中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

专注于为医疗器械研发与生产服务

2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

 

国际医疗器械展览会上的纤维成型技术——静电纺丝大放异彩 持续应用于医械加工领域

2022-06-29

早在1934年就发明了用静电技术制备有机纳米纤维的装置,并且实现了醋酸纤维素纤维的制备。这是国际上第一次报道利用高压静电法来制备纤维的装置,被认为是静电纺丝制备纳米纤维技术的开端。静电纺丝是一种广泛运用于纤维制备的技术,制备的纤维直径可达几微米甚至几纳米。由于静电纺丝制备的纳米纤维具有高纵横比、大特异性表面积、孔隙可控的特点以及出色的机械性能,静电纺丝逐渐成为纳米纤维制造最普遍的方法之一。还可以应用于医用辅料,在国际医疗器械展览会Medtec中国展上,来自东华大学材料学院的嘉宾也将讲解关于静电纺丝技术在创伤敷料等组织修复方面的应用。

静电纺丝技术被广泛知晓的时间并不久,但其历史最早可以追溯到1887年Charles V. Boys在报告中提到在外部电场的作用下从粘性溶液中得到了“最好的线”。

20世纪90年代以来,由于纳米技术的开发利用,静电纺丝技术也随之兴起,取得了爆炸性的发展。



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#2 静电纺丝装置与原理

静电纺丝装置组成简单,由高压电源、推进泵、注射器、针头和收集器组成,在电纺时高压电源正极连接针头,负极连接收集器接地。静电纺丝时,溶液或熔体液滴由注射器和推进泵推进从针头挤出,在高压下带上电荷,进而被拉伸成纤维,由收集器收集。

具体原理为:在高压电的作用下,聚合物溶液或熔体表面会带上电荷,形成与表面张力相反的静电斥力。当电场强度突破临界值,液滴形成的毛细细丝被拉伸形成锥形,即“泰勒锥”。泰勒锥的底部会形成细小的射流,由于弯曲不稳定性,射流在沿直线运动一小段距离后进行剧烈的鞭挞运动,伴随着溶剂的挥发,射流形成极细的纤维沉积到收集器的表面。




静电纺丝与泰勒锥

#3 静电纺丝影响参数

(1)分子量
当聚合物分子量过低时,射流拉伸流动存在阻力,静电纺出的纳米纤维易形成串珠结构,当分子量达到适宜范围时才会趋于稳定,形成均匀的纳米纤维;而当分子量过高时,纤维直径与纤维间隔进一步增大,且纤维横截面形状逐渐由圆形变为扁平形。

(2)浓度
与分子量一样,静电纺丝时溶液浓度也有一个最佳范围。在较低浓度时,容易得到珠状纤维。随着浓度的增大,珠状纤维逐渐变为纺锤形,直至变为均匀的纳米纤维。当浓度进一步增大,纤维直径也会随着相应增大。超出静电纺丝溶液浓度最佳范围时将无法得到连续的纤维,因为溶液难以保持在针尖的连续流动。

(3)电压
在静电纺丝时,外加电压是一个重要的工艺参数。只有当电压超过临界值时,液滴才能被拉伸成为纤维。当电压较低时,纤维易出现珠状缺陷。



串珠缺陷



正常纤维



带状缺陷

(4)进给速率
聚合物溶液的进给速率(或称流速)也对纳米纤维的形态有着影响。当进给速率过低时,流入针头的溶液来不及跟上被喷射出去的射流,难以形成连续的纤维。而当流速过大时,喷射出去的射流来不及干燥就落到收集器上,容易导致珠状缺陷或带状纤维的形成。

(5)收集距离
静电纺丝另一个控制纳米纤维形态的重要参数是针头到收集器之间的距离。纤维干燥程度是静电纺丝的一个重要物理参数,在射流到达收集器前,需要有足够的距离让溶剂挥发,否则就容易形成珠状缺陷或者形成带状纤维。

(6)针头设置
在传统的静电纺丝设备中通常采用简单的中空针头。随着多聚合物静电纺丝技术的发展,出现了复合型的针头,包括同轴组合针头和其他类型的组合针头。组合型针头能够纺出不同形态的纤维,例如Zhao等人通过设计三流体针头静电纺丝得到了螺旋槽/中空纳米纤维。



三流体针头获得螺旋槽/中空纤维

#4 静电纺丝的应用

1. 组织工程
传统的器官衰竭或组织损伤往往需要依靠器官或者移植来达到治愈目的,在这个过程中有许多的局限性。而静电纺丝纳米纤维由于其良好的生物相容性、可控的机械性能和类似天然细胞外基质的特点,被认为是优秀的组织工程材料。目前电纺纳米纤维已经在皮肤、血管、心脏、神经、骨组织等组织工程领域得到了研究及应用。

2. 伤口敷料
由于具有较大的表面积、较好的机械强度以及类似天然细胞外基质等特点,静电纺丝纳米纤维在伤口愈合方面显示出巨大的应用潜力。作为伤口愈合材料,电纺纳米纤维膜不仅具有很好的防水透气性,还要而已携带药物,在抑菌的同时促进细胞的生长。更多医用辅料的技术及应用,尽在国际医疗器械展览会Medtec中国展技术论坛H:新型医用敷料的技术发展与应用论坛,将在现场讲解伤口护理的解决方案-技术如何服务市场需求、胶原蛋白质量控制和表征分析、硅凝胶在先进伤口护理中的应用,点击快速预登记。

3. 药物输送
在许多情况下,药物不能直接进入人体而需要定向输送至患病区域以防伤害正常细胞,静电纺丝为药物的输送提供了一种简易方便的思路。将治疗药物均匀封装到纳米纤维中,再定向运输至目标区域释放,在这个过程中对纳米纤维的性能与要求极高,而静电纺丝的多功能性与可设计性被认为是解决这一问题的极佳方法。

4.过滤
由于静电纺丝纳米纤维薄膜的比表面积大、孔隙度高,可以作为过滤膜应用于各个领域,最为突出的是空气净化与水净化,常被制成空气颗粒物过滤器芯膜以及油水混合物分离膜。

#5 静电纺丝前景展望

近20年以来静电纺丝技术取得了显著的发展,尤其近年来同轴静电纺丝、吹助静电纺丝等新型静电纺丝技术的出现以及聚合物-聚合物混合物、聚合物-盐混合物、聚合物-金属有机框架混合物等新材料被用于静电纺丝,表明静电纺丝技术未来仍将是发展前景广阔的领域。但仍然有许多问题不可忽视。首先是静电纺丝技术在聚合物领域发展充分,但在非聚合物领域探索极少,未来可以考虑扩展静电纺丝材料的广度。其次是静电纺丝纳米纤维的许多应用仍然停留在实验室试验阶段,例如静电纺纳米纤维在药物输送上的应用仍然未能真正投入使用,在静电纺纳米纤维的进一步改善和优化上仍然有很长的路要走。此外也不得不提到静电纺丝技术一直没能真正实现产业化,距离量产和大规模应用仍有许多难关需要攻克。

毫无疑问,根据许多国际医疗器械展览会Medtec中国展参展商的反馈,静电纺丝技术为纳米纤维在各领域的应用提供了很有前途的办法,同时在很多方面有很长的路要走,相信未来静电纺丝纳米纤维材料会在各个领域取得前所未有的突破。

参考文献
[1] KOSKI A, YIM K, SHIVKUMAR S. Effect of molecular weight on fibrous PVA produced by electrospinning [J]. Materials Letters, 2004, 58(3-4): 493-7.
[2] ZHAO T, ZHENG Y, ZHANG X, et al. Design of helical groove/hollow nanofibers via tri-fluid electrospinning [J]. Materials & Design, 2021, 205.
[3] Xue J, Wu T, Dai Y, et al. Electrospinning and electrospun nanofibers: Methods, materials, and applications[J]. Chemical reviews, 2019, 119(8): 5298-5415.
[4] Bhardwaj N, Kundu S C. Electrospinning: a fascinating fiber fabrication technique[J]. Biotechnology advances, 2010, 28(3): 325-347.
[5] Tebyetekerwa M, Ramakrishna S. What is next for electrospinning?[J]. Matter, 2020, 2(2): 279-283.

来源:高分子物理学