一种静电辅助的湿法纺丝装置及湿法纺丝方法技术领域
本发明属于湿法纺丝技术领域，具体涉及一种静电辅助的湿法纺丝装置及
湿法纺丝方法。
背景技术
组织器官的损伤会危害人类的身心健康，传统的器官移植则面临器官资源
少、体内排斥等问题。支架材料在组织工程中起到组织构建的重要作用，细胞
在体外环境下难以自发形成组织和器官，需要贴附在合适的支架上才能进行增
殖扩散，以及之后的一系列细胞行为。
随着组织工程研究的深入，具有特定生物学功能的组织工程支架逐渐成为
研究热点。微纳米纤维构成的支架或膜管具有比表面积大，孔隙率高等特点。
研究表明细胞外的微纳米空间结构限定了细胞伸展的几何形状，从而影响着细
胞与基质之间的相互作用。同时微纳米结构与天然细胞外基质的结构相近，尤
其是特定取向的微纳米结构对细胞的形态与功能有着很强的诱导作用，对组织
再生的意义重大。因此制备具有取向结构的微纳米纤维一直是组织工程领域的
一个具有挑战性的课题。
目前世界上大量的研究机构和生产单位主要使用的是基于带电射流在静电
场中作用为原理的静电纺丝技术，以及熔融纺丝技术。静电纺丝是一种连续制
备聚合物纳米纤维的方法。近十几年来，静电纺丝技术在理论和实验等方面均
取得了不小的进展。由于静电纺丝技术制备的纳米纤维具有多孔结构和较高的
比表面积，在过滤、纳米复合材料、伤口敷料以及生物医药等方面具有许多潜
在的用途。尤其在生物医药领域，静电纺丝超细纤维广泛用作组织工程支架、
药物传输与控制释放的载体等，这也是国际上的一个研究热点。而这些方法制
备的取向纤维结构主要依赖于接收器和电场的控制。其中典型的例子之一，如
静电纺丝技术中使用滚筒或飞盘接受器接收，获得有序排列的纤维结构；或者
使用两个电极进行接收，在两电极之间形成平行排列的纤维。然而这些成熟的
方法在制备有序纤维过程中还存在一定的局限性，具体表现在：①静电纺丝所
需要的电压很高，安全与节能方面有待进一步改善提高；②制备有序纤维需要
对接受条件进行严格的控制，难度较大；③当纺丝液介电常数较大或粘性较大
时，难以克服溶液表面张力形成射流；④静电纺丝技术在制备纤维的过程中需
要较高的静电电压，当纺丝液中需要共混细胞或具有生物活性的生物因子时，
高压静电可能对细胞或生物因子造成破坏。现有静电纺丝装置在操作过程中存
在的这些问题非常需要采用一种新的制备技术加以改进以获得均匀、稳定的有
序纤维结构的纺丝材料；同时该技术亦应满足操作条件温和，工艺可控，制备
的纤维材料排列有序，可维持细胞与生物因子活性的要求，作为细胞基底或支
架在组织工程中获得更加广泛的应用。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种静电辅
助的湿法纺丝装置。
本发明的另一目的在于提供一种湿法纺丝方法，该方法利用流体剪切力，
辅助以电场力，在二者共同的牵引下将纺丝液牵拉成丝，从而制备具有一定取
向的纤维，通过不同的凝固浴可调节纺丝液固化的速率从而调节纤维膜的孔隙
率。本方法可稳定获得定向排列纤维。
本发明的再一目的在于提供上述方法制备得到的微纳米纤维膜材料。
本发明的第四个目的在于提供上述微纳米纤维膜材料在组织工程中的应
用。微纳米纤维具有多孔结构和较高的比表面积，在过滤、纳米复合材料、伤
口敷料以及生物医药等方面具有许多潜在的用途。尤其在生物医药领域，微纳
米纤维广泛用作组织工程支架、药物传输与控制释放的载体，同时其取向的纤
维结构对细胞形态和功能具有诱导作用。本方法纺丝条件温和，可保证纤维中
负载的细胞和生长因子的活性。对于制备具有生物活性的组织工程支架有着重
要的意义。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种静电辅助的湿法纺丝装置，包括注射泵、纺丝注射器、静电发生器、
旋转电机、凝固浴装置和接受转轴；
其中，纺丝注射器固定在注射泵上；纺丝注射器的针头通过导线与静电发
生器的正极连接，旋转电机与接受转轴连接，带动接受转轴旋转；接受转轴通
过导线与静电发生器的负极连接；接受转轴的下端位于凝固浴装置液面以下；
纺丝注射器的针头插入凝固浴装置液面以下；
所述的针头的内径为0.2mm～1mm；
所述的针头与接受转轴的间距为1cm～10cm；
所述的针头插入凝固浴装置液面以下1cm～10cm；
所述的注射泵的推进速度为0.1mL/h～10mL/h；
所述的静电发生器的电压为1kV～15kV；
所述的旋转电机的转速为100rad/min～2000rad/min；
所述的注射泵优选为双通道或者多通道注射泵；
所述的针头优选为弯针头；
一种静电辅助的湿法纺丝方法，包含如下步骤：
(1)上述静电辅助的湿法纺丝装置的注射泵推动纺丝注射器将纺丝原液注
入含有凝固浴的凝固浴装置中；然后接受转轴在旋转电机的带动下旋转，带动
凝固浴中的液体旋转，旋转的液体产生剪切作用，纺丝原液在剪切力和静电力
共同作用下逐渐拉长变细，纺丝原液中的溶剂逐渐扩散到凝固浴中，纺丝原液
逐渐固化为定向排列纤维，最后被接受转轴接受形成定向排列纤维膜；
(2)将收集到的纤维膜洗干净后干燥，得到微纳米纤维膜材料；
步骤(1)中所述的纺丝原液的质量分数为5％～25％；
步骤(1)中所述的纺丝原液中的溶质为聚乳酸(PLA)、聚γ-己内酯(PCL)、
羟丙基纤维素、海藻酸钠和聚乙醇酸(PLGA)中的至少一种；
步骤(1)中所述的纺丝原液的溶质-溶剂配伍优选为PLA/PCL的二氯甲烷
(DCM)溶液、PLGA/PCL的DCM溶液、PLGA的二甲基亚砜(DMSO)溶
液、羟丙基纤维素的丙酮溶液、羟丙基纤维素/PCL的DCM溶液或海藻酸钠/细
胞溶液；
步骤(1)中所述的凝固浴为植物油/正己烷混合溶液、乙醇/水混合溶液、
甘油/水混合溶液、DMF/DCM混合溶液或CaCl2水溶液；
所述的植物油/正己烷混合溶液中植物油和正己烷体积比为5/1～1/5；
所述的乙醇/水混合溶液中乙醇和水体积比为5/1～1/5；
所述的甘油/水混合溶液中甘油和水体积比为5/1～1/5；
所述的DMF/DCM混合溶液中DMF和DCM的体积比为5/1～1/5；
所述的CaCl2水溶液的质量分数为0.5％～2.5％；
步骤(2)中所述的干燥优选为真空干燥；所述的真空干燥的时间为3～7
天；
一种微纳米纤维膜材料通过上述方法制备得到；
本发明通过更换凝固液成份控制纤维固化的速率，从而可获得不同形貌的
纤维，以及不同孔隙率的定向排列纤维膜。
本发明通过使用双通道或者多通道注射泵可同时进行多种聚合物定向排列
纤维膜的制备获得复合纤维膜。
本发明制备得到的微纳米纤维具有多孔结构和较高的比表面积，在过滤、
纳米复合材料、伤口敷料以及生物医药等方面具有许多潜在的用途。尤其在生
物医药领域，微纳米纤维广泛用作组织工程支架、药物传输与控制释放的载体，
同时其取向的纤维结构对细胞形态和功能具有诱导作用。本方法纺丝条件温和，
可保证纤维中负载的细胞和生长因子的活性。对于制备具有生物活性的组织工
程支架有着重要的意义。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)可简单制备取向纤维而不依赖外界接受条件和电磁场的影响。
(2)对一些静电纺丝无法有效处理的介电常数较大，粘度较大的聚合物溶
液，本发明可以比较方便的制备取向纤维膜，从而摆脱传统纺丝对聚合物溶液
本身特性的要求，具有更广的应用范围。
(3)纺丝条件较为温和可以通过纺丝液与细胞和生长因子共混，制备负载
细胞的具有生物活性组织工程支架。
附图说明
图1是本发明静电辅助的湿法纺丝装置的结构示意图。
图2是实施例2和3制备的微纳米纤维膜材料的光学形态图，其中，a：实
施例2，b：实施例3。
图3是实施例2和3制备的微纳米纤维膜材料的扫描电镜图，其中a：实施
例2，b：实施例3。
图4是细胞激光共聚焦图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方
式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种静电辅助的湿法纺丝装置，包括注射泵1、纺丝注射器2、
静电发生器3、旋转电机4、凝固浴装置5和接受转轴6；
其中，纺丝注射器2固定在注射泵1上；纺丝注射器2的针头7通过导线
与静电发生器3的正极连接，旋转电机4与接受转轴6连接，带动接受转轴6
旋转；接受转轴6通过导线与静电发生器3的负极连接；接受转轴6的下端位
于凝固浴装置5液面以下；纺丝注射器2的针头7插入凝固浴装置5液面以下；
所述的针头7的内径为0.2mm～1mm；
所述的针头7与接受转轴6的间距为1cm～10cm；
所述的针头7插入凝固浴装置5液面以下1cm～10cm；
所述的注射泵1的推进速度为0.1mL/h～10mL/h；
所述的静电发生器3的电压为1kV～15kV；
所述的旋转电机4的转速为100rad/min～2000rad/min；
所述的注射泵1优选为双通道或者多通道注射泵；
所述的针头7优选为弯针头；
一种静电辅助的湿法纺丝方法，包含如下步骤：
(1)上述静电辅助的湿法纺丝装置的注射泵1推动纺丝注射器2将纺丝原
液注入含有凝固浴的凝固浴装置5中；然后接受转轴6在旋转电机4的带动下
旋转，带动凝固浴中的液体旋转，旋转的液体产生剪切作用，纺丝原液在剪切
力和静电力共同作用下逐渐拉长变细，纺丝原液中的溶剂逐渐扩散到凝固浴中，
纺丝原液逐渐固化为定向排列纤维，最后被接受转轴6接受形成定向排列纤维
膜；
(2)将收集到的纤维膜洗干净后干燥，得到微纳米纤维膜材料。
实施例2
(1)一种静电辅助的湿法纺丝装置同实施例1，其中，注射泵的推进速度
为1mL/h；旋转电机转速为600rad/min，静电发生器的电压为1kV；针头的内
径为0.41mm，针头与接受转轴间距为5cm，针头插入凝固浴装置液面以下4cm；
(2)将1gPCL(Mw＝80000)溶于10mL二氯甲烷中，磁力搅拌过夜得到
质量分数为10％的均匀纺丝原液，真空脱泡，随后加入纺丝注射器2中，将纺
丝注射器2紧紧固定在双通道注射泵1上，凝固浴成分为甘油/乙醇(1：1，v/v)，
纺丝原液在注射泵1的推进下注入含有凝固浴的凝固浴装置5中；然后接受转
轴6在旋转电机4的带动下旋转，带动凝固浴中的液体旋转，旋转的液体产生
剪切作用，纺丝液在剪切力和静电力共同作用下逐渐拉长变细，纺丝原液中的
溶剂逐渐扩散到凝固浴中，纺丝原液逐渐固化为定向排列纤维，最后被接受转
轴接收形成定向排列纤维膜；
(3)步骤(2)收集到的纤维膜洗净后真空干燥两天，得到微纳米纤维膜
材料；该微纳米纤维膜材料的形态如图2a所示，扫描电镜图如图3a所示。
实施例3
(1)一种静电辅助的湿法纺丝装置同实施例1，其中，注射泵的推进速度为
1mL/h；旋转电机转速为600rad/min，静电发生器的电压为5kV；针头内径为
0.41mm，与接受转轴间距为5cm，针头插入凝固浴装置液面以下4cm；
(2)将1gPCL(Mw＝80000)溶于10mL二氯甲烷中，磁力搅拌过夜得到
质量分数为5％的均匀纺丝原液，真空脱泡，随后加入纺丝注射器2中，将纺丝
注射器2紧紧固定在双通道注射泵1上，凝固浴成分为甘油/乙醇(1：1，v/v)，
纺丝原液在注射泵1的推进下注入含有凝固浴的凝固浴装置5中；然后接受转
轴6在旋转电机4的带动下旋转，带动凝固浴中的液体旋转，旋转的液体产生
剪切作用，纺丝液在剪切力和静电力共同作用下逐渐拉长变细，纺丝原液中的
溶剂逐渐扩散到凝固浴中，纺丝原液逐渐固化为定向排列纤维，最后被接受转
轴接收形成定向排列纤维膜；
(3)收集到的纤维膜洗净后真空干燥两天，得到微纳米纤维膜材料；该微
纳米纤维膜材料的形态如图2b所示，扫描电镜图如图3b所示。
实施例4
(1)一种静电辅助的湿法纺丝装置同实施例1，其中，注射泵的推进速度
为2mL/h；旋转电机转速为800rad/min，静电发生器的电压为5kV；针头内径
为0.41mm，与接受转轴间距为5cm，针头插入凝固浴装置液面以下4cm；
(2)将0.5gPLGA(Mw＝50000)与0.5gPCL(Mw＝80000)溶于10mL二
氯甲烷中，磁力搅拌过夜得到质量分数为10％的均匀纺丝原液，真空脱泡，随
后加入纺丝注射器2中，将纺丝注射器2紧紧固定在双通道注射泵1上，凝固
浴成分为甘油/乙醇(2：1，v/v)。纺丝原液仅仅在注射泵1的推进下注入含有
凝固浴的凝固浴装置5中；然后接受转轴6在旋转电机4的带动下旋转，带动
凝固浴中的液体旋转，旋转的液体产生剪切作用，纺丝原液在剪切力和静电力
共同作用下逐渐拉长变细，纺丝原液中的溶剂逐渐扩散到凝固浴中，纺丝原液
逐渐固化为定向排列纤维，最后被接受转轴接收形成定向排列纤维膜；
(3)步骤(2)收集到的纤维膜洗净后真空干燥两天，得到微纳米纤维膜
材料。
实施例5
(1)一种静电辅助的湿法纺丝装置同实施例1，其中，注射泵的推进速度
为2mL/h；旋转电机转速为600rad/min，静电发生器的电压为5kV；针头内径
为0.41mm，与接受转轴间距为5cm，针头插入凝固浴装置液面以下4cm；
(2)将0.5gPLGA(Mw＝50000)与0.5gPCL(Mw＝80000)溶于10mL二
氯甲烷中，磁力搅拌过夜得到质量分数为20％的均匀纺丝原液，真空脱泡，随
后加入纺丝注射器2中，将纺丝注射器2紧紧固定在双通道注射泵1上，凝固
浴成分为植物油/正己烷(2：1，v/v)，纺丝原液仅仅在注射泵1的推进下注入
含有凝固浴的凝固浴装置5中；然后接受转轴6在旋转电机4的带动下旋转，
带动凝固浴中的液体旋转，旋转的液体产生剪切作用，纺丝原液在剪切力和静
电力共同作用下逐渐拉长变细，纺丝原液中的溶剂逐渐扩散到凝固浴中，纺丝
原液逐渐固化为定向排列纤维，最后被接受转轴接收形成定向排列纤维膜；
(3)步骤(2)收集到的纤维膜洗净后真空干燥两天，得到微纳米纤维膜
材料。
实施例6
(1)一种静电辅助的湿法纺丝装置同实施例1，其中，注射泵的推进速度
为2mL/h；旋转电机转速为600rad/min，静电发生器的电压为10kV；针头内
径为0.41mm，与接受转轴间距为5cm，针头插入凝固浴装置液面以下4cm；
(2)将0.7gPLGA(Mw＝50000)与0.3gPCL(Mw＝80000)溶于10mL二
氯甲烷中，磁力搅拌过夜得到质量分数为10％的均匀纺丝原液，真空脱泡，随
后加入纺丝注射器2中，将纺丝注射器2紧紧固定在双通道注射泵1上，凝固
浴成分为植物油/正己烷(2：1，v/v)，纺丝原液仅仅在注射泵1的推进下注入
含有凝固浴的凝固浴装置5中；然后接受转轴6在旋转电机4的带动下旋转，
带动凝固浴中的液体旋转，旋转的液体产生剪切作用，纺丝原液在剪切力和静
电力共同作用下逐渐拉长变细，纺丝原液中的溶剂逐渐扩散到凝固浴中，纺丝
原液逐渐固化为定向排列纤维，最后被接收转轴接受形成定向排列纤维膜；
(3)步骤(2)收集到的纤维膜洗净后真空干燥两天，得到微纳米纤维膜
材料。
实施例7
(1)一种静电辅助的湿法纺丝装置同实施例1，其中，注射泵的推进速度
为2mL/h；旋转电机转速为600rad/min，静电发生器的电压为15kV；针头内
径为0.41mm，与接受转轴间距为5cm，针头插入凝固浴装置液面以下4cm；
(2)将0.7g羟丙基纤维素(Mw＝100000)与0.3gPCL(Mw＝80000)溶于
10mL丙酮中，磁力搅拌过夜得到质量分数为10％的均匀纺丝液，真空脱泡，随
后加入纺丝注射器2中，将纺丝注射器2紧紧固定在双通道注射泵1上，凝固
浴成分为植物油/正己烷(3：1，v/v)，纺丝液仅仅在注射泵1的推进下注入含
有凝固浴的凝固浴装置5中；然后接受转轴6在旋转电机4的带动下旋转，带
动凝固浴中的液体旋转，旋转的液体产生剪切作用，纺丝原液在剪切力和静电
力共同作用下逐渐拉长变细，纺丝原液中的溶剂逐渐扩散到凝固浴中，纺丝原
液逐渐固化为定向排列纤维，最后被接受转轴接受形成定向排列纤维；
(3)步骤(2)收集的纤维膜洗净后真空干燥两天，得到微纳米纤维膜材
料。
(4)在步骤(3)得到的微纳米纤维膜材料上培养rBMSC细胞，由图4可
见，细胞形态良好，应力纤维清晰。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实
施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、
替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。