一種具有三維結(jié)構(gòu)的納米纖維支架制備裝置及方法
【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，特別是涉及一種具有三維結(jié)構(gòu)的納米纖維支架制備裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，三維納米結(jié)構(gòu)在組織工程等領(lǐng)域等到人們的高度關(guān)注和深入研究。組織工程的原理是誘導(dǎo)和促進(jìn)細(xì)胞在體外或體內(nèi)的生長(zhǎng)、迀移以及增殖等一系列生理活動(dòng)，最終形成具有三維結(jié)構(gòu)的器官或組織。如何制備出性能優(yōu)良的支架結(jié)構(gòu)直接決定著組織工程的發(fā)展，這也成為國(guó)內(nèi)外組織工程工作者一直在研究攻克的難題之一。
[0003]目前，制備納米纖維組織工程支架多采用靜電紡絲法。靜電紡絲方法具有簡(jiǎn)便快捷、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，有望成為理想的組織工程仿生支架的制備方法。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(mǎn)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
[0010]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】

[0011]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種具有三維結(jié)構(gòu)的納米纖維支架制備裝置及方法，制備方法工藝簡(jiǎn)單，裝置簡(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。
[0012]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種具有三維結(jié)構(gòu)的納米纖維支架制備裝置，包括交流高壓發(fā)生器、供液裝置、供氣裝置、同軸噴頭和與所述同軸噴頭相對(duì)設(shè)置的旋轉(zhuǎn)接收器，所述同軸噴頭具有與供液裝置相連的供液通道和與供氣裝置相連的供氣通道，供液通道具有出液口，供液裝置可將紡絲溶液或熔體送入同軸噴頭并由出液口流出，供氣通道具有出氣口，所述供氣裝置通過(guò)出氣口可產(chǎn)生由出液口吹向旋轉(zhuǎn)接收器的氣流，交流高壓發(fā)生器與所述同軸噴頭相連并可在同軸噴頭和旋轉(zhuǎn)接收器間形成交變電場(chǎng)，所述旋轉(zhuǎn)接收器包括轉(zhuǎn)軸、可驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置以及設(shè)在所述轉(zhuǎn)軸上的若干支撐臂，支撐臂隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可形成正對(duì)所述同軸噴頭的碗狀回轉(zhuǎn)面，出液口內(nèi)流出的紡絲溶液或熔體在所述氣流和交變電場(chǎng)的作用下在同軸噴頭與旋轉(zhuǎn)接收器間形成射流。
[0013]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述供氣裝置包括通過(guò)輸氣管與供氣通道相連的氣壓供應(yīng)裝置，所述輸氣管上設(shè)有精密氣壓調(diào)節(jié)閥，輸氣管上在精密氣壓調(diào)節(jié)閥與同軸噴頭間還設(shè)有加熱元件。
[0014]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述供液通道和供氣通道上均設(shè)有測(cè)溫元件，還包括數(shù)控單元，所述測(cè)溫元件、供液裝置、氣壓供應(yīng)裝置和加熱元件均與數(shù)控單元相連。
[0015]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述支撐臂采用彎曲的金屬片或金屬桿或塑料桿，各所述支撐臂均勻的分布在所述轉(zhuǎn)軸上并形成碗狀的爪結(jié)構(gòu)。
[0016]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述供氣通道在同軸噴頭內(nèi)形成包繞在供液通道外側(cè)的儲(chǔ)氣腔，所述儲(chǔ)氣腔在所述出液口的外側(cè)形成環(huán)形的出氣口，所述出氣口和出液口位于同一軸線(xiàn)上。
[0017]進(jìn)一步作為本發(fā)明技術(shù)方案的改進(jìn)，所述交流高壓發(fā)生器包括函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和高壓放大器。
[0018]—種具有三維結(jié)構(gòu)的納米纖維支架制備方法，包括以下步驟:
S10.供液裝置可提供紡絲溶液或熔體，打開(kāi)供液裝置，紡絲溶液或熔體進(jìn)入同軸噴頭并由冋軸嗔頭的出液口流出；
S20.啟動(dòng)與所述同軸噴頭相對(duì)設(shè)置的旋轉(zhuǎn)接收器，旋轉(zhuǎn)接收器包括轉(zhuǎn)軸、可驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置以及設(shè)在所述轉(zhuǎn)軸上的若干支撐臂，支撐臂隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成正對(duì)所述同軸噴頭的碗狀回轉(zhuǎn)面； S30.打開(kāi)供氣裝置，數(shù)控單元控制供氣裝置提供流速、溫度適當(dāng)?shù)臍怏w，氣體流經(jīng)同軸噴頭的供氣通道，最終從同軸噴頭出氣口處噴出形成氣流，調(diào)節(jié)交流高壓發(fā)生器，輸出適當(dāng)波形、頻率、幅值的電壓，并在同軸噴頭和旋轉(zhuǎn)接收器間形成交變電場(chǎng)；
S40.在交變電場(chǎng)力和氣流的共同作用下，紡絲溶液或熔體液滴被拉伸形成射流，并在氣流的持續(xù)作用下，和在交變電場(chǎng)力的作用下，射流劈裂拉伸，獲得納米纖維；
S50.在氣流推力作用下，納米纖維往旋轉(zhuǎn)接收器方向定向沉積，同時(shí)，氣流從旋轉(zhuǎn)接收器的側(cè)端導(dǎo)出，并輔助納米纖維在旋轉(zhuǎn)收集器上沉積成為三維支架結(jié)構(gòu)。
[0019]本發(fā)明中，紡絲溶液或熔體在供液裝置的作用下，輸送給同軸噴頭并由同軸噴頭的出液口流出，在交變電場(chǎng)和氣流的共同作用下，表面張力不足以維持平衡狀態(tài)，從而在交變電場(chǎng)力和高速氣流的共同作用下破裂自發(fā)形成多股射流，射流在交變電場(chǎng)力和氣流推力作用下加速，電場(chǎng)交替變化，射流電性交替變化，將繼續(xù)劈裂成更多的小射流，形成更細(xì)小的纖維，同時(shí)在高速氣流的作用下繼續(xù)拉伸，帶不同電荷的纖維相互吸引、中和，形成不帶電