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怎么提高同轴静电纺丝实验成功率?


同轴静电纺丝装置的基本构成

同轴静电纺丝最早出现于 2002 年,是从标准的单轴静电纺丝技术发展而来的。同轴静电纺丝装置(图 1)由以下组件组成:高压电源、注射泵、喷丝头和收集器。一对同轴放置在喷丝头中的毛细管的结构连接到两个独立的聚合物溶液储存腔,分别用于核层和壳层。一般情况下,芯液被壳液牵引形成复合静电纺丝射流,然后在电场的外推力作用下形成芯鞘纤维。对于改性同轴电纺纳米纤维,一般是有机溶剂用作鞘液,而芯液是聚合物溶液。

图1 同轴静电纺丝装置示意图

 

对于同轴静电纺丝,由于每个芯层和护套层使用两种溶液,因此芯和护套溶液之间的粘度、混溶性、电导率、相对湿度和进料速率比等额外考虑因素对于成功制备芯鞘纤维至关重要。天然聚合物,包括蛋白质(例如玉米蛋白、明胶和丝绸)和多糖(例如壳聚糖、纤维素和海藻酸钠),因其良好的生物相容性而被广泛用作药物递送材料。

 

芯材的选择:芯层一般选择力学性相对较好的材料。PVA通常用作芯材,因为其具有良好的纤维成型性能,热稳定性,耐化学性和低成本等优点。

 

壳层材料的选择:一般选用生物相容性较好的材料,亲水性生物聚合物,如聚乙烯醇(PVA)、聚环氧乙烷(PEO) 和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)都比较常用。壳层溶液的粘度适当比芯层大时,这利于复合泰勒锥的形成;壳层溶液导电性大,能有利于壳-芯结构形成。

 

提高同轴电纺实验成功率的方法

一般静电纺丝设备包含一个高压电源、收集装置、注射泵和注射器,做同轴电纺实验需要两个流体注射器和同轴针头。实验操作时,需将内外层溶液置于同一电压下,因此,可在同轴实验之前,分别对两种溶液进行单独工艺实验摸索,以确定在相同的电压下,采用不同的纺丝溶液推进速度。一般壳层溶液流速大于芯层溶液流速,若芯层纺丝溶液流速过大,壳层纺丝液就不能很好的将芯层溶液包裹,壳-芯结构不完善。但若壳层纺丝液流速太大,芯层溶液就会单独纺丝,难以形成同轴结构。

 

与传统的静电纺丝装置不同,同轴静电纺丝装置需要两个可以单独设置流速的注射器。轻子纳米的全能型静电纺丝E05具备同轴静电纺丝的功能,并具有以下特点:

  1. 两个具备推注速度控制功能的注射泵;
  2. 彩色触摸屏控制设备各模块运行;
  3. 多种收集装置模块和单针或多针喷嘴;
  4. 可控制实验环境的温度和湿度参数,记录实验参数。

图2 (1)独立控制流速的注射泵;(2)同轴针头;(3)轻子纳米全能型静电纺丝机E05;(4)同轴纤维微观结构

 

同轴结构纤维的应用研究

(1)生物医学应用

由于静电纺丝纳米纤维的结构与天然细胞外基质(ECM)相似,在生物医学中的应用前景被广泛关注。除了传统的静电纺丝的特性外,同轴静电纺丝还提供了与生物医学应用相关的其他重要特性。因外两种不同材料的互补性能组合提供独特的功能。如明胶、胶原蛋白等生物材料具有生物相容性,可使用合成聚合物如PCL、PLA、PLLA等作为芯鞘层增加机械强度。这些使用复合材料制成的纳米纤维可包埋药物分子或者生长因子等,使之具有特定的功能性,可以用于药物缓释、伤口敷料、组织工程修复等领域。

 

图3 使用三层同轴技术制备的纤维的双药输送应用

 

(2)能源领域应用

同轴静电纺丝另一受人们关注的领域是能源领域,在许多与能源相关的应用中,因为可充电锂离子电池的高需求,开发用于可充电锂离子电池的先进电极是目前比较热门的研究方向。同轴静电纺丝能够创建和定制由各种金属氧化物和碳材料制成的中空和多孔纤维膜,这导致了学术界和工业界对这一主题的研究越来越多。

图4 对能源领域有用的同轴光纤

 

(3)功能性纺织和环境领域应用

除了生物医学和能源领域外,还针对其他应用领域(如纺织品和环境)开发了使用芯鞘纤维的一些应用成果。在纺织品特别是对于防护服和运动服等功能性纺织品,加入纳米纤维得到特殊功能,例如增强的机械性能、防水性和自清洁性,从微/纳米多孔静电纺丝膜可以获得具有良好透气性的耐候性。除防护服外,同轴静电纺丝纤维纺织品还用于各种其他用途,例如过滤器、集水、分离器和自修复表面。过滤是使用静电纺丝最容易实现的应用之一,材料选择(包括碳材料)多种多样,并且易于控制孔径和纤维形态。

 

图5 水过滤:(a)过滤模块配置。(b)滤液与进料溶液之间的色差。(c)PSU中空纤维的SEM图像

 

(4)传感器应用

另外,由于半导体金属氧化物独特的优点,使其成为开发灵敏传感器的独特材料。同轴静电纺丝可以提供中空结构的金属氧化纤维,可以进一步增加表面积以提高灵敏度。静电纺丝是酶在纳米纤维膜上的固定的方法之一,特别是多酶和辅酶限制的仿生细胞可以模拟生物细胞的多阶段生物合成,使用同轴静电纺丝,可将酶固定到中空纤维中,这为生物催化剂提供了一种有前途的解决方案。

图6含有酶的中空纳米纤维的示意图:(a)用于胆汁酸测定的涉及3a-HSD,DP和NAD(H)的多酶人工细胞。(b)用于CO合成甲醇的中空纳米纤维多酶体系2与NADH的原位再生;(c)纳米结构酶-辅因子酶催化剂的纤维构型

 

显然这些研究有进一步商业化的可能。尽管同轴静电纺丝技术被认为是非常有前途的多功能材料制备的方法,但目前缺乏大规模生产能力,尚未开发出用于特别领域的芯鞘纤维。

 

参考文献:

[1] Li J, Liu Y, Abdelhakim H E. Drug Delivery Applications of Coaxial Electrospun Nanofibres in Cancer Therapy[J]. Molecules, 2022, 27(6): 1803. doi.org/10.3390/molecules27061803

[2] 桑青青. 同轴静电纺丝制备pH敏感明胶/PLCL双载药纤维支架的研究[D].东华大学,2018.

[3] Han D, Steckl A J. Coaxial electrospinning formation of complex polymer fibers and their applications[J]. ChemPlusChem, 2019, 84(10): 1453-1497. https://doi.org/10.1002/cplu.201900281

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