CN111575812A - 一种静电纺纤维敷料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种静电纺纤维敷料的制备方法，先后将纺丝液A和纺丝液B通过手持式静电纺丝装置喷到接收基材上，制得静电纺纤维敷料；手持式静电纺丝装置由线形狭缝式喷丝头、供液装置、高压逆变装置和电源组成；线形狭缝式喷丝头包括导电块和螺线管；导电块位于螺线管内部，导电块内部设有贯穿线形狭缝；螺线管为绕有线圈的绝缘圆柱管，线圈沿圆柱管的轴向排列；线形狭缝沿圆柱管的轴向延伸；导电块与高压逆变装置连接；线形狭缝与供液装置连通；线圈、高压逆变装置和供液装置都与电源连接。本发明有效解决了现有技术中存在的问题，提供了一种安全性高、能在线实时制备且产品具有防水性能的静电纺纤维敷料的制备方法。

Description

一种静电纺纤维敷料的制备方法
技术领域
本发明属于生物材料领域，涉及一种静电纺纤维敷料的制备方法。
背景技术
静电纺丝法由于其设备简单、工艺可控性好、成本低、原料来源广等多方面的特点，受到研究者越来越多的关注。静电纺制备的纳米纤维材料直径分布在微米到纳米量级，由于具有尺寸小、比表面积大等优异的性能而广泛应用于生物医学领域，特别地，其在伤口敷料方面的应用研究较多，具体如下：
专利201310574818.X公开了一种壳聚糖基静电纺丝复合伤口敷料的制备，其通过将壳聚糖、乙酸、甘油、卵磷脂、茶树精油充分混合制备纺丝溶液，再通过静电纺丝的方法来制备具有持久的、光谱性的伤口敷料；
专利201410255398.3公开了一种药物释放可控的双层纳米纤维伤口敷料及其制备方法，其通过静电纺丝的方法逐层制备生物相容的水溶性天然高分子载药纤维层和油溶性合成生物高分子载药纤维，从而来增强敷料功效；
专利201610110238.9公开了一种伤口敷料及其制备方法，其通过在硅酮膜上电纺一层可生物降解的高分子纳米纤维制得了透气性与抗菌性兼具的伤口敷料；
专利201910307469.2公布了一种隔菌聚乳酸超细纳米纤维伤口敷料的制备方法，其通过静电纺丝的方法来制备聚乳酸超细纤维，从而来提高聚乳酸敷料的止血功能；
然而，上述方法所用的静电纺丝装置的纺丝电压较大，导致其存在安全性差、伤口敷料需要进行后处理无法对伤口进行实时处理等问题，同时上述方法制得的敷料均不具有防水性能。
因此，开发一种安全性高、能在线实时制备且产品具有防水性能的静电纺纤维敷料的制备方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种安全性高、能在线实时制备且产品具有防水性能的静电纺纤维敷料的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种静电纺纤维敷料的制备方法，先后将纺丝液A和纺丝液B通过手持式静电纺丝装置喷到接收基材上，制得静电纺纤维敷料；
纺丝液A由具有亲水性能且可降解的聚合物、磁性二氧化硅纳米粒子、抗菌型添加剂和环保型溶剂组成；
纺丝液B由水溶性聚氨酯、乙醇、磁性四氧化三铁纳米粒子和环保型疏水剂组成；
手持式静电纺丝装置由线形狭缝式喷丝头、供液装置、高压逆变装置和电源组成；
线形狭缝式喷丝头包括导电块(材质不限，例如铜、铁、铝)和螺线管；导电块位于螺线管内部，导电块内部设有贯穿线形狭缝；螺线管为绕有线圈的绝缘圆柱管，线圈沿圆柱管的轴向排列；线形狭缝沿圆柱管的轴向延伸；
导电块与高压逆变装置连接；线形狭缝与供液装置连通；线圈、高压逆变装置和供液装置都与电源连接。
现有技术中手持式静电纺丝装置是通过外接高压电源或通过高压逆变器转换成高电压，从而实现静电纺丝装置可便携移动的目的，然而由于其纺丝电压较高，不可避免地会出现安全性差、伤口敷料需要进行后加工无法对伤口进行实时处理的问题；
本发明通过改进喷丝头，使得产生纺丝射流所需要的力由电场力Fe与电荷之间的斥力Fc(与溶液性质有关，取值取决于纺丝液)的共同作用力变为电场力Fe、磁场力Fh与电荷之间的斥力Fc的共同作用力，降低了形成纺丝射流所需要的电场力，从而降低了纺丝电压，具体地，本发明设置了“线形狭缝式喷丝头包括导电块和螺线管；导电块位于螺线管内部，导电块内部设有贯穿线形狭缝；螺线管为绕有线圈的圆柱管，线圈沿圆柱管的轴向排列；线形狭缝沿圆柱管的轴向延伸；导电块与高压逆变装置连接；”由于“导电块与高压逆变装置连接”，因而纺丝射流所受电场力Fe的方向由导电块指向接收基材；由于“螺线管为绕有线圈的圆柱管，线圈沿圆柱管的轴向排列”、“线形狭缝沿圆柱管的轴向延伸”且“线圈与电源连接”，因而磁性纺丝液的纺丝射流会受到磁场力Fh的作用，且磁场力Fh的方向同电场力Fe的方向；由于从线形狭缝挤出的锥形液滴顶部和底部电荷互相排斥，因而纺丝射流中电荷之间的斥力Fc的方向同电场力Fe的方向；由于从线形狭缝挤出的锥形液滴在表面张力γ(与溶液性质有关，取值取决于纺丝液)的作用下会有收缩的趋势，因而纺丝射流所受的表面张力γ的方向与电场力Fe的方向相反；最终形成稳定射流的边界条件为γ＝Fe+Fh+Fc，而不再是γ＝Fe+Fc，在γ保持不变的前提下，所需的Fe会减小，进而所需的纺丝电压也会减小；
由于纺丝电压减小，因而安全性提高；现有技术中纺丝电压较高，会有电击感，因而无法将伤口直接作为接收基材，需要包装、运输等后处理工序，由于本发明的纺丝电压较低，不会有电击感，因而可将伤口直接作为接收基材，能够对伤口进行实时处理。
此外需要说明的是，本发明的接收基材不一定是伤口，也可以同现有技术的接收基材，此时本发明所要解决的技术问题仅仅是安全性差，不包含无法对伤口进行实时处理。
此外，由于本发明的纺丝液B中含有环保型疏水剂，因而最终制得的敷料具有防水性能，解决了现有技术制得的敷料不具有防水性能的问题。
作为优选的方案：
如上所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，纺丝液A中，具有亲水性能且可降解的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、明胶、壳聚糖或蚕丝蛋白，含量为6～20wt％(含量太低，无法形成纳米纤维；含量太高，会堵塞喷头)；
磁性二氧化硅纳米粒子的含量为0.005～0.02wt％，平均粒径为30～50nm；
抗菌型添加剂为Ag纳米颗粒、环丙沙星、茶多酚或壳寡糖，含量为0.001～0.01wt％(含量太少，抗菌效果不明显；含量太多，会大大增加纺丝液的电导率，导致无法形成正常的纳米纤维)；
环保型溶剂为水、乙醇或醋酸。
如上所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，纺丝液B中，水溶性聚氨酯的含量为4～16wt％(含量太低，无法形成纳米纤维；含量太高，会堵塞喷头)；
磁性四氧化三铁纳米粒子的含量为0.005～0.02wt％，平均粒径为30～50nm；
环保型疏水剂为有机硅疏水剂，含量为0.5～2wt％(含量太低，疏水效果不佳；含量太高，影响纺丝质量)。
如上所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，线形狭缝式喷丝头还包括绝缘筒，线形狭缝与供液装置通过绝缘筒连通。
如上所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，导电块为圆台状结构，其与圆柱管共轴；线形狭缝为长方体结构；绝缘筒为圆台筒，其与导电块共轴，绝缘筒的小端与导电块的大端连接，绝缘筒的大端与供液装置连接。
如上所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，导电块的大端直径为3～4cm，小端直径为2～3cm，高度为0.5～1cm；线形狭缝的高度等于导电块的高度，宽度为0.3～1.0mm，长度比导电块的小端直径小2～4mm，以保证尽可能多地形成纺丝射流，提高产量；圆柱管的壁厚为1～2mm，外径为5～6cm，高度为6～7cm；绝缘筒的壁厚为1～3mm，大端外径为5～6cm，小端外径为3～4cm，高度为3～5cm。
如上所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，手持式静电纺丝装置与接收基材之间的距离为5～15cm(距离太近，射流无法完全拉伸固化；距离太远，导致电场减小，无法形成射流)。
如上所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，线圈匝数N的取值范围为[10,40]，线圈的电阻为1～2Ω，电源的电压为3V，高压逆变装置用于将电压由3V转变至1～3kV。形成稳定射流的边界条件为γ＝Fe+Fh+Fc，由此可近似得出静电纺临界电压V0：
Figure BDA0002499331520000031
其中，R为狭缝的宽度，l为喷嘴与接收基材之间的距离，u为磁导率(常数，4π×10-7)，I为线圈电流(由电源电压和线圈电阻确定)，N为线圈匝数，Q为磁荷(常数)；
由上式可以看出，在纺丝液表面张力γ、接收距离l(即手持式静电纺丝装置与接收基材之间的距离，5～15cm)以及狭缝的宽度R(0.3～1.0mm)不变的情况下，增加螺线管的线圈匝数N和线圈电流I可明显降低纺丝的临界电压V0，为了达到降低纺丝的临界电压V0的目的，本发明控制线圈匝数N的取值范围为[10,40]，同时控制电源电压为3V(目的是在线圈电阻不变的情况下，使得线圈电流I较大，此外电源电压为3V可以用干电池供电，体积小以便于携带)，最终实现了在1～3kV较小的纺丝电压下顺利纺丝，纺丝电压远低于现有技术(一般为10kV以上)，最终有效解决了现有技术的便携式静电纺丝设备电压较高导致安全性差的问题。
如上所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，供液装置由微型步进电机、驱动电板和供液槽组成；驱动电板同时与电源和微型步进电机连接，微型步进电机与供液槽的推进杆连接(微型步进电机的转速决定推进杆移动的快慢)。
如上所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，供液装置的灌注速度为0.1～50mL/h(灌注速度太低，则纺丝的产量低；灌注速度太高，出液量大，难以连续纺丝)。
有益效果：
(1)本发明的一种静电纺纤维敷料的制备方法，可随时随地对伤口进行处理，方便快捷；
(2)本发明的一种静电纺纤维敷料的制备方法，既能防止伤口处细菌感染，又能防止外部水分、油污渗透；
(3)本发明的一种静电纺纤维敷料的制备方法，纺丝电压为1～3kV，解决了现有便携式静电纺丝设备电压高、安全性差的问题；
(4)本发明的一种静电纺纤维敷料的制备方法，手持式静电纺丝装置集成度高，体积小，可便于携带，适用范围广。
附图说明
图1为本发明的手持式静电纺丝装置的示意图；
图2为本发明的线形狭缝式喷丝头的示意图；
其中，1-线形狭缝式喷丝头，2-供液装置，3-电源，4-高压逆变装置，5-狭缝式喷嘴，6-螺线管，7-绝缘筒，8-导电块，9-线形狭缝，10-纺丝液，11-线圈，12-微型步进电机，13-驱动电板，14-供液槽，15-供液槽的推进杆，16-纺丝射流。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种静电纺纤维敷料的制备方法，先后将纺丝液A和纺丝液B通过手持式静电纺丝装置喷到接收基材上(手持式静电纺丝装置与接收基材之间的距离为5～15cm)，制得静电纺纤维敷料；
纺丝液A由具有亲水性能且可降解的聚合物(具体为聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、明胶、壳聚糖或蚕丝蛋白，含量为6～20wt％)、磁性二氧化硅纳米粒子(含量为0.005～0.02wt％，平均粒径为30～50nm)、抗菌型添加剂(具体为Ag纳米颗粒、环丙沙星、茶多酚或壳寡糖，含量为0.001～0.01wt％)和环保型溶剂(具体为水、乙醇或醋酸)组成；
纺丝液B由水溶性聚氨酯(含量为4～16wt％)、乙醇、磁性四氧化三铁纳米粒子(含量为0.005～0.02wt％，平均粒径为30～50nm)和环保型疏水剂(具体为六甲基二硅氧烷、六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、二甲基环硅氧烷中的一种，含量为0.5～2wt％)组成；
如图1所示，手持式静电纺丝装置由线形狭缝式喷丝头1、供液装置2、高压逆变装置4和电源3组成；
如图2所示，线形狭缝式喷丝头1由导电块8、螺线管6和绝缘筒7组成，绝缘筒7和导电块8共同构成狭缝式喷嘴5，纺丝液10从狭缝式喷嘴5挤出后变成纺丝射流16；导电块8位于螺线管6内部，导电块8内部设有贯穿线形狭缝9；螺线管6为绕有线圈11的绝缘圆柱管，线圈11沿圆柱管的轴向排列，线圈11匝数N的取值范围为[10,40]，线圈11的电阻为1～2Ω；线形狭缝9沿圆柱管的轴向延伸；
导电块8与高压逆变装置4连接；线形狭缝9与供液装置2通过绝缘筒7连通；线圈11、高压逆变装置4和供液装置2都与电源3连接，电源3的电压为3V，高压逆变装置4用于将电压由3V转变至1～3kV；
导电块8为圆台状结构，其与圆柱管共轴；线形狭缝9为长方体结构；绝缘筒7为圆台筒，其与导电块8共轴，绝缘筒7的小端与导电块8的大端连接，绝缘筒7的大端与供液装置2连接；
导电块8的大端直径为3～4cm，小端直径为2～3cm，高度为0.5～1cm；线形狭缝9的高度等于导电块8的高度，宽度为0.3～1.0mm，长度比导电块8的小端直径小2～4mm；圆柱管的壁厚为1～2mm，外径为5～6cm，高度为6～7cm；绝缘筒7的壁厚为1～3mm，大端外径为5～6cm，小端外径为3～4cm，高度为3～5cm；
如图1所示，供液装置2由微型步进电机12、驱动电板13和供液槽14组成；驱动电板13同时与电源3和微型步进电机12连接，微型步进电机12与供液槽的推进杆15连接；供液装置2的灌注速度为0.1～50mL/h。

Claims (10)

1.一种静电纺纤维敷料的制备方法，其特征是：先后将纺丝液A和纺丝液B通过手持式静电纺丝装置喷到接收基材上，制得静电纺纤维敷料；
纺丝液A由具有亲水性能且可降解的聚合物、磁性二氧化硅纳米粒子、抗菌型添加剂和环保型溶剂组成；
纺丝液B由水溶性聚氨酯、乙醇、磁性四氧化三铁纳米粒子和环保型疏水剂组成；
手持式静电纺丝装置由线形狭缝式喷丝头、供液装置、高压逆变装置和电源组成；
线形狭缝式喷丝头包括导电块和螺线管；导电块位于螺线管内部，导电块内部设有贯穿线形狭缝；螺线管为绕有线圈的绝缘圆柱管，线圈沿圆柱管的轴向排列；线形狭缝沿圆柱管的轴向延伸；
导电块与高压逆变装置连接；线形狭缝与供液装置连通；线圈、高压逆变装置和供液装置都与电源连接。
2.根据权利要求1所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，其特征在于，纺丝液A中，具有亲水性能且可降解的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、明胶、壳聚糖或蚕丝蛋白，含量为6～20wt％；
磁性二氧化硅纳米粒子的含量为0.005～0.02wt％，平均粒径为30～50nm；
抗菌型添加剂为Ag纳米颗粒、环丙沙星、茶多酚或壳寡糖，含量为0.001～0.01wt％；
环保型溶剂为水、乙醇或醋酸。
3.根据权利要求2所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，其特征在于，纺丝液B中，水溶性聚氨酯的含量为4～16wt％；
磁性四氧化三铁纳米粒子的含量为0.005～0.02wt％，平均粒径为30～50nm；
环保型疏水剂为有机硅疏水剂，含量为0.5～2wt％。
4.根据权利要求3述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，其特征在于，线形狭缝式喷丝头还包括绝缘筒，线形狭缝与供液装置通过绝缘筒连通。
5.根据权利要求4所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，其特征在于，导电块为圆台状结构，其与圆柱管共轴；线形狭缝为长方体结构；绝缘筒为圆台筒，其与导电块共轴，绝缘筒的小端与导电块的大端连接，绝缘筒的大端与供液装置连接。
6.根据权利要求5所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，其特征在于，导电块的大端直径为3～4cm，小端直径为2～3cm，高度为0.5～1cm；线形狭缝的高度等于导电块的高度，宽度为0.3～1.0mm，长度比导电块的小端直径小2～4mm；圆柱管的壁厚为1～2mm，外径为5～6cm，高度为6～7cm；绝缘筒的壁厚为1～3mm，大端外径为5～6cm，小端外径为3～4cm，高度为3～5cm。
7.根据权利要求6所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，其特征在于，手持式静电纺丝装置与接收基材之间的距离为5～15cm。
8.根据权利要求7所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，其特征在于，线圈匝数N的取值范围为[10,40]，线圈的电阻为1～2Ω，电源的电压为3V，高压逆变装置用于将电压由3V转变至1～3kV。
9.根据权利要求1所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，其特征在于，供液装置由微型步进电机、驱动电板和供液槽组成；驱动电板同时与电源和微型步进电机连接，微型步进电机与供液槽的推进杆连接。
10.根据权利要求9所述的一种静电纺纤维敷料的制备方法，其特征在于，供液装置的灌注速度为0.1～50mL/h。
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