基于靜電紡絲的可控噴印技術和組織工程應用研究

王俊清

（太原工業(yè)學院，山西 太原 030008）

相對于以往的靜電紡絲技術，基于可控噴印技術的靜電紡絲具備更高的處理精度水平，在聚合物的基底上實現(xiàn)高沉積精度、低施加電壓、隨時可調節(jié)工藝參數(shù)以及圖案化噴印、自動化全過程控制等優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)的培養(yǎng)技術方式而言，基于靜電紡絲的可控噴印技術可以達到更加理想的加工效果，在組織工程的應用中也有一定優(yōu)勢，尤其是在細胞培養(yǎng)支架制作中可以達到更低成本、更高精度的作用。對此，探討基于靜電紡絲的可控噴印技術和組織工程應用具備顯著實踐性價值。

1 靜電紡絲設備的發(fā)展歷程

靜電紡絲的發(fā)展歷史最早可以追溯到1600年，相關記載中顯示，液滴在強電場之下會發(fā)生轉型改變，這也是最早的靜電紡絲研究[1]。發(fā)展到二十世紀后靜電紡絲才被公眾所認知并且申請了相關專利。

導電接收板、高壓電源、金屬噴印頭、溶液注射泵等部件共同構成靜電紡絲設備。溶液注射泵需要與金屬噴印頭、輸流管等裝置相互連接，基礎靜電紡絲裝置需要依靠溶液注射泵得到平穩(wěn)供液速度。

我們將導電接收板與金屬噴印頭中間距離控制在15厘米以內，金屬噴印頭頂端的內鏡尺寸設定在幾十微米以內，因受生產技術的制約、靜電紡絲技術要求不斷提高，需要選用較大尺寸頂端內徑的金屬噴印頭，而金屬噴頭頂端內徑大小會對靜電紡絲設備的工作情況造成一定影響[2]。如下圖。按照相關試驗的要求，導電接收板可以采用任何的形狀或結構材料，只需要達到靜電紡絲所需要的纖維細絲即可，其可以采用滾筒、平板、溝槽等多種類型，結合靜電紡絲當前可用的材料約有100多種，可紡溶液大多數(shù)為聚合物、無機物以及復合材料。

基于靜電紡絲的可控噴印技術屬于在傳統(tǒng)靜電紡絲基礎上改進后的一種方式，因為傳統(tǒng)靜電紡絲結果存在不可控與無序的特征，在微納傳感器、MEMS器件、柔性電子等方面因為需要更加精確的控制，所以基于靜電紡絲的可控噴印技術的應用具備更高的實踐性價值[3]。借助基于靜電紡絲的可控噴印技術可以通過施加電場對紡絲的接收，輔助電極接收器結構，達到更加理想的接收效果。

圖1 靜電紡絲設備裝置示意圖

2 基于靜電紡絲的可控噴印技術和組織工程的應用

借助靜電紡絲的組織工程支架，其主要涉及到膠原、納米纖維、糖蛋白、氨基葡聚糖等細胞生長期間所必須的物質，支架結構應當能夠模仿細胞外基質的結構，大多數(shù)的研究者都非常注重借助人工支架的方式模擬細胞外基質的結構。整體而言，冷凍干燥法與洗鹽法被廣泛應用在細胞培養(yǎng)支架的制作中，但是無法達到完全模仿細胞外基質結構的作用[4]。

在細胞生長期間這一種結構無法滿足充足養(yǎng)分與廢棄物流動需求，因此在細胞生長方面會呈現(xiàn)出一定的約束性。靜電紡絲技術在基底上可以通過納米級纖維構成類似的無紡布膜狀纖維支架，相對于相位分離法和自組裝法的三維納米纖維支架而言，靜電紡絲設備的操作更加簡單，對于周邊環(huán)境的要求也比較低，制作過程快速且穩(wěn)定[5]。靜電紡絲技術所使用的材料范圍也比較廣泛，通過靜電紡絲制備所獲得的納米纖維支架，具備較高的比表面積與良好的力學新能，可以促使粘附的細胞快速生長和繁殖。

在儀器設備方面，按照靜電紡絲制作細胞培養(yǎng)支架的紡絲溶液溶質為PLGA，紡絲溶液屬于丙酮、氯仿的混合物，體積比例為1:2，所配置的溶液濃度為0.2g/ml。

制備的細胞培養(yǎng)支架硬件系統(tǒng)分為靜態(tài)平板的接收系統(tǒng)和滾筒接收系統(tǒng)。因為滾筒體積比較大無法接入到移動平臺上，所以屬于一個獨立性的系統(tǒng)，其可以直接將金屬噴頭安裝在精密注射泵的導軌注射器頂端，在水平方向上完成紡絲。制備期間可以應用110μm尺寸的噴印頭，轉速方面可調節(jié)。

在接收系統(tǒng)方面，靜電紡絲可控噴印系統(tǒng)制作細胞培養(yǎng)支架并研發(fā)出具備可移動路徑的交叉網絡，設備在運行工作過程中完成一次路徑移動后也可進行相反方向的移動，同時形成多層次堆積，以達到支架的多個層次相疊加的效果。靜電紡絲可控噴印設備的基底與印頭中間的間隔不超過2mm，運行速率控制在40μl/h，接收速度控制在2cm/s，噴印系統(tǒng)放大倍率為200，線寬5μm。整個噴印過程需要1h。網格寬度控制在50μm。靜電紡絲設備的層疊變小，導致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因為噴印設備在一小時內只能完成一個支架的疊加，無法實現(xiàn)高效率的工作。在接收距離較短的情況下，紡絲PLGA纖維中的溶解性物質不能揮發(fā)出去，紡絲制備用納米支架長時間放入所配制溶液中會受到腐蝕，確保紡絲設備處于正常工作狀態(tài)，要控制支架的保存規(guī)律。

3 總結

綜上所述，從基于靜電紡絲的可控噴印技術的實踐性應用來看，依照二維運動平臺、機械手以及數(shù)據(jù)采集卡等器件，可以促使靜電紡絲技術實現(xiàn)對噴印纖維的有序性控制，從而更好的滿足高精度、柔性電子器件的需求。在今后，需要進一步提高對于基于靜電紡絲的可控噴印技術的研究分析，進一步在自動控制、定時噴印、便捷操作以及低成本生產等方面深入研究，從而推動行業(yè)持續(xù)發(fā)展。