愛丁堡大學(xué)利用FDM 3D打印技術(shù),，制造出低成本的電噴和電紡裝置

2020年4月21日，南極熊從外媒獲悉,，來自愛丁堡大學(xué)的研究人員利用FDM 3D打印技術(shù)制造出了一種低成本的電噴/電紡裝置,，用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

雖然利用了不同的技術(shù),，但電噴和電紡技術(shù)都使用了類似的技術(shù)來生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu),。電紡技術(shù)可以生產(chǎn)出直徑約100納米的聚己內(nèi)酯纖維。另一方面,，電噴霧電離（ESI）則用于制備納米球和納米顆粒,。然而，一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)室電紡設(shè)備可以同時(shí)具備電噴和電紡模式,。

愛丁堡大學(xué)材料與工藝研究所工程學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn),，電噴和電紡法的商業(yè)化設(shè)置盡管相當(dāng)簡單，但其成本在1.7萬-30萬美元之間,。因此,，許多研究人員都采用了不安全的自制解決方案。研究人員開發(fā)并分享了一種FDM 3D打印工藝,，使其能夠制造出安全的,、模塊化的電噴/電紡設(shè)置裝備。

△左圖：典型的電噴裝置的原理圖,。右圖：典型的電紡裝置原理圖,。圖片來源：3D Printing in Medicine

什么是電紡和電噴技術(shù)？

電紡技術(shù)是一種纖維生產(chǎn)方法,，電紡技術(shù)是利用電的力量拉出高分子納米/超細(xì)纖維的帶電線,。它是一種廣泛應(yīng)用于制藥、醫(yī)藥或生物應(yīng)用的方法,，如組織工程的支架或創(chuàng)建納米纖維傷口敷料等,。研究人員進(jìn)一步解釋說："它還被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和藥物輸送，因?yàn)樗鼈兛梢怨潭ㄗR(shí)別元件或活性藥物成分,，由于其表面積和孔隙率大,，因此也被廣泛用于醫(yī)學(xué)診斷和藥物輸送。"

電噴霧技術(shù),，也稱為ESI,，能夠產(chǎn)生離子，即具有凈電荷的原子或分子。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，該技術(shù)利用電噴霧器對(duì)液體施加高電壓以產(chǎn)生氣溶膠,。電噴霧器本身就是一種利用電來分散液體的儀器。電噴霧的納米顆粒通常用于制藥,、生物或醫(yī)療領(lǐng)域,。例如，電噴霧可用于制造裝載藥物的納米粒子,，用于納米粒子藥物輸送,，或裝載細(xì)胞生長因子，用于組織工程,。

這兩種方法都利用電水動(dòng)力機(jī)制來制造納米/微顆粒和納米/微纖維,。因此，可以制作一個(gè)組合設(shè)置,，使這兩種技術(shù)的使用成為可能,，每種模式取決于溶液的粘度和電導(dǎo)率。正如研究人員在研究中所描述的那樣,，一般的設(shè)置包括"(i)一個(gè)注射器,，放置在注射器泵內(nèi)，用于連續(xù)的溶液流動(dòng),；(ii)一個(gè)金屬噴嘴,；(iii)一個(gè)高壓電源(連接到噴嘴上)；(iv)和一個(gè)集電極(導(dǎo)電以吸引帶電的納米顆粒/納米纖維,，并置于高壓電極的對(duì)面),。

對(duì)于電紡和電噴模式，從噴嘴噴出的液體形成特定的錐體幾何形狀,，稱為泰勒錐,。在電噴模式下，高電荷的液滴從泰勒錐體中噴出,，溶劑蒸發(fā)后,，可以收集到固體納米顆粒。而在電紡模式下,，連續(xù)的纖維從泰勒錐體中噴出,，在溶劑完全蒸發(fā)后，納米纖維會(huì)凝固,。

然而,，研究人員解釋說，電紡和電噴技術(shù)的商業(yè)化裝備盡管很容易制造,，但價(jià)格昂貴,，因此,，世界上許多研究人員使用自制的實(shí)驗(yàn)設(shè)置裝備，用戶有可能會(huì)在高壓組件中受到電擊,。

△電噴/電紡室CAD圖,，

圖片來源：3D Printing in Medicine

用3D打印建立一個(gè)更安全、更便宜的替代方案

對(duì)此,，研究人員認(rèn)為,，F(xiàn)DM 3D打印是一種合適且低成本的解決方案,，可以制造出媲美商業(yè)化的電噴/電紡裝備,，其結(jié)果的可靠性和可重現(xiàn)性與商業(yè)化的裝備相似。在他們的研究論文中,，全面概述了該設(shè)置的制造過程,，同時(shí)還免費(fèi)提供了打印設(shè)備所需的文件和參數(shù)。其設(shè)計(jì)為模塊化設(shè)計(jì),，其部件可以很容易地進(jìn)行更換,，同時(shí)該設(shè)計(jì)還提供了一個(gè)安全的設(shè)置，確保用戶不會(huì)接觸到高壓部件,。

他們使用Ultimaker 3 FDM系統(tǒng)進(jìn)行3D打印,，所使用的材料包括PLA、PVA和一種熱塑性彈性體線材,，材料成本為100美元,。3D打印出的部件包括噴嘴支架、安全帽,、中心腔體部件以及帶有內(nèi)部氣體通道的末端部件,。

左：3D打印過程中的腔體部分的觀察口。右圖：3D打印機(jī)在打印腔體部分時(shí)的照片,。圖片來源：3D Printing in Medicine

總的來說,，這個(gè)電噴/電紡裝置在6天內(nèi)完成了3D打印。完成后,，研究人員在電噴和電紡模式下對(duì)該裝置進(jìn)行了成功的測試,，不過他們建議在3D打印中央腔體部分時(shí)使用ABS、PEEK或陶瓷材料,，以增加化學(xué)電阻率,。

該論文的作者認(rèn)為，"3D打印提供了一種低成本的方法,，可以制造出類似于商業(yè)化的安全可靠的實(shí)驗(yàn)裝置,。本文提出了一種使用廉價(jià)的FDM 3D打印機(jī)3D打印模塊化電噴/電紡裝置的方法[..........]，該裝置在電噴和電紡模式下都進(jìn)行了成功的測試,。"

△3D打印模塊化電噴/電紡裝置,，

圖片來源：3D Printing in Medicine

研究論文 “Low-cost FDM 3D-printed modular electrospray/electrospinning setup for biomedical applications”發(fā)表在《3D Printing in Medicine》雜志上,。該論文由Jing Huang, Vasileios Koutsos和Norbert Radacsi 撰寫。

編譯自： 3dprintingindustry