CN105200540A - 一种利用磁场诱导制备轴向有序排列管状物的静电纺丝装置 - Google Patents

一种利用磁场诱导制备轴向有序排列管状物的静电纺丝装置 Download PDF

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李萍
张书培
牛旭锋
李昆
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Abstract

本发明提供了一种利用磁场诱导制备轴向有序排列管状物的静电纺丝装置，可制备三维有序排列管状组织工程支架材料。本发明装置包括微量注射泵、储液器、导电毛细管、直流高压电源、接收装置和环状铁氧体磁铁。储液器为玻璃注射器，将其固定在微量注射泵上，注射泵可以精确控制纺丝液的挤出速率；导电毛细管为尖端磨平的不锈钢注射针；接收装置为滚筒，与电机相连；直流高压电源正极连接不锈钢注射针，作为接收装置的滚筒通过导线接地，使不锈钢注射针针头与接收装置间产生高压电场；一对铁氧体环状磁铁嵌套在滚筒上，随滚筒一起转动，两磁铁间距4-10cm，使接收装置处于稳定磁场中。本发明提供了一种利用磁场诱导制备轴向有序排列管状物的静电纺丝装置，与单一滚筒法制备管状支架相比，此装置制得纤维有序度大大提高，拓宽了静电纺丝的应用领域。

Description

一种利用磁场诱导制备轴向有序排列管状物的静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及静电纺丝和组织工程领域，特别是通过外加磁场制备有序管状支架。
背景技术
静电纺丝技术由于其良好的可控性、操作灵活性及制备成本低等优点广泛应用于制备纳米级/微米级纤维材料。静电纺丝制备的纤维具有比表面积高、力学性能优异、孔隙率大等特征，使其在过滤材料、组织工程材料、电学和光学材料、催化剂载体材料等领域均有研究和应用。
静电纺丝纤维支架不仅与细胞外基质在形态、结构及尺寸上相似，且具有良好的力学性能，满足了组织工程支架对材料的要求，因而在生物医学工程领域应用很多。然而，传统静电纺丝装置所制备的纤维膜中，由于电纺过程中纺丝液射流的弯曲不稳定性和鞭动不稳定性，所得纤维呈随机排列，限制了静电纺丝纤维膜在特殊领域的应用。
众多研究表明，纤维膜的形态对于多种细胞的粘附、增殖以及分化等具有重要的影响。Liang等人通过静电纺丝得到有序聚乳酸纳米纤维，并将其作为支架培养神经干细胞，结果表明细胞轴突沿纤维有取向的生长，有序纤维能够促进细胞的增殖、分化。
现已有多种方法制备有序纤维，如滚筒法、辅助电极法、平行板电极法、模板法以及磁纺法等。其中，磁纺法设备简单，操作方便，制得的纤维有序取向度高。磁纺法在接收装置上引入一对平行磁铁，能提高纤维的有序度。
然而，利用磁纺法制备三维有序排列的管状支架方面的研究还较少。本发明将环状磁铁嵌套于滚筒上随滚筒旋转，提供更加稳定的磁场，能够制备沿滚筒轴向有序排列的三维管状纤维支架。
发明内容
一种利用磁场诱导制备轴向有序排列管状物的静电纺丝装置，包括微量注射泵、储液器、导电毛细管、环状铁氧体磁铁、滚筒和直流高压电源；玻璃注射器作为储液器，纺丝时将聚合物纺丝溶液置于此玻璃注射器中；微量注射泵控制纺丝液挤出速率，玻璃注射器固定在微量注射泵上；尖端磨平的不锈钢注射针头作为导电毛细管；作为接收装置的滚筒连接电机并通过导线接地；高压直流电源正极连接在不锈钢注射针针头上，为静电纺丝过程提供电场；一对环形铁氧体磁铁同轴平行镶嵌在滚筒上，为静电纺丝过程提供磁场。
纺丝液置于玻璃注射器中，微量注射泵将纺丝液从不锈钢注射针头挤出；高压直流电源正极同不锈钢注射针头相连；滚筒接地并与环状磁铁同轴镶嵌，通过电机可以精确控制滚筒转速；在滚筒上收集到沿着滚筒轴向排列的有序管状支架；
所述的聚合物纺丝溶液的浓度为8wt.％-40wt.％；注射针的孔径为0.4-1.2mm，聚合物纺丝溶液流速为0.2-3mL/h；注射器针尖到铝箔的距离即纺丝距离为5-20cm，滚筒转速为1000-4000r/min；两环状磁铁间距为4-10cm；高压直流电源正极输出电压为0-50kV。
所述的聚合物纺丝溶液中的聚合物为纤维素、壳聚糖、蚕丝蛋白、聚丙烯腈、聚乳酸、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚膦腈、聚乳酸羟基乙酸共聚物中的一种；所述的聚合物纺丝溶液中的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、二甲基亚砜、二甲基酰胺、N-甲基吡咯烷酮、氯仿、甲酸、醋酸、四氢呋喃、六氟异丙醇或三氟乙醇中的一种或多种。
本发明的优点是静电纺丝过程中，当纤维运动到磁铁附近，带正电的纤维受到洛伦兹力的影响纤维弯曲不稳定性受到抑制，沉积到两环状磁铁之间获得取向度较高的管状组织工程支架。
附图说明
图1为本发明的静电纺丝装置结构示意图，图中：
1-微量注射泵2-玻璃注射器3-聚合物溶液4-不锈钢注射针
5-高压直流正电源6-环状磁铁7-滚筒8-滚筒支架
具体实施方式
尖端磨平的不锈钢注射针(4)固定在玻璃注射器上(2)，玻璃注射器(2)固定在微量注射泵(1)上，微量注射泵(1)竖直放置；
高压直流电源(5)正极连接在不锈钢注射针(4)上，滚筒(7)通过导线接地；
一对环状铁氧体磁铁(6)，间隔一定距离平行嵌套在滚筒(7)上；
通过电机控制转速的滚筒(7)与嵌套在上面的环形磁铁(6)同轴旋转；
置于储液器中的聚合物溶液(3)，经过静电纺丝形成沿着滚筒轴向取向排列的纤维，获得有序排列的管状组织工程支架。
实施例1，采用如图1所示的装置进行静电纺丝。将聚乳酸羟基乙酸共聚物(PLGA)(Mv＝5×104KDa)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/二氯甲烷中，DMF与二氯甲烷的体积比为1：1，PLGA质量体积比为36wt.％，作为纺丝液置于储液器中。采用高压直流电源电压为12kV,正极连接到不锈钢注射器针头上，滚筒由电机控制其转速并通过导线接地。固定有储液器的微量注射泵竖直放置，不锈钢注射针尖到转筒的距离为15cm。环状磁铁外径7cm，内径3cm(与滚筒外径一致)，两磁铁间距为5cm。此实例中转筒直径为3cm,转速为2000r/min。注射针的内径为0.9mm，聚合物溶液流速为0.2mL/h，静电纺丝过程中湿度为10％，温度为25℃。为了便于观察，纺丝时间30s，采用扫描电镜观察获得的纤维的形貌，纤维取向度良好，纤维沿着转筒轴向排列，平均直径约为500nm。

Claims (1)

1.一种利用磁场诱导制备轴向有序排列管状物的静电纺丝装置，其特征在于：包括微量注射泵、储液器、导电毛细管、环状铁氧体磁铁、滚筒和直流高压电源；玻璃注射器作为储液器贮存纺丝液；玻璃注射器固定在微量注射泵上，由微量注射泵控制纺丝液挤出速率；不锈钢注射针头作为导电毛细管，针头的孔径为0.4-1.2mm；滚筒连接电机，通过导线接地；高压直流电源正极连接在不锈钢注射针针头上，为静电纺丝过程提供电场；一对环状铁氧体磁铁同轴平行嵌套在滚筒上，两磁铁间距为4-10cm，为静电纺丝过程提供稳定磁场；
所述的聚合物纺丝溶液中的聚合物为纤维素、壳聚糖、蚕丝蛋白、聚丙烯腈、聚乳酸、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚膦腈、聚乳酸羟基乙酸共聚物中的一种；所述的聚合物纺丝溶液中的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、二甲基亚砜、二甲基酰胺、N-甲基吡咯烷酮、氯仿、甲酸、醋酸中的一种或多种；所述的聚合物纺丝溶液的浓度为8wt.％-40wt.％；聚合物纺丝溶液流速为0.2-3mL/h；注射器针尖到滚筒的距离为5-20cm，滚筒转速为1000-4000r/min；高压直流电源正极输出电压为0-50kV。
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