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爱丁堡大学利用FDM 3D打印技术,制造出低成本的电喷和电纺装置

时间:2020-04-21 15:09 来源:中国3D打印网 作者:中国3D打印网 阅读:
2020年4月21日,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

△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。图片来源:3D Printing in Medicine
 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。

电喷/电纺室CAD图

△电喷/电纺室CAD图,
图片来源:3D Printing in Medicine
 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。

3D打印过程中的腔体部分的观察口。右图:3D打印机在打印腔体部分时的照片

左:3D打印过程中的腔体部分的观察口。右图:3D打印机在打印腔体部分时的照片。图片来源:3D Printing in Medicine
      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。"

3D打印模块化电喷/电纺装置

△3D打印模块化电喷/电纺装置,
图片来源:3D Printing in Medicine
       研究论文 “Low-cost FDM 3D-printed modular electrospray/electrospinning setup for biomedical applications”发表在《3D Printing in Medicine》杂志上。该论文由Jing Huang, Vasileios Koutsos和Norbert Radacsi 撰写。

(责任编辑:中国3D打印网)

weixin
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