专利摘要

本发明公开了一种静电纺丝收集装置及梯度取向结构纳米纤维的制备方法。该静电纺丝收集装置由电源、正反转控制器、电机、磁铁和接收头组成。将溶质如聚己内酯溶于二氯甲烷和N‑N二甲基甲酰胺的混合溶液中搅拌均匀,调节纺丝正电压为10~20kV，负压为‑5~0kV，针头距离接收器10~20cm，两圆锥形接收头之间的距离可在0.5cm~7cm间调节。纺丝过程中平行的纤维会在接收器之间沉积，而沉积在接收头位置的纤维则为随机取向，中间存在过渡的区域。本发明可获得具有梯度取向结构的纳米纤维支架,具有较高的力学强度，模拟了肌腱和韧带组织胶原纤维的排列方式，可用于肌腱和韧带组织工程及组织修复。

说明书

技术领域

本发明属于静电纺丝技术领域，具体涉及一种静电纺丝收集装置及梯度取向结构纳米纤维的制备方法。

背景技术

静电纺丝是目前制备纳米纤维的一种简易方法，具有原料来源广泛、设备简单等的优点。静电纺丝纳米纤维具有很高的孔隙率和比表面积，模拟细胞外基质的结构，广泛用于组织工程、药物缓释等领域。

静电纺丝是将聚合物的溶液通过注射泵缓慢从针头处流出，同时带上数千伏乃至上万伏的高压静电，带电液滴在电场力的作用下形成泰勒锥，当电场力克服溶液表面张力时，液滴形成喷射细流，溶剂在细流到达收集装置的过程中挥发，最后沉积在收集装置上。

至今，大多数静电纺丝的收集方式是使用平板或者滚筒收集，得到的大多数是无纺布形式的纤维毡，纳米纤维的排列是无规律的。国内外有学者使用高速的滚筒和平行的电极收集到了取向程度很高的纤维膜，不过纤维膜的厚度有限，基本属于二维的薄膜，而且并不具备梯度结构。

发明内容

面对现有技术方面存在的上述问题，本发明提供了一种静电纺丝收集装置及梯度取向结构纳米纤维的制备方法，改变目前静电纺丝工艺中纤维结构单一而且厚度有限的现状。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种静电纺丝收集装置，该静电纺丝收集装置包括电源、正反转控制器、支架、电机、磁铁、接收头和导线；所述电源连接正反转控制器并放置在横放空心的支架中，支架两端放置两个竖放空心的支架，一对电机分别固定在竖放空心的支架上，通过导线和电源相连，磁铁附在电机轴中心，另一端连接接收头，接负电的导线套在电机轴上，导线另一端连接负电发生器；所述接收头为金属接收头。

优选的，所述正反转控制器具有正转，反转和停止/启动三项功能，以此来控制电机转向。

优选的，所述支架材质为绝缘材料；所述绝缘材料可为聚甲醛、聚四氟乙烯、聚碳酸酯和酚醛树脂等。

优选的，所述磁铁为圆柱形磁铁，直径为5~15mm。

优选的，所述接收头可为圆锥形接收头、圆台形接收头、长方体形接收头和圆柱形接收头。

使用以上所述的一种静电纺丝收集装置制备梯度取向结构纳米纤维的方法，包括以下步骤：

（1）搭建静电纺丝收集装置，并放置在针头下方；

（2）将材料溶于溶剂中搅拌均匀；

（3）用注射器吸取纺丝液，将聚乙烯导管和注射器的针头相连，进行纺丝；所述纺丝的过程中正电压为10~20kV，负电压为-5~0kV，针头到静电纺丝收集装置的距离为10~20cm，两接收头之间的距离在0.5cm~7cm之间调节；

（4）将收集到的纳米纤维束放入真空干燥箱中进行干燥，得梯度取向结构纳米纤维。

优选的，步骤（2）所述材料可为明胶，胶原，壳聚糖，聚己内酯、聚乳酸、棒状羟基磷灰石、碳纳米管和聚乳酸-羟基乙酸共聚物等可用于静电纺丝的材料。

优选的，步骤（2）所述溶剂为二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、三氟乙醇、六氟异丙醇等良溶剂。

优选的，步骤（4）所述的纳米纤维束的两端为随机取向纳米纤维，中间段为平行取向纳米纤维，从随机取向至平行取向存在过渡区域。

纺丝过程中平行的纤维会在接收器之间沉积，而沉积在接收头位置的纤维则为随机取向，中间存在过渡的区域。本发明可获得具有梯度取向结构的纳米纤维支架, 具有较高的力学强度，模拟了肌腱和韧带组织胶原纤维的排列方式，可用于肌腱和韧带组织工程及组织修复。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）所得的纳米纤维支架具有梯度的结构，两端为随机取向纳米纤维，中间段为平行取向的纳米纤维，存在从随机取向到平行取向的过渡区域。

（2）所得的纳米纤维支架具有较大的厚度，具有三维的结构，而且随着纺丝时间增加，厚度越厚。

（3）所得的纳米纤维支架中段平行取向的长度可以通过控制两个接收头之间的距离来控制，可以在0.5cm~7cm间调节。

（4）所得的纳米纤维的取向程度较高，在-20°~20°间变化。

（5）所得的纳米纤维支架的力学性能优异，极限抗张强度达到40MPa。

（6）本发明采用的零件简单，容易拼装，通过更换磁性接收头可以制备不同宏观形状的纳米纤维支架。

附图说明：

图1为本发明静电纺丝收集装置的结构图；

图2为支架中间段平行取向纳米纤维的扫描电镜（SEM）图；

图3为支架两端随机取向纳米纤维的扫描电镜（SEM）图；

图4为支架纳米纤维取向过渡区域的扫描电镜（SEM）图；

图5为聚己内酯支架纳米纤维直径分布统计图；

图6为聚己内酯支架纳米纤维角度分布统计图；

图7为聚己内酯纤维支架的应力应变曲线图。

具体实施方式：

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

以下实施例中所用的静电纺丝收集装置包括电源1、正反转控制器2、支架、电机3、磁铁4、接收头5和导线，如图1所示； 通过磁铁连接电机的轴和接收头，在通电时接收头能够以相同转速转动。静电纺丝过程中，纤维不断在两接收头间沉积，位于接收头上的纤维随机取向，接收头之间的纤维平行取向。正反转控制器能控制两个电机反向转动。

实施例1

称量1.2g聚己内酯，加入10mL二氯甲烷与N-N二甲基甲酰胺体积比为4:1的混合溶液，搅拌12小时。利用10mL注射器吸取上述制备好的纺丝液，通过聚乙烯导管和针头相连。针头为20G针头，连接15kV的高压正电，静电纺丝接收装置的圆锥形接收头接5kV的负电压。连接接收头的磁铁为直径5mm的圆柱形磁铁。将静电纺丝收集装置放置于针头下方，距离18cm，两接收头之间的距离为0.5cm。纺丝液的流速为1.0mL/h，纺丝总时长为3h。将制备好的支架进行真空干燥。图2显示了聚己内酯纳米纤维支架的平行取向部分。图3显示了该支架两端的纤维随机取向部分，图4显示了该支架的纳米纤维具有从随机取向向平行取向过渡的区域。图5统计了100根纳米纤维直径，平均直径为241nm，标准差为56nm。图6统计了纳米纤维的排列角度，纤维角度分布在-30°~20°之间，具有很高的取向程度。图7为纤维支架的应力应变曲线图，支架的极限抗张强度高达40MPa。

实施例2

称量0.012g碳纳米管，加入10mL三氟乙醇溶液分散均匀，加入1.2g聚己内酯搅拌12小时。利用10mL注射器吸取上述制备好的纺丝液，通过聚乙烯导管和针头相连。针头为20G针头，连接15kV的高压正电。将静电纺丝收集装置放置于针头下方，距离20cm，两接收头之间的距离为7cm。静电纺丝接收装置的圆锥形接收头接0kV的负电压。连接接收头的磁铁为直径15mm的圆柱形磁铁。纺丝液的流速为1.0mL/h，纺丝总时长为2h。将制备好的支架进行真空干燥。所得纳米纤维的直径平均为242nm，标准差为49nm，极限抗张强度高达60MPa。

实施例3

称量2g聚乳酸-羟基乙酸共聚物，溶解于六氟异丙醇中，搅拌24小时。利用10mL注射器吸取上述制备好的纺丝液，通过聚乙烯导管和针头相连。针头为18G针头，连接10kV的高压正电。将静电纺丝收集装置放置于针头下方，距离10cm，两接收头之间的距离为3cm。静电纺丝接收装置的圆锥形接收头接3kV的负电压。连接接收头的磁铁为直径10mm的圆柱形磁铁。纺丝液的流速为1.0mL/h，纺丝总时长为1h。将制备好的支架进行真空干燥。所得纳米纤维形貌良好，平均直径为352nm，标准差为72nm，角度分布在-25°~20°之间，取向程度较高，极限抗张强度高达23MPa。

实施例4

称量0.003g棒状羟基磷灰石，加入5mL二氯甲烷与N-N二甲基甲酰胺体积比为3:1的混合溶液分散均匀，加入0.6g聚己内酯搅拌12小时。利用5mL注射器吸取上述制备好的纺丝液，通过聚乙烯导管和针头相连。针头为20G针头，连接15kV的高压正电。将静电纺丝收集装置放置于针头下方，距离10cm，静电纺丝接收装置的接收头为圆柱形并接4kV的负电压，两接收头之间的距离为4cm。连接接收头的磁铁为直径5mm的圆柱形磁铁。纺丝液的流速为1.0mL/h，纺丝总时长为2h。将制备好的支架进行真空干燥。所得纳米纤维平均直径为545nm，标准差为68nm，角度分布在-30°~25°之间，取向程度较高，极限抗张强度高达46MPa。

实施例5

称量0.9g 明胶，加入10mL三氟乙醇溶液中搅拌均匀，称量1.2g聚己内酯于10mL三氟乙醇中搅拌12小时。利用10mL注射器分别吸取上述制备好的纺丝液，通过聚乙烯导管和针头相连。针头为内径0.8mm，外径1.4mm的同轴针头，核层溶液为聚己内酯，明胶为壳层溶液，连接20kV的高压正电。将静电纺丝收集装置放置于针头下方，距离15cm，静电纺丝接收装置的接收头为长方体形并接2kV的负电压，两接收头之间的距离为4cm。连接接收头的磁铁为直径10mm的圆柱形磁铁。纺丝液的流速为1.0mL/h，纺丝总时长为2h。将制备好的支架进行真空干燥。所得纳米纤维平均直径为326nm，标准差为47nm，角度分布在-20°~20°之间，取向程度高，极限抗张强度为30MPa。

一种静电纺丝收集装置及梯度取向结构纳米纤维的制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。