一種靜電紡絲可控有序收集系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種靜電紡絲可控有序收集系統(tǒng)，包括供液擠出裝置，承接部件，陣列針接收板，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和陣列針控制電路；所述供液擠出裝置位于承接部件的上方，所述承接部件與陣列針接收板上的陣列針尖之間的距離按照需要調(diào)整；所述供液擠出裝置的供料噴頭連接電源的正極，所述陣列針接收板上每根針相互絕緣，分別與陣列針控制電路獨(dú)立連接，并通過陣列針控制電路連接電源的負(fù)極；所述陣列針控制電路連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制陣列針接收板上每根針與電源負(fù)極的通斷。本發(fā)明可以得到任意形狀的電紡絲結(jié)構(gòu)，不受材料和工藝的限制。
【專利說明】一種靜電紡絲可控有序收集系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種靜電紡絲可控有序收集系統(tǒng)和方法，屬于靜電紡絲【技術(shù)領(lǐng)域】和生物制造【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]靜電紡絲技術(shù)是利用高壓電場的電場力對噴頭擠出的聚合物熔體或溶液拖拽并在空氣中形成纖維，最終在接收裝置上得到電紡絲纖維聚集體的工藝方法。電紡絲具有納米或微米的纖維尺度，孔徑小、孔隙率高，且分布均勻，在納米過濾材料、傳感材料、特別是生物支架改性、醫(yī)用材料、組織工程等方面應(yīng)用廣泛。隨著生物制造技術(shù)的快速發(fā)展和深入研究，靜電紡絲技術(shù)得到越來越多的關(guān)注，電紡絲結(jié)構(gòu)體的有向性、有序性、收集的可控性等要求也越來越高。
[0003]電紡絲的有序和圖案化收集在微電子、光電材料等方面有重要應(yīng)用，而其最突出的功能主要應(yīng)用于組織工程；特別是在電紡絲復(fù)合支架、細(xì)胞培養(yǎng)和細(xì)胞定向組裝中，有序的紡絲纖維能夠促進(jìn)細(xì)胞的黏附、存活和增殖，引導(dǎo)細(xì)胞遷移；具有特定圖案的電紡絲纖維能夠得到具有特定結(jié)構(gòu)的生物組織單元。但是由于電紡絲技術(shù)自身的特點(diǎn)，現(xiàn)有的很多工藝方法很難得到符合要求的纖維結(jié)構(gòu)，甚至有些材料很難收集到電紡絲。
[0004]靜電紡絲系統(tǒng)通常包括供料裝置、高壓電源和接收裝置3個部分，供料裝置和高壓電源將材料擠出拉絲，在接收裝置中得到所需的電紡絲纖維。從擠出頭得到的紡絲纖維由于空氣浮力和鞭動影響通常是隨機(jī)分布、雜亂無章的，這其中接收裝置直接決定了所得電紡絲的分布形狀、搭接方向和其他結(jié)構(gòu)特征。利用接收裝置獲得有序電紡絲的方法目前主要包括:滾筒收集、帶有絕緣端口的導(dǎo)電板收集和帶有凸起圖案的收集板收集等。但是這些收集方法通常只能得到單一形狀的電紡絲結(jié)構(gòu)，或者接收板的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作困難，圖案化用幾何方法和機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，圖形不夠豐富，可控性不強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了實(shí)現(xiàn)電紡絲的可控有序收集，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種靜電紡絲可控有序收集系統(tǒng)和方法，制備出有序的、具有所需圖案形狀的電紡絲纖維結(jié)構(gòu)體。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種靜電紡絲可控有序收集系統(tǒng)，包括供液擠出裝置，承接部件，陣列針接收板，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和陣列針控制電路；所述供液擠出裝置位于承接部件的上方，所述承接部件與陣列針接收板上的陣列針尖之間的距離按照需要調(diào)整；所述供液擠出裝置的供料噴頭連接電源的正極，所述陣列針接收板上每根針相互絕緣，分別與陣列針控制電路獨(dú)立連接，并通過陣列針控制電路連接電源的負(fù)極；所述陣列針控制電路連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制陣列針接收板上每根針與電源負(fù)極的通斷。
[0007]所述陣列針接收板上每根針直徑為0.1-0.3mm，長度為30mm，根據(jù)不同的需求擺成不同間距、不同密度的陣列。所述承接部件為接收薄膜或帶有陣列孔的承接板。
[0008]一種靜電紡絲可控有序收集方法，包括以下步驟:
1)選用適于靜電紡絲的高分子生物材料，利用熱熔或者溶劑溶解的方法得到靜電紡絲的熔體或者溶液；
2)將生物材料的熔體或溶液裝入供液擠出裝置中；
3)調(diào)節(jié)陣列針接收板上的陣列針尖與承接部件之間的距離，調(diào)節(jié)供液擠出裝置與承接部件的距離為200-400mm ；
4)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)繪制所需的靜電紡絲圖案，通過陣列針控制電路控制陣列針接收板上的針與電源負(fù)極的連通與斷開，與電源負(fù)極連通的針作為靜電紡絲圖案中的一個像素點(diǎn)，與供液擠出裝置的供料噴頭之間存在高電壓，與電源負(fù)極斷開的針與供料噴頭之間無電壓；
5)打開電源，提供10-20kv的電壓；
6)調(diào)節(jié)供液擠出裝置的微量泵控制靜電紡絲的熔體或者溶液供給流量為20-100UL/min，使擠出的熔體或者溶液電紡出纖維絲，纖維絲在電場力作用下落到指定區(qū)域，得到所需形狀的靜電紡絲結(jié)構(gòu)。
[0009]本發(fā)明的原理如下:
本發(fā)明利用陣列針控制電路，有選擇地控制陣列針與電源負(fù)極的通斷，組成圖案的針尖與供料噴頭之間存在高電壓，未連通的針尖與供料噴頭無電壓，這就在電紡絲的針尖與陣列針接收板之間形成了可控的高壓電場；陣列針的針尖都磨削為尖端，在曲率半徑極小的針尖電荷聚集最密集，電場強(qiáng)度也就最大，電紡絲纖維在電場力的作用下落到通電的針尖附近時，帶電纖維受到針尖的電場吸引力最大，纖維主動朝向針尖飄落，并且沿著針尖組成的形狀和方向有序搭接。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明在已有的電紡絲工藝方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套新穎的有序可控收集裝置和控制方法，可以方便地得到所需圖案或形狀的電紡絲結(jié)構(gòu)，圖案繪制靈活、可控性強(qiáng)，纖維具有方向一致性和有序性，使電紡絲的收集更加靈活、控制方法更加簡便、接收圖案化效果更好；本發(fā)明可以得到任意形狀的電紡絲結(jié)構(gòu)，不受材料和工藝的限制；本發(fā)明擴(kuò)展了電紡絲在工業(yè)、特別是生物制造中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)的接收裝置不局限于二維電紡絲聚集體的收集，可通過改變陣列針的高低得到三維電紡絲結(jié)構(gòu)，陣列針與3D打印多孔生物支架相結(jié)合可制作電紡絲復(fù)合支架，為復(fù)合生物支架、細(xì)胞受控組裝提供了新型的工藝方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為靜電紡絲可控有序收集系統(tǒng)示意圖。
[0012]圖2為一種陣列針接收板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為實(shí)施例1獲得接收圖案的示意圖。
[0014]圖4為實(shí)施例2制備電紡絲復(fù)合支架示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下: 如圖1和圖2所示，一種靜電紡絲可控有序收集系統(tǒng)，包括供液擠出裝置1，承接部件2，陣列針接收板3，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4和陣列針控制電路5 ;所述供液擠出裝置I位于承接部件2的上方，所述承接部件2與陣列針接收板3上的陣列針尖之間的距離按照需要調(diào)整；所述供液擠出裝置I的供料噴頭連接電源的正極，所述陣列針接收板3上每根針相互絕緣，分別與陣列針控制電路5獨(dú)立連接，并通過陣列針控制電路5連接電源的負(fù)極；所述陣列針控制電路5連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4，并通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4控制陣列針接收板3上每根針與電源負(fù)極的通斷。所述陣列針接收板3上每根針直徑為0.1-0.3mm，長度為30mm，根據(jù)不同的需求擺成不同間距、不同密度的陣列。
[0016]實(shí)施例1
如圖3所示，一種靜電紡絲可控有序收集方法，包括以下步驟:
配置8.8%的PVA溶液10ml，靜置得到穩(wěn)定均一的電紡絲溶液，裝入供液擠出裝置I中；陣列針接收板3的針間距為3mm，將陣列針控制電路5接到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4，并接好陣列針與負(fù)極的連接電路；承接部件2選取接收薄膜，在陣列針上鋪好接收薄膜，調(diào)節(jié)陣列針接收板3上的陣列針尖與接收薄膜之間的距離小于0.5mm，供液擠出裝置I與接收薄膜的距離為200mm ;打開電源，調(diào)整電壓為IOKV ;打開微量泵，控制溶液擠出速率為40ul/min ;計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4控制陣列針的通電，獲得“SH”圖案的針形。
[0017]實(shí)施例2
如圖4所示，一種靜電紡絲可控有序收集方法制備電紡絲復(fù)合生物支架，包括以下步
驟:
陣列針接收板3的針間距為1mm，將陣列中所有的針接負(fù)極；承接部件2為帶有陣列孔的承接板，取已制成的明膠-海藻酸鈉骨支架7，骨支架7孔隙度較高，并且孔隙規(guī)則，將針穿插過承接板的陣列孔6和支架孔隙；配置8.8%的PVA溶液10ml，靜置得到穩(wěn)定均一的電紡絲溶液，裝入供液擠出裝置I中；調(diào)節(jié)供液擠出裝置I與針尖距離為300mm，打開微量泵，控制溶液擠出速率為100ul/min ;電紡絲擠出頭接高壓電源的正極，調(diào)整電壓為IOKV ;電紡絲過程中纖維搭接到針尖和骨支架7上，結(jié)束后陣列針向下回落。通過此過程得到電紡絲復(fù)合生物支架。
【權(quán)利要求】
1.一種靜電紡絲可控有序收集系統(tǒng)，其特征在于，包括供液擠出裝置(1)，承接部件(2)，陣列針接收板(3)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(4)和陣列針控制電路(5);所述供液擠出裝置(I)位于承接部件(2)的上方，所述承接部件(2)與陣列針接收板(3)上的陣列針尖之間的距離按照需要調(diào)整；所述供液擠出裝置(I)的供料噴頭連接電源的正極，所述陣列針接收板(3)上每根針相互絕緣，分別與陣列針控制電路(5)獨(dú)立連接，并通過陣列針控制電路(5)連接電源的負(fù)極；所述陣列針控制電路(5)連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(4)，并通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(4)控制陣列針接收板(3)上每根針與電源負(fù)極的通斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電紡絲可控有序收集系統(tǒng)，其特征在于，所述陣列針接收板(3)上每根針直徑為0.1-0.3mm，長度為30mm，根據(jù)不同的需求擺成不同間距、不同密度的陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電紡絲可控有序收集系統(tǒng)，其特征在于，所述承接部件(2)為接收薄膜或帶有陣列孔的承接板。
4.一種靜電紡絲可控有序收集方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)選用適于靜電紡絲的高分子生物材料，利用熱熔或者溶劑溶解的方法得到靜電紡絲的熔體或者溶液； 2)將生物材料的熔 體或溶液裝入供液擠出裝置(I)中； 3)調(diào)節(jié)陣列針接收板(3)上的陣列針尖與承接部件(2)之間的距離，調(diào)節(jié)供液擠出裝置(I)與承接部件(2)的距離為200-400mm ； 4)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(4)繪制所需的靜電紡絲圖案，通過陣列針控制電路(5)控制陣列針接收板(3)上的針與電源負(fù)極的連通與斷開，與電源負(fù)極連通的針作為靜電紡絲圖案中的一個像素點(diǎn)，與供液擠出裝置(I)的供料噴頭之間存在高電壓，與電源負(fù)極斷開的針與供料噴頭之間無電壓； 5)打開電源，提供10-20kv的電壓； 6)調(diào)節(jié)供液擠出裝置(I)的微量泵控制靜電紡絲的熔體或者溶液供給流量為20-100uL/min，使擠出的熔體或者溶液電紡出纖維絲，纖維絲在電場力作用下落到指定區(qū)域，得到所需形狀的靜電紡絲結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】D01D5/00GK104018238SQ201410285075
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】劉媛媛, 梁剛, 李瑜, 江鄭龍, 胡慶夕 申請人:上海大學(xué)