CN108103598A - 一种制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置 - Google Patents

Abstract

一种制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，属于组织工程材料制备领域，包括静电纺丝喷丝口，喷丝口下方设有接收装置，接收装置包括一对竖向设置且相互平行的接收极板和卷轴，卷轴垂直于两个接收极板设置、搭放在两个接收极板的上沿；接收装置还包括推动卷轴沿垂直于卷轴的水平方向做往返运动的推进机构；卷轴上还连接有转动机构。利用该装置制备的纳米纤维管状组织工程材料中的纤维沿轴取向度高，用作人工血管有利于内皮细胞沿轴取向生长并形成与真实血管一样的内皮组织。

Description

一种制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置

技术领域

本发明属于组织工程材料制备领域，具体涉及一种制备具有沿轴向取向的结构的管状组织工程材料的静电纺丝接收装置。

背景技术

心血管疾病严重威胁着人类的健康，目前临床上主要采用介入治疗和血管搭桥手术作为治疗手段；由于介入治疗不能完全避免再狭窄的发生，血管搭桥手术仍是最佳选择，但常因自体血管来源不足或者某些复杂的血管病变而不能施行。因此，研发能够替代自体血管的人工血管或是管状组织工程支架已逐渐成为研究的热点。

静电纺丝技术在过去十多年中得到了飞速发展，是制备纳米纤维的有效途径之一；通过静电纺丝法制备的纳米纤维管支架具有高孔隙率、小孔径及高比表面积等特点，有着巨大的应用潜力。

通常，电纺纤维以无规的形式沉积在接收装置上，不利于细胞的繁殖生长，这限制了它在血管组织工程中的应用。因此，已有学者对电纺管状血管支架中纤维的取向排列进行了研究，其中最常用的方法是使用旋转的接收转轴，先使得纤维沿轴向沉积于转轴表面，再通过转轴的旋转形成管状的血管支架。该方法虽然能够有效地获得纤维沿转轴轴向取向排列的管状血管支架，但随着纺丝过程的不断进行，管状支架厚度随之增加，绝缘棒和金属块或磁极系统之间的电势差减小，纤维的轴向取向度也会逐渐减小，因而并不能保证管状血管支架较外层的纤维也是轴向取向排列的。纺丝结束后，如何将纳米纤维管从转轴上取下也是本领域技术人员所面临的难题。此外，利用现有技术组织工程血管还存在纤维分层的问题不能解决。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种用于制备沿轴取向的管状组织工程材料的静电纺丝接收装置。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，包括静电纺丝喷丝口，喷丝口下方设有接收装置，接收装置包括一对竖向设置且相互平行的接收极板，接收装置还包括卷轴，卷轴垂直于两个接收极板设置、搭放在两个接收极板的上沿；接收装置还包括推动卷轴沿垂直于卷轴的水平方向做往返运动的推进机构；卷轴上还连接有转动机构。静电纺丝技术中喷丝口与接收极板之间应具有适当的电势差，电路连接可以是喷丝口与负极相连、接收极板与正极相连，也可以是喷丝口与正极相连、接收极板连接负极或接地。接收极板一般选用介电常数大于3的介电材料制成。

喷丝口到接收极板的距离为140～200mm；两个接收极板之间的距离为30～60mm。

卷轴做往返运动的周期为5～20s，有效行程为200～600mm，卷轴的运动线速度为20～60mm/s；卷轴的旋转角速度为1～10rad/s。

推进机构包括垂直于卷轴水平设置于接收极板下方的丝杆；丝杆上螺接有滑台，滑台上设有底座，底座上固接有位于卷轴两端的卷轴支撑座。

转动机构包括设于接收极板两侧与接收极板平行的齿条，卷轴上设有与齿条相配合的齿轮。齿轮半径最好控制在5mm～10mm。

推进机构还包括控制系统和与丝杆相连接的正反电机；控制系统包括控制器和与控制器相连接的驱动器，驱动器设有电源，驱动器与正反电机相连接。

卷轴外设有水溶性聚合物涂层。

水溶性聚合物选自PEG（聚乙二醇）、PEO（聚氧化乙烯）或PVA（聚乙烯醇）。

静电纺丝使用的纺丝液为丝素蛋白、胶原蛋白、左旋聚乳酸、聚己内酯、左旋聚乳酸聚己内酯共聚物中的一种或者多种聚合物的溶液。纺丝液浓度一般控制在为6～16w/v%，溶剂选自二氯甲烷、六氟异丙醇、二甲基甲酰胺和氯仿。

卷轴通过涂层装置涂覆水溶性聚合物，该涂层装置包括上模和与上模相配合的下模，上模的下表面与下膜的上表面围合成卷轴容纳腔，卷轴容纳腔包括设置于中段的浇筑腔和设置于两端的限位腔，限位腔的内径等于卷轴外径但小于浇筑腔内径，也即是说卷轴容纳腔呈两端部直径小于中段直径的台阶柱状；涂层装置上还设有与浇筑腔连通的浇筑孔。

利用本发明提供的接收装置制备组织工程材料，静电纺丝工艺参数可控制在：推进器推进速率为1～2.5ml/h，静电高压为10～15kV。纺丝过程中，自喷丝口喷出的电纺纤维降落到接收极板顶部，搭接在两个接收极板上沿之间，卷轴同样也搭放在接收极板上沿，在接收极板顶部沿垂直于卷轴方向做往返运动的同时自转，将接收到接收极板顶部电纺纤维的碾压卷绕到卷轴，基本沿卷轴轴向取向的纤维逐渐在卷轴上累积至一定厚度后，形成组织工程用纳米纤维管。该纳米纤维管中的纤维沿轴取向度高，用作人工血管有利于内皮细胞沿轴取向生长并形成与真实血管一样的内皮组织。

除此之外，本发明的有益效果还体现在：

（1）控制喷丝口到接收极板的距离为140～200mm，是因为距离太近，溶剂来不及挥发，纤维也来不及拉长，制备出的纤维管长度有限，且纤维直径大，纤维之间容易相互粘结，应用价值不大；距离太大，电场强度变弱，则纤维很难被收集。因为在140～200mm的接收距离内，控制两个接收极板之间的距离为30～60mm，恰好能够使纤维搭在两个接收极板上又不至于使接收极板外侧余出太多垂落的纤维。

（2）在限定接收距离的基础上，电纺纤维的降落范围已受控，卷轴只需在喷丝口下方200～600mm的范围内做往返运动即可。控制卷轴做往返运动的周期为5～20s，卷轴的运动线速度为20～60mm/s，卷轴的旋转角速度为1～10rad/s，卷轴的角速度应当与其线速度匹配，若角速度跟不上线速度，很容易将纤维扯断从而影响成品的物理性能，甚至影响纤维的取向度。此外，在电纺纤维刚刚降落的时候进行卷绕，很容易与已经卷绕到卷轴上的纤维粘附在一起，形成较为牢度的一体。如果卷轴运动过慢，纤维已在接收极板顶部堆积成较厚的层，卷绕成型后层间易分层。但如果卷轴的线速度过快，可能还未有电纺纤维降落或是降落量极少，卷轴的卷绕效率低。

（3）在卷轴表面涂覆水溶性聚合物涂层，然后再利用其去卷绕丝素蛋白、胶原蛋白、左旋聚乳酸、聚己内酯、左旋聚乳酸聚己内酯共聚物等聚合物形成的电纺纤维，因水溶性聚合物具有很好的潮润作用，卷绕完成后很容易将电纺纳米纤维管从卷轴上取下，能够大幅提升生产效率。

（4）利用丝杆推动卷轴做线性运动，在卷轴上安装齿轮，并在接收极板两侧设置与接收极板平行的齿条，齿轮与齿条啮合，卷轴在做线性运动的同时在齿轮和齿条的作用下转动，通过改变齿轮的直径可以很方便地控制卷轴直线运动速度与转动角速度之间的关系。进一步设置控制系统和与丝杆相连接的正反电机，控制系统包括控制器和与控制器相连接的驱动器，驱动器设有电源，且与正反电机相连接，通过控制器控制点电机的旋转，使纳米纤维管的制备有序高效的进行。

（5）进一步利用模具浇筑的方式在卷轴表面赋予水溶性聚合物涂层，其厚度可控、表面规整，形成的涂层更加均匀。

附图说明

图1为实施例1中接收装置的主视图；

图2为实施例1中接收装置的俯视图；

图3为实施例1中推进机构示意图；

图4为实施例1中涂层装置示意图；

图5为本发明的原理图；

图6为带有PEG涂层的卷轴的数码照片；

图7为实施例1制得的纳米纤维管样品的数码照片；

图8为实施例1制得的纳米纤维管样品的扫描电镜图；

图9为实施例1制得的纳米纤维管样品的扫描电镜图；

图10为实施例1中对照样品的扫描电镜图；

图中：1-控制器，2-驱动器，3-电源，4-正反电机，5-滑台，6-丝杆，7-支撑板，8-齿轮，9-齿条，10-接收极板，11-底座，12-支撑座，13-卷轴，14-支架，15-上模，16-下模，17-浇筑孔，18-浇筑腔，19-限位腔，20-喷丝口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，如图1-4所示，包括推进器，推进器连接有喷丝口20，喷丝口20处设有静电高压施加装置，喷丝口20针头连接静电高压施加装置的正极，喷丝口20下方设有接收装置。接收装置包括一对竖向设置且相互平行的接收极板10和卷轴13，接收极板10连接静电高压施加装置的负极且接地，接收极板10的两端安装在支架14上，卷轴13垂直于两个接收极板10设置、搭放在两个接收极板10的上沿。两个接收极板10之间的距离为40mm，喷丝口20到接收极板10的距离为180mm。

接收装置还包括推动卷轴13沿垂直于卷轴13的水平方向做往返运动的推进机构：推进机构包括垂直于卷轴13水平设置于接收极板10下方的丝杆6；丝杆6上螺接有滑台5，滑台5上设有底座11，底座11上固接有位于卷轴13两端的支撑座12，卷轴13两端安装在支撑座12上。滑台5下部设有滑块，滑台5下方设有支撑板7，支撑板7上设有滑轨，滑台5通过滑块、滑轨与支撑板7滑动连接；支撑板7两端安装在支架14上。推进机构还包括控制系统和与丝杆6相连接的正反电机4；控制系统包括控制器1和与控制器1相连接的驱动器2，驱动器2设有电源3，驱动器2与正反电机4相连接。

卷轴13上还连接有转动机构：转动机构包括设于接收极板10两侧与接收极板10平行的齿条9，卷轴13上设有与齿条9相配合的齿轮8。

卷轴13的有效行程控制在200mm，卷轴13的运动周期为10s，卷轴13的运动线速度为40mm/s；齿轮8半径为8mm，卷轴13的旋转角速度为5rad/s。

卷轴13外通过如下涂层装置涂覆PEG涂层：涂层装置包括上模15和与上模15相配合的下模16，合模后上模15的下表面与下膜16的上表面围合成卷轴容纳腔，卷轴容纳腔包括设置于中段的浇筑腔18和设置于两端的限位腔19，限位腔19的内径等于卷轴13的外径但小于浇筑腔18的内径。上模15与下模16合模后通过螺栓紧固。涂层装置上还设有与浇筑腔18连通的浇筑孔17。

利用上述装置进行静电纺丝，制备沿轴取向的组织工程材料，其工作过程如下：

（1）制作涂层：将卷轴13放入位于下模16上的卷轴容纳腔中，由限位腔19对卷轴13进行限位；将上模15和下模16合模，利用螺栓将上模15和下模16紧固。将配制好的PEG水溶液沿浇筑孔17倒入浇筑腔18中，从而在卷轴13上涂覆PEG水溶液，PEG水溶液经自然晾干形成水溶性聚合物涂层（潮润涂层）。旋出螺栓，将涂覆好的卷轴13取出备用，其数码照片如图6所示。

（2）配制纺丝液：以二氯甲烷和二甲基甲酰胺为溶剂，配制浓度为7.5w/v%的左旋聚乳酸聚己内酯纺丝液。

（3）静电纺丝：将步骤（1）制得的卷轴13安装到支撑座12上，将步骤（2）配制好的纺丝溶液加入到推进器中，设置推进器的推进速率为1.5ml/h，静电高压为14kV，启动卷轴13的推进机构和转动机构，开始进行静电纺丝。

如图5所示，推进器将纺丝液输送到喷丝口20并从喷丝口20向下喷出，喷出的聚合物溶液在高压电场的作用下劈裂成纤维，并向接收装置处往复折叠降落，每段构成折叠单元的纤维落在两个接收极板10顶部，搭在两个接收极板10上沿之间。与此同时，控制器1作用，控制器1发送正转信号至驱动器2，驱动器2接收正转信号；驱动器2发送正转信号至正反电机4，正反电机4正转，带动丝杆6旋转；丝杆6对滑台5施加作用力，滑台5正向移动，带动卷轴13及安装在卷轴13上的齿轮8随滑台5一起移动。齿轮8与齿条9作用从而发生旋转，进一步带动卷轴13一起旋转。卷轴13一边做线性运动一边旋转，将搭接在接收极板10上的取向纤维卷绕在卷轴13外。

5s后，控制器1发送反转信号至驱动器2，驱动器2接收反转信号；驱动器2发送反转信号至正反电机4，正反电机4反转；丝杆6旋转，丝杆6对滑台5施加作用力，滑台5反向移动，卷轴13和齿轮8随滑台5一起移动；齿轮8受齿条9作用，齿轮8带动卷轴13一起旋转；卷轴13继续对搭接在接收极板10上的取向纤维进行卷绕。正反电机4一次正转紧接着一次反转，卷轴13完成一个运动周期。

重复上述动作，纤维逐渐在卷轴13外砌成管，形成具有沿轴取向结构的纳米纤维管组织工程材料，所得样品的数码照片如图7所示。从图7照片可以看出，该样品表面光洁，端面瓷实，无分层现象发生。

对本实施例制得的样品进行扫描电镜实验，实验结果如图8和图9所示。从图8样品表面的扫描电镜图可以看出，该样品中的纤维基本沿轴向取向；从图9样品横截面的扫描电镜图可以看出，纤维之间堆积紧密，无分层。

参照本实施例，设置卷轴13做往返运动的周期为40s，制备对照样，对照样品的扫描电镜图如图10所示，从图10可以明显看出，对照样品发生了比较严重的分层现象。

实施例2

一种制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，结构与实施例1相同，不同之处在于：两个接收极板10之间的距离为30mm；喷丝口20到接收极板10的距离为140mm。卷轴13做往返运动的周期为5s，有效行程为150mm，卷轴13的运动线速度为60mm/s；卷轴13的旋转角速度为10rad/s。

卷轴13表面涂覆PEO（聚氧化乙烯）。

纺丝液是以二氯甲烷和二甲基甲酰胺为溶剂的聚己内酯溶液，浓度为16w/v%。

静电纺丝工艺参数设置如下：推进器推进速率2.5ml/h，静电高压为10kV。

实施例3

一种制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，结构与实施例1相同，不同之处在于：两个接收极板10之间的距离为60mm；喷丝口20到接收极板10的距离为200mm。卷轴13做往返运动的周期为20s，有效行程为400mm，卷轴13的运动线速度为20mm/s；卷轴13的旋转角速度为1rad/s。

卷轴13表面涂覆PVA（聚乙烯醇）。

纺丝液是以二氯甲烷和二甲基甲酰胺为溶剂的左旋聚乳酸溶液，浓度为10w/v%。

静电纺丝工艺参数设置如下：推进器推进速率1ml/h，静电高压为15kV。

实施例4

一种制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，结构与实施例1相同，不同之处在于：两个接收极板10之间的距离为40mm；喷丝口20到接收极板10的距离为160mm。卷轴13做往返运动的周期为20s，有效行程为200mm，卷轴13的运动线速度为20mm/s；卷轴13的旋转角速度为1rad/s。

实施例5

一种制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，结构与实施例1相同，不同之处在于：两个接收极板10之间的距离为60mm；喷丝口20到接收极板10的距离为180mm。卷轴13做往返运动的周期为20s，有效行程为600mm，卷轴13的运动线速度为60mm/s；卷轴13的旋转角速度为10rad/s。

Claims (10)

1.一种制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，包括静电纺丝喷丝口，喷丝口下方设有接收装置，接收装置包括一对竖向设置且相互平行的接收极板，其特征在于：所述接收装置还包括卷轴，所述卷轴垂直于两个接收极板设置、搭放在两个接收极板的上沿；所述接收装置还包括推动卷轴沿垂直于卷轴的水平方向做往返运动的推进机构；所述卷轴上还连接有转动机构。

2.如权利要求1所述制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，其特征在于：所述喷丝口到接收极板的距离为140～200mm；所述两个接收极板之间的距离为30～60mm。

3.如权利要求2所述制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，其特征在于：所述卷轴做往返运动的周期为5～20s，有效行程为200～600mm，卷轴的运动线速度为20～60mm/s，所述卷轴的旋转角速度为1～10rad/s。

4.如权利要求1-3任一所述制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，其特征在于：所述推进机构包括垂直于卷轴水平设置于接收极板下方的丝杆；所述丝杆上螺接有滑台，所述滑台上设有底座，所述底座上固接有位于卷轴两端的卷轴支撑座。

5.如权利要求4所述制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，其特征在于：所述转动机构包括设于接收极板两侧与接收极板平行的齿条，所述卷轴上设有与齿条相配合的齿轮。

6.如权利要求4所述制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，其特征在于：所述推进机构还包括控制系统和与丝杆相连接的正反电机；所述控制系统包括控制器和与控制器相连接的驱动器，所述驱动器设有电源，所述驱动器与正反电机相连接。

7.如权利要求1或2或3或5或6所述制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，其特征在于：所述卷轴外设有水溶性聚合物涂层。

8.如权利要求7所述制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，其特征在于：所述水溶性聚合物选自PEG、PEO、PVA中的一种或两种以上组合。

9.如权利要求8所述制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，其特征在于：所述静电纺丝使用的纺丝液为丝素蛋白、胶原蛋白、左旋聚乳酸、聚己内酯、左旋聚乳酸聚己内酯共聚物中的一种或者多种聚合物的溶液。

10.如权利要求7所述制备沿轴取向管状组织工程材料的静电纺丝接收装置，其特征在于：所述卷轴通过涂层装置涂覆水溶性聚合物，该涂层装置包括上模和与上模相配合的下模，上模的下表面与下膜的上表面围合成卷轴容纳腔，卷轴容纳腔包括设置于中段的浇筑腔和设置于两端的限位腔，限位腔的内径等于卷轴外径但小于浇筑腔内径；所述涂层装置上还设有与浇筑腔连通的浇筑孔。