一种基于旋转接收器的熔融气纺三维支架制备方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明用于纳米纤维支架技术领域，特别是涉及一种基于旋转接收器的熔融气纺三维支架制备方法及装置。
【背景技术】
[0002]组织工程支架是细胞外基质的人工模拟，为细胞的生长、粘附、增殖及新陈代谢等活动提供了空间，是组织修复与再生所依赖的物质基础。如何制备出性能优良的支架结构直接决定着组织工程的发展，这也成为国内外组织工程工作者一直在研究攻克的难题之
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[0003]近年来，为了研制出理想的微纳米纤维支架，人们从相分离、自组装、静电纺丝等方面展开了研究，其中静电纺丝是目前研究较多也较成熟的技术之一。静电纺丝法制备的微纳米纤维具有较高的比表面积和孔隙率，且可以通过调整纺丝参数来达到控制纤维的直径，能够为细胞增殖和粘附提供适宜的体外环境。
[0004]但是，传统静电纺丝方法用于高效制备可控三维结构仍然存在一定的技术瓶颈。
[0005]静电纺丝制备纤维支架具有如下局限性:
1、随着薄膜支架厚度增加，喷头与收集板之间的电场将逐渐减弱，导致薄膜支架上表面电荷不断积累，最终导致电纺过程终止，限制了所能获得支架的厚度(通常为微米级厚度)，制造大厚度的真正意义的三维结构仍然较为困难。
[0006]2、传统的静电纺丝是在电场的作用下，逐层被接地收集板吸引堆积，支架的纤维排列紧密、纤维之间的空隙过小，使细胞难以长入，无法构建出令人满意的三维组织。
[0007]3、传统喷头式静电纺丝效率低下，单喷头静电纺丝产量通常只有0.1-lg/h，难以实现大规模、高效率的三维支架生产制造。
[0008]4、静电纺丝需要高压电场，对于溶液材料的导电性有一定的要求，选择的材料必须对高压电场有一定的承受能力，不适用于打印导电率差的材料或者具有生物活性的材料，具有材料局限性。
[0009]另一方面，在制备微纳米纤维的工艺与装置方面，目前多采用溶液纺丝技术(如溶液静电纺丝)，且已经得到较为深入的研究，但是，溶液纺丝需要使用溶剂对溶质进行溶解，而多数有机溶剂具有一定的毒性，现有的后续处理技术还无法做到溶剂的完全除去，这就使得微纳米纤维支架的安全性问题备受关注，在生物医药领域使用具有一定的局限性。而与溶液纺丝相比，熔体纺丝因不使用溶剂，不存在溶剂挥发、浪费的问题，转化率高，其纺丝效率可极大提高，同时，也无需从收集纤维除去残余溶剂，可直接制备无毒的微纳米纤维，生物兼容性更优越。
[0010]高速气吹聚合物熔体进行大规模制备纳米纤维的技术(高速气流熔融纺丝技术)，可以使纳米纤维的制备速度较原来的静电纺丝速度提高10倍以上，且无需高压电场，无需去除残余溶剂，材料适用性广，工作环境安全系数高。但是，传统气纺多采用封闭式接收器或滚筒式接收器，在高速气流作用下，容易产生反冲气流，影响纤维的定向沉积，如何采用熔融气纺制备具有三维蓬松结构的纳米纤维支架，仍然没有通用性的工艺。使用旋转敞开式接收器进行熔体气流纺丝纤维收集和三维纤维支架的制备，尚未见报道。
[0011]且另一方面，熔融气纺由于工艺自身的局限性，制备的纤维直径通常较溶液纺丝法制备的纤维直径大。为了获得直径更小的纤维，美国专利(公开号:US20090121379A1)利用热风辅助，引进了辅助热气流，延长熔体在纺丝过程中保持熔融态的时间，从而使得纤维得到更充分的拉伸，减小纤维直径。但是，上述方法应用在三维纤维生物支架制造时，仍然存在一些不足。当辅助气流温度过高，或流速过快时，熔体仍未凝固即被收集器收集，造成纤维与纤维之间互相粘连，结构致密，不利于细胞培养生长，而当辅助气流温度过低，或流速过慢时，纤维得不到充分拉伸即被凝固，造成纤维直径过大。
【发明内容】
[0012]为解决上述问题，本发明提供一种基于旋转接收器的熔融气纺三维支架制备方法及装置，本发明工艺简单，装置简易，材料适应性广，生产效率高，能获得的三维支架厚度大，密度低，孔隙率高，有望实现量产化。使用不同的纺丝材料可直接制备得到不同力学强度、生物相容性及降解性能的三维纤维支架。
[0013]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于旋转接收器的熔融气纺三维支架制备装置，包括供液装置、供气装置、同轴喷头和与所述同轴喷头相对设置的旋转接收器，所述同轴喷头具有与供液装置相连的供液通道和与供气装置相连的供气通道，供液通道具有出液口，供液装置可将熔融的物料送入同轴喷头并由出液口流出，供气通道具有出气口，所述供气装置通过出气口可产生将出液口内流出的熔融物料吹气拉伸并在同轴喷头与旋转接收器间形成熔体射流所需的气流，所述旋转接收器包括转轴、可驱动所述转轴转动的传动装置以及设在所述转轴上的若干支撑臂，支撑臂随转轴转动时可形成正对所述同轴喷头的碗状回转面。
[0014]进一步作为本发明技术方案的改进，所述供液装置包括料筒、设在所述料筒上的料斗和安装在所述料筒内的螺杆及驱动所述螺杆转动的动力装置，所述料筒的侧壁内设有加热装置。
[0015]进一步作为本发明技术方案的改进，所述供气装置包括通过输气管与供气通道相连的气压供应装置，所述输气管上设有精密气压调节阀，输气管上在精密气压调节阀与同轴喷头间还设有加热元件。
[0016]进一步作为本发明技术方案的改进，所述供液通道和供气通道上均设有测温元件，还包括数控单元，所述测温元件、加热装置、动力装置和加热元件均与数控单元相连。
[0017]进一步作为本发明技术方案的改进，所述支撑臂采用弯曲的金属片或金属杆或塑料杆，各所述支撑臂均匀的分布在所述转轴上并形成碗状的爪结构。
[0018]进一步作为本发明技术方案的改进，所述供气通道在同轴喷头内形成包绕在供液通道外侧的储气腔，所述储气腔在所述出液口的外侧形成环形的出气口，所述出气口和出液口位于同一轴线上。
[0019]—种基于旋转接收器的熔融气纺三维支架制备方法，包括以下步骤:
S10.物料加入料筒中，料筒中的物料通过料筒侧壁内的加热装置加热至熔融状态，打开动力装置，动力装置通过料筒内的螺杆将熔融的物料送入同轴喷头并由出液口流出； S20.启动与所述同轴喷头相对设置的旋转接收器，旋转接收器包括转轴、可驱动所述转轴转动的传动装置以及设在所述转轴上的若干支撑臂，支撑臂随转轴转动时形成正对所述同轴喷头的碗状回转面；
S30.打开供气装置，经过精密气压调节阀进行气压调节，经过加热元件进行加热后，流经供气通道，最终从出气口喷出形成气流；部分气体保留于包绕在供液通道外侧的储气腔中，维持供液通道内部的温度，使得供液通道中的物料保持熔融状态；
S40.从出气口喷出形成的气流将出液口内流出的熔融物料吹气拉伸并在同轴喷头与旋转接收器间形成射流，在气流的作用下，实现射流拉伸，获得纳米纤维；
S50.在气流推力作用下，纳米纤维往旋转接收器方向沉积，同时，气流从旋转接收器的侧端导出，并辅助纳米纤维在旋转收集器上沉积成为三维支架结构。
[0020]本发明的有益效果:本发明所述的装置结构简单，能促使三维结构的气纺纳米纤维支架在高速气纺的过程中直接形成。
[0021]本发明所述方法工艺简单，成本较低，适于用不同的纺丝材料制备不同力学强度、生物相容性及降解性能的三维纤维支架，并且可以通过气流熔融纺丝的方法直接制备大量微纳米纤维支架；
所述气流溶液纺丝装置无需高压电场，在高速气流的剪力作用下，即可以实现射流拉伸，获得纳米纤维，安全可靠，材料兼容性好，尤其适用于导电性差或具有生物活性的材料。同时，由于生产原理有本质创新，相比静电纺丝，无残余电荷积累和电场积累等因素造成的厚度限制，可获得极高厚度的三维支架结构。而且，在高速气流的作用下，生产效率极大地提高，是传统静电纺丝的10-40倍。
[0022]与溶液纺丝相比，不使用溶剂，不存在溶剂挥发、浪费的问题，材料适用性更广，转化率高，其纺丝效率可极大提高，同时，也无需从收集纤维除去残余溶剂，可直接制备无毒的微纳米纤维三维支架，生物兼容性更优越。
[0023]本发明可以根据喷头到收集器的距离，环境温度、湿度等参数，通过调节气流温度和气压(气流速度)，来控制射流保持熔融状态的时间，可使射流得到充分拉伸，纤维直径减小，而在沉积在收集器之前冷却成固态，防止发生粘连，使得支架保持蓬松状态。
[0024]根据线动成面的思想，创新地使用旋转接收器进行熔体气流纺丝纤维收集，相比传统平板收集器或者封闭式收集器，可有效地使高速气流通过，从而避免产生反冲气流，影响纤维沉积。相反地，高速气流将帮助纤维在收集器上沉积成为三维支架结构。传统的静电纺丝是在电场的作用下，逐层被接地收集板吸引堆积，支架的纤维排列紧密、纤维之间的空隙过小，使细胞难以长入，无法构建出令人满意的三维组织。而采用气流拉升形成纤维并辅助沉积，可获得疏松、低密度的结构，更有利于细胞生长。
【附图说明】
[0025]下面结合附图对本发明作进一步说明:
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明同轴喷头结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]参照图1、图2，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。以下将详细说明本发明各元件的结构特点，而如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，是以图1所示的结构为参考描述，但本发明的实际使用方向并不局限于此。
[0027]本发明提供了一种基于旋转接