CN104225738B - 一种气流引导式定向原位热溶静电喷涂装置及其应用 - Google Patents

Abstract

一种气流引导式定向原位热溶静电喷涂装置，包括控制箱、贮液器、温控系统、加压系统、电动搅拌系统、进液管、喷枪手柄、喷头、气流导管和高压导线，其中：喷头设置在喷枪手柄前端，在喷头内设有与进液管连接的金属针头；金属针头的管壁连接高压导线，金属针头的外壁和喷头的内壁之间形成的气流通道通过喷枪手柄与气流导管相连通；待喷涂材料与溶剂加入到贮液器中，在电动搅拌系统和温控系统的作用下形成温度恒定的溶液，由加压系统将该溶液挤入进液管，通过进液管进入金属针头，由控制箱控制电压和气流大小，实现气流引导的定向原位静电喷涂。本发明的装置可广泛应用于医疗止血、战伤急救、组织工程和美容化妆品、工业喷涂领域。

Description

一种气流引导式定向原位热溶静电喷涂装置及其应用

技术领域

本发明涉及医疗器材技术领域，特别涉及一种利用静电纺丝技术结合气流引导来实现药液及医用生物材料直接在目标处定点、定向、原位精确喷涂的气流引导式定向原位静电喷涂装置。

背景技术

静电喷涂是一种使带大量静电荷的待喷涂溶液在高压静电电场力的作用下定向运动，形成带电射流，从而实现溶液在目标物体表面涂覆的方法。静电喷涂主要有静电喷雾和静电纺丝两种形式。其中，静电喷雾主要用于对水或水溶液或油漆等无成丝性液体的雾化，主要用于农作物喷雾施药和汽车、家电、仪表的外壳喷漆；静电纺丝是高分子流体静电雾化的特殊形式，利用易挥发的有机溶剂配制具有一定黏度的溶液，通过高压静电发生器产生静电场，使溶液在喷口处雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，射流在空气中经劈裂、拉伸、溶剂挥发过程，最终固化成纤维，沉积在目标收集极上。

静电喷涂过程中，由于电场线的发散性分布，以及带有大量同种静电荷雾化液滴或电纺纤维的相互排斥作用，会使雾化液滴或纤维在目标物体上产生很大的喷涂区域，甚至会涂覆至目标物体的背面，即产生环包效应。当静电喷涂技术用于医疗领域时，环包效应会导致涂覆不精确，药液涂覆到不需要的区域，不仅造成药物的浪费，而且当创面位于体腔内深部时，带电的药物大部分会被吸附到离喷口更近的脏器表面上，产生法拉第笼效应，无法对创面进行有效涂覆。环包效应和法拉第笼效应阻碍了静电喷涂技术在医疗领域的发展。

随着生物敷料的发展和需要，敷料材料和结构必须适用人体组织修复的需要。通常生物医用敷料可以分为体外敷料和体内敷料。其中，体外敷料主要包括烧烫伤敷料、止血消炎敷料、绷带等。体内敷料主要指手术隔离膜，特别是应用于心胸血管器官防粘连隔离的手术。静电纺丝作为一种简单、高效的纳米纤维膜制备方法，已被广泛地研究开发和应用。在医疗止血方面，静电纺丝纳米纤维膜既具有透气性能又能提供有效的屏障保护结构，其孔径分布可以控制到足够小以阻挡细菌的入侵，并且在湿润的伤口表面可以均匀黏附防止脱水，因而非常适合用作皮肤敷料和人工皮肤。此外，电纺纤维膜还具有超高的比表面积，可以大量携载包括抗菌药物在内的多种有益成分，有利于促进受损部位的愈合和组织再生。在美容行业，电纺纤维还可制作成面膜，通过电纺将有益成分添加到纤维中，纤维膜不仅具有优异吸附、清洁作用，同时与皮肤接触可以将有益因子稳定均匀地传递给人体，利于人体组织的吸收和运输。

专利CN 201320741232.3设计了一种气流引导式定向原位静电喷涂装置，可以将α-氰基丙烯酸酯医用胶电纺成微纳米纤维，并在气流导向下精确均匀沉积到伤口表面形成致密薄膜，从而在几秒至十几秒内实现迅速止血，让手术变得更快更安全。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种气流引导式定向原位热溶静电喷涂装置，利用水、乙醇或丙酮等医用溶剂对喷涂材料进行热溶并完成静电喷涂，克服现有静电喷涂技术在医疗领域应用的缺点，实现可溶性药物及医用生物材料直接在人体创面目标处定点、定向、原位精确喷涂。

本发明的技术方案是：

一种气流引导式定向原位热溶静电喷涂装置，包括控制箱、贮液器、温控系统、加压系统、电动搅拌系统、进液管、喷枪手柄、喷头、气流导管和高压导线，所述控制箱内设有高压电源和气泵，其中：所述喷头设置在喷枪手柄前端，在喷头内设有金属针头；该金属针头通过进液管与贮液器相连通；该金属针头的管壁则通过高压导线与控制箱内的高压电源的正极相连接；在喷头内，金属针头的外壁和喷头的内壁之间形成的空间为气流通道，该气流通道通过喷枪手柄与气流导管相连通，而气流导管又与气泵连接；待喷涂材料与溶剂加入到贮液器中，在电动搅拌系统的搅拌下及温控系统的控制下，待喷涂材料在贮液器内充分溶解并维持温度恒定均匀，然后由加压系统将贮液器中溶液挤入进液管，通过进液管进入金属针头，由控制箱控制高压电源的电压和气泵的气流大小，实现气流引导的定向原位静电喷涂。

进一步的，上述喷头上可设有集成传感系统，包括距离传感系统、温湿度传感系统及高速成像系统，分别具备独立的测量喷头与处理目标物距离、周围环境温湿度监测、静电喷涂过程高速成像的功能，其各自工作时互不干扰，统一由计算机收集处理数据。这里的计算机作为辅助系统可实时监控静电喷涂的工作状态和动态参数，对喷涂时的数据收集与处理以及及时调整更有利的工艺参数有重要的帮助。

进一步的，所述温控系统可以包括温度传感器和围绕耐贮液器的加热螺旋线圈。所述加热螺旋线圈两端通过导线连接控制箱，由控制箱上的温度调节旋钮调控，而温度传感器实时监控贮液器中溶液的当前温度，通过反馈和自动调节实现温度恒定功能。

进一步的，所述电动搅拌系统可以由小型旋转电机和与之相连的搅拌头组成，其中搅拌头位于贮液器内，浸入加热保温待喷涂溶液中，通过搅拌保持贮液器中溶液受热均匀。

进一步的，所述加压系统是利用气动隔膜泵，采用压缩气体为动力源，来给贮液器提供足够的外界压力从而使溶液从贮液器的喷嘴挤出，喷涂速度可由提供的外压大小来主动调节。所选压缩气体可以是氮气、氩气、二氧化碳、空气等。

所述控制箱上设置有用来插接气流导管的插口、用来插接连接高压电源正极与喷头的高压导线的插口、用来调节高压电源电压大小的电压调节旋钮、用来调节气泵气流大小的气流调节旋钮、用来调节温控系统温度高低的温度调节旋钮。所述控制箱内的高压电源的负极接地。

上述热溶静电喷涂装置，进一步可以包括一保温套管，所述进液管套装在该保温套管内。

优选的，所述进液管为聚四氟乙烯管；所述气流导管为硅胶气流导管；所述保温套管由聚氯乙烯外层和石棉保温内层构成。

上述热溶静电喷涂装置适用于需要用水、乙醇或丙酮等医用溶剂进行溶解，进而实施静电喷涂的材料。在本发明的优选实施方案中，可选择的喷涂材料包括天然高分子材料，如明胶、透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖、纤维素乙酸酯、丝素蛋白、胶原蛋白等；以及其他功能材料，如聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸羟乙酯和水溶性多肽(如聚赖氨酸、聚天冬氨酸等)，以及上述的两种或多种材料的混合物。

本发明装置用来喷涂的喷头与金属针头之间形成气流通道，通过气流导管与气泵相连通，气流可以引导待喷涂药液沿气流方向运动，起到定向功能，还可以通过削弱环包效应和法拉第笼效应起到束缚作用，从而实现定点定向精确喷涂。本发明的热溶静电喷涂装置弥补了现有喷涂技术的不足，例如成功电纺了多种在常规环境下无法或极难电纺的生物材料，并且使用水、乙醇或丙酮等医用溶剂降低了环境污染的风险，使之在各领域特别是医学领域中的广泛应用成为现实。本装置制备的生物材料适用于多种用途：医疗止血方面，如临床手术止血、烧烫伤敷料、止血消炎灭菌敷料、医用绷带、手术缝合线、血管器官防粘连手术隔离膜；组织工程方面，如制作组织支架、组织填充物、人工皮肤、用于皮肤再生的伤口敷料，以及进行药物装载和定向控制释放；化妆品领域，如面膜的制作和皮肤的护理。特别的，本发明开创了粘附止血材料的潜能基础研究的新途径，可解决手术安全与术后康复控制创面出血难题；创新的理念与外科止血技术的实时结合，进行可靠止血技术的应用与治疗。利用本发明的装置同时可以改变目前传统医用材料的应用方式，可充分保障生物医学材料的粘附力、安全性，实现实质性脏器连续完整性的重建。

附图说明

图1为实施例1的气流引导式定向原位热溶静电喷涂装置的结构示意图。

图2为本发明气流引导式定向原位热溶静电喷涂装置的两种静电喷涂状态示意图。

图3为本发明气流引导式定向原位热溶静电喷涂装置的定向原位沉积原理示意图。

图4为实施例1制备的不同电纺纤维光学照片，其中(a)为明胶/聚乙二醇电纺纤维，(b)为海藻酸钠/聚乙烯醇电纺纤维。

其中：1：控制箱；2：电源开关；3：电压调节旋钮；4：气流调节旋钮；5：温度调节旋钮6：保温套管；7：金属针头；8：进液管；9：喷枪手柄；10：可旋转式喷头；11：集成传感系统；12：气流引导下丝束；14：高压导线；15：气流管道；16：温度传感器；17：电动搅拌系统；18：加压系统；19：腔塞；20：加热螺旋线圈；21：支撑架；22：耐高温贮液器；23：喷嘴；24：加热线圈导线。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的热溶静电喷涂装置包括控制箱1、保温套管6、进液管8、喷枪手柄9、可旋转式喷头10、集成传感系统11、高压导线14、气流导管15、耐高温贮液器22及其温控系统、加压系统18、电动搅拌系统17。所述控制箱1内装有由气流调节旋钮4调控的气泵和由电压调节旋钮3调控的高压电源。可旋转式喷头10设置在喷枪手柄9前端；进液管8套装在保温套管6内，并穿过喷枪手柄9与设置在喷头10内的金属针头7相连接；气流导管15一端连接气泵，另一端接在喷枪手柄9的末端。设置在喷头10内，并与进液管8相连接的金属针头7的管腔与高压导线14相连，高压导线14另一端与控制箱1内的高压电源正极相连接。所述喷头10内壁与金属针头7外壁之间形成的环形管道空间为气流通道，控制箱1内的气泵产生具有一定压力的气流通过气流导管15与该气流通道相连通，使气泵中的气流可以从喷头10内的气流通道喷出。

贮液器22固定于支撑架21上，所述温控系统包括温度传感器16、加热螺旋线圈20、加热线圈导线24以及控制箱1上的温度调节旋钮5。所述加热螺旋线圈20围绕在耐高温贮液器22周围，加热螺旋线圈20两端通过加热线圈导线24与控制箱1连接，温度调节旋钮5可调节所需加热温度，温度传感器16可实时监控当前温度，通过反馈和自动调节实现温度恒定功能。所述电动搅拌系统17包括小型旋转电机和搅拌涡轮，搅拌头浸入高温待喷涂溶液中，通过搅拌保持溶液受热均匀。加压系统18是利用气动隔膜泵，采用压缩气体为动力源来给贮液器22提供足够的压力，从而使溶液从喷嘴23挤出，喷涂速度可由提供的气压大小来调节。所选压缩气体可以是氮气、氩气、空气、二氧化碳等。

喷头10上设置的集成传感系统11包括距离传感系统、温湿度传感系统及高速成像系统，分别具备独立的测量喷头10与处理目标物距离、周围环境温湿度监测、静电喷涂过程高速成像的功能，其各自工作时互不干扰，统一由计算机收集处理数据。

所述控制箱1上设有电源开关2、电压调节旋钮3、气流调节旋钮4、温度调节旋钮5以及位于这些旋钮上方显示参数的显示屏。喷涂时，首先将待喷涂溶液加入到贮液器22内，打开电源开关2，温控系统和电动搅拌系统17开始工作。先后调节温度调节旋钮5(可控温度范围约为50-400摄氏度)，气流调节旋钮4(流量约为5-20升/分钟)，电压调节旋钮3(可控电压最高为30千伏)，可根据需要分别调至不同的参数；待温度稳定后，开启加压系统18，手持喷枪手柄9，将喷头10对准目标物体开始喷涂。根据溶液性质的不同，本装置具有原位静电纺丝喷涂(图2左)和静电喷雾喷涂(图2右)两种功能。喷涂结束后，先后调节加压系统18、温度调节旋钮5、电压调节旋钮3、气流调节旋钮4至最小，最后关闭电源开关2。

本发明的热溶静电喷涂装置在气流辅助下，可以实现沉积范围和沉积地点的精确控制。其定向原位沉积原理如图3所示，以培养皿中的水面作为收集衬底，打开气泵后，气流通过喷头吹向水面，水在气流挤压下向周围流动形成一小孔洞，表明气流辅助不仅可以帮助实现精确喷涂和定向沉积，还能够有效清洁收集衬底的表面。

以明胶/聚乙二醇的热溶静电纺丝为例说明热溶静电纺丝的过程如下：

首先称取4g明胶和0.5g聚乙二醇与10g去离子水混合，先在室温下静置30分钟，然后在60℃水浴中加热搅拌2小时至均一透明状态，得前驱体溶液。取适量前驱体溶液注入到贮液器22中，打开电源开关2，温控系统和电动搅拌系统17开始工作。先后调节温度调节旋钮5(温度设定为60℃)，气流调节旋钮4(流量为10升/分钟)，电压调节旋钮3(电压设定为20千伏)；待温度稳定后，开启加压系统18，手持喷枪手柄9，将喷头10对准目标物体开始喷涂，形成气流引导下丝束12，喷涂时间1分钟，明胶/聚乙二醇纤维逐渐沉积成膜。喷涂结束后，先后调节加压系统18、温度调节旋钮5、电压调节旋钮3、气流调节旋钮4至最小，最后关闭电源开关2。

如图4所示为利用热溶静电喷涂装置制备的(a)明胶/聚乙二醇电纺纤维和(b)海藻酸钠/聚乙烯醇电纺纤维光学照片。

Claims (9)

1.一种气流引导式定向原位静电喷涂装置，包括控制箱、贮液器、温控系统、加压系统、电动搅拌系统、进液管、喷枪手柄、喷头、气流导管和高压导线，所述控制箱内设有高压电源和气泵，其中：所述喷头设置在喷枪手柄前端，在喷头内设有金属针头；该金属针头通过进液管与贮液器相连通；该金属针头的管壁则通过高压导线与控制箱内的高压电源的正极相连接；在喷头内，金属针头的外壁和喷头的内壁之间形成的空间为气流通道，该气流通道通过喷枪手柄与气流导管相连通，而气流导管又与气泵连接；待喷涂材料与溶剂加入到贮液器中，在电动搅拌系统的搅拌下及温控系统的控制下，待喷涂材料在贮液器内充分溶解并维持温度恒定均匀，然后由加压系统将贮液器中溶液挤入进液管，通过进液管进入金属针头，由控制箱控制高压电源的电压和气泵的气流大小，实现气流引导的定向原位静电喷涂。

2.根据权利要求1所述的气流引导式定向原位静电喷涂装置，其特征在于，所述喷头上设置有集成传感系统，该集成传感系统包括：用于测量喷头与处理目标物距离的距离传感系统，用于监测周围环境温湿度的温湿度传感系统，和，用于对静电喷涂过程高速成像的高速成像系统。

3.根据权利要求1所述的气流引导式定向原位静电喷涂装置，其特征在于，所述温控系统包括围绕贮液器的加热螺旋线圈和实时监控贮液器中溶液温度的温度传感器；所述加热螺旋线圈两端通过导线连接控制箱。

4.根据权利要求1所述的气流引导式定向原位静电喷涂装置，其特征在于，所述加压系统利用气动隔膜泵，采用压缩气体为动力源给贮液器提供足够的压力，从而使贮液器中的溶液从贮液器喷嘴挤出。

5.根据权利要求1所述的气流引导式定向原位静电喷涂装置，其特征在于，所述电动搅拌系统由小型旋转电机和与之相连的搅拌涡轮组成，其中搅拌涡轮位于贮液器内。

6.根据权利要求1所述的气流引导式定向原位静电喷涂装置，其特征在于，所述气流引导式定向原位静电喷涂装置还包括一保温套管，所述进液管套装在该保温套管内。

7.根据权利要求6所述的气流引导式定向原位静电喷涂装置，其特征在于，所述保温套管由聚氯乙烯外层和石棉保温内层构成。

8.根据权利要求1所述的气流引导式定向原位静电喷涂装置，其特征在于，所述进液管为聚四氟乙烯管；所述气流导管为硅胶气流导管。

9.根据权利要求1所述的气流引导式定向原位静电喷涂装置，其特征在于，所述控制箱上设置有用来插接气流导管的插口、用来插接高压导线的插口、用来调节高压电源电压大小的调节旋钮、用来调节气泵气流大小的调节旋钮和用来调节温控系统温度高低的调节旋钮。