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  • 2020-12-21 15:19:49

    原标题:基于静电纺丝技术构建纤维增强GelMA水凝胶诱导角膜基质再生

    近期,清华大学深圳国际研究生院弥胜利和孙伟课题组在角膜基质诱导再生领域取得重大进展,相关成果于2020年3月18日发表在《自然·通讯》(Nature Communications)期刊上,题为“纤维增强的GelMA水凝胶用于诱导角膜基质的再生(Fiber reinforced GelMA hydrogel to induce the regeneration of corneal stroma)”。

    眼角膜作为视觉成像系统中一个至关重要的组织,是眼睛最前面的凸形高度透明物质,可以保护眼内的微结构及组织,并为眼睛提供大部分屈光力。但是角膜损伤、感染及一些先天性因素导致角膜疾病成为全球第二大致盲疾病。同种异体角膜、人工角膜及人的羊膜移植是三类临床上应用最广泛的角膜疾病治疗方法,但是这些方法都会存在一定的问题或缺陷。因此,利用先进的生物制造工程的方法(Biofabrication)开发出一种治疗性的角膜支架,用于替代受疾病影响的角膜组织或诱导角膜组织自身再生,是至关重要的。目前,角膜组织诱导再生的难点在于角膜基质层,该层组织是角膜的主要组成部分,具有多层正交定向的纳米纤维板层组成的复杂结构,利用传统的生物工程的方法很难真实地模拟基质层的结构。纤维板层之间分布着角膜基质细胞,这种细胞在体外培养及角膜组织损伤时很容易转化为角膜成纤维细胞及肌成纤维细胞,导致角膜出现瘢痕。因此,制备能够模拟天然角膜基质结构的支架,同时保持角膜基质细胞的表型,诱导角膜基质的再生,是一个重大的挑战。

    针对这一难题,弥胜利和孙伟课题组提出了使用近场静电纺丝技术制备网格状的亚微米纤维支架,并和水凝胶技术结合,制备了纤维水凝胶复合支架,用于模拟正交定向的角膜基质板层结构和板层之间起连接作用的糖蛋白。课题组提出了一种最优的拓扑结构及化学因子的组合,可以抑制角膜基质细胞的成纤维分化,保持其表型,并最终实现角膜基质的诱导再生。

    图1:(a)近场静电纺丝技术制备的具有不同纤维间距的PECL网格状亚微米纤维支架在不同放大倍数下的SEM图片;(b)接种在100um网格状纤维支架上的角膜缘基质干细胞进行细胞骨架及细胞核染色,细胞可以在支架上沿着纤维方向生长;(c)5% GelMA水凝胶内封装的角膜缘基质干细胞进行活死染色图片;(d)5% GelMA水凝胶内封装的角膜缘基质干细胞进行细胞骨架及细胞核染色图片;(e)纤维水凝胶复合支架的SEM图片。

    目前近场静电纺丝技术应用最广泛的材料是PCL,但是由于PCL是疏水材料,不利于细胞的粘附,因此该研究利用PEG作为引发剂,合成了PEG和PCL的共聚物PECL,显著提高了PCL的亲水性。课题组首次利用近场静电纺丝技术成功制备了正交定向的PECL亚微米纤维支架 (图1a),角膜缘基质干细胞可以在支架表面黏附并沿着纤维方向铺展及生长 (图1b)。

    研究通过将MA修饰到明胶大分子链上合成了GelMA,探究出最优的MA修饰度及GelMA浓度,可以使封装在GelMA水凝胶内的角膜缘基质干细胞保持高的细胞活性(图1c)并能铺展开(图1d)。

    课题组采用模具灌注的方式制备了纤维水凝胶复合支架 (图1e),通过研究不同纤维间距的网格状支架对纤维水凝胶复合支架理化性能的影响,找出了最优的拓扑结构可以使纤维水凝胶在力学性能、透光度和溶胀性方面最接近于天然的角膜组织。研究将角膜缘基质干细胞接种在2D的细胞培养皿、3D的GelMA水凝胶及最优的纤维水凝胶复合支架内,并研究角膜缘基质干细胞在含血清及不含血清的培养基中的分化及角膜基质细胞表型的维持。研究表明,这种最优的纤维水凝胶的拓扑结构及无血清培养基可以抑制角膜基质细胞向成纤维细胞分化。

    图2 大鼠角膜基质内板层移植实验及评估:(a)5种支架移植后裂隙灯观察图片;(b)支架移植后OCT观察图片,标尺是1000um;(c)术后不同时间段中央角膜的厚度;(d)术后1个月和3个月免疫荧光染色图片观察组织诱导再生情况,标尺是100um;(e)术后1个月和3个月HE染色图片观察组织诱导再生情况,标尺是100um。

    最后,研究使用大鼠进行角膜内的板层移植实验,分别进行了3D GelMA水凝胶、含化学因子3D GelMA、最优纤维水凝胶支架及含化学因子最优纤维水凝胶支架的移植,对照组为自体角膜移植(图2a)。术后通过OCT、免疫荧光染色及HE染色进行3个月的研究观察(图2b-e)发现相比于其他的支架,含化学因子的最优纤维水凝胶支架的移植可以最好地实现角膜基质的诱导再生。

    本论文第一作者为清华-伯克利深圳学院博士生孔彬和清华大学深圳国际研究生院硕士生陈赟及刘睿,论文通讯作者为弥胜利副研究员和孙伟教授。该研究得到了国家重点研发计划的支持。

    来源 清华大学新闻网

    论文链接:

    https://doi.org/10.1038/s41467-020-14887-9返回搜狐,查看更多

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  • 【文献学习】静电纺丝

    千次阅读 2021-11-15 10:53:51
    静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺,聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下,针头处的液滴会由球形变为圆锥形,并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细。(百度百科...

    静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺,聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下,针头处的液滴会由球形变为圆锥形,并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细。(百度百科)这种技术生产的非织造材料纳米纤维垫与传统技术相比,更接近于模仿细胞外间质组分。该工艺生产的亚微米级纺丝纤维具有比表面积与体积比高、孔隙率可调以及可通过调控纳米纤维组分获得理想性能等优点。近年(2010)来,有200多种聚合物的静电防治技术被应用于各种场合,而且数量还在逐年增加。

    纳米材料有许多优秀特性,关于纳米制造技术一直是热门研究方向。静电纺丝作为一种静电纤维制备技术,由于其多功能性和广阔的应用前景,近年来受到人们的广泛关注。其主要应用领域包括组织工程tissue engineering、生物传感器、过滤、伤口敷料、药物输送和酶固定。

    本次调研意在学习静电纺丝原理;理解可纺性聚合物、溶液和工艺参数对纤维形态、溶剂性能solvent properties和熔体静电纺丝melt electrospinning, alternative to solution electrospinning的影响。了静电纺丝技术的优点和应用前景。介绍静电纺纤维在不同领域的应用,挑选感兴趣的生物医疗与软电子器件方向做详细介绍。


    本文引言、原理、工艺参数部分主要摘自文[1] ,软电子器件主要摘自 [3]

    Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique - ScienceDirecthttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975010000066#aep-section-id12生物医疗应用主要摘自[2]

    生物医疗应用https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386108007994https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386108007994软电子器件应用主要摘自 [3]

    软电子器件应用https://www.nature.com/articles/s41427-020-00267-8#citeashttps://www.nature.com/articles/s41427-020-00267-8#citeas


    1.Introduction

    静电纺丝是一种广泛应用的静电纤维形成技术,使用天然聚合物和合成聚合物溶液,利用静电场生产直径从2纳米到几微米的聚合物纤维。自本世纪初以来,世界各地的研究人员一直在重新审视静电纺丝过程。这种静电纺丝技术不仅在纺制各种聚合物纤维方面功能性广泛,还能够始终如一地生产亚微米范围的纤维,而标准的机械纤维纺丝技术很难做到这一点。电纺纤维已经成功地应用于各个领域,如纳米催化、组织工程支架、防护服、过滤、生物医学、制药、光电子、医疗、生物技术、防御和安全以及环境工程。总的来说,这是一种相对稳定且简单的技术,可以利用各种各样的聚合物生产纳米纤维

    纺丝纳米纤维还具有一些优点,如极高的表面体积比、可调节的孔隙率、可适应各种尺寸和形状的延展性,以及通过控制纳米纤维的组成来实现预期的性能和功能。由于这些优点,静电纺丝纳米纤维在过滤、光学和化学传感器、电极材料和生物支架等领域的应用在近些年得到了广泛的研究。这种技术在纺织工业中用于生产非织造纤维织物已有70多年的历史。热门研究方向:利用这种技术生产纳米纤维,尤其是用于组织工程的各种天然和合成聚合物制备纳米纤维支架,如聚乳酸、聚氨酯、丝素蛋白、胶原蛋白、纤维素等。

    尽管静电纺丝具有许多优点,但纳米纤维的生产能力一直是制约其应用的瓶颈问题。为了提高纺丝速率,有学者提出了一种双层静电纺丝系统,该系统下层为铁磁悬浮液,上层为聚合物溶液,多个喷丝头或喷嘴系统排列成一条直线/圆/矩阵,采用自下而上的气体喷射静电纺丝(气泡静电纺丝)。而且在各种应用中需要大量的纤维而非单一的喷射头。各种研究小组使用多孔空心管以获得多股射流,在这种情况下,可以通过增加管长和孔数来提高生产率。

    2.发展历程History

    静电纺丝是一项古老的技术。它在1897年首次被瑞利发现,1914年 Zeleny 对电喷涂进行了详细研究,1934年获得 Formhals 专利。泰勒(1969)关于电驱动喷嘴的工作为静电纺丝奠定了基础。“静电纺丝electrospinning”这一术语起源于“electrostatic spinning”,最近才被使用(大约在1994年) 。从1934年到1944年,Formhals 发表了一系列的专利,描述了利用静电力生产聚合物长丝的实验装置。第一个专利(美国专利号: 2116942)是纺织纱线的静电纺丝,用丙酮和乙二醇的单甲醚作为溶剂,静电纺丝醋酸纤维素的电压为57千伏。这个过程在1934年由 Antonin Formhals 申请了专利,后来又在1938年、1939年和1940年授予了相关专利。Formhals 公司的纺纱过程包括一个可移动的线收集装置,收集处于拉伸状态的线。在过去的60年里,大约有50项关于静电纺丝聚合物熔体和溶液的专利。Vonnegut and Newbauer (1952)发明了一种简单的电子雾化装置,产生了直径约0.1毫米的高度均匀的带电液滴。在此之后,Drozin (1955)研究了在高电势下一系列液体在气溶胶中的分散性,Simons (1966)申请了用电纺法生产超薄、超轻、不同图案的非织造布的专利。1971年,鲍姆加滕(1971)研制了直径为0.05ー1.1 μm 的腈纶电纺丝装置。自20世纪80年代以来,特别是近年来,静电纺丝技术重新得到了更多的关注,这可能是由于人们对纳米技术的兴趣越来越浓厚,因为通过静电纺丝可以很容易地制备出直径小于亚微米或纳米的各种聚合物的超细纤维或纤维结构。近年来,许多学者在研究静电纺丝工艺及其生产的纤维的各个方面,而且基于静电纺丝的专利申请数量也在增加,这些都可以实现静电纺丝工艺的普及。一些公司,eSpin Technologies, NanoTechnics, and KATO Tech积极参与静电纺丝技术研究,而Donaldson Company and Freudenberg已使用这一技术生产了商用的空气过滤产品。

    3.工艺技术

    静电纺丝是一种利用静电力从聚合物溶液或熔体中生产细纤维的独特方法,与传统纺丝工艺相比,静电纺丝的纤维直径更小(从nm到um) ,S_表/V 更大。此外,产生静电纺丝需要几十千伏特的直流电压。静电除尘器和农药喷雾器等各种技术的工作原理与静电纺丝工艺和这一工艺相似:主要基于强大的相互电排斥力克服带电聚合物液体中较弱的表面张力。目前(2010),静电纺设备有两个标准;垂直和水平。随着这项技术的扩展,一些研究小组已经开发出更复杂的系统,可以以更可控和更有效的方式制造出更复杂的纳米纤维结构。

    静电纺丝是在室温和大气条件下进行的。典型的静电纺丝装置的组成如上图所示。基本上,静电纺丝系统由三个主要部件组成: 高压电源、喷丝头(比如移液管尖端)和接地收集板(通常是金属屏幕、板材或旋转芯棒) ,利用高压电源将一定极性的电荷注入聚合物溶液或熔体中,然后加速到相反极性的收集器中。大多数聚合物在静电纺丝前溶解在某些溶剂中,当它完全溶解时,形成聚合物溶液。然后将聚合物流体引入毛细管进行静电纺丝。一些聚合物可能会释放出令人不快甚至有害的气味,因此这些过程应该在有通风系统的箱内进行。在静电纺丝过程中,毛细管端部由表面张力控制的聚合物溶液受到电场的作用,由于电场的作用,在液体表面产生电荷。当施加的电场达到一个临界值时,电排斥力克服了表面张力。最终,一股带电的溶液射流从泰勒锥(当电场逐渐增强时, 喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状, 即泰勒锥)的尖端喷射出来,在毛细管尖端和捕收器之间的空间发生了一个不稳定的快速的射流鞭打,导致溶剂蒸发,留下一个聚合物。喷流只在喷丝头顶端稳定,在此之后不稳定开始。因此,静电纺丝工艺为纤维的形成提供了一种简化的技术。

    在静电纺丝中使用的聚合物种类繁多,能够在亚微米范围内形成细小的纳米纤维,应用范围广泛。电纺纳米纤维来自各种合成聚合物,天然聚合物或两者的混合物,包括蛋白质、核酸,甚至多糖。

    多近年来许多种天然高分子材料成功地进行了静电纺丝,并对其应用进行了表征。其中的纳米纤维被广泛应用于组织工程支架、过滤膜和各种生物医学领域。与合成聚合物相比,天然聚合物在生物医学应用中通常表现出更好的生物相容性和低免疫原性。使用天然聚合物静电纺丝的一个重要原因是它们固有的结合细胞的能力,因为它们携带特定的蛋白质序列。然而天然高分子材料部分变性的报道是其一大限制因素。Zeugolis 等人(2008年)首次表明,天然生物材料胶原蛋白在电纺成纳米纤维时 主要性能会丧失,这些纤维是由氟醇制成的。胶原蛋白是一种重要的生物高分子材料,由于其优良的生物和物理化学性质而被广泛应用于组织工程领域。目前,最广泛采用的纯胶原蛋白或胶原-聚(3- 己内酯)共混物静电纺丝方法涉及使用高挥发性氟醇。类似地,其他研究小组也表明,由于氟醇的存在,非胶原蛋白的天然结构发生了早期变性,变性温度降低。有研究表明45% 的胶原蛋白在静电纺丝过程中明显流失。

    4.各种参数对静电纺丝的影响

    静电纺丝过程由许多参数独立控制,广泛分为溶液参数、工艺参数和环境参数。溶液参数包括粘度、电导率、分子量和表面张力,工艺参数包括外加电场、尖端到收集器的距离和进料量或流量。这些参数中的每一个都对静电纺丝得到的纤维形态有很大的影响,通过对这些参数的适当操作,我们可以得到所需形态和直径的纳米纤维。除了这些变量之外,环境参数包括周围环境的湿度和温度,这些对于确定静电纺纳米纤维的形态和直径起着重要作用

    在下表,讨论了各种参数对纤维形态的影响[1]

    溶液参数:溶液粘度增加会使珠粒产量低,纤维直径增大;聚合物浓度增加会使纤维直径增大;聚合物分子量增加会使珠粒beads和液滴的数量减少;溶液导电率增加使纤维直径减小;溶液表面张力与纤维形态没有决定性的联系,高表面张力会导致射流的不稳定。

    工艺参数:施加电压增大纤维减小;叶尖与集热器的距离太小太大都不合适,距离不合适会产生beads而不是均匀的纤维;物料流量减小纤维直径减小,流量过大产生珠粒。

    环境参数:高湿度会在纤维上形成圆形孔隙;温度升高导致纤维直径减小。

    5.静电纺丝在生物医疗方向的应用

    生物医学领域是静电纺丝技术的重要应用领域之一,如组织工程、药物释放、伤口敷料、酶固定化等。静电纺丝组件可以通过不同的方式进行改性,以便将具有不同形态结构的材料性能结合起来。接下来将讨论静电纺丝在生物医学领域的重要性,重点在于,考虑到各种生物医学应用的特殊需要下,已经被电纺的材料的类型以及在传统电纺设备中已进行的改造。

    组织工程,也称为再生医学,是一个跨学科的领域,涉及医学,生物学,工程和材料科学。组织工程学利用支架为细胞提供支持,使因疾病、损伤或先天性缺陷而破坏的细胞外基质再生而不刺激任何免疫反应。

    静电纺丝产生松散连接的高孔隙率和高比表面积的三维多孔垫,可以模拟额外的细胞基质结构,因此使其成为组织工程的优秀候选者。用于组织工程目的的材料的要求是生物相容性和生物降解性,因为支架应该随着时间的推移而降解,并用新的再生组织取代。

    静电纺丝技术在组织工程领域的应用主要集中在以下几个方面: 1。形成不同生物材料的非织造膜,以满足天然细胞外基质的仿生物理尺寸,即纳米尺寸的几何形态。2。改进静电纺丝技术模拟细胞外基质促进细胞增殖和分化。

    药物释放与组织工程是密切相关的领域。由于表面积的增加,电纺纤维毡与铸型薄膜相比,提供了增加药物释放的优势。运载蛋白protein-loaded的三维支架可用于蛋白质输送和骨组织再生。采用静电纺丝法可以制备重组人骨形态发生蛋白复和纤维支架。

    简单小结,使用静电纺丝技术可以制造一些Electrospun mat、例如PCL 聚己内酯,PLA 聚乳酸,它们可以运输、释放release不同的药物,Resveratrol 白藜芦醇 Diclofenac sodium双氯芬酸钠。

    比较简单的一种控制释放的方法: 在药物储层上提供额外的保护层来控制生物分子的药物扩散释放效应。

    伤口敷料:静电纺丝除了能满足透氧、防止伤口感染和脱水等要求外,还能制备出更均匀的支架材料作为伤口敷料。传统的皮肤替代物主要由成纤维细胞和/或胶原支架上的角质形成细胞组成,这些成纤维细胞和/或角质形成细胞主要由冷冻干燥(FD)产生,产生结构异质性。ES 能以简单的方式提供创面敷料。

    银长期以来被认为是治疗创伤和烧伤的一种广谱和高效的抗菌剂。银离子通过结合细菌带负电荷的成分使其蛋白质和核酸变性而发挥作用。此外,银也能产生氧气,而氧气又破坏细菌的细胞壁膜。金属银用于商业伤口敷料,其抗菌活性达到99.9% 以上。然而,也有一些缺点,例如,伤口敷料的金属银导致皮肤出现灰蓝色变色,为了溶解金属银定期需要补充水分,而且制造成本也相对较高。静电纺 PVA/agno3纤维网是一种很有应用前景的敷料。

    静电纺丝技术的重要优点是生产具有大表面积的超细纤维,功能化容易,优越的机械性能,并且易于加工。这些优点为其在许多不同的生物医学应用中的应用提供了广泛的机会。这些应用范围从组织工程,药物释放,植入,生物转化到伤口愈合。静电纺丝可以通过不同的方式来组合具有不同形态结构的材料性能。虽然有越来越多的文献使用静电纺丝的各种生物医学应用,但该领域仍处于初级阶段。虽然已经有一系列新的、商业上可用的聚合物作为组织工程应用中细胞再生和增殖的基质,但是支架与生物系统的相互作用、毒性、体内研究等许多问题还需要深入研究,才能使该技术应用于任何真正的生物医学应用。

    6.静电纺丝在软电子器件方向的应用

    电纺纳米纤维以其良好的柔韧性和性、导电性和透明性,并且具有一维纳米结构、高表面积和多种纤维形态。接下来将简要介绍静电纺织纳米纤维材料独特的结构和性能,重点介绍柔性可伸缩电子器件的组装策略。然后,总结了利用静电纺纳米纤维设计和制造具有代表性的柔性可伸缩电子器件的最新进展,如柔性可伸缩导体、传感器、能量收集元件以及晶体管

    通过设计柔性/可伸缩结构本质上是寻找软材料,人们付出了巨大的努力来提高软电子的性能。先进的纳米材料、纳米粒子、纳米纤维、纳米膜,由于具有较大的比表面积和优异的机电性能而被开发用于制造软电子产品。制备纳米材料软电子器件有波纹结构、预应变结构、复合结构和传递结构等。考虑到可重复性和大规模制造,很明显,除了制造纳米材料所需的复杂工艺之外,物理和经济因素将限制上述技术的进一步发展。然而,静电纺丝技术为制备一维纳米纤维提供了一种低成本、高效率和大规模的方法,这种方法具有激发机械和电学特性,包括高孔隙率、表面积、导电性、透明度和超高的柔韧性。此外,多样化的、可行的纳米纤维组件在设计薄、柔软、轻便、透气和舒适的电子设备中起着关键作用。

    用静电纺织纳米纤维设计和制造具有代表性的柔性可伸缩电子器:件应变传感器、压力传感器、化学传感器、纳米发电机、电池、超级电容器、光电探测器、发光二极管、晶体管、导体、透明电极

    随着静电纺丝技术的迅速发展,静电纺丝纳米纤维在软电子领域的功能应用取得了重大进展。通过对静电纺丝技术的改进,成功地将有机高分子、小分子、胶体颗粒、复合材料、有机/无机体系和有机/有机体系静电纺丝成无纺布,进一步拓展了静电纺丝在柔性/可拉伸电子器件中的应用。尽管静电纺纳米纤维已经被广泛研究了几十年,但是它们作为构建柔性和可伸缩电子器件的基础材料的应用仍然处于早期阶段。

    在制备一维纳米结构的各种方法中,静电纺丝是最简单、最经济可行的方法,此外,静电纺丝已成为大规模生产直径可调的纳米纤维的一种商业上成功的方法。利用静电纺丝技术直接或间接制备了有机聚合物纳米纤维、碳纳米纤维、金属纳米纤维、陶瓷纳米纤维和无机杂化纳米纤维等多种纳米材料。我们已经看到它们在软电子领域的应用越来越广泛,包括透明电极、导体、晶体管、光电子学、传感器和能源设备。为此,人们采用了不同的方法来设计电纺纳米纤维作为无源元件(如功能基板、模板和前驱体)和有源元件(如纳米发电机的摩擦层、储能装置的电解质分离器和化学传感器的传感层)。

    在下面,我们将介绍六种主要的策略,以在软电子系统soft electronic systems组装静电纺纳米纤维

    柔性可伸缩电子器件的组装策略:单根半导体纳米纤维、纠缠多孔纳米纤维片材、定向纳米纤维阵列、纱线(经改性后的纱线)。、template模板、Reinforcement强化 

    单根电纺半导体纳米纤维由于具有高的载流子迁移率和良好的机械柔韧性而被用作柔性可伸缩晶体管的沟道材料。与传统的薄膜型半导体材料相比,共轭聚合物一维纳米结构与介电层的接触面积大,固有的柔韧性,具有更好的拉伸性能,更容易直接印刷得到图案化结构。

    缠绕多孔纳米纤维片材:柔性可伸缩电子器件通常是通过将电子材料沉积在弹性衬底上或将其嵌入弹性衬底来制造的。然而,这些聚合物基底与通常使用的电子材料如金属、金属纳米材料和碳基材料存在固有的机械不匹配。相比之下,静电纺纳米纤维片制备的弹性体衬底不仅可以提供显著的机械弹性,而且还可以为可穿戴的皮肤电子设备提供透气性。当使用非导电静电纺丝纳米纤维片作为支撑材料时,可穿戴电子设备可以是轻便、舒适、高灵敏、灵活和/或可伸缩和透气的。

    定向纳米纤维阵列:在静电纺丝过程中,通过调整流量和收集器的条件,可以很容易地获得高度排列的纳米纤维。除了前面提到的“单半导体纳米纤维”中的单个半导体纳米纤维之外,来自共轭聚合物的定向纳米纤维也被用作通道材料。通过在源极(s)/漏极(d)电极上连接一定数量的 P3HT 电纺纳米纤维,可以控制最大导通电流。这种方法有望制备出高密度的晶体管阵列。

    纱线:纺织线,在便携式电子产品、智能织物和可穿戴显示器方面具有重要地位。虽然已经开发了其他纺丝方法(强力法、熔融法和湿法纺丝法)来生产电子纺织用的纳米/微米纤维,但它们不适合大规模生产。可以利用静电纺丝技术制备多种三维多孔微纤维或纱线形状的柔性/可伸缩导体。

    Temporary template临时模板:制备透明电极的典型方法是采用静电纺聚合物纳米纤维膜作为临时模板。通过退火或溶解去除纳米纤维后,导电金属层的多孔网状结构得以维持。通过改变静电纺丝纳米纤维片的形貌,可以很好地调节透明电极的透明度和片电阻等特性。

    Reinforcement强化:受混凝土中增强丝的启发,许多纳米管或纳米线基材料被广泛用作复合材料中的增强材料,以提高复合材料的机械性能。通过将电纺纳米纤维纳入弹性体基体中,即使其厚度在微米尺度之上,接收到的弹性体基体仍然成为皮肤状基体。其优良的力学性能来源于聚合物基体中纳米纤维的无规分布。

    由于静电纺丝纳米纤维在一维纳米结构中令人印象深刻的特性,孔隙率、柔韧性、导电性、透明度和不同的纤维形态对于设计高性能软电子器件是至关重要的,近发展起了一些柔韧/可伸缩电子器件,包括导体、应变传感器压力传感器、纳米发电机、超级电容器、电池、晶体管

    柔性可伸缩导体的基本特征是,它在某些机械变形下保持高导电率。由于静电纺丝制备的纳米纤维网络多孔结构具有良好的柔韧性,可以制备大量柔韧/可伸缩的导电薄膜或纱线。

    应变传感器:电纺纳米纤维列车传感器具有重量轻、柔韧性好、可伸缩性好、气体渗透率高等特点,在可穿戴电子设备中具有重要的应用价值。利用静电纺丝技术制备应变传感器的一种有效方法是在纳米纤维支架上修饰或沉积功能材料。一个典型的例子是使用一个混合 ZnNW/聚酯(PS)纳米纤维网络作为应变传感器的功能材料。采用静电纺丝法在 PS 纳米纤维上附着 ZnO 种子,然后生长 ZnO NWs,制备了 ZnNW/PS 纳米纤维多孔结构。

    静电纺丝纳米纤维制成的柔性/可伸缩应变传感器a.从静电纺聚苯乙烯纳米纤维得到的 ZnO NW/PS 纳米纤维示意制作方法。b.高分辨率 ZnO NW/PS 纳米纤维的 SEM 图像。c.了 ZnO NW/PS 纳米光纤应变传感器的电阻-应变曲线。d. 照片显示了附着在指纹上的纳米传感器,展示了良好的适应性。e.人造皮肤表面的纳米图像,显示出可辨别的汗孔。f.说话时面部应变监测。The nanomesh-attached face (right side) exhibits skin strain mapping comparable to that of a face (left side) without nanomeshes

    压力传感器:静电纺纳米纤维毡具有多孔结构和高柔韧性,对重复性外压具有较高的耐受性。因此,利用静电纺丝技术构建了大量的可穿戴式压力传感器。在这些传感器中,有四种类型的工作机制: 电容、电阻、摩擦电和压电。在此基础上,静电纺丝纳米纤维可用作压力传感器组件中的介电层、导电层或电极材料。

    电池:锂离子电池在能源储存系统中发挥着关键作用。锂是电化学储能中最轻的金属,具有最低的还原电位,理论比容量为3860 mAh/g。静电纺纳米纤维在研制具有柔韧性、可伸缩性的锂离子电池方面显示出巨大的潜力。利用静电纺丝技术制备的各种电极、分离器和电解液,已用于改善锂离子电池的电化学、机械和安全性能。Jeong 等人报道了一种本质可伸缩的锂离子电池,该电池在100% 拉伸下,以聚苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯(SBS)嵌段共聚物纳米纤维毡为隔膜,具有91.8 mAh/g 的高容量。开发的可伸缩蓄电池已成功地用于为独立的伸缩的电子设备平台提供动力

    晶体管:场效应管可简单看作外部电场来控制器件中电荷输运行为的电子开关。它由三个电极(源极、漏极和栅极)、一个半导体(即有源通道)和一个用作通道和栅极之间薄绝缘层的介质组成。柔性/可伸缩晶体管在软电子集成中具有重要作用,能够有效地操纵和处理电信号。然而,由薄膜型材料或纳米纤维复合材料制备的聚合物半导体通常会受到载流子输运性能降低和柔韧性有限的影响。这些问题可以通过应用静电纺织有机半导体纳米纤维来解决,其中电荷载流子输运可以通过沿纤维纵向的聚合物链的择优取向来加强。

    7.总结

    静电纺丝技术是一种简单、通用、经济的纺丝技术,可生产出具有高比表面积、高孔隙率和高孔隙率的无纺布纤维。由于这些特性,在生物医学、柔性电子等领域有广泛的应用。

    尽管静电电纺丝技术具有许多优点,但在纺丝过程中仍存在一些关键性的局限性,如孔径小、纤维内部缺乏适当的细胞浸润等。目前正在这些方面进行若干尝试,以改善纳米纤维的性能和工艺优化。

    随着共聚合和聚合物混合物的出现,纳米纤维网所能实现的物理和生物性能越来越多。静电纺丝纳米纤维是一种具有广阔应用前景的新型纺丝材料。

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