一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的制備方法，包括如下步驟：a)生成可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的CAD模型；b)根據(jù)三維CAD模型生成一系列層片；c)制備高分子溶液；d)根據(jù)所分割的一系列層片，利用計(jì)算機(jī)控制的高壓靜電裝置和移動(dòng)裝置，使高分子溶液形成射流，溶劑揮發(fā)，在材料接收板上形成靜電紡絲層；完成前一層層片以后，繼續(xù)使高分子溶液形成射流，揮發(fā)溶劑，在上一次形成的靜電紡絲層上形成靜電紡絲層，層層堆積，得到可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料。本發(fā)明通過(guò)改變直流電壓的輸出及噴嘴與材料接收板距離來(lái)調(diào)節(jié)靜電纖維的粗細(xì)，實(shí)現(xiàn)材料的精確調(diào)控，方法簡(jiǎn)單，制備的網(wǎng)絡(luò)材料，成本低、具有生物相容性。
【專利說(shuō)明】
一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓靜電技術(shù)是一種簡(jiǎn)便快速、可以直接從聚合物、無(wú)機(jī)物及其復(fù)合材料制備連續(xù)纖維的方法。該技術(shù)是指噴射高分子溶液并通過(guò)靜電拉伸成超細(xì)纖維，高壓靜電力作為其牽引力，以此來(lái)制備超細(xì)纖維?；驹砣缦?纖維溶液裝入注射器中，并加上高壓;在高壓作用下，將一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng)力加到高壓靜電裝置和材料接收板間；隨著電場(chǎng)力的增加，在針頭處形成“泰勒錐”；溶液克服其自身的表面張力形成射流，并經(jīng)過(guò)多次分裂，隨著溶劑快速揮發(fā)，在材料接收板上就得到了微納米尺度結(jié)構(gòu)的靜電纖維，即超細(xì)纖維材料(參考文南犬:Yang D Y,Niu X,Liu Y Y,et al.ElectrospunNanofibrous Membranes: A NovelSolidSubstrate for Microfluidic Immunoassays for HIV.Adv Mater，2008，20:4770?4775.)。靜電纖維材料具有良好的生物相容性、生物降解性和力學(xué)性能，可以很好的應(yīng)用于組織工程中。加之靜電纖維材料具有纖維直徑小，比表面積大，高孔隙率等優(yōu)良特性。而人的大多數(shù)組織、器官的形式和結(jié)構(gòu)上與靜電纖維類似。近年來(lái)，靜電纖維材料不僅可以作為纖維支架(例如軟骨、骨、血管、心臟、神經(jīng)、皮膚和膀胱等)，而且具有一定取向性的靜電纖維材料還可以誘導(dǎo)細(xì)胞定向生長(zhǎng)和分化，這為靜電纖維材料用于組織和器官的修復(fù)提供了可會(huì)K(參考文南犬:Yang F,Murugan R,Wang S,et al.Electrospinning of nano/microscale poly(L-lactic acid)aligned fibers andtheir potential in neural tissueengineering!!J].B1materials,2005,26( 15): 2603-2610.)。
[0003]而三維打印是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的模型為基礎(chǔ)，通過(guò)材料的逐層精確堆積，實(shí)現(xiàn)三維形態(tài)物體的制造，其中最核心的部分是分層數(shù)控。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工制造方法相比，三維打印具有諸多優(yōu)勢(shì):可以制造外形極為復(fù)雜的廣品，適合私人定制，制作效率尚，能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)。
[0004]近年來(lái)，利用三維打印技術(shù)制備生物高分子材料也受到越來(lái)越多的重視，雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)一些靜電纖維三維材料的研究報(bào)道(參考文獻(xiàn):JetzeVisser ,FerryP.W.Melchels，June E.Jeon ,et al.Reinforcement of hydrogels usingthree-dimens1nally printed microfibres[J].Nat Commun,2015,28，7933.)，但仍然處于初級(jí)階段，且面臨著很多挑戰(zhàn)。因此，如何優(yōu)化可編程材料堆積工藝，保證成型材料的精確度，進(jìn)一步擴(kuò)大其適用范圍，以及提高材料的生物相容性和力學(xué)性能，是現(xiàn)在亟需解決的難點(diǎn)。這就需要我們找到一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的制備方法，具體是利用高壓靜電和數(shù)控組合裝置制備具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)且精確可調(diào)控的超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料，這將具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義和遠(yuǎn)大的前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種低成本、方便快捷、生物相容性良好的可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料。
[0006]本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的制備方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案概述如下:
[0008]一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的制備方法，包括如下步驟:
[0009]a)生成可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的CAD模型；
[0010]b)根據(jù)三維CAD模型生成一系列層片；
[0011]c)制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %-20 %的高分子溶液，將要制備的高分子材料溶解在相應(yīng)的溶劑中，制成高分子溶液度，攪拌5-10小時(shí)，配制成透明、分散均勻的高分子溶液，將制備好的高分子溶液盛裝在精密注射栗的注射器中；
[0012]d)根據(jù)所分割的一系列層片，利用計(jì)算機(jī)控制的高壓靜電裝置和移動(dòng)裝置，使高分子溶液形成射流，溶劑揮發(fā)，在材料接收板上形成靜電紡絲層;完成前一層層片以后，繼續(xù)使高分子溶液形成射流，揮發(fā)溶劑，在上一次形成的靜電紡絲層上形成靜電紡絲層，層層堆積，得到可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料I。
[0013]靜電紡絲裝置包括精密注射栗3、直流高壓電源4、噴嘴2、材料接收板5;精密注射栗3通過(guò)管道與噴嘴2連接，材料接收板5設(shè)置在噴嘴2的下方，直流高壓電源4的正、負(fù)極分別與噴嘴2和材料接收板5電連接。
[0014]所述高分子為聚羥基乙酸、聚對(duì)二氧六環(huán)酮、聚β-羥基烷酸酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚己酸內(nèi)酯、聚乙二醇、聚乙丙交酯、聚乳酸、聚左旋乳酸、膠原、殼聚糖、透明質(zhì)酸和海藻酸中至少一種。
[0015]高分子溶液的溶劑為溶劑為蒸餾水、四氫呋喃、二甲基甲酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷、二甲基亞砜、甲酸和乙酸中至少一種。
[0016]所述噴嘴與材料接收板的距離為5?30cm。
[0017]所述直流高壓電源的電壓在5?30kV。
[0018]所述材料接收板材料為玻璃片、硅片或鋁箔。
[0019]上述方法制備的一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0021]本發(fā)明通過(guò)改變直流電壓的輸出及噴嘴與材料接收板距離來(lái)調(diào)節(jié)靜電纖維的粗細(xì)，實(shí)現(xiàn)材料的精確調(diào)控，方法簡(jiǎn)單，制備的可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料，成本低、具有生物相容性。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為高壓靜電裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明的方法制備的可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0025]實(shí)施例1
[0026]一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的制備方法，包括如下步驟:
[0027]a)生成可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的CAD模型；
[0028]b)根據(jù)三維CAD模型生成一系列層片；
[0029]c)制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的聚乙烯醇溶液(高分子溶液)；將聚乙烯醇(分子量:88000)溶解于蒸餾水中，加熱到70°C，磁力攪拌2小時(shí)，然后常溫下攪拌6小時(shí)，得到5%的透明的聚乙烯醇溶液，放4 °C冰箱保存；
[0030]d)根據(jù)所分割的一系列層片，利用計(jì)算機(jī)控制的高壓靜電裝置和移動(dòng)裝置，使高分子溶液形成射流，溶劑揮發(fā)，在材料接收板上形成靜電紡絲層;完成前一層層片以后，繼續(xù)使高分子溶液形成射流，揮發(fā)溶劑，在上一次形成的靜電紡絲層上形成靜電紡絲層，層層堆積，得到可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料I見(jiàn)圖1，圖2。
[0031 ]靜電紡絲裝置(見(jiàn)圖1)包括精密注射栗3、直流高壓電源4、噴嘴2、材料接收板5;精密注射栗3通過(guò)管道與噴嘴2連接，材料接收板5設(shè)置在噴嘴2的下方，直流高壓電源4的正、負(fù)極分別與噴嘴2和材料接收板5電連接。
[0032]噴嘴與材料接收板的距離為5cm。
[0033]直流高壓電源的電壓為5kV。
[0034]材料接收板材料為玻璃片。
[0035]實(shí)施例2
[0036]一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的制備方法，包括如下步驟:
[0037]a)生成可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的CAD模型；
[0038]b)根據(jù)三維CAD模型生成一系列層片；
[0039]C)制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚己酸內(nèi)酯(Sigma)和膠原(Sigma，St.Louis ,MO)的混合溶液(高分子溶液);
[0040]將聚己酸內(nèi)酯溶于混合溶劑(以1:1的四氫呋喃和二甲基甲酰胺混合為溶劑)中，在常溫下攪拌12小時(shí)，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚己酸內(nèi)酯溶液；
[0041]將膠原溶于混合溶劑(以1:1的四氫呋喃和二甲基甲酰胺混合為溶劑)中，在常溫下攪拌12小時(shí)，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的膠原溶液；
[0042]按體積比為1:1的比例，將聚己酸內(nèi)酯溶液和膠原溶液混合，攪拌均勻，放4°C冰箱保存。d)根據(jù)所分割的一系列層片，利用計(jì)算機(jī)控制的高壓靜電裝置和移動(dòng)裝置，使高分子溶液形成射流，溶劑揮發(fā)，在材料接收板上形成靜電紡絲層;完成前一層層片以后，繼續(xù)使高分子溶液形成射流，揮發(fā)溶劑，在上一次形成的靜電紡絲層上形成靜電紡絲層，層層堆積，得到可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料。
[0043]靜電紡絲裝置同實(shí)施例1。
[0044]噴嘴與材料接收板的距離為15cm。
[0045]直流高壓電源的電壓為20kV。
[0046]材料接收板材料為鋁箔。
[0047]實(shí)施例3
[0048]一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的制備方法，包括如下步驟:
[0049]a)生成可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的CAD模型；
[0050]b)根據(jù)三維CAD模型生成一系列層片；
[0051]c)制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的聚碳酸酯溶液(高分子溶液)；將聚碳酸酯(分子質(zhì)量為45000)溶解于二甲基甲酰胺中，在常溫下攪拌8小時(shí)，得到20%的透明聚碳酸酯溶液，放4 °C冰箱保存。
[0052]d)根據(jù)所分割的一系列層片，利用計(jì)算機(jī)控制的高壓靜電裝置和移動(dòng)裝置，使高分子溶液形成射流，溶劑揮發(fā)，在材料接收板上形成靜電紡絲層;完成前一層層片以后，繼續(xù)使高分子溶液形成射流，揮發(fā)溶劑，在上一次形成的靜電紡絲層上形成靜電紡絲層，層層堆積，得到可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料。
[0053]靜電紡絲裝置同實(shí)施例1。
[0054]噴嘴與材料接收板的距離為30cm。
[0055]直流高壓電源的電壓為30kV。
[0056]材料接收板材料為硅片。
[0057]實(shí)驗(yàn)證明:
[0058]聚羥基乙酸、聚對(duì)二氧六環(huán)酮、聚β-羥基烷酸酯、聚酰胺、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙丙交酯、聚乳酸、聚左旋乳酸、殼聚糖、透明質(zhì)酸或海藻酸分別替代本實(shí)施例的聚碳酸酯，其它同本實(shí)施例，制備出可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料。
[0059]實(shí)驗(yàn)證明:用二氯甲烷、三氯甲烷、二甲基亞砜、甲酸或乙酸分別替代本實(shí)施例的二甲基甲酰胺，其它同本實(shí)施例，制備出可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料。
[0060]在進(jìn)行一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的制備過(guò)程中，采用溶劑回收的方法，避免對(duì)大氣的污染。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的制備方法，其特征是包括如下步驟: a)生成可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料的CAD模型； b)根據(jù)三維CAD模型生成一系列層片； c)制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% -20 %的高分子溶液； d)根據(jù)所分割的一系列層片，利用計(jì)算機(jī)控制的高壓靜電裝置和移動(dòng)裝置，使高分子溶液形成射流，溶劑揮發(fā)，在材料接收板上形成靜電紡絲層;完成前一層層片以后，繼續(xù)使高分子溶液形成射流，揮發(fā)溶劑，在上一次形成的靜電紡絲層上形成靜電紡絲層，層層堆積，得到可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述靜電紡絲裝置包括精密注射栗(3)、直流高壓電源(4)、噴嘴(2)、材料接收板(5);精密注射栗(3)通過(guò)管道與噴嘴(2)連接，材料接收板(5)設(shè)置在噴嘴(2)的下方，直流高壓電源(4)的正、負(fù)極分別與噴嘴(2)和材料接收板(5)電連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述高分子為聚羥基乙酸、聚對(duì)二氧六環(huán)酮、聚β-羥基烷酸酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚己酸內(nèi)酯、聚乙二醇、聚乙丙交酯、聚乳酸、聚左旋乳酸、膠原、殼聚糖、透明質(zhì)酸和海藻酸中至少一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于高分子溶液的溶劑為蒸餾水、四氫呋喃、二甲基甲酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷、二甲基亞砜、甲酸和乙酸中至少一種。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述噴嘴與材料接收板的距離為5?30cm。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述直流高壓電源的電壓在5?30kV。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述材料接收板材料為玻璃片、硅片或鋁箔。8.權(quán)利要求1-7之一的方法制備的一種可編程三維超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)材料。
【文檔編號(hào)】B32B39/00GK105882036SQ201610223878
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】仰大勇, 楊璐, 劉陽(yáng), 張志昆
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)