基于静电纺丝的可控喷印技术和组织工程应用研究

王俊清

（太原工业学院，山西 太原 030008）

相对于以往的静电纺丝技术，基于可控喷印技术的静电纺丝具备更高的处理精度水平，在聚合物的基底上实现高沉积精度、低施加电压、随时可调节工艺参数以及图案化喷印、自动化全过程控制等优势，相对于传统的培养技术方式而言，基于静电纺丝的可控喷印技术可以达到更加理想的加工效果，在组织工程的应用中也有一定优势，尤其是在细胞培养支架制作中可以达到更低成本、更高精度的作用。对此，探讨基于静电纺丝的可控喷印技术和组织工程应用具备显著实践性价值。

1 静电纺丝设备的发展历程

静电纺丝的发展历史最早可以追溯到1600年，相关记载中显示，液滴在强电场之下会发生转型改变，这也是最早的静电纺丝研究[1]。发展到二十世纪后静电纺丝才被公众所认知并且申请了相关专利。

导电接收板、高压电源、金属喷印头、溶液注射泵等部件共同构成静电纺丝设备。溶液注射泵需要与金属喷印头、输流管等装置相互连接，基础静电纺丝装置需要依靠溶液注射泵得到平稳供液速度。

我们将导电接收板与金属喷印头中间距离控制在15厘米以内，金属喷印头顶端的内镜尺寸设定在几十微米以内，因受生产技术的制约、静电纺丝技术要求不断提高，需要选用较大尺寸顶端内径的金属喷印头，而金属喷头顶端内径大小会对静电纺丝设备的工作情况造成一定影响[2]。如下图。按照相关试验的要求，导电接收板可以采用任何的形状或结构材料，只需要达到静电纺丝所需要的纤维细丝即可，其可以采用滚筒、平板、沟槽等多种类型，结合静电纺丝当前可用的材料约有100多种，可纺溶液大多数为聚合物、无机物以及复合材料。

基于静电纺丝的可控喷印技术属于在传统静电纺丝基础上改进后的一种方式，因为传统静电纺丝结果存在不可控与无序的特征，在微纳传感器、MEMS器件、柔性电子等方面因为需要更加精确的控制，所以基于静电纺丝的可控喷印技术的应用具备更高的实践性价值[3]。借助基于静电纺丝的可控喷印技术可以通过施加电场对纺丝的接收，辅助电极接收器结构，达到更加理想的接收效果。

图1 静电纺丝设备装置示意图

2 基于静电纺丝的可控喷印技术和组织工程的应用

借助静电纺丝的组织工程支架，其主要涉及到胶原、纳米纤维、糖蛋白、氨基葡聚糖等细胞生长期间所必须的物质，支架结构应当能够模仿细胞外基质的结构，大多数的研究者都非常注重借助人工支架的方式模拟细胞外基质的结构。整体而言，冷冻干燥法与洗盐法被广泛应用在细胞培养支架的制作中，但是无法达到完全模仿细胞外基质结构的作用[4]。

在细胞生长期间这一种结构无法满足充足养分与废弃物流动需求，因此在细胞生长方面会呈现出一定的约束性。静电纺丝技术在基底上可以通过纳米级纤维构成类似的无纺布膜状纤维支架，相对于相位分离法和自组装法的三维纳米纤维支架而言，静电纺丝设备的操作更加简单，对于周边环境的要求也比较低，制作过程快速且稳定[5]。静电纺丝技术所使用的材料范围也比较广泛，通过静电纺丝制备所获得的纳米纤维支架，具备较高的比表面积与良好的力学新能，可以促使粘附的细胞快速生长和繁殖。

在仪器设备方面，按照静电纺丝制作细胞培养支架的纺丝溶液溶质为PLGA，纺丝溶液属于丙酮、氯仿的混合物，体积比例为1:2，所配置的溶液浓度为0.2g/ml。

制备的细胞培养支架硬件系统分为静态平板的接收系统和滚筒接收系统。因为滚筒体积比较大无法接入到移动平台上，所以属于一个独立性的系统，其可以直接将金属喷头安装在精密注射泵的导轨注射器顶端，在水平方向上完成纺丝。制备期间可以应用110μm尺寸的喷印头，转速方面可调节。

在接收系统方面，静电纺丝可控喷印系统制作细胞培养支架并研发出具备可移动路径的交叉网络，设备在运行工作过程中完成一次路径移动后也可进行相反方向的移动，同时形成多层次堆积，以达到支架的多个层次相叠加的效果。静电纺丝可控喷印设备的基底与印头中间的间隔不超过2mm，运行速率控制在40μl/h，接收速度控制在2cm/s，喷印系统放大倍率为200，线宽5μm。整个喷印过程需要1h。网格宽度控制在50μm。静电纺丝设备的层叠变小，导致这一现象出现的原因为喷印设备在一小时内只能完成一个支架的叠加，无法实现高效率的工作。在接收距离较短的情况下，纺丝PLGA纤维中的溶解性物质不能挥发出去，纺丝制备用纳米支架长时间放入所配制溶液中会受到腐蚀，确保纺丝设备处于正常工作状态，要控制支架的保存规律。

3 总结

综上所述，从基于静电纺丝的可控喷印技术的实践性应用来看，依照二维运动平台、机械手以及数据采集卡等器件，可以促使静电纺丝技术实现对喷印纤维的有序性控制，从而更好的满足高精度、柔性电子器件的需求。在今后，需要进一步提高对于基于静电纺丝的可控喷印技术的研究分析，进一步在自动控制、定时喷印、便捷操作以及低成本生产等方面深入研究，从而推动行业持续发展。