本實(shí)用新型涉及屬于材料加工領(lǐng)域，涉及一種靜電紡絲裝置。

背景技術(shù)：

近年來，基于靜電紡絲設(shè)備簡單、可利用材料種類繁多、方便制備多組分復(fù)合材料、以及制備獲得的納米纖維比表面積大、內(nèi)部連通性好等優(yōu)異性能，使其在生物醫(yī)學(xué)、藥物控制釋放體系、材料復(fù)合改性、過濾和防護(hù)、組織工程等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。但由于制備獲得的納米纖維堆積密實(shí)，導(dǎo)致其孔徑較小，孔隙率較低，限制了其在吸附過濾、藥物傳輸、組織工程和生物醫(yī)用等領(lǐng)域的應(yīng)用。采用靜電紡絲技術(shù)生產(chǎn)制造的組織工程支架嚴(yán)格意義來講屬于二維結(jié)構(gòu)，但二維細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)并不能完全模擬體內(nèi)細(xì)胞的三維生長環(huán)境，因此，所得的體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與細(xì)胞在體內(nèi)的生長情況將有所偏差。為了提高靜電紡絲制備的納米纖維膜孔徑、孔隙率及實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)，一些研究者提出制備具有扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的納米纖維膜。

目前，研究者們做了大量工作，努力研究和嘗試制備具有扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的微/納米纖維的新方法，并研究扭曲螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)納米纖維膜性能的影響，但對(duì)其研究還不夠深入。特別是對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)成形條件、纖維結(jié)構(gòu)和性質(zhì)仍知之甚少。到目前為止，能夠用來制備扭曲螺旋結(jié) 構(gòu)微/納米纖維的方法比較有限。同時(shí)，由于靜電紡絲法一般得到的是無序纖維，使其不容易得到具有明顯螺旋結(jié)構(gòu)的微/納米纖維，因此開發(fā)和完善制備扭曲螺旋結(jié)構(gòu)微/納米纖維的新技術(shù)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的研究工作。

目前，可以用來制備具有扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的微/納米纖維的靜電紡絲裝置主要有以下兩種：典型的靜電紡絲裝置和并列型靜電紡絲裝置。

2006年，M K shin等用單一的非導(dǎo)電高聚物聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸)(PAMPS)，采用典型傳統(tǒng)的靜電紡絲裝置，制備出了具有扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的納米纖維。其原理是在靜電紡絲噴射過程中產(chǎn)生的物理力的扭曲不穩(wěn)定性，對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)的形成產(chǎn)生了很大的影響。

2004年，靳玉偉等用單一的非導(dǎo)電高聚物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的乙醇溶液為原料，制備出了具有扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的納米纖維，并研究了溶液濃度和紡絲電壓對(duì)纖維形態(tài)的影響，同時(shí)對(duì)螺旋纖維的形成機(jī)理進(jìn)行了討論，最后得出了在紡絲過程中纖維束所帶靜電荷之間的庫侖斥力是形成螺旋纖維的直接動(dòng)力。

2006年，R Kessick等用典型的靜電紡絲裝置對(duì)導(dǎo)電高聚物(PASA)和非導(dǎo)電高聚物(PEO)的復(fù)合水相體系進(jìn)行了電紡絲的研究。結(jié)果表明：單相體系(如純PEO)不能形成螺旋結(jié)構(gòu)，復(fù)合相體系中需要有一種組分具有導(dǎo)電性，否則不能得到螺旋結(jié)構(gòu)。這種螺旋結(jié)構(gòu)的形成是由于高聚物纖維在靜電紡絲過程中帶有靜電荷，所帶電荷的種類取決于電源的正負(fù)極，纖維上的同種電荷互相推斥導(dǎo)致沿纖維 長度上產(chǎn)生庫侖伸長力。平衡態(tài)時(shí)，靜電推斥力與纖維上的粘彈回復(fù)力相平衡。當(dāng)高聚物纖維落于導(dǎo)電表面(接收板)，最初導(dǎo)電PASA部分所帶電荷被轉(zhuǎn)移，收縮粘彈力超過了庫侖推斥力，導(dǎo)致受力不均衡，纖維發(fā)生結(jié)構(gòu)重排，并自發(fā)收縮成螺旋結(jié)構(gòu)。

2007年，常敏等選用聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚苯乙烯(PS)與熱塑性聚酯彈性體(TPEE)組成共混溶液，用典型的靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲得到了具有扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的微/納米纖維。其原理可解釋為：將一種高斷裂伸長率的高聚物和一種低斷裂伸長率的高聚物共混紡絲，絲條在高壓電場(chǎng)下受電場(chǎng)力拉伸，由于兩者斷裂伸長率的不同，產(chǎn)生不同的伸縮，從而使纖維扭曲形成螺旋結(jié)構(gòu)。兩種高聚物斷裂伸長率相差越大，形成的螺旋結(jié)構(gòu)越明顯。

2014年，G Chang等利用典型的靜電紡絲裝置，只是在收集器上加一個(gè)負(fù)電極，將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和Cu(NO₃)₂混合成溶膠，制備出螺旋結(jié)構(gòu)的纖維。

2005年，王訓(xùn)該等利用并列型靜電紡絲裝置，即是由兩種不同的聚合物溶液從同一個(gè)噴絲頭噴出，其實(shí)驗(yàn)人員將彈性高聚物聚氨酯(PU)和聚丙烯腈(PAN)溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，制備出了具有扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的納米纖維。

2008年，J Yu等[7]利用如圖1所示靜電紡絲裝置，通過調(diào)整收集極位置，充分利用重力場(chǎng)，在靜電紡絲螺旋結(jié)構(gòu)取向上取得很大進(jìn)展。纖維在空氣中不僅受重力場(chǎng)作用，還受電場(chǎng)、流體甚至磁場(chǎng)作用。 將聚己內(nèi)酯(PCL)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氫呋喃(THF)(DMF：THF＝1:1)混合溶劑中，利用圖1裝置制備出扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的微/納米纖維。其中圖1中的1是指2mm的一根金屬絲固定在木板2的一個(gè)木洞中，3是傾斜的玻璃片用于收集扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的納米纖維，實(shí)驗(yàn)在θ＜45°和d1＜6cm的條件下獲得了扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的微/納米纖維。

2011年，S P Shariatpanahi等將聚苯乙烯(PS)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，利用如圖2所示裝置得到了具有扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的微/納米纖維。該裝置與典型的靜電紡絲裝置的區(qū)別在于高壓是運(yùn)用在注射器與針頭之間，其次是利用水流做收集器。

2010年，X Cui等將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于乙醇中，利用靜電紡絲裝置制備出扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的納米纖維。該裝置與典型的靜電紡絲裝置的區(qū)別是：將噴絲頭與一塊金屬板焊接在一起，在噴絲板與旋轉(zhuǎn)收集器之間由七個(gè)鋁環(huán)構(gòu)成，鋁環(huán)上同時(shí)加有高壓。

2010年，K Liu等改進(jìn)了靜電紡絲經(jīng)典模型，成功制得硝酸鈰/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚乙烯醇(PVA)的單組分微納米螺線管狀纖維。采用一種電極嵌套噴頭—中空針頭內(nèi)套金屬針尖，加小尺寸圓形收集極(直徑約為2.5cm)，減小收集極尺寸并集中電場(chǎng)強(qiáng)度，便可連續(xù)制備大量螺旋結(jié)構(gòu)纖維。認(rèn)為形成螺旋結(jié)構(gòu)可以脫離外部因素，只存在于纖維形成的過程中。流體鞭動(dòng)不穩(wěn)定性(微流體空氣中螺旋傾向)、電場(chǎng)線的曲率變化等因素為螺旋結(jié)構(gòu)纖維的形成提供了足夠條件，因此在一個(gè)很廣的范圍內(nèi)(紡絲電壓5～30kV，紡絲距離5～100 cm)采用不同種材料均可收集到扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的纖維。實(shí)驗(yàn)說明傘狀電場(chǎng)分布是螺旋結(jié)構(gòu)形成的理想電場(chǎng)環(huán)境，所以采用針尖對(duì)圓點(diǎn)電極組合方式，控制電場(chǎng)分布，可以獲得理想的結(jié)果。

2005年，P D Dalton等采用雙環(huán)收集法制備扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的納米纖維繩索，如所示，收集極雙環(huán)平行對(duì)稱放置，受電場(chǎng)分布作用，從噴頭噴出的纖維橫跨兩環(huán)之間，紡絲結(jié)束后，一環(huán)靜止，旋轉(zhuǎn)另一環(huán)，兩環(huán)之間的纖維便纏繞成繩索結(jié)構(gòu)，可通過控制旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來約束納米繩索的形態(tài)。但該方法對(duì)纖維束內(nèi)部纖維的數(shù)目難以確知，偶然性因素較多，步驟繁瑣。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，目前，雖然各種各樣的制造扭曲螺旋結(jié)構(gòu)纖維的方法已經(jīng)被廣泛研究與發(fā)展。但是，至今仍沒有一種簡單易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)制備具有螺旋結(jié)構(gòu)的纖維膜。對(duì)于根據(jù)材料導(dǎo)電性或斷裂伸長率的不同來制備螺旋結(jié)構(gòu)的纖維膜來說，存在著可選材料受限的缺點(diǎn)，并且只能制備復(fù)合組分的纖維膜。對(duì)于目前通過對(duì)典型靜電紡絲裝置的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)制備扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的微/納米纖維來說，存在著裝置復(fù)雜，操作繁瑣和后處理時(shí)間長等缺點(diǎn)。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的微/納米纖維膜制備裝置。該裝置制備的三維多孔纖維膜支架具有較高孔隙率、較大孔徑和良好的相互連通性，有利于細(xì)胞的進(jìn)入、增殖及營養(yǎng)液和新陳代謝物的輸送和排出。同時(shí)與天然纖維結(jié)構(gòu)類似的螺旋結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的柔軟性，較大的提高其力學(xué)性能。本實(shí)用新型的另一個(gè)目的是提供一種所述的三維螺旋結(jié)構(gòu)纖維支 架的制備方法，該制備方法具有裝置簡單、操作方便、可利用材料種類繁多等優(yōu)點(diǎn)，使其成為一種理想的加工制造三維螺旋結(jié)構(gòu)纖維支架的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種靜電紡絲裝置。

本實(shí)用新型是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種靜電紡絲裝置，包含固定板6，固定板6上固定有調(diào)控電機(jī)3，調(diào)控電機(jī)3的輸出端安裝有轉(zhuǎn)軸4，轉(zhuǎn)軸4穿過固定板6中部的圓孔，轉(zhuǎn)軸4上套裝有主動(dòng)帶輪9；固定板6左側(cè)設(shè)有軸承14，軸承14的外圈上固定有從動(dòng)帶輪13，主動(dòng)帶輪9和從動(dòng)帶輪13間通過皮帶8傳動(dòng)；軸承14內(nèi)圈的上端連接有送液裝置，軸承14內(nèi)圈的下端連接有連接器16，連接器16連接有紡絲針頭12，紡絲針頭12與高壓發(fā)生器18相連，紡絲針頭12的正下方設(shè)有滾筒收集器19，滾筒收集器19與接地極相連；靜電紡絲過程中調(diào)控電機(jī)3驅(qū)動(dòng)主動(dòng)帶輪9，主動(dòng)帶輪9通過皮帶8驅(qū)動(dòng)從動(dòng)帶輪13，從動(dòng)帶輪13驅(qū)動(dòng)紡絲針頭12旋轉(zhuǎn)，送液裝置保持靜止。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述送液裝置包括推進(jìn)器1，推進(jìn)器1連接有針筒2，針筒2連接有聚四氟乙烯管15，聚四氟乙烯管15與軸承14內(nèi)圈上端連接。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述固定板6下方連接有墊塊5，墊款連接有第 二固定板7，第二固定板7與固定板6配合，固定住軸承14、主動(dòng)帶輪9和從動(dòng)帶輪13；第二固定板7下方連接有第三固定板10，第三固定板10上連接有第四固定板11，第三固定板10和第四固定板11配合，固定住紡絲針頭12。

本實(shí)用新型的有益效果是：

本實(shí)用新型中的裝置制出的三維多孔纖維膜支架具有較高孔隙率、較大孔徑和良好的相互連通性，有利于細(xì)胞的進(jìn)入、增殖及營養(yǎng)液和新陳代謝物的輸送和排出。同時(shí)與天然纖維結(jié)構(gòu)類似的螺旋結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的柔軟性，較大的提高其力學(xué)性能。采用本實(shí)用新型的裝置制備三維多孔纖維膜支架，具有裝置簡單、操作方便、可利用材料種類繁多等優(yōu)點(diǎn)，使其成為一種理想的加工制造三維螺旋結(jié)構(gòu)纖維支架的方法。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例制成的PVA纖維SEM圖(A為1k倍，B為3k倍)；

圖3為靜電紡絲過程中溶液射流體受力示意圖

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

實(shí)施例1：

如圖1所示的一種靜電紡絲裝置，包含固定板6，固定板6上固定有調(diào)控電機(jī)3，調(diào)控電機(jī)3的輸出端安裝有轉(zhuǎn)軸4，轉(zhuǎn)軸4穿過固定板6中部的圓孔，轉(zhuǎn)軸4上套裝有主動(dòng)帶輪9；固定板6左側(cè)設(shè)有軸承14，軸承14的外圈上固定有從動(dòng)帶輪13，主動(dòng)帶輪9和從動(dòng)帶輪13間通過皮帶8傳動(dòng)；軸承14內(nèi)圈的上端連接有送液裝置，所述送液裝置包括推進(jìn)器1，推進(jìn)器1連接有針筒2，針筒2連接有聚四氟乙烯管15，聚四氟乙烯管15與軸承14內(nèi)圈上端連接。軸承14內(nèi)圈的下端連接有連接器16，連接器16連接有紡絲針頭12，紡絲針頭12與高壓發(fā)生器18相連，紡絲針頭12的正下方設(shè)有滾筒收集器19，滾筒收集器19與接地極相連。所述固定板6下方連接有墊塊5，墊款連接有第二固定板7，第二固定板7與固定板6配合，固定住軸承14、主動(dòng)帶輪9和從動(dòng)帶輪13；第二固定板7下方連接有第三固定板10，第三固定板10上連接有第四固定板11，第三固定板10和第四固定板11配合，固定住紡絲針頭12。靜電紡絲過程中調(diào)控電機(jī)3驅(qū)動(dòng)主動(dòng)帶輪9，主動(dòng)帶輪9通過皮帶8驅(qū)動(dòng)從動(dòng)帶輪13，從動(dòng)帶輪13驅(qū)動(dòng)紡絲針頭12旋轉(zhuǎn)，送液裝置保持靜止。

以聚乙烯醇(PVA)為例，將5g聚乙烯醇(PVA)溶于20mL去離子水中，在60℃水浴中振蕩6h,獲得均一的10％(w/v)PVA紡絲液。取一定量PVA紡絲液裝于10mL針筒內(nèi)，用聚四氟乙烯軟管(內(nèi)徑為1.19mm)將PVA溶液連于旋轉(zhuǎn)裝置上端，如所示。將針頭與高壓發(fā)生裝置相連，并以鋁箔紙覆在滾筒收集器作為接收裝置。推進(jìn)器的進(jìn)給速率為1mL/h，紡絲電壓為15kV，接收距離即針頭離滾筒 收集器的距離為10cm，針頭為23G(外徑＝0.6mm、內(nèi)徑＝0.3mm)，紡絲溫度控制為50℃。相對(duì)濕度為40％，調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速為2000rpm，滾筒收集器轉(zhuǎn)速為300rpm。

如附圖2所示，在實(shí)施例中獲得了具有螺旋結(jié)構(gòu)的PVA纖維。這主要是由于，如附圖3所示，在傳統(tǒng)的靜電紡絲過程中，針頭中的溶液射流體僅受到溶液的表面張力(F_st)、推進(jìn)器的推力(F_c)，射流在高壓電場(chǎng)的拉伸力下分裂噴射產(chǎn)生纖維，纖維在重力的作用下自由落下被收集。而在本實(shí)用新型中，靜電紡絲時(shí)，針頭中的溶液射流體不僅受到F_st、F_c，還受到針頭旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的向心力(F_t)，因此在高壓電場(chǎng)的拉伸作用下產(chǎn)生的PVA纖維，在受到重力的同時(shí)，受到針頭旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩力，在扭矩力的作用下，使PVA纖維產(chǎn)生螺旋結(jié)構(gòu)，并通過滾筒收集器進(jìn)行收集，從而產(chǎn)生有序的PVA螺旋結(jié)構(gòu)。