一種負(fù)壓陣列離心氣電紡絲裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明用于納米纖維支架技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種負(fù)壓陣列離心氣電紡絲裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]電紡是制備納米纖維的有效方法。纖維直徑通常介于數(shù)十納米至數(shù)微米之間，與細(xì)胞外基質(zhì)中膠原等纖維支架的尺寸相近。采用天然高分子或合成高分子電紡纖維構(gòu)建組織工程支架，可以仿生細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)乃至生物學(xué)功能，利于細(xì)胞的黏附、分化和增殖，引導(dǎo)組織的再生與修復(fù)，成為組織工程支架的研究熱點(diǎn)。大量研究報(bào)道顯示，電紡納米纖維支架可以提供理想的細(xì)胞黏附、增殖和分化微環(huán)境。
[0003]但是，傳統(tǒng)直流靜電紡絲方法用于高效制備可控三維結(jié)構(gòu)仍然存在一定的技術(shù)瓶頸。
[0004]靜電紡絲制備纖維支架具有如下局限性:
1、傳統(tǒng)的靜電紡絲是紡絲溶液或熔體在直流電場(chǎng)力的定向作用下，形成泰勒錐，最終突破表面張力形成射流。射流在庫(kù)侖力的作用下被拉伸成納米纖維，纖維逐層地被接地收集板吸引堆積，形成薄膜或近似三維的支架。但是，支架的纖維是靠電荷引力進(jìn)行堆積，排列緊密、纖維之間的空隙過(guò)小，使細(xì)胞難以長(zhǎng)入，無(wú)法構(gòu)建出令人滿意的三維組織。另一方面，傳統(tǒng)的直流電紡，電場(chǎng)力方向恒定，當(dāng)紡絲溶液或熔體的粘度較大時(shí)，射流需要的啟動(dòng)電壓高。
[0005]2、隨著薄膜支架厚度增加，噴頭與收集板之間的電場(chǎng)將逐漸減弱，導(dǎo)致薄膜支架上表面電荷不斷積累，因帶同種電荷，先沉積的纖維對(duì)電場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，并且對(duì)于后續(xù)射流產(chǎn)生排斥，從而影響泰勒錐的形成和紡絲的持續(xù)時(shí)間，降低了紡絲效率，最終導(dǎo)致電紡過(guò)程終止，限制了所能獲得支架的厚度(通常為微米級(jí)厚度)，制造大厚度的真正意義的電紡三維結(jié)構(gòu)仍然較為困難。
[0006]3、當(dāng)采用特定形狀的收集器時(shí)，纖維往尖端處等電場(chǎng)強(qiáng)度較大的地方沉積，難以形成三維結(jié)構(gòu)。
[0007]4、傳統(tǒng)噴頭式電紡效率低下，單噴頭電紡產(chǎn)量通常只有0.Ι-lg/h，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效率的三維支架生產(chǎn)制造。
[0008]高速氣吹聚合物溶液進(jìn)行大規(guī)模制備納米纖維的技術(shù)(高速氣流紡絲技術(shù))，可以使纖維的制備速度較原來(lái)的靜電紡絲速度提高10倍以上，但是，傳統(tǒng)氣紡多采用封閉式接收器或滾筒式接收器，在高速氣流作用下，容易產(chǎn)生反沖氣流，影響纖維的定向沉積，如何采用高速氣紡制備具有三維蓬松結(jié)構(gòu)的納米纖維支架，仍然缺乏穩(wěn)定的通用性的工藝。并且，氣流紡絲的纖維直徑較大(微米級(jí))，直徑分布范圍廣，制備納米纖維仍存在技術(shù)瓶頸。
[0009]目前實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的主要是靜電紡絲(直流高壓電紡)，高壓電源一般采用直流(DC)電源作為高壓電源；交流高壓電紡(AC electrospinning)早在靜電紡絲技術(shù)發(fā)展初期已經(jīng)有研究人員采用過(guò)，但是至今仍然沒(méi)有得到深入研究和發(fā)展。交流電紡生產(chǎn)效率相對(duì)較高。而且，交流電紡不需要接地或者接負(fù)電壓的收集器，收集方式的靈活度更高。但是，定向收集具有特定形狀、結(jié)構(gòu)的纖維支架較為困難，而且，生產(chǎn)效率也有待進(jìn)一步提尚。
[0010]CN1849418A在帶電電極和對(duì)電極之間的空間中，利用空氣流對(duì)納米纖維施加作用，促進(jìn)納米纖維從帶電電極漂移開(kāi)，鋪置在帶電電極前用于儲(chǔ)存納米纖維的設(shè)備上。CN102965743A所述的一種帶輔助電極的納米纖維低壓電紡裝置，采用風(fēng)機(jī)設(shè)于收集板上方，通過(guò)抽氣作用使纖維沉積在收集板上。CN103952780A在靜電紡絲收集側(cè)設(shè)置有負(fù)壓吸風(fēng)口，利用吸風(fēng)口產(chǎn)生的氣流吸附從噴絲針頭端噴射出來(lái)的微納米纖維，使其定點(diǎn)或定區(qū)域附著在吸風(fēng)口前的網(wǎng)孔基布上，通過(guò)控制網(wǎng)孔基布與噴絲針頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡與速度、形成均勻分布的纖維網(wǎng)。上述專(zhuān)利通過(guò)靜電紡絲收集側(cè)引入負(fù)壓氣流以利于靜電紡絲微納米纖維的收集，用于改善纖網(wǎng)均勻性。但是，利用負(fù)壓收集交流氣電紡納米纖維制備三維支架的方案尚未見(jiàn)報(bào)道。
[0011]綜上所述，制備材料范圍廣泛、纖維直徑極小、絲徑分布均勻、結(jié)構(gòu)蓬松、厚度極大、力學(xué)性能優(yōu)越的納米纖維三維支架仍然沒(méi)有通用的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種負(fù)壓陣列離心氣電紡絲裝置。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，材料適應(yīng)性廣，生產(chǎn)效率高，能獲得的三維支架厚度大，密度低，孔隙率高，有望實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化。使用不同的紡絲材料可直接制備得到不同力學(xué)強(qiáng)度、生物相容性及降解性能的三維纖維支架。
[0013]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種負(fù)壓陣列離心氣電紡絲裝置，包括高壓交流發(fā)生器、供氣裝置、箱體、設(shè)在所述箱體內(nèi)的離心噴頭、驅(qū)動(dòng)所述離心噴頭轉(zhuǎn)動(dòng)的離心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及位于所述箱體底部的負(fù)壓接收裝置，所述離心噴頭內(nèi)部具有儲(chǔ)液腔，離心噴頭上設(shè)有在離心噴頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使儲(chǔ)液腔內(nèi)的紡絲溶液或熔體噴出形成射流的出絲細(xì)孔，所述負(fù)壓接收裝置包括收集器、負(fù)壓管和可在負(fù)壓管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓的負(fù)氣壓發(fā)生器，所述負(fù)壓管在箱體的底部形成負(fù)壓管口，所述收集器具有多孔結(jié)構(gòu)并嵌套在所述負(fù)壓管口內(nèi)，所述負(fù)壓接收裝置設(shè)置多個(gè)，且多個(gè)所述負(fù)壓接收裝置以所述離心噴頭為中心排列成環(huán)形陣列，高壓交流發(fā)生器與所述離心噴頭相連并可在離心噴頭和負(fù)壓接收裝置間形成用于產(chǎn)生溶液射流或熔體射流的電場(chǎng)，供氣裝置與所述離心噴頭相連并可形成由出絲細(xì)孔噴出的氣流。
[0014]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述箱體的頂部在各負(fù)壓接收裝置的上方設(shè)有鼓風(fēng)裝置，所述鼓風(fēng)裝置可產(chǎn)生將出絲細(xì)孔噴出的溶液纖維或熔體纖維吹向負(fù)壓接收裝置的輔助氣流。
[0015]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述離心噴頭呈圓筒狀，離心噴頭的外圓筒壁上開(kāi)設(shè)若干出絲細(xì)孔，所述離心噴頭的頂部設(shè)有頂蓋，頂蓋的中部開(kāi)設(shè)進(jìn)料口和進(jìn)氣口，所述進(jìn)氣口通過(guò)導(dǎo)氣管與供氣裝置連接，還包括供液裝置，所述供液裝置通過(guò)導(dǎo)液管接入所述進(jìn)料口。
[0016]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述離心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括設(shè)在所述離心噴頭底部的旋轉(zhuǎn)軸和通過(guò)聯(lián)軸器與旋轉(zhuǎn)軸連接的可調(diào)速直流電機(jī)。
[0017]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，還包括罩在所述離心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)頂部的絕緣外殼，所述絕緣外殼為中空的圓筒狀，絕緣外殼的頂部設(shè)有圓孔，所述旋轉(zhuǎn)軸穿過(guò)圓孔與離心嗔頭相連。
[0018]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述絕緣外殼的頂部設(shè)有可對(duì)離心噴頭加熱的加熱裝置。
[0019]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述收集器為呈立方體狀或圓筒狀的金屬柵網(wǎng)。
[0020]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述收集器為呈圓筒狀的多孔無(wú)紡布制件。
[0021]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述負(fù)氣壓發(fā)生器為設(shè)在所述負(fù)壓管上的真空栗。
[0022]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，高壓交流發(fā)生器包括函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和高壓放大器。
[0023]本發(fā)明所揭示的負(fù)壓陣列離心氣電紡絲裝置，通過(guò)合理設(shè)置離心噴頭、離心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并將負(fù)壓接收裝置以所述離心噴頭為中心設(shè)置成環(huán)形，使得離心噴頭在離心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從離心噴頭噴射出的聚合物射流附加了離心力，同時(shí)在供氣裝置的氣流推力和負(fù)壓接收裝置的負(fù)壓吸引作用下，氣流路徑可控，纖維往負(fù)壓收集裝置定向沉積，同時(shí)，氣流穿過(guò)收集器的多孔蓬松結(jié)構(gòu)，從收集器的下方和側(cè)端導(dǎo)出，并輔助纖維在收集器上持續(xù)沉積，成為多孔蓬松的三維支架結(jié)構(gòu)。
[0024]本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能促使三維結(jié)構(gòu)的納米纖維生物支架在紡絲的過(guò)程中直接形成。成本較低，適于溶液電紡和熔融電紡，適于用不同的紡絲材料制備不同力學(xué)強(qiáng)度、生物相容性及降解性能的三維纖維支架，并且可以通過(guò)該方法直接制備大量納米纖維生物支架；
本發(fā)明創(chuàng)新地采用負(fù)壓收集裝置，將交流氣電紡絲獲得的中性納米纖維進(jìn)行三維收集，在離心噴頭高速氣流噴射和負(fù)壓收集裝置的負(fù)壓吸引作用下，氣流路徑可控性大大增強(qiáng)，相比傳統(tǒng)平板收集器或者封閉式收集器，可有效地使高速氣流通過(guò)，從而避免產(chǎn)生反沖氣流，影響纖維沉積。相反地，高速氣流將輔助納米纖維在收集器上定向沉積成為具有特定形狀、結(jié)構(gòu)三維支架結(jié)構(gòu)，解決了交流電紡纖維收集難的問(wèn)題。
[0025]與傳統(tǒng)靜電紡絲制備生物支架相比，使用本發(fā)明制備納米纖維支架，由于纖維成電中性，收集器無(wú)需接地或接負(fù)高壓，可更容易、有效地沉積形成厚度大的三維纖維結(jié)構(gòu)。而且，不會(huì)造成電荷積累，對(duì)后續(xù)纖維沉積無(wú)顯著影響，可長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行紡絲，工藝更穩(wěn)定。
[0026]與傳統(tǒng)氣流紡絲制備生物支架相比，本發(fā)明引入了高壓交流電場(chǎng)，射流在氣流剪力和交變電場(chǎng)的共同作用下，進(jìn)一步拉伸劈裂，獲得的三維支架纖維直徑更細(xì)，絲徑分布更均勻，力學(xué)性能優(yōu)越，解決了氣流紡絲制備生物支架的纖維直徑大，絲徑分布不均的問(wèn)題。
[0027]與普通交流電紡相比，本發(fā)明在交變電場(chǎng)和高速氣流的共同作用下，生產(chǎn)效率極大地提高，是傳統(tǒng)電紡的10-20倍。而且，在高速氣流剪力的作用下，加劇了對(duì)液滴表面的擾動(dòng)，形成納米纖維的啟動(dòng)交流電壓大幅度降低，同時(shí)解決了噴頭易堵塞的問(wèn)題。而且，高速氣流輔助下射流拉伸劈裂，形成的納米纖維直徑顯著減小。
[0028]傳統(tǒng)的靜電紡絲是在電場(chǎng)的作用下，逐層被電性相反的接地收集板吸引堆積，支架的纖維排列緊密、纖維之間的空隙過(guò)小，使細(xì)胞難以長(zhǎng)入，無(wú)法構(gòu)建出令人滿意的三維組織。當(dāng)采用特定形狀的收集器時(shí)，纖維往尖端處等電場(chǎng)強(qiáng)度較大的地方沉積，難以形成三維結(jié)構(gòu)。而采用本發(fā)明，在交變電場(chǎng)、高速氣流、接收器負(fù)壓的共同作用下，射流拉伸劈裂，射流電性交替變化，形成的納米纖維呈電中性，并在可控氣流的輔助下在負(fù)壓接收器上定向沉積成三維結(jié)構(gòu)，可獲得厚度極大、疏松、低密度的支架，更有利于細(xì)胞生長(zhǎng)。
[0029]本發(fā)明的箱體