一种制备电纺纤维的装置与方法与流程

本发明涉及电纺纤维技术领域，尤其涉及制备电纺纤维的装置与方法。

背景技术：

电纺纤维技术是利用高分子液体上的电荷将液体拉出纳米或微米尺度的细丝，其具体过程为：施加一高电压于注射式泵浦之针头，使得针头内液体带有电荷，由于电荷之间互相排斥且与接地端互相吸引，使得液体能够克服表面张力射出表面并到达接地的收丝器。

电纺纤维是体外细胞培养支架中最为重要的材料之一，在损伤组织的再生与修复领域具有巨大的应用前景。电纺纤维进行细胞培养的主要机理是纳米尺度的直径分布能够很好的模拟天然的细胞外基质结构，进而促进细胞的粘附、迁移、生长及诱导细胞增殖和转化。具有有序排列的纤维由于其独特的排列方式，能够引导细胞定向生长和促进神经干细胞向神经网络的形成，因此受到研究者的广泛关注。

传统的电纺丝技术仅能够制备具有二维的定向有序结构的电纺纤维膜，这类纤维膜只能为细胞提供表面的生长空间，狭小的孔径使得细胞很难进入到支架内部生长，进而极大降低了支架细胞的担载量和细胞生长的空间，很难真正模拟体内细胞的生长环境。因此，现有的二维定向纤维膜不能满足其组织工程领域的应用要求。

近年来，具有三维蓬松状结构的纳米纤维开发与研究为细胞的体外培养提供了很好的环境，可以促进细胞的粘附、迁移、增殖与生长，进而形成具有三维结构的器官或组织。通过包覆生长因子及其他蛋白分子可以扩大该类纳米纤维的用途，为细胞的增殖与分化提供了更加有利的环境。

但是，随着生物医学的发展，无序排列的三维电纺纤维不能满足特定细胞的生长需要。一些细胞(如神经干细胞)的生长与分化需要三维有序的排列结构，因此，需要开发新的技术制备三维有序排列的蓬松状结构的电纺纤维，使细胞能在这种三维结构上黏附、迁移与增殖，最终使组织得以重建。

近年来，研究人员采用各种方法制备定向电纺纳米纤维，如通过改进接收装置等，但是获得的纤维紧密堆积，孔径小且不连通，很难满足体外三维细胞培养，无法满足较高的组织工程要求。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于提供一种电纺纤维的制备方法，本申请制备的电纺纤维具有三维定向结构，可实现细胞体外三维培养。

有鉴于此，本申请提供了一种制备电纺纤维的装置，包括：电纺丝柜、高压电源、推进泵、电纺丝接收装置与旋转支架，所述电纺丝接收装置包括环形接收装置与旋转支架；

所述电纺丝柜的顶端设置有开孔，推进泵下端固定有注射器，所述注射器通过所述开孔设置于所述电纺丝柜内部；

所述电纺丝柜内部且所述注射器正下方设置有纺丝容器；

所述纺丝容器中盛装有接收液与未完全浸没于所述接收液的环形接收装置；

所述电纺丝接收装置的旋转支架设置于所述纺丝容器上端，所述环形接收装置同轴套于所述旋转支架的外部；

所述纺丝容器外底部设置有导电层；

所述导电层与所述高压电源的负极相连，所述注射器与所述高压电源的正极相连，所述高压电源设置于所述电纺丝柜的外部。

优选的，所述注射器的金属针头与所述接收液液面的距离为5～25cm。

优选的，所述纺丝容器为方形容器，所述方形容器的长度大于30cm，高度为10～30cm。

优选的，所述导电层的导电材料为锡膜。

优选的，所述接收液选自乙醇、甲醇、丙酮、水、二甲基甲酰胺、三氯甲烷、二氯甲烷和四氢呋喃中的一种或两种。

优选的，所述注射器的金属针头上设置有绝缘薄片，所述绝缘薄片距所述金属针头的底端3～10cm处。

本申请还提供了利用上述方案所述的装置制备电纺纤维的方法，包括以下步骤：

将高聚物与溶剂混合，得到纺丝溶液；

将所述纺丝溶液置于注射器中，开启高压电源、推进泵与旋转支架，开始纺丝；

将环形接收装置上的纤维团中的接收液分离，得到纤维团；

将所述纤维团冷冻后冻干，得到电纺纤维。

优选的，所述高聚物选自壳聚糖、海藻酸钠、聚乙烯醇、胶原、蛋白质、聚乳酸、聚己内酯、聚苯胺、聚氯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种或多种；所述纺丝溶液的浓度为6wt％～15wt％。

优选的，所述电源电压为5～25千伏，所述推进泵的推进速度为0.1～2.5ml/h。

优选的，得到纤维团的步骤具体为：

将环形接收装置上的纤维团转移至装有超纯水的烧杯中，置换出纤维团中的接收液，重复若干次，得到含有超纯水的纤维团。

本申请提供了一种制备电纺纤维的装置与利用所述装置制备电纺纤维的方法。本申请利用电纺纤维的装置制备电纺纤维的方法具体为：首先将高聚物与溶剂混合，得到纺丝溶液，再利用所述装置将上述纺丝溶液置于注射器中，并开启高压电源与推进泵，开始纺丝；然后将环形接收装置上的纤维团中的溶剂进行分离，得到纤维团，最后进行纤维团的冷冻与冻干，得到电纺纤维。在上述过程中，纺丝溶液在电荷之间的相互排斥力与电场力的作用下，自注射器的针头射出，形成细丝，由于环形接收装置的旋转，纤维被取向，纤维在下落的过程中受到重力、电场力、环形接收装置的扭转力以及纤维与纤维之间的斥力等作用，在纤维接触到接收液后得到释放，且纤维在上述作用力的作用下能够均匀分散，最后进行冷冻与冻干，使纤维分散后的形态得以保存，从而制备出三维定向蓬松状结构的电纺纤维，其比表面积大，内部有大量的内部连接孔，能够实现细胞体外三维培养。

附图说明

图1为本发明制备电纺纤维的装置示意图；

图2为本发明实施例1制备的三维定向聚丙烯腈纤维的SEM照片；

图3为本发明实施例1制备的三维定向聚丙烯腈纤维的荧光图；

图4为本发明实施例2制备的三维定向左旋聚乳酸纤维的SEM照片。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种制备电纺纤维的装置，包括：包括：电纺丝柜、高压电源、推进泵、电纺丝接收装置与旋转支架，所述电纺丝接收装置包括环形接收装置与旋转支架；

所述电纺丝柜的顶端设置有开孔，推进泵下端固定有注射器，所述注射器通过所述开孔设置于所述电纺丝柜内部；

所述电纺丝柜内部且所述注射器正下方设置有纺丝容器；

所述纺丝容器中盛装有接收液与未完全浸没于所述接收液的环形接收装置；

所述电纺丝接收装置的旋转支架设置于所述纺丝容器上端，所述环形接收装置同轴套于所述旋转支架的外部；

所述纺丝容器外底部设置有导电层；

所述导电层与所述高压电源的负极相连，所述注射器与所述高压电源的正极相连，所述高压电源设置于所述电纺丝柜的外部。

如图1所示，图1为本发明制备电纺纤维的装置，其中1为推进泵，2为注射器，3为电纺丝柜，4为环形接收装置，5为旋转支架，6为纺丝容器，7为导电层，8为高压电源。

按照本发明，所述电纺丝柜3为本领域技术人员熟知的封闭的柜体，其可以为封闭的长方体柜体，也可以为封闭的正方体柜体，对其形状本申请没有特别的限制，所述电纺丝柜3优选为封闭的柜体是为了防止在制备电纺纤维的过程中气流对电纺纤维的影响。所述电纺丝柜3的顶端设置有通孔，以电纺丝柜3为正方体或长方体为例，所述电纺丝柜的顶端可以是电纺丝柜的上表面，也可以是电纺丝柜的四个侧面的上部，但是为了方便电纺纤维的制备，本申请优选在电纺丝柜的上表面设置开孔。为了方便注射器2设置于电纺丝柜内部，所述开孔优选为长方形开孔。所述推进泵1的下端固定有注射器2，所述注射器2通过所述开孔设置于所述电纺丝柜3内部，所述推进泵1与所述注射器2均为本领域技术人员熟知的部件，对此本申请没有特别的限制。作为优选方案，本申请所述注射器2的金属针头自底部至上3～10cm处设置有绝缘薄片，其有助于稳定并集中电场，防止纤维飘散。

本申请所述纺丝容器6设置于所述电纺丝柜的内部；由于电纺丝液在下降的过程中会受到重力的作用，因此，为了使电纺丝液顺利进行纺丝，本申请所述纺丝容器6设置于所述注射器2的正下方。本申请对所述纺丝容器的形状没有特别的限制，可以为方形，也可以为圆形，作为优选方案，所述纺丝容器6优选为方形容器，其长度优选大于30cm，以防止电纺纤维附着于纺丝容器口周围；所述纺丝容器6的高度优选为10～30cm。本申请所述纺丝容器6的具体尺寸还需要根据制备的纤维的量以及电纺丝柜的尺寸进一步进行选择，以使电纺纤维更易形成高孔隙率的三维定向纤维支架。

所述纺丝容器6中盛装有接收液与环形接收装置4，所述环形接收装置4是将电纺纤维进行缠绕的装置，为了实现电纺纤维的缠绕制备，本申请将环形接收装置4与旋转支架5统称为电纺丝接收装置，所述环形接收装置4同轴套于旋转支架5外部，所述环形接收装置4不完全浸没于接收液中。为了利于进行电纺纤维的制备，所述注射器2的金属针头与接收液液面的距离优选为5cm～15cm，更优选为8～10cm。所述接收液优选为乙醇、甲醇、丙酮、水、二甲基甲酰胺、三氯甲烷、二氯甲烷和四氢呋喃中的一种或多种，在实施例中，所述接收液优选为乙醇。

在制备电纺纤维的过程中，纺丝溶液向下注射，在电场力与重力的作用下，其形成纺丝纤维，纺丝纤维落至环形接收装置4表面，环形接收装置4在旋转支架5的作用下旋转，随着纺丝纤维的不断增加，纺丝纤维不断分散，形成纤维团。本申请所述旋转支架5为带动环形接收装置4旋转的装置，其设置于所述纺丝容器6的上端。在所述环形接收装置4的轴线方向上，所述旋转支架5上优选设置有旋转马达，以实现环形接收装置的自动旋转。为了保证旋转支架的稳定旋转，本申请优选在旋转支架与所述纺丝容器平行的四个方向均设置了边框，所述边框通过旋转马达固定于旋转支架的四周。

为了使纺丝纤维缠绕于环形接收装置上，本申请设置了高压电源8与导电层7，所述高压电源8设置于所述电纺丝柜3的外部，且其正极与注射器2相连，正极与导电层7相连；所述导电层7设置于纺丝容器6底部且与所述电纺丝柜3之间。作为优选方案，本申请所述高压电源8的负极也可同时作接地处理，可以避免制备过程中产生静电，提高纤维制备的安全性。所述导电层的材料优选为锡膜。

本申请还提供了利用上述装置制备电纺纤维的方法，包括以下步骤：

将高聚物与溶剂混合，得到纺丝溶液；

将所述纺丝溶液置于注射器中，开启高压电源、推进泵与旋转支架，开始纺丝；

将环形接收装置上的纤维团中的接收液分离，得到纤维团；

将所述纤维团冷冻后冻干，得到电纺纤维。

按照本发明，首先进行纺丝溶液的制备，即将高聚物与溶剂混合，得到纺丝溶液；此过程中所述高聚物为本领域技术人员熟知的生物材料，可根据选用不同种类的生物材料，得到不同力学强度、生物相容性和降解性能的三维电纺纤维支架；示例的，所述高聚物优选选自壳聚糖、海藻酸钠、聚乙烯醇、胶原、蛋白质、聚乳酸、聚己内酯、聚苯胺、聚氯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种或多种；更优选为左旋聚乳酸(PLLA)或聚丙烯腈(PAN)；所述溶剂同样为本领域技术人员熟知的溶剂，优选选自DMF、THF和CH₂Cl₂中的一种或两种。所述纺丝溶液的浓度优选为6wt％～20wt％，更优选为10～15wt％，以便于纺丝纤维的制备。

本申请然后开始进行纺丝，具体为：将纺丝溶液置于注射器中，开启高压电源、推进泵与旋转支架，开始纺丝；此过程中，纺丝溶液在下落过程中形成纺丝纤维，其受到重力、电场力、环形接收装置的扭转力以及纤维与纤维之间的斥力等作用，在纤维接触到接收液后得到释放，形成均匀分散的纤维团。所述高压电源的电压优选为10～20千伏，更优选为12～16千伏；所述推进泵的推进速度优选为0.5～1.5毫升/时，更优选为0.6～1.2毫升/时。

上述过程中得到的纤维团中含有接收液，是不纯净的，因此需要将上述过程得到的纤维团在超纯水中进行置换，以得到含有超纯水的纤维团。具体过程为：

将环形接收装置上的纤维团转移如装有超纯水的烧杯中，置换出纤维团接收液成分，重复若干次，直到纤维团中的接受溶剂除尽。

本申请最后将含有超纯水的纤维团进行冷冻与冻干处理，以使制备得到的纤维团保存分散后的形态，且经冷冻干燥后纤维的形态依然能够保持纤维的形态，最终制备得到三维定向电纺纤维。所述冷冻与所述冻干处理为本领域技术人员熟知的技术，对此本申请没有特别的限制；具体的，所述冷冻优选在冰箱中进行，所述冷冻的温度优选为-20～-80℃；所述冻干处理优选在冻干机中进行。

本申请在制备电纺纤维的过程中，利用所述制备电纺纤维的装置进行了电纺纤维的制备，使纤维在环形接收装置的旋转下，纤维被取向；在下落的过程中，纤维受到重力、电场力、环形接收装置的扭转力以及纤维与纤维之间的斥力等作用，在纤维接触到接收液后得到释放，然后使得纤维在这些力的作用下，均匀分散；然后通过置换后进行冻结，保存了纤维分散后的形态，经冷冻干燥后纤维的形态依然能够保持纤维的形态，进而能够制备三维定向电纺纤维。

本发明制备的电纺纤维具有三维定向蓬松状结构，比表极大，内部有大量的内部连接孔，本发明的制备工艺简单，操作方面有望规模化生产。本发明也适合大量的可溶性高分子材料制备三维定向电纺纤维。此外，本发明所述工艺简单，环形接收装置能够促使三维定向结构的电纺纤维支架在电纺过程中形成，并且可以通过大量生产。

本申请制备的三维定向电纺纤维支架可促使细胞能够顺利地进入支架的内部，实现体外三维培养，有利于细胞的黏附生长和营养物质输送及代谢废物的排泄，提高细胞的存活率及繁殖速度，促进种子细胞在支架中的增殖、生长与分化；为细胞生长和增殖提供了良好的代谢环境，在损伤组织的再生与修复领域具有极大的应用前景。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的制备电纺纤维的装置与方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

本发明采用扫描电子显微镜(SEM，Hitachi S-4800N)观察样品的形貌；荧光成像采用德国Leica公司生产的Leica TCS-SP2 Confocal Microscope激光共聚焦显微镜进行测试。

实施例1

如图1所示，图1为本发明制备电纺纤维的装置，其包括：微量推进泵1，注射器2，电纺丝玻璃柜3，环形接收装置4，旋转支架5，长方体纺丝容器6，导电层7，高压电源8；

电纺丝玻璃柜3的顶端开有一长方形孔，推进泵1下端固定由注射器2，注射器2通过长方形小孔嵌入玻璃柜3内部，玻璃柜3内部设置有长方形纺丝容器6，长方形容器6位于注射器2正下方，长方形纺丝容器6中盛装有接收液和环形接收装置4，环形接收装置4轴连接旋转支架5，旋转支架5设置于长方形纺丝容器6上端，长方形纺丝容器6的外底端设置有导电层7，导电层7通过导电线与高压电源8的负极相连；注射器2下部设置的金属丝与高压电源8的正极相连，注射器的金属针头与接收液液面的距离为15cm；

长方形纺丝容器6的长度为45cm，高度为20cm，注射器2的金属针头自底至上3～10cm处设置有绝缘薄片。

实施例2三维定向聚丙烯腈电纺纤维的制备，包括以下步骤：

1)纺丝溶液的制备：称取100毫克PAN(分子量-10万道尔顿)，溶于1毫升DMF溶剂中，制得10wt％PAN溶液，用封口膜封住溶液瓶盖磁力搅拌48小时左右，待用；

2)纺丝过程：调节微量推进泵参数：容量3毫升，推进速度1.0毫升/小时，打开环形接收装置与旋转支架，调节旋转支架转速使转动稳定，方形容器中盛入3000ml乙醇，调节液面距离针头15cm，打开高压电源，调节电压值16千伏，开始纺丝，使纤维团进入接收液乙醇中；

3)分离纺丝纤维：将乙醇中的PAN纤维团转移到装有超纯水的烧杯中，将接收溶液各成分置换出三维定向电纺纤维，重复若干次除尽三维纤维中的乙醇等杂质；

4)将含超纯水的三维电纺纤维团放入-80℃冰箱冷冻自至完全结冰；

5)将上述步骤得到的冷冻样品放入冻干机进行冻干处理，最终得到PAN三维纤维支架材料。如图2所示，图2为本实施例制备的三维定向聚丙烯腈的SEM照片，图3为本实施例制备的三维定向聚丙烯腈的荧光图，由图2与图3可知，本实施例制备的三维电纺纤维支架材质轻盈蓬松，外观呈海绵状均一丝团，孔隙直径为10μm～100μm，纤维直径为0.3～3μm。

实施例3三维定向左旋聚乳酸电纺纤维的制备，包括以下步骤：

1)纺丝溶液的制备：称取65毫克PLLA(分子量＝20万道尔顿)，溶于lmL 9：1，CH₂Cl₂/DMF(v/v)溶剂中，制得6.5wt％PLLA溶液，磁力搅拌6小时，待用；

2)纺丝过程：调节微量推进泵参数：容量1.0毫升，推进速度0.6毫升/小时，运行，方形容器中盛入3000ml乙醇，调节液面距离针头15cm，打开高压电源，调节电压值为12千伏，开始纺丝，使纤维团进入接收液乙醇中；

3)分离纺丝纤维：将乙醇中的PLLA纤维团转移到装有超纯水的烧杯中，将接收溶液各成分置换出三维电纺纤维，重复若干次除尽三维纤维中的乙醇等杂质；

4)将上述步骤得到的含超纯水的三维电纺纤维团放入-80℃冰箱冷冻直到完全结冰；

5)将上述步骤得到的冷冻样品放入冻干机进行冻干处理，最终得到PLLA三维定向纤维支架材料。如图3所示，图3为本实施例制备的三维定向左旋聚乳酸纤维的SEM照片，本实施例制备的三维电纺纤维支架材质轻盈蓬松，外观呈海绵状均一丝团，孔隙直径为20μm～200μm，纤维直径为0.5～3μm。

实施例4三维定向聚乙烯电纺纤维的制备，包括以下步骤：

1)纺丝溶液的制备：称取160毫克PVC(分子量-10万道尔顿)，溶于1毫升溶于lmL 9：1，THF/DMF(v/v)溶剂中，制得16wt％PVC溶液，采用封口膜封住溶液瓶盖磁力搅拌24小时左右，待用；

2)纺丝过程：调节微量推进泵参数：容量2.5毫升，推进速度1.2毫升/小时，运行，打开旋转装置，调节转速使转动稳定，方形容器中盛入3000ml乙醇，调节液面距离针头15cm，打开高压电源，调节电压值14千伏，开始纺丝，使纤维团进入接收液乙醇中；

3)分离纺丝纤维：将乙醇中的PVC纤维团转移到装有超纯水的烧杯中，将接收溶液各成分置换出三维定向电纺纤维，重复若干次除尽三维纤维中的乙醇等杂质；

4)将上述步骤得到的含超纯水的三维电纺纤维团放入-80℃冰箱冷冻自至完全结冰；

5)将上述步骤得到的冷冻样品放入冻干机进行冻干处理，最终得到PVC三维纤维支架材料。本实施例制备的三维电纺纤维支架材质轻盈蓬松，外观呈海绵状均一丝团，孔隙直径为10μm～100μm，纤维直径为0.3～3μm。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。