围环境温湿度的温湿度传感系统，和，用于对静电喷涂过程高速成像的高速成像系统。

3.根据权利要求1所述的熔融静电喷涂装置，其特征在于，所述进料系统包括进料斗、进料速度调节杆、进料输送通道和筛网，其中：筛网设置在进料斗出口处；进料速度调节杆设置在筛网下方；进料输送通道连通熔融加热系统。

4.根据权利要求3所述的熔融静电喷涂装置，其特征在于，所述进料系统的进料斗内设置有干燥器。

5.根据权利要求3所述的熔融静电喷涂装置，其特征在于，所述进料系统的进料斗内设置有辐照消毒装置。

6.根据权利要求1所述的熔融静电喷涂装置，其特征在于，所述液压系统采用齿轮泵结构。

7.根据权利要求1所述的熔融静电喷涂装置，其特征在于，所述熔融加热系统包括：熔体腔，围绕熔体腔的加热线圈，熔体腔内的旋转螺杆，控制旋转螺杆的旋转电机，以及设置在熔体腔与进液管连接处的过滤网膜和喷嘴；所述喷嘴连接进液管。

8.根据权利要求7所述的熔融静电喷涂装置，其特征在于，所述控制箱上设置有用来插接气流导管的插口、用来插接高压导线的插口、用来调节高压电源电压大小的调节旋钮、用来调节气泵气流大小的调节旋钮、用来控制熔融加热系统加热线圈温度的调节旋钮，以及用来控制旋转螺杆转速的调节旋钮。

9.根据权利要求1所述的熔融静电喷涂装置，其特征在于，所述熔融静电喷涂装置还包括一保温套管，所述进液管套装在该保温套管内。