愛(ài)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(lái)自愛(ài)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(lái)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(ài)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(jiǎn)單，但其成本在1.7萬(wàn)-30萬(wàn)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(lái)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(shuō)："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(lái)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(zhǎng)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(lái)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(shuō)，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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)源：3D Printing in Medicine

總的來(lái)說(shuō)，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(cè)試，不過(guò)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(cè)試。"

△3D打印模塊化電噴/電紡裝置，

圖片來(lái)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