高壓靜電紡絲技術

電紡絲裝置由基座、噴射口、高壓電源和接收屏組成。在噴射頭與接收屏之間施加一個高壓電場，電壓通常從1 KV到4 KV。需要紡絲的材料首先被溶解在適當的溶劑中，加入到帶有噴射口的容器中。在噴射口和接收屏之間施加的電場力與液體表面張力的作用方向相反，就會在半球形狀的液滴表面產生一個向外的力。當電場逐漸增強時，溶液中的同性電荷被迫聚集在液滴表面，液滴表面電荷所產生的電場使噴射口的液滴由半球形逐漸變為錐形（Taylor錐）。當電場足夠大時，射流就從液滴表面噴出。一般來説，溶液的導電性越強，越容易形成噴射。噴射流隨後被電場力加速並拉長，與此同時，易揮發的溶劑開始揮發，造成射流束，射流束直徑隨着溶劑的揮發而變小；射流的粘性增加。射流離開液滴表面附近的基底區域進入下一個區域的時候，由於射流表面所帶電荷的相互排斥力，射流會分散開來，形成許多直徑相似的細小纖維落在接收屏上，得到具有納米纖維結構的薄膜材料。最終得到的纖維直徑取決於單位長度上的電荷以及射流分散形成纖維的多少。

整個電紡絲過程由多個可變化的參數調控，主要包括溶液的性質、可控變量和周圍參數。溶液的性質包括：溶液的黏度、傳導性、表面張力、聚合物分子量、偶極距和介電常數；可控變量包括流量、電場力、針頭與接收屏之間的距離、針頭的形狀、接收屏的材料成分和表面形態；周圍參數包括：温度、濕度和風速。

溶液的粘度是對纖維直徑和形態造成影響的最主要因素。在低濃度的條件下，噴射出的溶液通常會在接收屏上形成珠子和小液滴。整個過程可以看作是電噴而不是電紡。除此之外，還會出現交織、打結情況，提示射流束在落到接收屏上時溶劑未完全揮發。一般來説通過增加聚合物的濃度可以得到直徑比較一致的纖維，罕見珠子和交聯現象。當溶液的黏度過大時，液滴在沒有掉落的時候就已經幹了，也會影響紡絲的進行。當溶液的濃度為纏結濃度的2~2.5倍的時候，可以得到均一的，沒有珠子的纖維。電紡絲纖維的直徑隨溶液濃度的提高和接受面積的減小而增加。電紡絲纖維的直徑分佈通常符合單峯分佈規律。但是也會有雙峯分佈的情況，這種情況可能是由纖維束在運動中部分發生散射所致。這種直徑尺寸為雙峯甚至多峯分佈的納米纖維材料可能也具有其獨特的應用價值，因為在天然細胞外基質中，納米纖維的尺寸並不是均一的，不同直徑的纖維各自發揮着不同的作用。因此，在某些情況下，可以考慮利用這種現象來設計更加接近天然細胞外基質的納米纖維材料。

很多研究結果顯示，通過增加溶液的電導性或電荷濃度，有助於形成直徑更加均勻的纖維，並可減少珠子的形成。另外，在葡聚糖紡絲溶液中添加蛋白質分子可以使纖維直徑減小，由於蛋白質並不會增加溶液的黏度，所以可以推斷，纖維直徑的改變是由於溶液電荷密度的變化所導致的。與此相同，在紡絲溶液中加入陽離子表面活性劑也可以獲得直徑更小的纖維。在紡絲溶液中添加陰離子表面活性劑的作用目前還沒有系統的研究。表面張力對纖維的形態和直徑也有明顯的影響，但是還沒有找到統一和明確的規律。聚合物分子量的增加會使其C*降低，隨着聚合物分子量的增大，纖維中所形成的珠子明顯減少。

電場強度對電紡絲過程具有明顯的影響。在適當的電壓或電場下，液滴通常會懸掛在針尖處，噴嘴出形成“Taylor錐”，可以紡出沒有珠子的紡絲薄膜。隨着電壓的增加，在針尖部聚集的液滴越小，形成的“Taylor錐”後退，液體表面噴射點退縮到針尖的內部，紡絲纖維會出現大量的珠子。當電壓繼續增加的時候，噴射點圍繞針尖處旋轉，在這種情況下會形成大量的珠子。

改變收集屏和針頭之間的距離是控制纖維的直徑和形態的手段之一。當收集屏的距離過遠或過近時，紡絲纖維均會出現珠子。電紡絲用針尖可以有很多樣式。如在兩個噴射器中注入兩種不相溶的液體，應用這種方法可以紡出中空的納米纖維。應用這種噴絲頭也可以製造芯－殼型複合納米纖維。此外，在電紡絲過程中應用多噴頭技術，可以提高紡絲的效率，也可用於製備多種納米纖維混合的薄膜。例如應用四個噴頭，可以紡織出不同組成的纖維；利用兩個針頭，一個可以橫向移動的收集屏，可以製成兩種納米纖維的混合物，橫向移動的收集屏可以形成更加均一的纖維分佈。

收集屏採用的材料和幾何結構都會對纖維形貌產生影響，是重要的控制因素之一。例如電紡絲纖維可用一個旋轉的圓筒來接收，這樣可以得到定向排列的纖維。把這種方法做進一步的改良，用銅絲纏繞出一個鼓型接收裝置，就可以得到定向排列更好的納米纖維。另外一種方法是用一個鋼針作電極，置於沒有傳導性的旋轉圓柱狀收集屏後面，可以得到長度大於10 cm的定向排列的纖維。這種旋轉的鼓式接收屏也可與之前提過的多電場方法相結合，獲得很細的纖維束。Theron等應用一種“錐形的接地的軲轆樣線軸”，收集獲得定向排列的PEO納米纖維。應用這種方法獲得的纖維長度有幾百微米，直徑在100~300nm之間（圖8-4）。

圖1 高壓靜電紡絲的纖維收集方法及纖維薄膜的相應微觀結構。左側：不同的收集方法示意圖，左上圖為無規納米纖維的收集方法，左下圖為取向納米纖維的收集方法。右側：不同收集方法得到的納米纖維薄膜的掃描電鏡圖（圖片來自：Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering，C.Y. Xu, R. Inai, M. Kotaki, S. Ramakrishn，Biomaterials 25 (2004) 877–886）

有少量的實驗研究了周圍環境常數對電紡絲的影響，如温度和濕度的影響。濕度增加會使纖維表面形成一些圓形小孔；進一步增加濕度會導致小孔相互粘合。在真空環境中可以獲得較高的電場，在這種條件下，獲得的纖維直徑較大。綜上所述，不同參數對電紡絲過程均有影響，相互之間不是獨立了，而是相互關聯。

[1] Pham QP, Sharma U, Mikos AG. Electrospinning of polymeric nanofibers fo tissue engineering applications: a review. Tissue Eng., 2006, 12(5): 1197-1211.

[2] Xu CY, Inai R, Kotaki M, Ramakrishna S. Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering. Biomaterials, 2004, 25(5): 877–886.