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浅谈静电纺丝,利弊考量和前景展望 397浏览/0回复

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发表于 2019-11-20 19:59:47

        静电纺丝原理.jpg

      (转载自小木虫论坛,侵删。)一直以来想在闲暇之余写一点东西,介绍一下静电纺丝,这个与本人密切相关的领域。刚好最近和 fellow students 交流也比较多,发现大家对静电纺丝的前景都是很模糊,正好在这里一并说明。
首先唠点儿有的没的吧,以供大家参考:本人本科时就读四川大学高分子学院的材料专业,现就读美国University of Akron,专业是Polymer Engineering,隶属于高分子科学与工程专业(College of Polymer Science and Engineering), 主要从事核壳结构静电纺丝的药物缓释的研究,从最开始的设备采购搭建,各种因素的掌控以至于到药物缓释作用的机理都有详细的研究, 详情可见http://www2.uakron.edu/cpspe/minlab/people.html。好闲话就不多说了,下面切入正题。
想到电纺丝,国人可能对这个概念还比较陌生,因为确实国内乃至全世界范围内,静电纺丝的商业应用范围都还很有限,究其原因,无外乎以下几点:1.生产效率低 2. 控制因素较传统纺丝工艺而言复杂很多 3. 设备成本高 4. 产品的一致性相对不稳定。 乍一看,静电纺丝作为一种新型手段的商业前景确实堪忧,这也使很多人并不看好其应用前景。However,首先我要说,我们不能因为这个发展中的技术所表现出的一些问题而全盘否定,静电纺丝所带来的纳米级纤维的超高相对表面积是现有任何传统纺丝手段都达不到的,应用到药物载体,过滤设备,电池结构等当中都是传统材料所不能比拟的。Moreover, 其实通过我长时间系统的研究,以上那些问题其实都是能通过技术手段得到相对满意的解决方案的。
下面我来逐条说明大致的解决办法以共国人参考,有些涉及到实验室相对confidential的内容可以联系本人,本人会视情况考虑私聊,太公开的话感觉分分钟会被老板fire。联系方式见最后:
1.生产效率低。
其实国外早就有很多种解决办法,比如多喷头并联纺丝,纺丝的collector设计成生产线式的滚动作业。这种设计的实体在Dr.Cakmak's group可见尤其本人设计,已经多次为公司的横向项目接了很多私活,与市场合作的很密切。或者条件有限的情况下,喷头可以设计成与纺丝方向垂直的往复运动的形式,相当于多喷头并联,且只用一套syringe pump。同时我们也要明确一下电纺丝的应用前景,必然是高附加值的应用,比如战场创伤敷料,医院病人的手术后高性能康复敷料,超薄电池单元等。这些地方更看重的其实还是电纺丝材料无可替代的超高相对表面积所带来的优秀的药物缓释时效,电池多孔结构等。通过以上的方法已经能使电纺丝的效率成几何增长,并经过美国一些公司的商业检验,证明其完全有能力商业投产。
2.控制因素较传统纺丝工艺而言复杂很多。
诚然,很多因素左右着电纺丝材料的形貌和性能,比如电压,流量,纺丝距离,also ambient parameters like 湿度,温度等等。本人刚开始尝试研究搭建设备,量化体系中各种控制因素的时候,也经历过一段相当痛苦的过程。但是其实,这些因素在掌握了纺丝技巧的时候控制起来基本没什么难度。比如现在拿给我一种polyelectrolyte,只要是可纺的(分子量足够高,浓度足够高),我都可以在短时间内搞定各种参数了。本人现阶段研究的方向已经是core-shell structure,就是每一根丝都由外面一层壳和里面一层核构成,可想而之控制因素复杂得多。至于如何做到的,这个真的是机密了,有一次给组里一个intern说了一下差点被老板kick out了。
3. 设备成本高。
这个本人在最初设计设备也是刚进组的时候,调研过国内的这方面提供设备的企业,毕竟当时刚来美国,还是感觉中文交流更方便。当时就发现,这些企业绝大多数都是提供整套设备,包括了高电压,泵,接丝器,可控的工作台一整套,然后堂而皇之的抬高价格,导致一套设备往往十多万,当时傻傻地还去问了问很多国内公司的quote,因为老板当时更相信美国的设备,所以设备最后都是分别从美国厂商购得的。而我要说的是,即使是这样总价都比国内设备低很多,因为这些设备其实分别买并不贵,但是国内企业就是吃死了整套设备相对复杂的构建而翻倍的提高售价,而且在我现在看来,就算是那种整套的设备,实际应用中还有大量的地方需要改良,如果不再组装后根据不同实验和生产体系进一步优化,其使用效能其实是堪忧的。总之,掌握搭建技术而分别购买设备,电纺丝的设备成本可以大大降低的。
4. 产品的一致性相对不稳定。
这个其实是一个很tricky的部分,很大程度取决于设备。比如同样是做核壳电纺丝,有些设备就是纺不出来,我在项目刚开始时也因为设备对一些因素控制不好始终无法纺出core-shell structured fibers并且一度想过放弃。后来在经过大量失败排除各种可能性进而改良设备之后,纺的丝已经均一化程度很高了,有些本人照的电镜的图在我paper发表后可以公开出来。还是这句话,产品的一致性也是可控的,只要掌握控制技术,可以做到每根单丝的直径范围标准差控制在百分之五以内。况且电纺丝产品最终的目的是要达到高相对表面积的性能,对单丝形貌控制到基本一致就已经完全达标了。
以上种种,是本人基于自己的研究得出的结论,可能主观了一点,但是都是本人试验中验证过的。
既然是利弊考量和前景展望,那自然还是要说一下市场可能的前景啦,前面已经泛泛地介绍了一些,下面我想基于我现在的研究说一下具体的应用。这里我不得不稍微介绍一下我的研究,由于尚未发表,还是要有所保密的。我的研究,是将不同的药物溶于纺丝液,进而得到载有药物的核壳结构的丝膜,从而达到一种药物先释放,另一种药物后释放,同时都能长时间保持稳定释放速率以达到药物缓释的目,进而辅助治疗。而我所研究的材料体系都是无毒的生物相容性材料。本人现在有一个初步的设想:由于医院手术后对病人伤口处理的敷料多是传统布料加之药物,由于材料低相对表面积的制约,导致载药量有限同时释放效率不高,经常需要不断的换敷料,对伤口往往产生二次创伤,增加病人的痛苦。而应用了这种电纺丝膜制成的敷料,由于其高相对表面积带来的高载药量,和多层丝结构带来的长时间释放效果,病人换敷料的次数可以大大降低,并且由于使用生物相容性材料,甚至可以直接降解,免去换药痛苦。虽然现在还只是一个简单的设想,但是本人感觉市场前景还是很可观的。
说了这么多,欢迎大家和我交流,本人联系方式:yh41@zips.uakron.edu, 或hypooplovene@gmail.com, 如果大家觉得哪里不清楚需要详谈,本人都会尽量满足,本人还是很希望静电纺丝能应用于国内,学以致用的。

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