CN105862146B - 一种制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，包括龙门架、近场电纺喷头、远场电纺喷头、近场高压供电装置、远场高压供电装置和收集皿，龙门架上设有可近场X轴运动平台和远场X轴运动平台，近场X轴运动平台上设有近场Z轴运动平台，近场电纺喷头设在近场Z轴运动平台上，远场X轴运动平台上设有远场Z轴运动平台，远场电纺喷头设在远场Z轴运动平台上，龙门架的下方设有Y轴运动平台，收集皿设在Y轴运动平台上，近场高压供电装置可在近场电纺喷头和收集皿间形成电场，远场高压供电装置可在远场电纺喷头和收集皿间形成电场。本发明可制备具有导电性能，纤维直径极小，丝径分布均匀，纤维分布有序，厚度足够大的三维生物支架。

Description

一种制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置

技术领域

本发明用于复合电纺技术领域，特别是涉及一种制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置。

背景技术

组织工程是近几十年来发展起来的一门多学科交叉的新型学科，包括生物学、材料科学、工程学和临床医学等多门学科，其核心是建立由细胞和生物材料所构成的三维复合体。其中由生物材料所构成细胞支架的作用是为细胞增殖提供空间，使细胞按照生物材料支架的构形分化、增殖，最终成为所要求的组织或器官。

自从Ingvar在1920年证明电刺激对体外培养的神经元细胞造成影响后，人们普遍认为细胞的内源电场和外源电场都会不同程度地影响细胞的活动。电刺激调节细胞的分割、迁移和组织的物理功能。而且对外源电场刺激非常敏感的细胞种类十分丰富，有神经细胞，骨细胞，内皮细胞，上皮细胞和纤维细胞等等。因此，电刺激对生物工程特别是组织再生方面具有重大意义。

传统的三维生物支架的制备方法主要有离心纺丝法，高速气流纺丝法，静电纺丝法等，这些方法都可以制备三维导电生物支架，但由于支架纤维的无序性，不能满足医用生物支架市场需求。

高速气吹聚合物溶液进行大规模制备纳米纤维的技术（高速气流纺丝技术），可以使纤维的制备速度较原来的静电纺丝速度提高10倍以上，但是，传统气纺多采用封闭式接收器或滚筒式接收器，在高速气流作用下，容易产生反冲气流，影响纤维的定向沉积，如何采用高速气纺制备具有三维蓬松结构的纳米纤维支架，仍然缺乏稳定的通用性的工艺。并且，气流纺丝的纤维直径较大（微米级），直径分布范围广，制备纳米纤维仍存在技术瓶颈。

静电纺丝（Electrospinning）技术是目前制备纳米纤维最重要的方法。这一技术的核心是使带电射流在静电场中拉伸与变形，最终得到纤维状物质，从而为高分子纳米材料提供了一种新的加工方法。静电纺丝技术具有操作简便、适用范围广、生产效率相对较高的优点，纺制出的纳米纤维具有纤维细、比表面积大、孔隙率高等特点，因此得到广泛的应用。

近场直写静电纺丝（NFES）是利用静电场力拉伸黏弹性流体变形，使其产生射流进行喷印，喷印射流来自Taylor锥尖，射流直径对喷头内径依赖性小，可有效地减小喷印微纳米结构的特征尺寸；通过调节施加电压特性（电压幅值、电压波形等）可以控制喷射过程，获得微纳液滴（最小液滴1pl、最小液滴直径300nm）、纳米纤维（最小直径50nm）、微米薄膜（最小线宽2μm）等多种微纳米结构的喷印制备。但是，这种技术不可以制备有序的三维支架，因为当沉积的纤维足够厚时，由于纤维不能导电而导致纤维层存在电荷积累，进而产生电荷排斥而导致纳米纤维不能继续有序沉积，但其又不能使用导电材料，否则在制备过程中会发生短路现象。

综上所述，制备具有导电性能，纤维直径极小，丝径分布均匀，纤维分布有序，厚度足够大的三维生物支架仍然没有通用的解决方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，其可制备具有导电性能，纤维直径极小，丝径分布均匀，纤维分布有序，厚度足够大的三维生物支架。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，包括龙门架、近场电纺喷头、远场电纺喷头、近场高压供电装置、远场高压供电装置和收集皿，所述龙门架上设有可左右运动的近场X轴运动平台和远场X轴运动平台，近场X轴运动平台上设有可上下运动的近场Z轴运动平台，近场电纺喷头设在近场Z轴运动平台上，所述远场X轴运动平台上设有可上下运动的远场Z轴运动平台，所述远场电纺喷头设在远场Z轴运动平台上，龙门架的下方设有可前后运动的Y轴运动平台，收集皿设在Y轴运动平台上，近场高压供电装置可在近场电纺喷头和收集皿间形成产生射流所需的电场，远场高压供电装置可在远场电纺喷头和收集皿间形成产生射流所需的电场。

进一步作为本发明技术方案的改进，还包括可向近场电纺喷头输送纺丝液的近场精密供液装置及可向远场电纺喷头输送纺丝液的远场精密供液装置。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述龙门架上设有X轴滑轨，龙门架上设有可驱动近场X轴运动平台沿X轴滑轨左右运动的近场X轴动力单元，近场X轴运动平台上设有近场Z轴滑轨，近场X轴运动平台上设有可驱动近场Z轴运动平台沿近场Z轴滑轨上下运动的近场Z轴动力单元。

进一步作为本发明技术方案的改进，龙门架上设有可驱动远场X轴运动平台沿X轴滑轨左右运动的远场X轴动力单元，远场X轴运动平台上设有远场Z轴滑轨，远场X轴运动平台上设有可驱动远场Z轴运动平台沿远场Z轴滑轨上下运动的远场Z轴动力单元。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述龙门架设在平台底板上，所述平台底板上设有Y轴滑轨，平台底板上设有可驱动Y轴运动平台沿Y轴滑轨前后运动的Y轴动力单元。

进一步作为本发明技术方案的改进，还包括上位机控制器和运动平台驱动器，近场X轴动力单元、近场Z轴动力单元、远场X轴动力单元、远场Z轴动力单元及Y轴动力单元均与运动平台驱动器连接，所述近场高压供电装置、远场高压供电装置、近场精密供液装置、远场精密供液装置及运动平台驱动器均与上位机控制器连接。

进一步作为本发明技术方案的改进，还包括设在近场电纺喷头、远场电纺喷头一侧的摄像头，所述摄像头与上位机控制器连接。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述近场高压供电装置和远场高压供电装置均包括信号发生器和高压放大器。

本发明的有益效果：本发明通过合理设置近场电纺喷头、远场电纺喷头和运动平台，使近场电纺的有序纺丝和远场电纺的导电材料纺丝有效地结合。近场电纺喷头在收集皿上进行一层有序的电纺丝后，远场电纺喷头移动到收集皿上进行一层无序的导电材料电纺，接下来再进行一次有序的近场电纺，诸如此类，两种电纺不断交替进行，最终形成一个具有一定厚度的导电有序三维支架，与传统的有序三维生物支架相比，本发明所制备的三维支架克服了近场电纺无法制备导电纤维支架的缺点、克服了近场电纺由于电荷排斥而无法制备具有厚度的三维支架的缺点和克服了远场电纺无法制备有序纤维支架的缺点。

导电有序三维支架与传统的三维支架相比具有更有潜力的用途，当细胞在本作品所制备的导电有序三维支架上生长分裂时，第一，细胞可以沿着有序的纤维进行生长，有利于生长出具有特定结构的组织和器官；第二，导电的生物支架为电生理学的应用提供了基础条件，电刺激能够调节细胞的分裂、迁移及其组织的物理功能，而且对外源电场刺激非常敏感的细胞种类十分丰富，有神经细胞，骨细胞，内皮细胞，上皮细胞和纤维细胞等等，更重要的是，电刺激对细胞组织治疗具有显著的效果，对组织再生领域具有重大意义。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明近场电纺喷头电纺丝状态示意图；

图3是本发明近场电纺喷头电纺丝效果示意图；

图4是本发明远场电纺喷头电纺丝状态示意图；

图5是本发明远场电纺喷头电纺丝效果示意图。

具体实施方式

参照图1至图5，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。以下将详细说明本发明各元件的结构特点，而如果有描述到方向( 上、下、左、右、前及后) 时，是以图1所示的结构为参考描述，但本发明的实际使用方向并不局限于此。

本发明提供了一种制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，包括龙门架3、近场电纺喷头1、远场电纺喷头2、近场高压供电装置11、远场高压供电装置21、收集皿4、可向近场电纺喷头1输送纺丝液的近场精密供液装置12及可向远场电纺喷头2输送纺丝液的远场精密供液装置22，所述龙门架3上设有可左右运动的近场X轴运动平台13和远场X轴运动平台23，近场X轴运动平台13上设有可上下运动的近场Z轴运动平台14，近场电纺喷头2设在近场Z轴运动平台14上，所述远场X轴运动平台23上设有可上下运动的远场Z轴运动平台24，所述远场电纺喷头2设在远场Z轴运动平台24上，龙门架3的下方设有可前后运动的Y轴运动平台41，收集皿4设在Y轴运动平台41上，所述近场高压供电装置11和远场高压供电装置21均包括信号发生器和高压放大器，其可提供包括任意波形、频率、幅值、偏置电压值、直流、交流在内的任意电压。近场高压供电装置11与近场电纺喷头1连接，远场高压供电装置21与远场电纺喷头2连接，收集皿4接地，近场高压供电装置11可在近场电纺喷头1和收集皿4间形成产生射流所需的电场，远场高压供电装置21可在远场电纺喷头2和收集皿4间形成产生射流所需的电场。

其中，所述龙门架3上设有X轴滑轨31，龙门架3上设有可驱动近场X轴运动平台13沿X轴滑轨31左右运动的近场X轴动力单元，近场X轴运动平台13上设有近场Z轴滑轨15，近场X轴运动平台13上设有可驱动近场Z轴运动平台14沿近场Z轴滑轨15上下运动的近场Z轴动力单元。龙门架3上设有可驱动远场X轴运动平台23沿X轴滑轨31左右运动的远场X轴动力单元，远场X轴运动平台23上设有远场Z轴滑轨25，远场X轴运动平台23上设有可驱动远场Z轴运动平台24沿远场Z轴滑轨25上下运动的远场Z轴动力单元。所述龙门架3设在平台底板5上，所述平台底板5上设有Y轴滑轨51，平台底板5上设有可驱动Y轴运动平台41沿Y轴滑轨51前后运动的Y轴动力单元。本发明中近场X轴动力单元、近场Z轴动力单元、远场X轴动力单元、远场Z轴动力单元及Y轴动力单元可采用电机驱动丝杠或直线电机等驱动方式。

还包括上位机控制器6和运动平台驱动器8，近场X轴动力单元、近场Z轴动力单元、远场X轴动力单元、远场Z轴动力单元及Y轴动力单元均与运动平台驱动器8连接，所述近场高压供电装置11、远场高压供电装置21、近场精密供液装置12、远场精密供液装置22及运动平台驱动器8均与上位机控制器6连接。上位机控制器6控制运动平台驱动器8进而控制近场X轴运动平台13、近场Z轴运动平台14、远场X轴运动平台23、远场Z轴运动平台24及Y轴运动平台41的移动。还包括设在近场电纺喷头1、远场电纺喷头2一侧的摄像头7，所述摄像头7与上位机控制器6连接，所述摄像头7监测近场和远场纺丝喷头的情况并为上位机控制器提供反馈信息。

实施例：

本发明所揭示的制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，使用时，首先进行两种电纺的溶液制备，称取1200毫克聚乳酸(分子量=10万道尔顿)，溶于20ml（9:1，CH₂Cl₂/DCM，v/v）溶剂中，制得6%聚乳酸溶液，用封口膜封口，磁力搅拌4小时，待用。用7.72×10^-3mol/L氯铂酸溶液和2.57×10^-3 mol/L氯化钴溶液各6mL与0．2mLPEDOT/PSS混合后，用二次蒸馏水稀释至 200 mL，搅拌均匀，得浅蓝色透明溶液待用。

在与近场电纺喷头1相连的近场精密供液装置12内装入聚乳酸溶液，近场高压供电装置11与近场电纺喷头1相连接，控制近场Z轴运动平台14调节近场电纺喷头1到收集皿4的距离为3mm，收集皿4与地线相连接，打开近场高压供电装置11，调节输出电压为5KV，为近场电纺喷头1提供5KV的高压静电，控制近场X轴运动平台13和Y轴运动平台，使近场电纺喷头1和收集皿4产生相对移动，形成规则有序的纤维膜。在与远场电纺喷头2相连的远场精密供液装置22内装入PEDOT混合溶液，远场高压供电装置21与远场电纺喷头2相连接，控制远场Z轴运动平台24调节远场电纺喷头2到收集皿4的距离为15cm，收集皿4与地线相连接，打开远场高压供电装置21，调节输出电压为15KV，为远场电纺喷头2提供15KV的高压静电，在上述规则有序的纤维膜上形成无序导电的纤维膜。诸如此类，两种电纺交替进行，最终在收集皿4上形成一定厚度的有序导电三维支架。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，其特征在于：包括龙门架、近场电纺喷头、远场电纺喷头、近场高压供电装置、远场高压供电装置和收集皿，所述龙门架上设有可左右运动的近场X轴运动平台和远场X轴运动平台，近场X轴运动平台上设有可上下运动的近场Z轴运动平台，近场电纺喷头设在近场Z轴运动平台上，所述远场X轴运动平台上设有可上下运动的远场Z轴运动平台，所述远场电纺喷头设在远场Z轴运动平台上，龙门架的下方设有可前后运动的Y轴运动平台，收集皿设在Y轴运动平台上，近场高压供电装置可在近场电纺喷头和收集皿间形成产生射流所需的电场，远场高压供电装置可在远场电纺喷头和收集皿间形成产生射流所需的电场。

2.根据权利要求1所述的制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，其特征在于：还包括可向近场电纺喷头输送纺丝液的近场精密供液装置及可向远场电纺喷头输送纺丝液的远场精密供液装置。

3.根据权利要求2所述的制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，其特征在于：所述龙门架上设有X轴滑轨，龙门架上设有可驱动近场X轴运动平台沿X轴滑轨左右运动的近场X轴动力单元，近场X轴运动平台上设有近场Z轴滑轨，近场X轴运动平台上设有可驱动近场Z轴运动平台沿近场Z轴滑轨上下运动的近场Z轴动力单元。

4.根据权利要求3所述的制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，其特征在于：龙门架上设有可驱动远场X轴运动平台沿X轴滑轨左右运动的远场X轴动力单元，远场X轴运动平台上设有远场Z轴滑轨，远场X轴运动平台上设有可驱动远场Z轴运动平台沿远场Z轴滑轨上下运动的远场Z轴动力单元。

5.根据权利要求4所述的制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，其特征在于：所述龙门架设在平台底板上，所述平台底板上设有Y轴滑轨，平台底板上设有可驱动Y轴运动平台沿Y轴滑轨前后运动的Y轴动力单元。

6.根据权利要求5所述的制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，其特征在于：还包括上位机控制器和运动平台驱动器，近场X轴动力单元、近场Z轴动力单元、远场X轴动力单元、远场Z轴动力单元及Y轴动力单元均与运动平台驱动器连接，所述近场高压供电装置、远场高压供电装置、近场精密供液装置、远场精密供液装置及运动平台驱动器均与上位机控制器连接。

7.根据权利要求6所述的制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，其特征在于：还包括设在近场电纺喷头、远场电纺喷头一侧的摄像头，所述摄像头与上位机控制器连接。

8.根据权利要求1所述的制备三维微纳导电组织工程支架的复合电纺装置，其特征在于：所述近场高压供电装置和远场高压供电装置均包括信号发生器和高压放大器。