熔体静电纺丝直写技术在组织工程中的应用

背景:计算机辅助设计下,熔体静电纺丝直写技术可以精确构建具有特定形貌的3D组织工程支架,在组织工程领域已经引起越来越多的关注。目的:阐述熔体静电纺丝直写技术近年来在组织工程中的应用进展。方法:利用PubMed、中国知网数据库检索有关熔体静电纺丝直写技术应用于组织工程的文献,检索时间范围为2008年3月至2023年2月,以“melt electrowriting,melt electrospinning,electrospinning,tissue engineering,scaffold,regeneration”为英文检索词,“熔体直写,静电纺丝,组织工程”为中文检索词,通过阅读文题和摘要对文章进行初步筛选,最终纳入69篇文献进行综述。结果与结论:①相较于传统的静电纺丝技术,熔体静电纺丝直写技术可以实现纤维的逐层精确沉积,更好地模拟天然组织的复杂结构;相比于其他3D打印技术,熔体静电纺丝直写技术可以制备更小直径的纤维,形成高度有序的多孔结构;②通过与其他支架制备技术或材料相结合,如熔融沉积建模、溶液静电纺丝技术、水凝胶等,熔体静电纺丝直写技术在制备复杂组织工程支架方面表现出巨大的潜力,为实现复杂组织的再生提供了一定可能;③复杂组织再生往往同时涉及血管、神经和软硬组织,血管和神经再生对于实现组织的生理性重建具有重要意义,软硬组织因其不同的生物、力学性能,实现二者的协调再生具有一定的困难,熔体静电纺丝直写技术可制备多尺寸、高孔隙率、良好生物相容性的支架,在仿生支架构建领域具有一定的优势。

熔体静电纺丝直写技术在组织工程中的应用进展

熔体静电纺丝直写技术以其纤维直径、沉积形貌可控性高及无溶剂残留等优势,为高强度复杂形貌可控仿生组织工程(TE)支架的制备提供了巨大的空间,成为近年来的研究热点。本文首先简述了熔体静电纺丝直写技术相对于各类其他TE支架制备方法的优势;其次从工艺调控方面综述了熔体静电纺丝直写技术的工艺研究进展,并总结了实现复杂可控形貌TE支架的调控方法;随后从支架材料、形貌表征和细胞培养效果等方面综述了熔体静电纺丝直写技术的TE应用进展,并概括了该技术制备的TE拓扑结构支架的种类及特点;最后指出熔体静电纺丝直写技术具有广阔的研究前景,且该技术应以制备仿生、材料多样化以及复合支架为研究重点。

基于近场静电纺丝的微/纳米结构直写技术

基于近场静电纺丝（舾），研究了可用于柔性电子制造的微／纳米结构直写技术．构建了电极、收集板可协调运动的直写实验平台，分析了电纺丝参数对微／纳米结构直写过程的影响和直写参数间的匹配．通过缩短电纺丝距离实现对直写过程的控制，分别采用直径为25μm的实心探针针尖和内径为232μm的空心注射针尖作为电纺丝喷头，可有序地直写出直径为50—500nm的纳米纤维和线宽为1—8μm的微米结构．实验结果表明：微米结构线宽随收集板速度和PEO溶液浓度的变大而变大；直写工作电压随收集板运动速度的变大而减小，随电极至收集板距离的增加而变大．协调电极与收集板运动速度，平行直写微米结构间距可控制在100-180μm之间．

近场直写静电纺丝技术及应用的研究进展

对近场直写静电纺丝技术的机理、发展、相关参数的控制以及应用方面展开综述,指出该技术亟待解决或改进的问题,包括纺丝机理不甚清晰;接收距离较短、严重限制射流拉伸和溶剂的完全挥发;纺丝纤维在空间第三维的可控性普遍不高;潜在应用有待进一步开发等。提出未来的研究方向主要集中在:近场直写静电纺丝技术理论研究、生产效率的提高、制备3D结构材料以及开发其在生物工程及微纳米技术领域的应用等。

熔体静电纺丝技术及其应用研究进展

回顾了熔体静电纺丝技术的发展历程,简述了熔体静电纺丝工艺参数及材料特性对纤维沉积特性的影响。重点介绍了基于熔体微分静电纺丝、熔体静电纺丝直写和熔体同轴静电纺丝等技术制备纤维的技术原理及其在相变储能、生物医疗、环保过滤、光/电子器件和非织造布领域的应用,阐述了熔体静电纺丝的研究成果,并指出了该技术在实际应用中亟待解决的问题。

高压静电加载形式对聚合物熔体静电直写制备效果的影响

为探究熔体静电直写制备过程中电极正接与反接造成的差异,利用ANSYS对不同高压静电加载形式下纺丝区间的电场强度大小、分布以及电场方向进行了模拟分析,并从产生射流临界电压、射流速度、纤维直径、纤维沉积精度等方面进行了实验对比。模拟结果与实验结果相互印证:电极正接的情况下喷头处电场强度较反接高出14%左右,纤维直径更细,射流速度更快,相同距离下产生射流所需要的临界电压仅为反接的35%~74%;电极反接的情况下接收板位置电场强度较正接高35%左右,电场强度分布更加均匀,电场方向更加一致,更有利于提高纤维在电场中的稳定性,纤维沉积偏差较正接降低35%~51%。

基于接收温度调控的TPU熔体静电直写可控沉积

通过调控接收板温度,实现了热塑性聚氨酯材料的熔体静电直写制备。通过模拟发现,当纺丝距离为5 mm时,接收板温度升高后,纺丝区间内温度呈线性提高,有利于减缓射流的冷却速度。通过实验探究了不同接收板温度对熔体静电直写制备热塑性聚氨酯材料纤维直径、形貌、沉积精度以及三维网格形貌的影响。实验表明,当接收板温度为80℃时,平均纤维直径与40℃时相比,降低了27.7%;当接收板温度100℃时,纤维沉积误差与60℃时相比,降低了46.8%;当接收板温度为80~100℃时,能够制备稳定的三维纤维结构;当接收板温度为120℃时,射流无法凝固为纤维。

近场直写静电纺丝电场仿真与路径规划分析

目的由于在静电纺丝过程中射流的鞭动现象会严重影响纺丝的质量,无法实现图案的精准化沉积和高分辨率的喷墨打印,需要探究减小射流鞭动现象的方法。方法首先采用COMSOL Multiphysics多物理耦合场有限元仿真软件,对纺丝过程中有无添加辅助电极情况下的电场场强大小和分布进行模拟分析,随后通过实验进行对比验证,并根据结果设计一套适用于近场直写微纳喷印的纤维薄膜打印数控系统,实现纳米纤维的重复沉积,进行纤维薄膜的打印。结果实验采用质量分数为8%的聚氧化乙烯(PEO)溶液作为纺丝溶液,注射器及喷丝针头容量为2.5 m L,针头外径为0.6 mm,长度为12 mm,注射泵流量设置为0.5?L/min,2台高压电源设置的电压均为1.01 k V。实验结果表明,未添加辅助电极时,纤维容易出现卷曲,而添加辅助电极后,纤维细直不卷曲。结论利用平行辅助电极将工作电场集中在所需范围内,使电场尽可能实现垂直地从喷丝针头到接收基板,能有效减小纺丝射流的鞭动现象给稳定沉积带来的不良影响,可实现聚合物溶液高分辨率的喷墨印刷,能够实现图案的精准化沉积。

熔体直纺在线添加技术实现纺丝废料循环利用

针对现有聚酯纤维熔体直纺生产过程中纺丝废料无法循环利用，造成原料浪费、生产成本提高的问题，“熔体直纺在线添加功能性聚酯纤维及其制备关键技术”项目，通过产学研合作，采用在线添加技术，将纺丝废料与聚酯熔体、功能母粒熔融共混，进行再生回用，开发出熔体直纺纺丝废料的在线回用技术以及抗紫外纤维、亲水纤维和超黑有色纤维等功能聚酯长丝，从根源上解决了原料的粗犷型消耗，推动了化纤尤其是涤纶丝废料回收利用技术产业化。

3D直写制备ZIF-8/PVDF杂化体系及性能分析

采用溶剂法合成沸石咪唑骨架-8(ZIF-8),然后利用静电直写技术,采用物理混合法制备得到具有较好光催化性能、立体有序的ZIF-8/PVDF杂化膜。研究表明,采用物理混合的方法加入ZIF-8,对纤维膜的形貌及性能的影响较显著。随着ZIF-8含量的增加,ZIF-8/PVDF杂化膜的表面粗糙度逐渐增大,并且,出现微孔结构,水接触角呈先降低后增大的趋势变化。当ZIF-8的含量为2%时,杂化膜微孔分布较均匀,亲水性较好,杂化膜对盐酸四环素(TCH)溶液的降解效果最佳,降解率为77.9%;另外,其对诺氟沙星、环丙沙星和磺胺甲恶唑的降解率均能达到77%,并且,与第一次循环相比,经过5次循环使用后,杂化膜对TCH的降解率仅有小幅下降。

熔体近场直写轴向压弯模型构建与仿真分析

蜿蜒纤维具有超弹性、高延展、各向异性等特点,为方便蜿蜒纤维的制造提出熔体近场直写结合轴向压弯效应制备蜿蜒结构的新方法。采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合对近场直写的电场大小、分布趋势进行模拟分析,以此为基础通过静电和固体力学耦合模拟电场对射流的轴向压弯效果,仿真结果显示电场对射流的蜿蜒屈曲起积极作用。最后通过双因素三水平实验获得不同形貌的蜿蜒沉积,证明该种方法可行。

熔体直纺全拉伸丝双头纺技术改造分析

在现有涤纶全拉伸丝(FDY)纺丝设备上,通过设备改造、工艺选择和优化,成功实现了FDY双头纺生产,弥补了长丝产品结构的不足,为企业创造了经济效益。

聚合物熔体电纺PCL骨-软骨复合支架的制备及性能表征

软骨组织修复一直是组织工程(TE)中的研究热点。选用医用级聚己内酯(m-PCL)通过熔体静电纺丝直写技术制备PCL骨-软骨复合支架,其纤维平均直径为20.4~36.2μm,10层纤维拉伸强度为3.44M^5.75MPa,抗压强度为0.032MPa,孔隙率为90.4%。实验结果表明,熔体静电纺丝直写技术制备的m-PCL骨-软骨复合支架具有良好的机械强度、高孔隙率和微米级纤维直径,并且可以通过网格孔径和纤维膜层数的调控及不同支架材料的选取,可应用于骨-软骨的各个分层结构,在TE和医学领域中具有广阔的应用前景。

吉玛公司推出新技术

中国国际纺织机械展览会期间，德国吉玛股份公司于2004年10月14日在北京昆仑饭店举行了“吉玛公司技术研讨会”。

工艺参数对织物性能的影响及结合国画的应用

针对传统棉质服装材料透气效果差、抗菌性差的问题,提出用熔体静电纺丝技术制备一种抗菌保温型聚乙烯织物,并从可见光透明度和红外透光率角度,确定该织物制备的最佳工艺及性能。试验结果表明:聚乙烯织物红外透过率主要受纤维直径的影响,聚乙烯织物红外透过率随纤维直径的增加而减小;当在聚乙烯纤维织物熔液质量浓度为6%、纺丝电压为24 V、给进速率为0.3 mL/h的工艺条件下,聚乙烯织物纤维直径较小,约为7μm。该工艺制备的聚乙烯纤维织物厚度为184.5~433.5μm,满足服装材料要求,可用于服装的制作。

捷克一公司获纳米蜘蛛独家开发生产销售权

能够生产超细纤维的技术包括：用热气流拉伸的方法即熟知的熔喷法制造出的纤维在1000～2000纳米；海岛法能得到微米级纤维；静电纺丝法可以得到50～1000纳米的纤维，静电纺丝是得到纳米纤维最重要的基本方法。这一技术的核心是使带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形，然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，于是得到纤维化物质。因此这一过程又称静电纺丝，或简称电纺。