【同轴静电纺丝案例】同轴静电纺丝制备核壳纳米纤维的实验指南
【同轴静电纺丝案例】同轴静电纺丝制备核壳纳米纤维的实验指南
一、引言
静电纺丝技术是一种高效的纳米纤维制备方法，能够生产出具有独特物理化学特性的纤维。同轴静电纺丝技术进一步扩展了这一领域，通过结合两种或多种材料的特性，制备出具有复合性能的纤维。本指南将探讨同轴静电纺丝技术的原理、实验方法、结果及其潜在应用。
二、同轴静电纺丝的原理
同轴静电纺丝技术于2002年首次出现，由标准单轴静电纺丝技术发展而来[1]。同轴静电纺丝的基本原理是在两个内径不同但同轴的毛细管中分别注入芯质和壳质溶液，二者在喷头末端汇合，在电场力的作用下固化成为复合纳米纤维。
三、实验案例
3.1 研究背景
PCL（聚己内酯）和PEO（聚氧化乙烯）是两种广泛用于生物医药领域的聚合物材料。由于PEO具有良好的生物相容性和亲水性，而PCL具有较好的力学性能和疏水性，而纳米纤维又具有类似于天然细胞外基质中的纤维结构，有助于细胞附着、增殖和分化，适用于构建仿生组织工程支架，因此越来越多的研究集中于制备PCL-PEO同轴纳米纤维上。
本实验利用简单可控的静电纺丝工艺，制备了PCL-PEO同轴纳米纤维。使用永康乐业ET-2535X型静电纺丝机，通过调整电压、流速和距离等参数，成功制备了具有核壳结构的纳米纤维。
3.2 实验材料与仪器
- 原料介绍：
医用级PEO( Mw 1,000,000)
医用级PCL (Mw 59,000)
DCM(西安天茂化工)
DMF(无锡亚泰联合化工)
DIW
- 实验配方：
核层：4wt%PEO in DIW
壳层：12wt%PCL in DCM/DMF(4/1,v/v)，
- 实验仪器：
静电纺丝设备型号：永康乐业ET-2535X型静电纺丝机
双套电压配置：正电压可调范围0
50KV、负电压可调范围-300KV高精度给液系统：触摸屏控制注射泵，给液精确可调，运行精度精确至0.001mm/min，适配1-30mL的注射器，珍贵溶液可高效利用
设备安全性：漏电保护装置、急停按钮、
样品均匀性：推注泵的角度和高度可调节、接收装置匀速旋转、配有平移扫描运动和行程设定灵活，便于制备不同宽度的膜状材料
接收器多样：平板、高速取向、平行取向、管型支架、凝固浴接收器，实现一机多用，增强应用范围
可调节环境参数：可选配不同的环境控制功能，包括温度、湿度等，以实现最佳的纺丝效果
图1 ET-2535X型静电纺丝机
- 关键配件：
在制备PCL-PEO同轴纳米纤维的过程中，一个至关重要的组件是同轴喷头。本实验采用的是永康乐业自主研发的同轴喷头，它采用了一体化的内外针结构，这种设计不仅简化了连接过程，还确保了核层和壳层溶液在喷头处的无缝汇合，从而在电场作用下形成均匀的核壳结构液滴。
该同轴喷头的前端配备了专利设计的圆形金属片，这一独特配置显著提升了电场的均匀性，使喷射流更均匀更集中，提高同轴结构的成功率。与传统喷头相比，这款同轴喷头在调节外针和内针之间的位置关系上更为灵活，能够适应各种不同的纺丝材料和溶液体系。
图2 同轴静电纺丝针头（厂家：永康乐业）
3.3 操作步骤
本实验的关键在于精确控制静电纺丝过程，以确保PCL-PEO同轴纳米纤维的成功制备。以下是详细的操作步骤：
- 纺丝前准备：
配置好核层溶液（4wt% PEO in DIW）和壳层溶液（12wt% PCL in DCM/DMF, 4/1 v/v）。
将溶液分别装入10mL注射器，并固定于注射泵上。
- 同轴针头连接：
使用永康乐业的同轴针头，将核层和壳层溶液分别连接至内针和外针。
确保所有连接牢固且无泄漏，并微调内针头在外针头内的伸缩距离以优化液滴形态。
- 纺丝参数设置：
首先开启壳层溶液纺丝，设置流速为0.15mm/min，电压为14kv/-2.5kv，距离保持在20-25cm。
待外层溶液稳定出丝后，开启核层溶液纺丝，流速设置为0.1mm/min，其他参数保持不变。
- 纤维收集：
将接收辊转速设置为40rpm，待出丝稳定后，将铜网放置于接收转辊附近收集纤维10秒。
收集完毕后，对纤维进行电镜拍摄，以观察纤维形态。
- 后处理：
- 将收集的纤维薄膜放入真空干燥箱进行干燥，即可得到PCL-PEO同轴纳米纤维膜。
3.4 数据结论
图3 PCL-PEO同轴纳米纤维的透射电镜照片
通过光学显微镜和透射电子显微镜（TEM）观察，可以发现同轴纳米纤维具有稳定的核壳结构和均匀的直径分布。外相直径约为530nm，内相直径为270nm。纤维的内层和外层材料可以通过调整配方和工艺参数进行优化，以满足特定的应用需求。
四、扩展阅读
同轴静电纺丝技术在多个领域具有广泛的应用潜力。推荐阅读相关领域的最新研究文献，以获取更深入的了解。
1、生物医学应用：Peng等[2]采用同轴电纺丝技术制备了纳米氧化镁（MgO）颗粒包合的PCL/明胶核壳纳米纤维素牙周膜，该材料不仅促进了人牙周膜干细胞的增殖和成骨分化，还展现出强大的抗菌活性，能够有效抑制大肠杆菌和放线菌的生长，为牙周组织再生提供了新的治疗途径。
2、传感器开发：Putro等[3]研究了一种基于共轴电纺方法的新型光学双传感器，用于同时检测氧气和氨气。该传感器通过监测特定分析气体存在下的强度变化和波长移动，对O2和NH3的灵敏度分别为6.4和3.2，响应和恢复时间也相对较快，为环境监测提供了一种高效的检测手段。
3、环境净化：Jiang等[4]制备了聚丙烯腈@聚二甲基硅氧烷同轴纳米纤维气凝胶，该材料具有超疏水性和超亲油性，对各种油类和有机溶剂展现出卓越的吸收能力，能高效分离油包水型乳液。此外，该材料在极端条件下仍能保持稳定的性能，展现出极佳的可回收性，为处理含油废水提供了一种环保型材料。
五、参考文献
[1] Sun Z, Zussman E, Yarin A L, et al. Compound core–shell polymer nanofibers by co‐electrospinning[J]. Advanced materials, 2003, 15(22): 1929-1932.
[2] Peng W, Ren S, Zhang Y, et al. MgO nanoparticles-incorporated PCL/gelatin-derived coaxial electrospinning nanocellulose membranes for periodontal tissue regeneration[J]. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2021, 9: 668428.
[3] Putro D T, Chu C S. A novel optical dual sensor based on a coaxial electrospinning method for simultaneous sensing of oxygen and ammonia[J]. Heliyon, 2024, 10(4).
[4] Jiang G, Ge J, Jia Y, et al. Coaxial electrospun nanofibrous aerogels for effective removal of oils and separation of water-in-oil emulsions[J]. Separation and Purification Technology, 2021, 270: 118740.
