專利名稱：一種可控圖案化電紡絲纖維聚集體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可控圖案化電紡絲纖維聚集體的制備方法，屬 于微納米尺度電紡絲纖維制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，電紡絲技術(shù)受到了越來(lái)越多的 關(guān)注。電紡絲是一種制備納米/微米尺度纖維聚集體的簡(jiǎn)單有效的方 法，在生物醫(yī)用材料、組織工程、光電材料、過濾材料以及傳感器等 方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。電紡絲技術(shù)是聚合物或者其它材料的溶 液或者熔體在高壓電場(chǎng)力的作用下，形成射流，噴射出溶液存儲(chǔ)裝置， 同時(shí)，射流在噴射過程中溶劑揮發(fā)、固化，最終落在接收裝置上形成 納米/微米尺度纖維的聚集體。
具有特定圖案化的纖維材料在生物組織工程，以及微電子、光 子等工業(yè)應(yīng)用中具有某些特定的功能性，比如說，某些特定結(jié)構(gòu)的纖 維聚集體在生物組織工程中會(huì)促進(jìn)細(xì)胞的貼壁和分化。所以，制備具 有可控圖案結(jié)構(gòu)的電紡絲纖維聚集體在生物組織工程以及許多工業(yè) 應(yīng)用中都具有深遠(yuǎn)的意義。通常來(lái)說，利用電紡絲技術(shù)收集到的纖維 呈現(xiàn)雜亂無(wú)章的無(wú)紡結(jié)構(gòu)。目前，盡管已經(jīng)可以利用滾輪裝置、帶有
絕緣缺口的導(dǎo)電平板組等收集裝置制備具有一定定向排列性的電紡 絲纖維，但是利用電紡絲來(lái)制備具有復(fù)雜可控圖案結(jié)構(gòu)的纖維聚集體 還是一項(xiàng)空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)和制備具有特定圖案結(jié)構(gòu)的收集模板， 并通過這些收集模板來(lái)制備具有可控圖案結(jié)構(gòu)的電紡絲纖維聚集體。
本發(fā)明首先設(shè)計(jì)利用具有特定圖案結(jié)構(gòu)的模板作為電紡絲過程 的收集基板，包括
網(wǎng)格收集模板。這種模版利用不同直徑的金屬導(dǎo)線編織成具有
不同圖案的網(wǎng)格模板；金屬導(dǎo)線的直徑可以在O. lmm—5mm之間調(diào)控； 網(wǎng)格的編織可以采用單編、雙編等編織方式(如圖2、 3)，可以根據(jù) 編成所需的文字和花紋圖案調(diào)節(jié)金屬導(dǎo)線間間距和排列方式。
凸起收集模板。這種模版分為一個(gè)基板部分和多個(gè)凸起部分， 基板部分可以導(dǎo)電，也可以絕緣；凸起部分的凸起的高度可以在lOMm 一5000Mm之間調(diào)控，凸起面可以是點(diǎn)狀(如圖4)或線狀(如圖5) 或點(diǎn)線組合(如圖6)。點(diǎn)狀凸起面可以是正方形或長(zhǎng)方形、圓形、 星形等不同形狀，線狀凸起面可以是直線、弧線、線段組合構(gòu)成。凸 起部分的凸起面面積的大小、各凸起部分間的間距、各凸起部分的排 列方式可以根據(jù)所需的文字和花紋圖案調(diào)節(jié)。各凸起部分還可以通過 機(jī)械控制的方式抬升或者降低，從而獲得多維圖案結(jié)構(gòu)的凸起收集模 板。
另外，通過設(shè)計(jì)應(yīng)用可控圖案化收集模板，本發(fā)明提供了一種 制備具有可控圖案結(jié)構(gòu)的電紡絲纖維聚集體的簡(jiǎn)單有效的方法，該方 法的具體步驟如下
(1)同傳統(tǒng)電紡絲方法，配制具有適合電紡絲工藝濃度的聚合 物或者其它材料的溶液或者熔體；
(2 )將聚合物或者其它材料的溶液或者熔體裝入電紡絲液供給
裝置；
(3) 將上述具有特定圖案結(jié)構(gòu)的收集模板同低壓接地端相連， 作為電紡絲過程的收集基板；
(4) 通過流量泵調(diào)控電紡絲液的供給流量為0 — 20ml/h;
(5) 調(diào)節(jié)高壓發(fā)生端同收集裝置之間的距離為3cm—30cm;
(6) 通過高壓發(fā)生器給電紡絲過程提供高壓，可在0 —40kv 之間調(diào)控；
(7) 均勻噴出上述具有特定圖案結(jié)構(gòu)的收集模板上，獲得具有 特定圖案結(jié)構(gòu)的電紡絲纖維聚集體。
通過設(shè)計(jì)應(yīng)用上述收集模板，相比較于傳統(tǒng)的電紡絲收集方法， 獲得了意想不到的結(jié)果，其原因可以解釋為如下機(jī)理
電紡絲過程中，纖維在高壓電場(chǎng)力的作用下朝接收模板運(yùn)行， 當(dāng)接收模板結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，電場(chǎng)力作用方向發(fā)生變化而僅僅指向收 集模板當(dāng)中的導(dǎo)電區(qū)域，在此種變形電場(chǎng)作用下，纖維傾向于朝收集 模板的導(dǎo)電區(qū)域運(yùn)行，而不向模板中的絕緣或鏤空區(qū)域運(yùn)行(如圖 1A);當(dāng)纖維在電場(chǎng)力作用下行進(jìn)至接收模板附近時(shí)，纖維表面的靜
電荷會(huì)誘導(dǎo)接收模板出現(xiàn)極性相反的電荷，異性電荷相互吸引產(chǎn)生庫(kù)
倫引力，庫(kù)侖引力同電荷距離的平方成反比(F=kqQ/r2，其中F為庫(kù) 侖引力，r為異性電荷間距，即纖維同收集模板之間的間距)，由于 纖維片斷同領(lǐng)近凸起的間距小于模板其它區(qū)域，所以纖維在較大庫(kù)侖 引力的作用下優(yōu)先沉積在凸起上(如圖IB);由于纖維不同片斷可能 受到不同凸起的吸引，從而沉積在不同凸起上，進(jìn)而在凸起之間形成 了懸浮纖維，懸浮纖維在不同方向庫(kù)侖引力的托拽作用下在凸起間呈 定向排列。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)
1) 通過可控圖案化收集模板可以控制纖維的沉積位置纖維主
要沉積在接收模板的導(dǎo)電部分，當(dāng)接收模板存在凸起時(shí)，纖維主要沉 積在凸起上，同時(shí)，有一定量的纖維懸浮在凸起之間，而且懸浮纖維
的數(shù)量隨著凸起間距的增大而減少；
2) 通過可控圖案化收集模板可以控制纖維的排列方式可以在 線狀凸起模板上獲的具有定向排列趨勢(shì)的電紡絲纖維，凸起之間的懸 浮纖維呈現(xiàn)很好的定向排列性；
3) 通過機(jī)械可控凸起收集裝置可以獲得編織效果的電紡絲纖維 聚集體。
本發(fā)明在原料和工藝方法同原來(lái)一致的前提下，采用常規(guī)電紡 絲技術(shù)，通過設(shè)計(jì)利用可控圖案化收集模板，在國(guó)際上首次制備出具 有復(fù)雜圖案結(jié)構(gòu)的纖維聚集體，而且纖維聚集體的結(jié)構(gòu)形貌可以通過 設(shè)計(jì)圖案化收集模板來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)調(diào)控；本發(fā)明闡述的方法擴(kuò)展了電紡
絲技術(shù)的概念，提供了一種新穎有效的電紡絲纖維的收集方式，使得 復(fù)雜可控圖案結(jié)構(gòu)的纖維聚集體的制備成為了可能，為電紡絲的實(shí)際 應(yīng)用，尤其在在生物醫(yī)學(xué)、光電、傳感器等對(duì)材料圖案形貌有較高要 求的區(qū)域提供了更為廣闊的前景。


圖l:為電紡絲工作原理及圖案化收集模板工作機(jī)理示意圖； 圖2:為實(shí)施例1所涉及的單編網(wǎng)格收集模板的掃描電鏡照片; 圖3:為雙編網(wǎng)格收集模板的結(jié)構(gòu)示意圖及光學(xué)顯微鏡照片； 圖4:為實(shí)施例3所涉及的點(diǎn)狀凸起收集模板的光學(xué)顯微鏡照
片；
圖5:為實(shí)施例4所涉及線凸起收集模板的結(jié)構(gòu)示意圖6:為實(shí)施例5所涉及點(diǎn)線凸起組合收集模板的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖7:為實(shí)施例1所獲得的具有圖案形貌的電紡絲纖維聚集體 的光學(xué)顯微鏡照片；
圖8:為實(shí)施例1所獲得的具有圖案形貌的電紡絲纖維聚集體 的掃描電鏡照片；
圖9:為實(shí)施例2所獲得的具有具有定向排列趨勢(shì)的電紡絲纖 維聚集體的光學(xué)顯微鏡照片；
圖10:為實(shí)施例3所獲得的具有圖案形貌的電紡絲纖維聚集體 的光學(xué)顯微鏡照片；
圖11:為實(shí)施例3所獲得的具有圖案形貌的電紡絲纖維聚集體
的掃描電鏡照片；
圖12:為實(shí)施例4所獲得具有圖案形貌的電紡絲纖維聚集體的
的結(jié)構(gòu)示意圖13:為實(shí)施例5所獲得具有圖案形貌的電紡絲纖維聚集體的 的結(jié)構(gòu)示意圖14:為實(shí)施例6所涉及的機(jī)械可控凸起收集裝置的操作方式 示意圖15:為實(shí)施例6所獲得的具有編織形貌的電紡絲纖維聚集體 的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
將導(dǎo)線按照單編方式編織形成網(wǎng)格接收模板，導(dǎo)線的直徑為 0. lmm,導(dǎo)線間距為0. 14mm，選取此網(wǎng)格模板作為收集基板(圖2)。 將O. 275g聚乳酸(PDLLA， Mw=45 kDa)溶解于8ml N， N—二甲基 甲酰胺(DMF)和2ml四氫呋喃(THF)當(dāng)中，室溫下攪拌形成均一 穩(wěn)定的溶液。將高分子溶液放入到注射器當(dāng)中，注射器針頭處連接高 壓電源。溶液供給流量通過流量泵控制在0.2ml/h，施加的電壓為 5kv，高壓端同接地端的距離為10cm。通過此過程，收集到同基板結(jié) 構(gòu)相似的具有規(guī)則形貌的電紡絲纖維聚集體(圖7、 8)。
實(shí)施例2
將直徑為0. 15mm的直細(xì)導(dǎo)線固定在絕緣板上作為線凸起收集模 板。將O. 275g聚乳酸(PDLLA， Mw=45 kDa)溶解于8ml N， N—二 甲基甲酰胺(DMF)和2ml四氫呋喃(THF)當(dāng)中，室溫下攪拌形成 均一穩(wěn)定的溶液。將高分子溶液放入到注射器當(dāng)中，注射器針頭處連 接高壓電源。溶液供給流量通過流量泵控制在0.2ml/h，施加的電壓 為5kv，高壓端同接地端的距離為10cm。通過此過程，纖維只沉積在 線凸起上，且收集到的纖維定向排列(圖9)。
實(shí)施例3
在鐵板上通過線切割技術(shù)制造一系列正方形凸起，凸起的邊長(zhǎng)為 0. lmm，高度為0.35iran，凸起的間距為0. 2mm，以此帶有凸起的導(dǎo)電 基板作為收集模板(圖4)。將0.275g聚乳酸(PDLLA， Mw=45 kDa) 溶解于8ml N， N—二甲基甲酰胺(DMF)和2ml四氫呋喃(THF)當(dāng) 中，室溫下攪拌形成均一穩(wěn)定的溶液。將高分子溶液放入到注射器當(dāng) 中，注射器針頭處連接高壓電源。溶液供給流量通過流量泵控制在 0.2ml/h，施加的電壓為5kv，高壓端同接地端的距離為10cm。通過 此過程，收集到同基板結(jié)構(gòu)相似的具有規(guī)則形貌的電紡絲纖維聚集體 (圖10、 11)。
實(shí)施例4
設(shè)計(jì)制備線凸起收集模板，模板中為由直線段凸起組成的"中"， 模板非凸起部分絕緣(圖5)。將0. 275g聚乳酸(PDLLA， Mw=45 kDa)
溶解于8ml N， N—二甲基甲酰胺(DMF)和2ml四氫呋喃(THF)當(dāng) 中，室溫下攪拌形成均一穩(wěn)定的溶液。將高分子溶液放入到注射器當(dāng) 中，注射器針頭處連接高壓電源。溶液供給流量通過流量泵控制在 0.2ml/h，施加的電壓為5kv，高壓端同接地端的距離為10cm。通過 此過程，纖維主要沉積在線凸起上，在線凸起之間有少量懸浮纖維(圖
12) 。
實(shí)施例5
設(shè)計(jì)制備點(diǎn)線凸起組合收集模板，模板中含有圓形點(diǎn)凸起、星形 點(diǎn)凸起、方形點(diǎn)凸起、直線線凸起、曲線線凸起等一系列凸起元素， 模板非凸起部分絕緣(圖6)。將0. 275g聚乳酸(PDLLA， Mw=45 kDa) 溶解于8ml N， N—二甲基甲酰胺(DMF)和2ml四氫呋喃(THF)當(dāng) 中，室溫下攪拌形成均一穩(wěn)定的溶液。將高分子溶液放入到注射器當(dāng) 中，注射器針頭處連接高壓電源。溶液供給流量通過流量泵控制在 0.2ml/h,施加的電壓為5kv，高壓端同接地端的距離為10cm。通過 此過程，可以收集到同基板圖案結(jié)構(gòu)相似的電紡絲纖維聚集體(圖
13) 。
實(shí)施例6
利用機(jī)械可控凸起收集裝置進(jìn)行電紡絲收集。將0.275g聚乳酸 (PDLLA， Mw=45 kDa)溶解于8ml N， N—二甲基甲酰胺(DMF)和 2ml四氫呋喃(THF)當(dāng)中，室溫下攪拌形成均一穩(wěn)定的溶液。將高
分子溶液放入到注射器當(dāng)中，注射器針頭處連接高壓電源。溶液供給
流量通過流量泵控制在0.2ml/h，施加的電壓為5kv，高壓端同接地 端的距離為10cm。在纖維收集過程中，先將一組凸起抬升，使其成 為收集裝置中最突出部分，待纖維在此組凸起上及其之間沉積一段時(shí) 間后，將此組凸起降落，抬升另外一組凸起，使得纖維再在此組凸起 上沉積一段時(shí)間，然后將此組凸起降落，選擇不同凸起，依此類推， 此過程的示意圖可見圖14。通過此過程，收集到具有編織效果的電 紡絲纖維聚集體(圖15)。
權(quán)利要求
1、一種可控圖案化電紡絲纖維聚集體的制備方法，包括如下步驟(1)同傳統(tǒng)電紡絲方法，配制具有適合電紡絲工藝濃度的聚合物或者其它材料的溶液或者熔體；(2)將聚合物或者其它材料的溶液或者熔體裝入電紡絲液供給裝置；(3)將具有特定圖案結(jié)構(gòu)的收集模板同低壓接地端相連，作為電紡絲過程的收集基板；(4)通過流量泵調(diào)控電紡絲液的供給流量為0-20ml/h；(5)調(diào)節(jié)高壓發(fā)生端同收集裝置之間的距離為3cm--30cm；(6)通過高壓發(fā)生器給電紡絲過程提供高壓，可在0-40kv之間調(diào)控；(7)均勻噴出上述具有特定圖案結(jié)構(gòu)的收集模板上，獲得具有特定圖案結(jié)構(gòu)的電紡絲纖維聚集體。
2、 按權(quán)利要求1所述的一種可控圖案化電紡絲纖維聚集體的制 備方法，其特征在于所述的具有特定圖案結(jié)構(gòu)的收集模板為網(wǎng)格收集 模板，即利用不同直徑的金屬導(dǎo)線編織成具有不同圖案的網(wǎng)格模板； 金屬導(dǎo)線的直徑可以在0. lmm—5ram之間調(diào)控。
3、 按權(quán)利要求2所述的一種可控圖案化電紡絲纖維聚集體的制 備方法，其特征在于網(wǎng)格的編織采用單編、雙編的編織方式，根據(jù)編成所需的文字和花紋圖案調(diào)節(jié)金屬導(dǎo)線間間距和排列方式。
4、 按權(quán)利要求1所述的一種可控圖案化電紡絲纖維聚集體的制 備方法，其特征在于所述的具有特定圖案結(jié)構(gòu)的收集模板為，包括一 個(gè)基板部分和多個(gè)凸起部分，基板部分可以導(dǎo)電，也可以絕緣；凸起部分的凸起的高度可以在10Wn—5000陶之間調(diào)控，凸起面可以是點(diǎn)狀或線狀或點(diǎn)線組合。
5、 按權(quán)利要求4所述的一種可控圖案化電紡絲纖維聚集體的制 備方法，其特征在于所述的點(diǎn)狀凸起面為任意平面形狀。
6、 按權(quán)利要求5所述的一種可控圖案化電紡絲纖維聚集體的制 備方法，其特征在于所述的點(diǎn)狀凸起面為」K方形或長(zhǎng)方形或圓形或星形。
7、 按權(quán)利要求4所述的一種可控圖案化電紡絲纖維聚集體的制 備方法，其特征在于所述的線狀凸起面可以是直線或弧線或線段組合 構(gòu)成。
8、 按權(quán)利要求4所述的一種可控圖案化電紡絲纖維聚集體的制 備方法，其特征在于凸起部分的凸起面面積的大小、各凸起部分間的 間勝i、各凸起部分的排列方式根據(jù)所需的文字和花紋圖案調(diào)節(jié)。
9、 按權(quán)利要求4-8之一所述的一種可控圖案化電紡絲纖維聚集 體的制備方法，其特征在于各凸起部分通過機(jī)械控制的方式抬升或者 降低，從而獲得多維圖案結(jié)構(gòu)的凸起收集模板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可控圖案化電紡絲纖維聚集體的制備方法，屬于微納米尺度電紡絲纖維制備領(lǐng)域。本發(fā)明設(shè)計(jì)制備具有圖案結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格收集和凸起收集模板，然后通過電紡絲制備出具有同基板相似圖案結(jié)構(gòu)的纖維聚集體，而且通過改變模板參數(shù)，可以調(diào)控纖維的沉積位置和排列方式，從而使纖維聚集體圖案結(jié)構(gòu)可控，本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)便可靠的平面或立體圖案纖維體制備方法，在生物醫(yī)學(xué)、光電、傳感器等對(duì)材料圖案形貌有較高要求的區(qū)域具有潛在應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)D01D5/00GK101182650SQ20071004761
公開日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者江 常, 張大明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所