新闻中心

NEWS CENTER

近场静电纺丝2022最新综述:关键工艺、应用与挑战《ACS Appl. Bio Mater.》


目录

1.近场静电纺丝 (NFES) 介绍及其工作原理

2.近场直写关键工艺参数

3.近场直写应用案例及相关研究

 

1.近场静电纺丝 (NFES) 介绍及其工作原理

近场静电纺丝 (NFES) 是一种基于喷射熔融聚合物或聚合物溶液的微米或纳米纤维生产技术。由于可编程收集器和喷嘴运动,它可以在存在电场的情况下生成设计图案。此外,随着纤维的结构范式从随机纹理转向精细设计,NFES可以弥补现有低效工艺和追求精确图案化技术之间的差距。NFES被认为是一种有效且优异的增材制造技术,它可以生产复杂的图案。由于近场电纺纤维其精确可控,在各种应用中都表现出优异的效果。

图1.NFES设置及其组件的基本示意图

 

近场静电纺丝 (NFES) 有两个主要部分:纺丝和图案化;前者与传统的远场静电纺丝(FFES)共享,而后者是NFES的独家优势。其装置包括高压电源、喷嘴和收集器,由于原理与传统的静电纺丝没有太大的不同,所以两者的设置非常相似也不足为奇。当施加电场时,电场力克服了针尖处的液滴表面张力,形成泰勒锥,随后墨水朝收集器发生拉伸和变薄,并且所有或一些油墨凝结(固化)在半空中;然后纤维最终在收集器上形成。

根据3D打印需要喷墨的特性,将其与高分辨率纤维制造技术相结合,来用于微米级和纳米级制造和原型制作。本质上,因为NFES 不存在射流的混沌运动,所以它可以产生排列整齐和图案化的纤维,与FFES不同,NFES可以生产2D 和三维图案。

图2 NFES 装置示意图。 (b)施加电压时泰勒锥和聚合物射流的形成,(c)探针尖端液滴的收缩,以及(d,e)沉积的纳米纤维图案

 

表1 传统静电纺丝(FFES)和NFES的优劣势比较

方法

工作距离(cm)

电压(kV)

进料速率[mL/h]

纤维直径(μm)

优势

劣势与挑战

传统静电纺丝(FFES)

10-15

10-50

0.1-1500

0.01-10

制造更细的纤维;简单流程;高生产率

随机模式;构建 3D 结构;溶液制备

NFES

≤1

0.2-3

0.03-2

0.05-200

可控纤维沉积;制作3D结构的能力;低电压

工艺复杂;生产速度低;溶液

制备

 

2.近场直写工艺参数

 

2.1溶解性能

必须使用最佳浓度的聚合物溶液来启动静电纺丝过程。在非常低的浓度下,由于溶液的低粘度和高表面张力,样品中会出现聚合物颗粒和岛状物。相反,当浓度增加到一个合理的阈值时,颗粒从圆形液滴转变为圆柱形,并最终转变为连续纤维。聚合物溶液的粘度和浓度密切相关,预计会有相应的表现。也就是说,当聚合物浓度非常高时,油墨变得非常粘,并且溶液不能从喷嘴中喷出,纤维就无法形成。相比之下,当粘度太低时,样品中会出现不连续的纤维和聚合物珠粒。

 

此外,溶液电导率还取决于聚合物和溶剂解决方案的特征和其他组成部分。溶液电导率的增加导致更细和均匀的纤维;然而,过高的电导率会使射流不稳定。最后,纤维湿度与溶剂挥发性成反比;当它增加到某一阈值时,纤维将受益于更圆的横截面(通常在干纤维中观察到)。

 

2.2工艺参数

NFES需要低电压,主要是由于喷嘴到收集器的距离较短。此外,尽管NFES从3D打印机和其他基于挤出的工艺中借鉴,但喷嘴和收集器之间电场的存在是严重偏离基于挤出的技术的基础。由于电力克服了聚合物的表面张力而产生喷射,墨水在半空中被拉伸。考虑到这一点,电压强度显然会对纤维产生重大影响。

 

进料速度决定了喷射速度和生成纤维的体积。较低的进给速度通常对 NFES 更有利,因为它们为油墨凝结或固化提供了足够的时间,并防止液体滴落在基底上。另一方面,随着进料速度的增加,平均纤维直径和孔隙率增加,水滴在结构中产生,纤维的湿度增加,特别是在进料速度过高的情况下。

 

喷嘴内径必须调整好,因为它是防止针堵塞或墨水滴落的关键特征。太小的直径可能导致针堵塞,而较大的喷嘴内径会降低油墨的表面张力;因此,需要较低的电场来形成射流,从而增加射流速度和纤维直径。

 

喷嘴和收集器之间的距离决定了喷射飞行时间和拉伸,这对纤维干燥度和直径有直接影响(即,更长的工作距离和更长的飞行时间会产生更细更干的纤维)。重要的是保持足够的距离,以允许充分的溶剂蒸发并抑制射流的抖动不稳定性。

 

越来越多的文献中提供了各种收集器和纤维收集方法,如平面、旋转、定制 3D 打印、液体和柔性绝缘收集器。收集器移动显著影响纤维直径和形态。

 

2.3环境参数

温度、相对湿度和环境气体成分等环境因素对电纺纤维有着深远的影响。升高的温度会加快蒸发速度,降低聚合物溶液的粘度。在相对较低的温度下,样品中存在珠子;因此,鉴于纤维应以合理的速度干燥,应提供最佳温度。在相对湿度的情况下,根据墨水的化学特性,靠近喷射的可用水分子会溶解在其中,从而形成多孔纤维。此外,在封闭环境中进行静电纺丝可以减缓溶液蒸发,因为大气中的溶液积累过多。事实上,研究人员还可以通过环境参数的报告来提高他们实验的可重复性,最后,对影响实验的环境参数进行总结。

 

表2 影响近场静电纺丝(NFES)的各种因素

影响因素

参数

溶液

粘度

浓度

导电率

表面张力

聚合物分子量(MW)

过程

电压

进料速度

喷嘴内径

喷嘴和收集器之间的距离

收集器移动速度

环境温度

温度

相对湿度

环境气体成分

 

3.近场直写应用案列及相关研究

 

3.1电子学

微电路和纳米电路是强有力的设备,已经成为人们关注的焦点。尽管有一些优势,特别是在规模和灵活性方面,但制造它们仍然是一个挑战。因为大多数方法都很复杂,昂贵且耗时。此外,它们是非常脆弱的结构;因此,使用合适的材料和设计来保证电路的弹性和完整非常重要。有研究团队设计不同条件(电压、工作距离和沉积速率)下不同的电纺网格状和弯曲纤维图案。发现导电率几乎与弯曲曲线半径无关,这意味着他们的样品可以适当地用作柔性电子设备。此外,他们的研究是一个很好的指标,表明 NFES 如何能够降低成本,并成为微米和纳米电路制造的首选替代品。

 

3.2图案化石墨碳纤维的制备

由于碳纳米纤维的众多应用,研究人员迫切需要制造过程更有效率的方法,而且到目前为止,NFES一直很有前途。合成聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的步骤包括掺杂配方、纺丝、后纺丝工艺和热解。有研究团队进行了许多步骤来获得PAN基碳纳米纤维,实施NFES比其他碳纳米纤维生产技术简单。实验最终获得了令人惊讶的薄,坚固,排列整齐的纳米纤维,通过进一步的研究可以致力于制造更复杂的图案。

 

最后,碳基微米和纳米结构可用于制造透明导体、光子晶体、柔性电子器件、电化学传感器和超级电容器。

图3 碳纳米线制造的阶段

3.3组织工程

组织工程结合了生物学和工程学原理,有助于组织再生和愈合过程。信号因子、干细胞和细胞外基质(ECM)模拟支架在组织工程中发挥着关键作用。众所周知,支架和培养环境可以决定最终的细胞增殖和分化特性。不同的技术,如溶剂浇铸/粒子沥滤、气体发泡、冷冻干燥、实体自由成型制造、3D 打印和静电纺丝,都已被用于构建支架。这些方法中许多最常见的缺点是对孔径、随机孔分、有机物结构中残留的溶剂、孔的隔离以及缺乏结构再现性。

 

NFES 不仅可以用来制造纤维支架,而且还能够产生复杂的设计和几何形状。然而,它的潜力主要用于无细胞支架,毕竟大多数溶剂都表现出细胞毒性,并且电场可能对细胞有害。相反,一些研究人员已经成功地进行了细胞静电纺丝低压(5-11KV)和生物相容性溶剂实验。未来的研究可以利用 NFES 将活细胞嵌入3D纤维图案,为此,利用低电压 NFES 或机械绘图技术以及开发生物链接是有前途的。

此外,使用NFES制备出来的支架在细胞取向、分化和组织生长方向都具有一定的可行性。一方面,3D 支架辅助的细胞培养导致定向的和更稳定的毛细血管形网络,这是由于用具有高达100μm 的优异厚度的组织的良好排列的纤维结构的支持。这种增强是可期待的,特别是对于移植,因为可以获得更多的功能组织。

图4 (a)相同支架上骨髓干细胞(BMSC)和人脐静脉内皮细胞(HUVEC)的不同行为示意图,其中(b)BMSC表现出桥生长和(c)HUVEC呈现圆形生长。(d)比较厚纤维和薄纤维上不同细胞行为的示意图,以及(e)由于支架在其四个不同区域的故意异质性,导致不同的细胞行为。

 

3.4压电结构和纤维

可穿戴和植入式电子设备是人类增强技术不可分割的一部分。虽然存在道德问题,但它们的吸引力和好处是不可否认的。现在有许多关于可穿戴电子产品的科学报告,重点都是关于舒适性、灵活性、机械稳定性、效率和对外部电源的独立性。压电纳米纤维是实现这些特性的最佳方式。这些纤维应用于机械致动器、能量收集和储存,可弯曲显示器,人造皮肤,传感器和生物传感器。

 

此外,压电结构还可以用在使用压电和摩擦电的纳米发电机;从外部机械力、头部运动和简单的喉咙振动中收集震动频率的自供电压力传感器,可用于声控设备、可穿戴电子设备和植入式无线技术的声音传感可穿戴设备等。

引用文献:doi.org/10.1021/acsabm.1c00944

近场直写静电纺丝机M08-001:https://www.qingzitech.com/pro_detail/near_field_electrospinning_machine_m08.html

联系我们

  • 地址:广东省佛山市南海区狮山镇博爱中路40号B1厂房广东机器人产业园
    电话:0757-89956077 / 18520902353

    传真:0757-86687012

    邮箱:info@qingzitech.com

    客服QQ: 3597831168 / 2302105155