静电纺丝技术可用于制备多种组织工程或其他应用领域的纳米纤维支架。本文介绍了一种优化静电纺丝溶液和设备参数的实验步骤，以获得具有理想形貌和取向的纤维。同时提供了常见问题及相应的解决方法。
本文内容
摘要
摘要
电纺纳米纤维支架已被证明可加速细胞成熟、促进细胞生长并引导细胞迁移 体外静电纺丝是一种将带电聚合物射流收集在接地收集器上的过程；当收集器快速旋转时，可获得取向排列的纳米纤维，而静止的收集器则产生随机取向的纤维膜。聚合物射流的形成是由于施加的静电荷克服了溶液的表面张力。对于特定聚合物而言，存在一个最低浓度，称为临界缠结浓度，低于该浓度无法形成稳定的射流，因而无法生成纳米纤维——尽管可能形成纳米颗粒（电喷雾）。稳定的射流包含两个区域：一段为流动段，另一段为鞭动段。鞭动段通常肉眼不可见，而流动段在适当的光照条件下通常可见。观察该射流的长度、粗细、均匀性及其运动状态，有助于预测所形成纳米纤维的取向性与形貌。短小、不均匀、不稳定或振荡的射流通常提示存在多种问题，包括纤维取向不良、串珠结构、飞溅以及卷曲或波浪状结构。通过调整溶液组成和静电纺丝装置的配置，可优化射流状态，从而改善所产纤维的取向性与形貌。在本实验方案中，我们介绍了一种搭建基本静电纺丝装置的操作流程，经验性估算聚合物溶液临界缠结浓度的方法，以及优化静电纺丝过程的步骤。此外，我们还讨论了一些常见问题及其解决策略。
方案
1. 选择一种聚合物
- 根据您的需求（例如，可生物降解、热塑性或可交联）选择一种聚合物（例如聚-L-乳酸（PLLA）、聚己内酯（PCL）、聚苯乙烯（PS）或尼龙）及其相应的溶剂。根据所选材料选择适当的个人防护装备。
- 根据您的应用选择合适的基底（例如玻璃、塑料、金属或硅片）。
2. 选择采集者
- 根据您的具体要求选择收集器的几何形状。随机排列的纤维可收集在静止的平板上，而取向排列的纤维则可收集在快速旋转的轮盘、滚筒或金属棒上，也可收集在平行板之间。
- 收集器必须具有导电性，并且需与转轴保持绝缘，以便在接地时不会同时使邻近物体、实验台面等其他部分接地。
3. 经验法估算临界缠结浓度1
- 配制几种不同浓度的候选聚合物溶液（例如，4、10、15、20、30 wt%），选择一种能够流动的浓度开始实验（溶液应为黏性液体，而非凝胶状）。
- 设置静电纺丝装置2,3,4,5（见图1）
- 装载注射泵，并设定泵速，使从针尖擦去的液滴能够立即被补充。
- 将收集器接地，并将高压导线夹在导电板上（导电材料的小方片，如铝箔，针头从中穿过）。
- 启动转轮旋转。
- 在打开电源前，确保电源输出电压设定为零。
- 观察射流
- 缓慢升高电压，同时观察针尖处溶液液滴的变化。
- 调节电压以获得一条长而稳定的射流。若无法获得稳定射流，可调整聚合物溶液的浓度。参见表1中的示例。
4. 故障排除 - 气流：
- 难以观察到液流
- 使用深色哑光背景，并将单向光源（如手电筒）放置在观察者与液流之间（见图2）。
- 从注射器尖端滴落
- 如果聚合物溶液直接向下滴落，未被转轮吸引，请确保导电板与针尖接触良好，且收集器已接地。
- 如果注射器尖端的聚合物溶液液滴朝向转轮倾斜但未形成连续液流，可提高电压。通过调节距离和电压，可优化液流质量，直至出现稳定的液流。针对4% PLLA溶液和8×8 cm导电板，建议的距离与对应电压参见图3。
- 注射器尖端出现大块凝结物
- 当聚合物溶液在针尖处积聚并硬化时，使用固定在非导电棒上的纸巾轻轻擦拭去除凝结物。
- 液流振荡或“摆动”
当液流快速上下摆动时，应降低电压或增加注射器尖端与转轮之间的距离。若液流仍持续摆动，可尝试使用更高浓度的聚合物溶液，或添加少量蒸发较慢的溶剂。 - 液流过短或不连续
在转轮高速旋转条件下，能够清晰观察到稳定液流并与转轮充分接触时，所得纤维的均匀性和取向性最佳。当液流较短且不连续时，可通过增加聚合物溶液浓度、添加更多低挥发性溶剂以及调节电压来改善液流的长度和稳定性。
5. 故障排除——纤维形态6,7,8（参见图4）
- 珠状结构
当纤维中出现珠状结构时，应增加聚合物溶液的浓度，并确保导电板与针头持续接触，同时接地的金属丝刷与滚轮保持持续接触。 - 带状结构与纤维融合
当纤维呈现带状或发生融合时，应使用更高浓度的聚合物，或采用蒸发速率更高（更易挥发）的溶剂。 - 卷曲或波浪状纤维
当纤维出现波浪或卷曲形态时，应提高滚轮转速，或将针尖与收集器之间的距离增大。同时，检查导电板和收集器是否发生振动。 - 孔隙率9
若需要形成孔隙结构，应使用易快速挥发的溶剂；若不希望产生孔隙，可尝试添加少量比主溶剂挥发性更低的共溶剂。 - 取向性10
当收集器转速较低或静止时，纤维的取向性较差。可通过提高滚轮转速来改善纤维的排列取向。
6. 代表性结果：
请参见图4以查看典型纤维结果的示意图。
图1. 典型的静电纺丝装置。聚合物溶液（蓝色）由注射泵（橙色）推出。高压直流电源（绿色）将快速旋转的滚轮收集器（灰色）接地，用于收集取向纳米纤维。在注射器与收集器之间的聚合物射流包含一个稳定的流动段和一个快速振荡的鞭动段。
图 2. 可观察到射流从注射器尖端喷出；而缠绕射流过小，无法看见。
估算聚左旋乳酸（PLLA）的临界缠结浓度
| PLLA（% wt/v） | 观察现象 | 浓度调整 |
| 0.5 | 滴落；无连续流 | 增加 |
| 2.0 | 喷出小液滴；无连续流 | 略微增加 |
| 4.0 | 稳定连续流 | 良好 |
| 6.0 | 喷出大液滴或珠状物 | 略微降低 |
| 12.0 | 尖端结块；无连续流 | 降低 |
表1. 展示聚左旋乳酸（PLLA）临界缠结浓度近似测定的一个示例。尝试多种聚合物浓度，并观察产生的射流情况，直至获得稳定的射流。
图3. 注射器尖端与收集器之间的距离必须与施加的电压相平衡，以获得稳定的射流。过高的电压会导致射流发生振荡或“摆动”，从而产生取向较差的纤维。当电压过低时，无法形成射流，溶液仅从注射器尖端滴落。图中上方的紫色阴影区域表示在不同注射器至收集器距离下，聚左旋乳酸（PLLA）能够形成稳定射流的电压范围。
图4. 电纺纤维可呈现多种形貌，包括串珠状结构（A）、带状结构（B）、卷曲结构（C）、多孔团块（D）、良好取向（E）和取向不良（F）。
讨论
注意： 此处介绍的大多数示例均涉及聚左旋乳酸（PLLA）纳米纤维的静电纺丝。这仅仅是因为PLLA是本实验室中最常使用的聚合物。然而，我们还成功地将这些方法应用于其他聚合物（例如PLGA、PCL、PS）的静电纺丝，并认为本文所介绍的技术可广泛适用于大多数中高分子量聚合物溶液。
披露
未声明任何利益冲突。
致谢
本工作由美国国立卫生研究院（NIH）K08 EB003996项目和美国瘫痪退伍军人研究基金会资助项目2573支持。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 高压直流电源 | Gamma High Voltage | ES40P-5W | |
| 注射泵 | KD Scientific | KDS100 | |
| 铝箔 | Reynolds Wrap | ||
| 钝头金属针头，23号 | Fisher Scientific | 13-850-102 | |
| 聚丙烯注射器 | BD Biosciences | 309585 | |
| 旋转或固定收集器 | 定制 | ||
| 各种鳄鱼夹和导线 | |||
| 二甲基甲酰胺 | Fisher Scientific | AC11622-0010 | |
| 氯仿 | Fisher Scientific | AC42355-0040 | |
| PLLA | Boehringer Ingeheim | Resomer L210 | |
| PLGA 85:15 | Sigma-Aldrich | 43471 | |
| 导电碳胶带 | Ted Pella, Inc. | 13073-1 |
参考文献
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