一种具有三维结构的纳米纤维支架制备装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明用于纳米纤维支架技术领域，特别是涉及一种具有三维结构的纳米纤维支架制备装置及方法。
【背景技术】
[0002]近年来，三维纳米结构在组织工程等领域等到人们的高度关注和深入研究。组织工程的原理是诱导和促进细胞在体外或体内的生长、迀移以及增殖等一系列生理活动，最终形成具有三维结构的器官或组织。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一。
[0003]目前，制备纳米纤维组织工程支架多采用静电纺丝法。静电纺丝方法具有简便快捷、成本低廉等优点，有望成为理想的组织工程仿生支架的制备方法。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
[0010]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】
[0011]为解决上述问题，本发明提供一种具有三维结构的纳米纤维支架制备装置及方法，制备方法工艺简单，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。
[0012]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种具有三维结构的纳米纤维支架制备装置，包括交流高压发生器、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，供液装置可将纺丝溶液或熔体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由出液口吹向旋转接收器的气流，交流高压发生器与所述同轴喷头相连并可在同轴喷头和旋转接收器间形成交变电场，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，出液口内流出的纺丝溶液或熔体在所述气流和交变电场的作用下在同轴喷头与旋转接收器间形成射流。
[0013]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。
[0014]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、供液装置、气压供应装置和加热元件均与数控单元相连。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]进一步作为本发明技术方案的改进，所述交流高压发生器包括函数信号发生器和高压放大器。
[0018]—种具有三维结构的纳米纤维支架制备方法，包括以下步骤:
S10.供液装置可提供纺丝溶液或熔体，打开供液装置，纺丝溶液或熔体进入同轴喷头并由冋轴嗔头的出液口流出；
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，数控单元控制供气装置提供流速、温度适当的气体，气体流经同轴喷头的供气通道，最终从同轴喷头出气口处喷出形成气流，调节交流高压发生器，输出适当波形、频率、幅值的电压，并在同轴喷头和旋转接收器间形成交变电场；
S40.在交变电场力和气流的共同作用下，纺丝溶液或熔体液滴被拉伸形成射流，并在气流的持续作用下，和在交变电场力的作用下，射流劈裂拉伸，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定向沉积，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。
[0019]本发明中，纺丝溶液或熔体在供液装置的作用下，输送给同轴喷头并由同轴喷头的出液口流出，在交变电场和气流的共同作用下，表面张力不足以维持平衡状态，从而在交变电场力和高速气流的共同作用下破裂自发形成多股射流，射流在交变电场力和气流推力作用下加速，电场交替变化，射流电性交替变化，将继续劈裂成更多的小射流，形成更细小的纤维，同时在高速气流的作用下继续拉伸，带不同电荷的纤维相互吸引、中和，形成不带电