一种负压阵列离心气电纺丝装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明用于纳米纤维支架技术领域，特别是涉及一种负压阵列离心气电纺丝装置。
【背景技术】
[0002]电纺是制备纳米纤维的有效方法。纤维直径通常介于数十纳米至数微米之间，与细胞外基质中胶原等纤维支架的尺寸相近。采用天然高分子或合成高分子电纺纤维构建组织工程支架，可以仿生细胞外基质的结构乃至生物学功能，利于细胞的黏附、分化和增殖，引导组织的再生与修复，成为组织工程支架的研究热点。大量研究报道显示，电纺纳米纤维支架可以提供理想的细胞黏附、增殖和分化微环境。
[0003]但是，传统直流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。
[0004]静电纺丝制备纤维支架具有如下局限性:
1、传统的静电纺丝是纺丝溶液或熔体在直流电场力的定向作用下，形成泰勒锥，最终突破表面张力形成射流。射流在库仑力的作用下被拉伸成纳米纤维，纤维逐层地被接地收集板吸引堆积，形成薄膜或近似三维的支架。但是，支架的纤维是靠电荷引力进行堆积，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。另一方面，传统的直流电纺，电场力方向恒定，当纺丝溶液或熔体的粘度较大时，射流需要的启动电压高。
[0005]2、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，因带同种电荷，先沉积的纤维对电场分布产生影响，并且对于后续射流产生排斥，从而影响泰勒锥的形成和纺丝的持续时间，降低了纺丝效率，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电纺三维结构仍然较为困难。
[0006]3、当采用特定形状的收集器时，纤维往尖端处等电场强度较大的地方沉积，难以形成三维结构。
[0007]4、传统喷头式电纺效率低下，单喷头电纺产量通常只有0.Ι-lg/h，难以实现大规模、高效率的三维支架生产制造。
[0008]高速气吹聚合物溶液进行大规模制备纳米纤维的技术(高速气流纺丝技术)，可以使纤维的制备速度较原来的静电纺丝速度提高10倍以上，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，如何采用高速气纺制备具有三维蓬松结构的纳米纤维支架，仍然缺乏稳定的通用性的工艺。并且，气流纺丝的纤维直径较大(微米级)，直径分布范围广，制备纳米纤维仍存在技术瓶颈。
[0009]目前实验室研究和工业化生产应用的主要是静电纺丝(直流高压电纺)，高压电源一般采用直流(DC)电源作为高压电源；交流高压电纺(AC electrospinning)早在静电纺丝技术发展初期已经有研究人员采用过，但是至今仍然没有得到深入研究和发展。交流电纺生产效率相对较高。而且，交流电纺不需要接地或者接负电压的收集器，收集方式的灵活度更高。但是，定向收集具有特定形状、结构的纤维支架较为困难，而且，生产效率也有待进一步提尚。
[0010]CN1849418A在带电电极和对电极之间的空间中，利用空气流对纳米纤维施加作用，促进纳米纤维从带电电极漂移开，铺置在带电电极前用于储存纳米纤维的设备上。CN102965743A所述的一种带辅助电极的纳米纤维低压电纺装置，采用风机设于收集板上方，通过抽气作用使纤维沉积在收集板上。CN103952780A在静电纺丝收集侧设置有负压吸风口，利用吸风口产生的气流吸附从喷丝针头端喷射出来的微纳米纤维，使其定点或定区域附着在吸风口前的网孔基布上，通过控制网孔基布与喷丝针头的相对运动轨迹与速度、形成均匀分布的纤维网。上述专利通过静电纺丝收集侧引入负压气流以利于静电纺丝微纳米纤维的收集，用于改善纤网均匀性。但是，利用负压收集交流气电纺纳米纤维制备三维支架的方案尚未见报道。
[0011]综上所述，制备材料范围广泛、纤维直径极小、丝径分布均匀、结构蓬松、厚度极大、力学性能优越的纳米纤维三维支架仍然没有通用的解决方案。
【发明内容】
[0012]为解决上述问题，本发明提供一种负压阵列离心气电纺丝装置。装置结构简易，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:一种负压阵列离心气电纺丝装置，包括高压交流发生器、供气装置、箱体、设在所述箱体内的离心喷头、驱动所述离心喷头转动的离心驱动机构以及位于所述箱体底部的负压接收装置，所述离心喷头内部具有储液腔，离心喷头上设有在离心喷头转动时使储液腔内的纺丝溶液或熔体喷出形成射流的出丝细孔，所述负压接收装置包括收集器、负压管和可在负压管内产生负压的负气压发生器，所述负压管在箱体的底部形成负压管口，所述收集器具有多孔结构并嵌套在所述负压管口内，所述负压接收装置设置多个，且多个所述负压接收装置以所述离心喷头为中心排列成环形阵列，高压交流发生器与所述离心喷头相连并可在离心喷头和负压接收装置间形成用于产生溶液射流或熔体射流的电场，供气装置与所述离心喷头相连并可形成由出丝细孔喷出的气流。
[0014]进一步作为本发明技术方案的改进，所述箱体的顶部在各负压接收装置的上方设有鼓风装置，所述鼓风装置可产生将出丝细孔喷出的溶液纤维或熔体纤维吹向负压接收装置的辅助气流。
[0015]进一步作为本发明技术方案的改进，所述离心喷头呈圆筒状，离心喷头的外圆筒壁上开设若干出丝细孔，所述离心喷头的顶部设有顶盖，顶盖的中部开设进料口和进气口，所述进气口通过导气管与供气装置连接，还包括供液装置，所述供液装置通过导液管接入所述进料口。
[0016]进一步作为本发明技术方案的改进，所述离心驱动机构包括设在所述离心喷头底部的旋转轴和通过联轴器与旋转轴连接的可调速直流电机。
[0017]进一步作为本发明技术方案的改进，还包括罩在所述离心驱动机构顶部的绝缘外壳，所述绝缘外壳为中空的圆筒状，绝缘外壳的顶部设有圆孔，所述旋转轴穿过圆孔与离心嗔头相连。
[0018]进一步作为本发明技术方案的改进，所述绝缘外壳的顶部设有可对离心喷头加热的加热装置。
[0019]进一步作为本发明技术方案的改进，所述收集器为呈立方体状或圆筒状的金属栅网。
[0020]进一步作为本发明技术方案的改进，所述收集器为呈圆筒状的多孔无纺布制件。
[0021]进一步作为本发明技术方案的改进，所述负气压发生器为设在所述负压管上的真空栗。
[0022]进一步作为本发明技术方案的改进，高压交流发生器包括函数信号发生器和高压放大器。
[0023]本发明所揭示的负压阵列离心气电纺丝装置，通过合理设置离心喷头、离心驱动机构，并将负压接收装置以所述离心喷头为中心设置成环形，使得离心喷头在离心驱动机构的驱动下作旋转运动时，从离心喷头喷射出的聚合物射流附加了离心力，同时在供气装置的气流推力和负压接收装置的负压吸引作用下，气流路径可控，纤维往负压收集装置定向沉积，同时，气流穿过收集器的多孔蓬松结构，从收集器的下方和侧端导出，并辅助纤维在收集器上持续沉积，成为多孔蓬松的三维支架结构。
[0024]本发明所述装置结构简单，能促使三维结构的纳米纤维生物支架在纺丝的过程中直接形成。成本较低，适于溶液电纺和熔融电纺，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，并且可以通过该方法直接制备大量纳米纤维生物支架；
本发明创新地采用负压收集装置，将交流气电纺丝获得的中性纳米纤维进行三维收集，在离心喷头高速气流喷射和负压收集装置的负压吸引作用下，气流路径可控性大大增强，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，高速气流将辅助纳米纤维在收集器上定向沉积成为具有特定形状、结构三维支架结构，解决了交流电纺纤维收集难的问题。
[0025]与传统静电纺丝制备生物支架相比，使用本发明制备纳米纤维支架，由于纤维成电中性，收集器无需接地或接负高压，可更容易、有效地沉积形成厚度大的三维纤维结构。而且，不会造成电荷积累，对后续纤维沉积无显著影响，可长时间地进行纺丝，工艺更稳定。
[0026]与传统气流纺丝制备生物支架相比，本发明引入了高压交流电场，射流在气流剪力和交变电场的共同作用下，进一步拉伸劈裂，获得的三维支架纤维直径更细，丝径分布更均匀，力学性能优越，解决了气流纺丝制备生物支架的纤维直径大，丝径分布不均的问题。
[0027]与普通交流电纺相比，本发明在交变电场和高速气流的共同作用下，生产效率极大地提高，是传统电纺的10-20倍。而且，在高速气流剪力的作用下，加剧了对液滴表面的扰动，形成纳米纤维的启动交流电压大幅度降低，同时解决了喷头易堵塞的问题。而且，高速气流辅助下射流拉伸劈裂，形成的纳米纤维直径显著减小。
[0028]传统的静电纺丝是在电场的作用下，逐层被电性相反的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。当采用特定形状的收集器时，纤维往尖端处等电场强度较大的地方沉积，难以形成三维结构。而采用本发明，在交变电场、高速气流、接收器负压的共同作用下，射流拉伸劈裂，射流电性交替变化，形成的纳米纤维呈电中性，并在可控气流的辅助下在负压接收器上定向沉积成三维结构，可获得厚度极大、疏松、低密度的支架，更有利于细胞生长。
[0029]本发明的箱体