利用FDM 3D打印工艺自制出模块化的电喷/电纺设置装备

2020年4月21日，从外媒获悉，来自爱丁堡大学的研究人员利用FDM 3D打印技术制造出了一种低成本的电喷/电纺装置，用于生物医学应用。

虽然利用了不同的技术，但电喷和电纺技术都使用了类似的技术来生产纳米结构。电纺技术可以生产出直径约100纳米的聚己内酯纤维。另一方面，电喷雾电离（ESI）则用于制备纳米球和纳米颗粒。然而，一个典型的实验室电纺设备可以同时具备电喷和电纺模式。

爱丁堡大学材料与工艺研究所工程学院的研究人员发现，电喷和电纺法的商业化设置尽管相当简单，但其成本在1.7万-30万美元之间。因此，许多研究人员都采用了不安全的自制解决方案。研究人员开发并分享了一种FDM 3D打印工艺，使其能够制造出安全的、模块化的电喷/电纺设置装备。

△左图：典型的电喷装置的原理图。右图：典型的电纺装置原理图。

什么是电纺和电喷技术？

电纺技术是一种纤维生产方法，电纺技术是利用电的力量拉出高分子纳米/超细纤维的带电线。它是一种广泛应用于制药、医药或生物应用的方法，如组织工程的支架或创建纳米纤维伤口敷料等。研究人员进一步解释说：“它还被广泛应用于医学诊断和药物输送，因为它们可以固定识别元件或活性药物成分，由于其表面积和孔隙率大，因此也被广泛用于医学诊断和药物输送。”

电喷雾技术，也称为ESI，能够产生离子，即具有净电荷的原子或分子。为了实现这一目标，该技术利用电喷雾器对液体施加高电压以产生气溶胶。电喷雾器本身就是一种利用电来分散液体的仪器。电喷雾的纳米颗粒通常用于制药、生物或医疗领域。例如，电喷雾可用于制造装载药物的纳米粒子，用于纳米粒子药物输送，或装载细胞生长因子，用于组织工程。

这两种方法都利用电水动力机制来制造纳米/微颗粒和纳米/微纤维。因此，可以制作一个组合设置，使这两种技术的使用成为可能，每种模式取决于溶液的粘度和电导率。正如研究人员在研究中所描述的那样，一般的设置包括“（i）一个注射器，放置在注射器泵内，用于连续的溶液流动；（ii）一个金属喷嘴；（iii）一个高压电源（连接到喷嘴上）；（iv）和一个集电极（导电以吸引带电的纳米颗粒/纳米纤维，并置于高压电极的对面）。

对于电纺和电喷模式，从喷嘴喷出的液体形成特定的锥体几何形状，称为泰勒锥。在电喷模式下，高电荷的液滴从泰勒锥体中喷出，溶剂蒸发后，可以收集到固体纳米颗粒。而在电纺模式下，连续的纤维从泰勒锥体中喷出，在溶剂完全蒸发后，纳米纤维会凝固。

然而，研究人员解释说，电纺和电喷技术的商业化装备尽管很容易制造，但价格昂贵，因此，世界上许多研究人员使用自制的实验设置装备，用户有可能会在高压组件中受到电击。

用3D打印建立一个更安全、更便宜的替代方案

对此，研究人员认为，FDM 3D打印是一种合适且低成本的解决方案，可以制造出媲美商业化的电喷/电纺装备，其结果的可靠性和可重现性与商业化的装备相似。在他们的研究论文中，全面概述了该设置的制造过程，同时还免费提供了打印设备所需的文件和参数。其设计为模块化设计，其部件可以很容易地进行更换，同时该设计还提供了一个安全的设置，确保用户不会接触到高压部件。

他们使用Ultimaker 3 FDM系统进行3D打印，所使用的材料包括PLA、PVA和一种热塑性弹性体线材，材料成本为100美元。3D打印出的部件包括喷嘴支架、安全帽、中心腔体部件以及带有内部气体通道的末端部件。

总的来说，这个电喷/电纺装置在6天内完成了3D打印。完成后，研究人员在电喷和电纺模式下对该装置进行了成功的测试，不过他们建议在3D打印中央腔体部分时使用ABS、PEEK或陶瓷材料，以增加化学电阻率。

该论文的作者认为，”3D打印提供了一种低成本的方法，可以制造出类似于商业化的安全可靠的实验装置。本文提出了一种使用廉价的FDM 3D打印机3D打印模块化电喷/电纺装置的方法，该装置在电喷和电纺模式下都进行了成功的测试。“

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