通过旋喷纺丝方法制纳米纤维1

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1、通过旋喷纺丝方法制纳米纤维MohammadRezaBadrossamay,HollyAliceMcIlwee,JosueA.Goss,andKevinKitParker*疾病生物物理组,韦斯研究所生物启发工程,工程与应用科学的学校，哈佛大学，剑桥大学，马萨诸塞州0213摘要：高压电器领域和低廉的生产速率限制静电，液体聚合物的充电作为纳米纤维制造的一种手段，在这里，我们利用高速旋转的聚合物溶液喷嘴挤压纤维，显示了定向三维结构的纳米纤维制作简便方法，纤维形态、直径和网络孔隙度能够被不同喷嘴几何、转速、聚合物溶液性质所控制的方法称为旋喷

2、纺丝。我们通过建设可生物降解的聚合物纤维的各向异性阵列和播种结构与乳鼠心肌细胞，证明了这个组织工程技术可实用。心肌细胞利用对齐的纤维调整可收缩的细胞骨架并且自组织成一打、多细胞组织，这些组织模仿层，各向异性结构的心脏肌肉。这种技术可能有利的证明那些不适合于静电纺丝的聚合物建设单轴对齐的纳米纤维结构。关键词：纳米纤维制造，旋喷纺丝系统，光纤对准，三维装配，心脏组织，工程，蛋白质纤维。自组装，相分离，静电纺丝通常用于生成纳米纤维支架。在这些方法中，静电纺丝是最好的方法，通过电动充电的聚合物微滴液生产超细纤维。2-11除了静电纺丝的通用

3、性和普及性，高低压电器领域，不精确控制纤维取向，在溶液电导率的敏感性变化，生产速度低，在制作三维（3D）的结构困难限制了其应用。有几个策略，以扩大多功能静电；12,13然而，需要可靠的方法来产生良好的特点和对齐微纳米材料的聚合物纤维仍然存在。我们假设，我们可以通过利用高速旋转的喷嘴生产纳米纤维，形成聚合物射流凝固之前经过广泛的伸展（图1a）被称为旋喷纺（RJS），这个RJS系统包括可连接到可控转速的马达轴的有二侧壁孔的水库。为方便灵活的空气纤维集合箔放在上面的水库轴。聚合物溶液被不断输送到水库的速度足以维持不变静水压力和连续流，由

4、此产生的纤维搜集在一个固定的、周围的圆柱收集管或者盖玻片举行了反对收集管墙。该纤维生产过程由三步组成：（一）喷气启动引发聚合物溶液通过孔口流动，（二）喷气延伸增加推进聚合物流的表面区域，（三）溶剂蒸发巩固和缩小聚合物喷射。在第一个步骤（图1b-Ⅰ）静水压力和离心力压力在远端的毛细血管的结合14超过流动性毛细作用并且作为一个喷嘴通过毛细管喷嘴推动聚合物溶液。向外的径向离心力延伸聚合物喷射，因为它是预期朝着集热墙（图1b-Ⅱ），但由于旋转依赖惯性，喷嘴在一个卷曲弹道里行走。受挤压聚合物喷射的伸展在减少从喷嘴到收集管之间的射流直径的距离

5、是至关重要的。同时，聚合物溶液中的溶剂挥发，固化和收缩射流（图1b-Ⅲ）。溶剂蒸发速度取决于它的波动性。如果溶剂是高度挥发，射流形式的粗纤维作为快速蒸发的溶剂可能快速凝固，阻碍射流延伸。在这个过程中的主要挑战是优化聚合物溶液性质（粘弹性和表面张力）溶剂挥发，毛细管直径，和收集管半径不仅生产超细纤维还可以防止射流断裂，由于水滴形成的高原瑞利不稳定。15射流破裂可能以毛细管数估计，定义为韦伯数的比值（We）以雷诺数（Re），Ca）We/Re，表征粘滞力的比率到表面张力。15在这里We）FU2D/γ和Re）FUD/η其中，F，η和γ分别

6、是密度动力粘度，聚合物溶液表面张力，U是聚合物射流出口在固定框架基础上的速度（参阅对射流速度测量的辅助材料），D是孔口直径。较低毛细管数目导致较短的喷射长度，早期喷气破裂导致孤立液滴。作为验证的原则，我们过去从多种合成纤维中生产旋喷纺丝，自然地生产出聚合物。我们在氯仿中（图1c-e）从聚（乳酸）（PLA）中生产纳米纤维，在水中（图1f）从聚（乙烯氧化物）和聚（丙烯酸）中生产纳米纤维，在不同的电导率下中和氢氧化钠（图1，面板G和H），在温和的醋酸酸中（图1i）凝胶化，在聚乳酸乳液中凝胶化（图1J），聚氧化乙烯掺杂荧光球珠（图1K）（

7、在样品制备中参考更多细节信息）。这些数据表明，RJS的是一种快速简便的纳米纤维制造技术，无电力驱动。RJS能够从不同的聚合物中制作具有3D结构的连续排列的纳米纤维结构。为了研究RJS光纤制造在多种生产变量总的敏感性，我们专注于生产聚乳酸纤维（见详细的成分表1）。如图2所示，直径在50到3500纳米之间、连续排列的聚乳酸可以生产。为了证明定制纳米纤维形态的能力，我们在不同的旋转速度下生产纳米纤维。通过将旋转速度从4000转增加到12000，纤维直径（中位数（中位数的标准误差）从1143±50下降到424±41纳米（图2a-C）我们推

8、测这种RJS纤维形成机制是竞争的离心力和喷气表面张力的优化。表面张力引起射流不稳定和焊缝成形，而离心力加速细长的液体流，在液体流中溶剂蒸发和聚合物链延伸同时发生。因此，高离心力引起更大的扩展，聚合物喷射变薄，这会导致纤维直径变薄。为了验证这个推测，