近場靜電紡絲用于具有高表面率的三維堆積納米結(jié)構(gòu)

供稿人:郝冠哲 賀健康
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

近場靜電紡絲（NFES）的開發(fā)是為了克服傳統(tǒng)靜電紡絲工藝的固有不穩(wěn)定性，其通過減小打印接收距離來促進納米纖維在高壓電場作用下可控堆積。 該技術(shù)為二維（2D）納米纖維的精確圖案化提供了一種簡單而通用的方法。 但是，該技術(shù)在精確地構(gòu)建三維納米結(jié)構(gòu)方面仍然面臨著挑戰(zhàn)。

國立蔚山科學(xué)技術(shù)院生命科學(xué)學(xué)院的研究者提出了一種3D近場靜電紡絲直寫技術(shù)，該技術(shù)通過調(diào)節(jié)打印材料的電導(dǎo)率來構(gòu)建自對準，無模板的三維堆疊納米結(jié)構(gòu)。

首先，實驗通過向聚合物溶液（PEO）中加入氯化鈉來調(diào)節(jié)材料的導(dǎo)電性，通過電場仿真模擬表明材料導(dǎo)電性的提高可以使得電場分布均勻及纖維表面電荷密度減小，且實際打印結(jié)果表明向打印材料中添加氯化鈉的使得纖維堆積更加精確。

圖1 (A)打印系統(tǒng)示意圖。(B-E)分析建模，電荷密度分析結(jié)果，電場強度分析結(jié)果，表面電荷密度分析圖。(F)實際打印結(jié)果圖

其次，通過調(diào)節(jié)材料中氯化鈉的濃度可以實現(xiàn)纖維線徑的變化，隨著堆積層數(shù)的提高，三維堆積的納米結(jié)構(gòu)其表面率也逐漸增大（圖2）。并且通過設(shè)定打印程序，該打印工藝可實現(xiàn)多種微納結(jié)構(gòu)的打印（圖3）。

圖2. (A-B)氯化鈉濃度引起纖維直徑變化。(C-D)表面率隨打印層數(shù)的變化

圖3.(A)直線單墻陣列結(jié)構(gòu)。(B)圓弧單墻陣列結(jié)構(gòu)。(c)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。 (D)納米橋結(jié)構(gòu)

綜上，該方法通過向聚合物溶液中加入氯化鈉來調(diào)節(jié)電導(dǎo)率，使得沉積纖維表面電荷密度降低，纖維間的靜電排斥減弱，為解決靜電打印無法實現(xiàn)納米尺度纖維精確堆積成三維結(jié)構(gòu)的問題提供了一種新的思路，最終實現(xiàn)了多種三維結(jié)構(gòu)的打印。

參考文獻：
1.Yang-Seok Park, Junyoung Kim, Jung Min Oh, Seungyoung Park, Seungse Cho, Hyunhyub Ko, and Yoon-Kyoung Cho. Near-Field Electrospinning for Three-Dimensional Stacked Nanoarchitectures with High Aspect Ratios. Nano Letters,2019.