静电纺丝制备有序纳米纤维的研究进展
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Ｌｉ 等 ［１５］ 在 平 行 电 极 法 （ 见 ２．２） 的 基 础 上 进 一步改进接收基底， 他们采用简单的掩膜法制备了 图案化的电极， 电极沉积在绝缘体上， 如图 ５Ａ 所 示。这种方法可以一步制备除了平行纺丝外的复杂 结 构 ， 如 图 ５Ｂ 所 示 的 三 个 方 向 交 叉 的 织 布 结 构 。 通过改变电极的排列方式还可以制备其他形貌的图 案。
图 ２ 各种制备有序静电纺丝的方法
２．１ 转轴法 Ｍａｔｔｈｅｗｓ 等 ［１２］ 借 鉴 传 统 纺 织 工 艺 的 方 法 ，
在电纺装置中用一转速可调的转轴作为接收极， 落下的纤维缠绕在转轴上， 当转速合适时可以 得到平行于转速方向的纤维。通过这种方法， 他们制备了有序的胶原质纤维， 但排列效果不 是 太 好 。采 用 这 种 方 法 ， Ｃｈｅｗ 等 ［１０］ 制 备 了 排 列有序的生物可降解的纤维。作为一种操作简
２ 合成纤维 Ｓ ＦＣ ２００８ Ｎｏ．６
Ａ－ 纤维的受力分析示意图； Ｂ－ 纤维平行垂直于电极方向排列 ［１３］ 图 ３ 平行电极法
Ｋａｔｔａ 等 ［１１］ 受到 Ｌｉ 等平行电极方法的启发， 对转 轴做了一些改进。他们采用铜线外框转轮作为接收装 置 （ 如图 ４Ａ 所示） ， 纤维一方面可以随着转轮的转动 绕在转轴上， 另一方面每两个平行导线可以看作平行 电 极 诱 导 纤 维 排 列 。Ｋａｔｔａ 等 制 备 的 纤 维 排 列 程 度 较 Ｍａｔｔｈｅｗ 等有较大提高 （ 图 ４Ｂ） 。
Ａ－ 图案化电极； Ｂ－ 中心位置纤维的扫描电镜照片 ［１５］ 图 ５ 图案化电极法
２．５ 导电模板法 Ｚｈａｎｇ 等 ［１６］ 采用了一种图案化 的 导 电 模 板 作
为接收基底， 这种金属模板由导电金属线构成， 编 织成织物结构， 如图 ６Ａ 所示。电纺纤维会沉积在 图案化的接收基底上， 形成图案化的电纺纤维集合 体 （ 图 ６Ｂ） 。他们的实验结果表明， 金属线的宽度 和这种织物结构所形成的突起是制备图案化纤维的 关键因素。当金属线的宽度过大时， 电纺纤维无规 则排列； 当没有突起时不会形成图案化电纺丝； 设 计不同突起的图案， 可以得到不同相应形貌的纤维 图案。 ２．６ 磁纺法
３ 有序静电纺纤维的应用
有序静电纺纤维的应用主要集中于组织工程 支 架 ［１７］。由 于 有 序 纺 丝 的 制 备 方 法 更 易 得 到 排 列 方向可控的单根纳米纤维， 所以可应用于光电器件 的电子元件和化学传感器 ［１３， １８－ １９］ 中。 ３．１ 组织工程支架
静电纺纤维具有三维结构， 其直径与细胞相 比小很多， 因此静电纺纤维作为细胞培养的三维支 架 被 广 泛 应 用 于 组 织 工 程 的 研 究 之 中 ［２－１７］。 神 经 元、肌肉细胞、血管内皮细胞等在组织内的排布具 有方向性， 控制干细胞按照一定的几何方向生长对 其分化具有重要的作用。当细胞培养基底的化学结 构和力学性质具有方向性时， 细胞的生长方向具有 选择性， 因此通过培养基底的设计来控制干细胞按 照一定的几何方向生长是组织工程研究的一个重要 课题。有序静电纺纤维是一种简单而有效的控制细 胞 按 照 一 定 几 何 方 向 生 长 的 基 底 材 料 。 Ｘｕ 等 ［２０］ 将共聚乳酸－ 己内脂 ［Ｐ （ ＬＬＡ－ ＣＬ） ］ 制备成规则排 列的电纺纤维， 并将其作为基底培养平滑肌细胞 （ ＳＭＣｓ） 。结果表明， ＳＭＣｓ 培养在有序静电纺纤维 上 时 ， ＳＭＣｓ 能 够 沿 纤 维 方 向 取 向 生 长 。 Ｂａｋｅｒ 等 ［２１］ 将人类膀胱平滑肌细胞培养在聚苯乙烯的电 纺纤维上， 共聚焦显微照片显示细胞在无规纺纤维 上生长无序 （ 图 ８Ａ） ， 而在有序纺纤维上沿着纤维 方向生长 （ 图 ８Ｂ） 。Ｙａｎｇ 等 ［２２］ 将神经元细胞培养 在聚乳酸有序电纺丝上， 细胞也能沿电纺丝方向生 长。
图 １ 传统静电纺丝装置 （ 左） 和无规静电纺丝的扫描电镜照片 （ 右）
２ 有序静电纺纤维的制备方法
制备有序静电纺纤维的方法有很多种， 图 ２ 所示的是重要和典型的几种方法的示意图， 包 括 ： 转 轴 法 ［１０－ １２］、 平 行 电 极 法 ［１３］、 转 盘 法 ［１４］、 图案化电极法 ［１５］、导电模板法 ［１６］、磁纺法 ［９］。
收稿日期： ２００８－ ０３－ １７ 基金项目： 该工作得到了国家自然科学基金 （ ０７０３１１１１ＪＪ） 、科技部 ８６３ 专 项 （ ０６２８１２１１６３） 和 中 国 科 学 院 知 识 创 新 工 程 领 域 前 沿 项 目 （ ０７１７５４５１ＺＸ） 的资助。 作者简介： 仰大勇， 男， 湖北安陆人， 汉族， 博士研究生， 主要从 事静电纺丝及其生物学应用的研究工作。 ＊ 通讯联系人。
关键词： 静电纺丝； 纳米纤维； 有序纤维； 组织工程
中图分类号： ＴＱ３４
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－ ７０５４ （ ２００８） ０６－ ０００１－ ０５
静电纺丝是聚合物溶液或熔体在静电作用下 进行喷射拉伸而获得微纳米级纤维的纺丝方法。早 在 ２０ 世纪 ３０ 年代就有专利报道了利用高压静电场 进行纺丝的技术。近年来， 由于对纳米科技研究的 迅速升温， 静电纺丝这种可大规模制备纳米尺寸纤 维的纺丝技术激起了人们的广泛兴趣 ［１］。
合成纤维 Ｓ ＦＣ ２００８ Ｎｏ．６ １
专题综述
Ｃｏ ｍ ｐ ｒｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉｖｅ Ｒｅ ｖｉｅ ｗ
性， 因此就必须在制备材料的时候使其微结构 在某一方向上有序。比如： 肌肉细胞、血管内 皮细胞和神经元细胞等会沿某一特定方向生长， 静电纺丝作为这些细胞培养的三维支架需要有 序； 静电纺丝可制作理想的超疏水材料， 但是 为了得到各向异性的超疏水性能， 静电纺丝也 必须有很好的取向性； 有序静电纺丝还可以作 为光电器件中的导线。因此有序静电纺丝的制 备成为近年来研究的热点， 下面介绍制备规则 排列静电纺纤维的方法。
图 ８ 人类膀胱平滑肌细胞培养在无规聚苯乙烯电纺丝 （ Ａ） 和有序 电纺丝 （ Ｂ） 上的共聚焦显微镜照片 ［２１］
３．２ 电子元件与化学传感器 排列规则的电纺纤维在微电子集成电路产业
中有其特殊用途。随着电子工业和微电子工业的发
静电纺丝技术的优点是容易制备比表面积大 的材料， 可以使用的高分子材料种类多， 纤维结构 均一性高， 并且成本低廉， 因此原则上可以应用于 很多领域， 如： 组织工程、药物缓释、仿生材料、 传感器、微电子器件、过滤阻隔材料和超亲水或超 疏水表面等 ［２－８］。静 电 纺 丝 的 许 多 性 质 和 性 能 上 的 优势还在不断地被人们发现， 这使得人们对于静电 纺丝的应用前景普遍看好。
因为静电纺丝通常是无规取向的非织造布形 式， 限制了其作为一维纳米材料在光电子器件、增 强复合材料以及组织工程等某些重要领域的应用， 因此， 制备有序纳米纤维成为静电纺丝的一个重要 课题 ［９］。近年来， 多篇综述已经对静电纺丝的研究 进展做了回顾 ， ［１－２］ 本 文 侧 重 有 序 静 电 纺 丝 的 研 究 进展， 主要包括以下几个部分： （ １） 静电纺 丝 概
近年来由于对纳米科技研究的迅速升温静电纺丝这种可大规模制备纳米尺寸纤维的纺丝技术激起了人们的广泛兴趣静电纺丝技术的优点是容易制备比表面积大的材料可以使用的高分子材料种类多纤维结构均一性高并且成本低廉因此原则上可以应用于很多领域如
专题综述
Ｃｏ ｍ ｐ ｒｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉｖｅ Ｒｅ ｖｉｅ ｗ
静电纺丝制备有序纳米纤维的研究进展
仰大勇 １，２， 蒋兴宇 １＊ （ １． 国家纳米科学中心， 北京 １０００８０； ２． 中国科学院研究生院， 北京 １０００３９）
摘 要： ２０００ 年以
年来采用静电纺丝法制备有序纳米纤维的研究进展， 并讨论了有序纳米纤维的潜在应用。
Ａ－ 装置示意图； Ｂ－ 有序纤维转移到基底上的数码相机照片； Ｃ－ 两 层网格结构的扫描电镜 （ ＳＥＭ） 照片； Ｄ－ 两层网格结构的原子力显
微镜 （ ＡＦＭ） 照片 ［９］ 图 ７ 磁纺法
合成纤维 Ｓ ＦＣ ２００８ Ｎｏ．６ ３
专题综述
Ｃｏ ｍ ｐ ｒｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉｖｅ Ｒｅ ｖｉｅ ｗ
前面介绍的方法都是基于接收装置和电场分 布的改变而实现纤维的有序和图案化。我们研究小 组采用磁场诱导磁化电纺丝排列， 得到了大面积排
Ａ－ 图案化导电模板的显微结构； Ｂ－ 在模板上收集的图案化电纤维 ［１６］ 图 ６ 导电模板法
列、有序度高的电纺纤维 ［９］。我们在传统静电纺丝 装置中放置了两块永磁铁， 这两块磁铁平行对立在 平板负极之上 （ 图 ７Ａ） ； 在高分子溶液中加入少量 纳米四氧化三铁， 得到磁化高分子溶液。当电纺纤 维喷出后， 磁化电纺丝在磁场中沿磁力线方向排 列， 从而使电纺丝平行悬搭在两块磁铁的空隙中。 纺丝完毕后， 用接收基底 （ 铝膜、玻片等） 插进空 隙里， 向上平移， 电纺丝就转移到了基底上 （ 图 ７Ｂ） 。通过多次承接还可以得到多层网格结构 （ 图 ７Ｃ ＆ Ｄ） 。磁纺法设备简单、操作便利， 得到的有 序纤维有序度高、面积比较大 （＞５ ｃｍ ×５ ｃｍ）。
单、产率高的有序排列电纺方法， 人们在这个基本装 置的基础上做了许多改进实验。转轴法是一种高产 率、大面积制备平行纤维的方法， 但该方法有一定缺 陷： （ １） 由于电纺速度受很多因素影响， 很难控制， 转轴的速度很难与电纺速度匹配； （ ２） 对纤维的排列 不能做到高度有序， 只能做到大致的取向性排列； （ ３） 排列纤维在转轴上不易转移， 转移过程中很容易 破坏有序结构。 ２．２ 平行电极法
Ｌｉ 等 ［１３］ 尝试了一种新的方法排列纤维， 他们将 两个电极平行放置， 纤维在下落过程中受到静电力的 作用， 被拉直在垂直于电极的方向沉积， 最终搭载在 两个电极之间。他们认为两个电极产生的静电力是纤 维排列的主要原因， 纤维受力分析如图 ３Ａ 所 示 。这 种方法所得的纤维排列程度有很大提高， 排列纤维面 积也有很大增加， 是一种简单而行之有效的方法。
Ａ－ 装置； Ｂ－ 制备的排列纤维扫描电镜照片［１１］ 图 ４ 导线转轴法
专题综述
Ｃｏ ｍ ｐ ｒｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉｖｅ Ｒｅ ｖｉｅ ｗ
２．３ 转盘法 Ｔｈｅｒｏｎ 等 ［１４］ 为了制备少量平行度很高的排列
纤维， 将接收装置改为转盘。转盘的厚度为 ５ ｍｍ， 在电纺过程中， 纤维会缠绕在转盘上。转盘作为负 极改变了平板电极时的电场分布。他们将排列的原 因归结于电场分布的改变。这种方法的局限性是制 备的排列纤维的面积比较小， 而且纤维排列控制有 限。 ２．４ 图案化电极法
述； （ ２） 有序静电纺丝的制备方法； （ ３） 有序静 电纺丝的应用； （ ４） 静电纺丝研究的展望。
１ 静电纺丝概述
静电纺丝是一种制备微纳米纤维的纳米技术， 因为设备简单、制备效率高而受到广泛的关注。典 型的静电纺丝装置如图 １ 所示， 主要由三个部件构 成： 高压电源、带有磨平针头的注射器和接收基 底。高压电源一般能提供 ０￣５０ ｋＶ 的电压， 大多数 研究采用直流电源， 也有少数采用交流电源。高分 子溶液装在注射器中， 通常在注射器的上端口连接 注射泵， 用以控制溶液流出的速率。注射器的下端 口连接磨平的针头， 针头与高压电源的正极连接作 为阳极。电源的负极与接收基底连接作为阴极， 并 接地， 接收基底一般采用铝箔， 也可以将玻片或硅 片放在铝箔上接收。加上电压时针头喷嘴处的溶液 会带上正电荷， 因此在喷嘴处会形成近似三角锥状 的结构， 亦称“泰勒锥”。当“泰勒锥”受到 的 静 电场力大于表面张力时， “泰勒锥”的尖端就会喷 射出射流。当溶液浓度很稀时， 这种射流最终形成 一 些 小 球 ， 这 种 情 况 叫 做 “ 电 喷 （ ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙ） ”； 当溶液浓度足够大时， 喷出物是细丝， 这种情况叫 做“电纺 （ ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ） ”。喷出物在电场的作用 下飞向阴极， 沉积在接收基底上。电纺丝通常呈无 序聚集状态， 然而无序排列的电纺丝在宏观整体上 的物性是均一的， 某些应用却希望材料具有各向异
图 ２ 各种制备有序静电纺丝的方法
２．１ 转轴法 Ｍａｔｔｈｅｗｓ 等 ［１２］ 借 鉴 传 统 纺 织 工 艺 的 方 法 ，
在电纺装置中用一转速可调的转轴作为接收极， 落下的纤维缠绕在转轴上， 当转速合适时可以 得到平行于转速方向的纤维。通过这种方法， 他们制备了有序的胶原质纤维， 但排列效果不 是 太 好 。采 用 这 种 方 法 ， Ｃｈｅｗ 等 ［１０］ 制 备 了 排 列有序的生物可降解的纤维。作为一种操作简
２ 合成纤维 Ｓ ＦＣ ２００８ Ｎｏ．６
Ａ－ 纤维的受力分析示意图； Ｂ－ 纤维平行垂直于电极方向排列 ［１３］ 图 ３ 平行电极法
Ｋａｔｔａ 等 ［１１］ 受到 Ｌｉ 等平行电极方法的启发， 对转 轴做了一些改进。他们采用铜线外框转轮作为接收装 置 （ 如图 ４Ａ 所示） ， 纤维一方面可以随着转轮的转动 绕在转轴上， 另一方面每两个平行导线可以看作平行 电 极 诱 导 纤 维 排 列 。Ｋａｔｔａ 等 制 备 的 纤 维 排 列 程 度 较 Ｍａｔｔｈｅｗ 等有较大提高 （ 图 ４Ｂ） 。
Ａ－ 图案化电极； Ｂ－ 中心位置纤维的扫描电镜照片 ［１５］ 图 ５ 图案化电极法
２．５ 导电模板法 Ｚｈａｎｇ 等 ［１６］ 采用了一种图案化 的 导 电 模 板 作
为接收基底， 这种金属模板由导电金属线构成， 编 织成织物结构， 如图 ６Ａ 所示。电纺纤维会沉积在 图案化的接收基底上， 形成图案化的电纺纤维集合 体 （ 图 ６Ｂ） 。他们的实验结果表明， 金属线的宽度 和这种织物结构所形成的突起是制备图案化纤维的 关键因素。当金属线的宽度过大时， 电纺纤维无规 则排列； 当没有突起时不会形成图案化电纺丝； 设 计不同突起的图案， 可以得到不同相应形貌的纤维 图案。 ２．６ 磁纺法
３ 有序静电纺纤维的应用
有序静电纺纤维的应用主要集中于组织工程 支 架 ［１７］。由 于 有 序 纺 丝 的 制 备 方 法 更 易 得 到 排 列 方向可控的单根纳米纤维， 所以可应用于光电器件 的电子元件和化学传感器 ［１３， １８－ １９］ 中。 ３．１ 组织工程支架
静电纺纤维具有三维结构， 其直径与细胞相 比小很多， 因此静电纺纤维作为细胞培养的三维支 架 被 广 泛 应 用 于 组 织 工 程 的 研 究 之 中 ［２－１７］。 神 经 元、肌肉细胞、血管内皮细胞等在组织内的排布具 有方向性， 控制干细胞按照一定的几何方向生长对 其分化具有重要的作用。当细胞培养基底的化学结 构和力学性质具有方向性时， 细胞的生长方向具有 选择性， 因此通过培养基底的设计来控制干细胞按 照一定的几何方向生长是组织工程研究的一个重要 课题。有序静电纺纤维是一种简单而有效的控制细 胞 按 照 一 定 几 何 方 向 生 长 的 基 底 材 料 。 Ｘｕ 等 ［２０］ 将共聚乳酸－ 己内脂 ［Ｐ （ ＬＬＡ－ ＣＬ） ］ 制备成规则排 列的电纺纤维， 并将其作为基底培养平滑肌细胞 （ ＳＭＣｓ） 。结果表明， ＳＭＣｓ 培养在有序静电纺纤维 上 时 ， ＳＭＣｓ 能 够 沿 纤 维 方 向 取 向 生 长 。 Ｂａｋｅｒ 等 ［２１］ 将人类膀胱平滑肌细胞培养在聚苯乙烯的电 纺纤维上， 共聚焦显微照片显示细胞在无规纺纤维 上生长无序 （ 图 ８Ａ） ， 而在有序纺纤维上沿着纤维 方向生长 （ 图 ８Ｂ） 。Ｙａｎｇ 等 ［２２］ 将神经元细胞培养 在聚乳酸有序电纺丝上， 细胞也能沿电纺丝方向生 长。
图 １ 传统静电纺丝装置 （ 左） 和无规静电纺丝的扫描电镜照片 （ 右）
２ 有序静电纺纤维的制备方法
制备有序静电纺纤维的方法有很多种， 图 ２ 所示的是重要和典型的几种方法的示意图， 包 括 ： 转 轴 法 ［１０－ １２］、 平 行 电 极 法 ［１３］、 转 盘 法 ［１４］、 图案化电极法 ［１５］、导电模板法 ［１６］、磁纺法 ［９］。
收稿日期： ２００８－ ０３－ １７ 基金项目： 该工作得到了国家自然科学基金 （ ０７０３１１１１ＪＪ） 、科技部 ８６３ 专 项 （ ０６２８１２１１６３） 和 中 国 科 学 院 知 识 创 新 工 程 领 域 前 沿 项 目 （ ０７１７５４５１ＺＸ） 的资助。 作者简介： 仰大勇， 男， 湖北安陆人， 汉族， 博士研究生， 主要从 事静电纺丝及其生物学应用的研究工作。 ＊ 通讯联系人。
关键词： 静电纺丝； 纳米纤维； 有序纤维； 组织工程
中图分类号： ＴＱ３４
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－ ７０５４ （ ２００８） ０６－ ０００１－ ０５
静电纺丝是聚合物溶液或熔体在静电作用下 进行喷射拉伸而获得微纳米级纤维的纺丝方法。早 在 ２０ 世纪 ３０ 年代就有专利报道了利用高压静电场 进行纺丝的技术。近年来， 由于对纳米科技研究的 迅速升温， 静电纺丝这种可大规模制备纳米尺寸纤 维的纺丝技术激起了人们的广泛兴趣 ［１］。
合成纤维 Ｓ ＦＣ ２００８ Ｎｏ．６ １
专题综述
Ｃｏ ｍ ｐ ｒｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉｖｅ Ｒｅ ｖｉｅ ｗ
性， 因此就必须在制备材料的时候使其微结构 在某一方向上有序。比如： 肌肉细胞、血管内 皮细胞和神经元细胞等会沿某一特定方向生长， 静电纺丝作为这些细胞培养的三维支架需要有 序； 静电纺丝可制作理想的超疏水材料， 但是 为了得到各向异性的超疏水性能， 静电纺丝也 必须有很好的取向性； 有序静电纺丝还可以作 为光电器件中的导线。因此有序静电纺丝的制 备成为近年来研究的热点， 下面介绍制备规则 排列静电纺纤维的方法。
图 ８ 人类膀胱平滑肌细胞培养在无规聚苯乙烯电纺丝 （ Ａ） 和有序 电纺丝 （ Ｂ） 上的共聚焦显微镜照片 ［２１］
３．２ 电子元件与化学传感器 排列规则的电纺纤维在微电子集成电路产业
中有其特殊用途。随着电子工业和微电子工业的发
静电纺丝技术的优点是容易制备比表面积大 的材料， 可以使用的高分子材料种类多， 纤维结构 均一性高， 并且成本低廉， 因此原则上可以应用于 很多领域， 如： 组织工程、药物缓释、仿生材料、 传感器、微电子器件、过滤阻隔材料和超亲水或超 疏水表面等 ［２－８］。静 电 纺 丝 的 许 多 性 质 和 性 能 上 的 优势还在不断地被人们发现， 这使得人们对于静电 纺丝的应用前景普遍看好。
因为静电纺丝通常是无规取向的非织造布形 式， 限制了其作为一维纳米材料在光电子器件、增 强复合材料以及组织工程等某些重要领域的应用， 因此， 制备有序纳米纤维成为静电纺丝的一个重要 课题 ［９］。近年来， 多篇综述已经对静电纺丝的研究 进展做了回顾 ， ［１－２］ 本 文 侧 重 有 序 静 电 纺 丝 的 研 究 进展， 主要包括以下几个部分： （ １） 静电纺 丝 概
近年来由于对纳米科技研究的迅速升温静电纺丝这种可大规模制备纳米尺寸纤维的纺丝技术激起了人们的广泛兴趣静电纺丝技术的优点是容易制备比表面积大的材料可以使用的高分子材料种类多纤维结构均一性高并且成本低廉因此原则上可以应用于很多领域如
专题综述
Ｃｏ ｍ ｐ ｒｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉｖｅ Ｒｅ ｖｉｅ ｗ
静电纺丝制备有序纳米纤维的研究进展
仰大勇 １，２， 蒋兴宇 １＊ （ １． 国家纳米科学中心， 北京 １０００８０； ２． 中国科学院研究生院， 北京 １０００３９）
摘 要： ２０００ 年以
年来采用静电纺丝法制备有序纳米纤维的研究进展， 并讨论了有序纳米纤维的潜在应用。
Ａ－ 装置示意图； Ｂ－ 有序纤维转移到基底上的数码相机照片； Ｃ－ 两 层网格结构的扫描电镜 （ ＳＥＭ） 照片； Ｄ－ 两层网格结构的原子力显
微镜 （ ＡＦＭ） 照片 ［９］ 图 ７ 磁纺法
合成纤维 Ｓ ＦＣ ２００８ Ｎｏ．６ ３
专题综述
Ｃｏ ｍ ｐ ｒｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉｖｅ Ｒｅ ｖｉｅ ｗ
前面介绍的方法都是基于接收装置和电场分 布的改变而实现纤维的有序和图案化。我们研究小 组采用磁场诱导磁化电纺丝排列， 得到了大面积排
Ａ－ 图案化导电模板的显微结构； Ｂ－ 在模板上收集的图案化电纤维 ［１６］ 图 ６ 导电模板法
列、有序度高的电纺纤维 ［９］。我们在传统静电纺丝 装置中放置了两块永磁铁， 这两块磁铁平行对立在 平板负极之上 （ 图 ７Ａ） ； 在高分子溶液中加入少量 纳米四氧化三铁， 得到磁化高分子溶液。当电纺纤 维喷出后， 磁化电纺丝在磁场中沿磁力线方向排 列， 从而使电纺丝平行悬搭在两块磁铁的空隙中。 纺丝完毕后， 用接收基底 （ 铝膜、玻片等） 插进空 隙里， 向上平移， 电纺丝就转移到了基底上 （ 图 ７Ｂ） 。通过多次承接还可以得到多层网格结构 （ 图 ７Ｃ ＆ Ｄ） 。磁纺法设备简单、操作便利， 得到的有 序纤维有序度高、面积比较大 （＞５ ｃｍ ×５ ｃｍ）。
单、产率高的有序排列电纺方法， 人们在这个基本装 置的基础上做了许多改进实验。转轴法是一种高产 率、大面积制备平行纤维的方法， 但该方法有一定缺 陷： （ １） 由于电纺速度受很多因素影响， 很难控制， 转轴的速度很难与电纺速度匹配； （ ２） 对纤维的排列 不能做到高度有序， 只能做到大致的取向性排列； （ ３） 排列纤维在转轴上不易转移， 转移过程中很容易 破坏有序结构。 ２．２ 平行电极法
Ｌｉ 等 ［１３］ 尝试了一种新的方法排列纤维， 他们将 两个电极平行放置， 纤维在下落过程中受到静电力的 作用， 被拉直在垂直于电极的方向沉积， 最终搭载在 两个电极之间。他们认为两个电极产生的静电力是纤 维排列的主要原因， 纤维受力分析如图 ３Ａ 所 示 。这 种方法所得的纤维排列程度有很大提高， 排列纤维面 积也有很大增加， 是一种简单而行之有效的方法。
Ａ－ 装置； Ｂ－ 制备的排列纤维扫描电镜照片［１１］ 图 ４ 导线转轴法
专题综述
Ｃｏ ｍ ｐ ｒｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉｖｅ Ｒｅ ｖｉｅ ｗ
２．３ 转盘法 Ｔｈｅｒｏｎ 等 ［１４］ 为了制备少量平行度很高的排列
纤维， 将接收装置改为转盘。转盘的厚度为 ５ ｍｍ， 在电纺过程中， 纤维会缠绕在转盘上。转盘作为负 极改变了平板电极时的电场分布。他们将排列的原 因归结于电场分布的改变。这种方法的局限性是制 备的排列纤维的面积比较小， 而且纤维排列控制有 限。 ２．４ 图案化电极法
述； （ ２） 有序静电纺丝的制备方法； （ ３） 有序静 电纺丝的应用； （ ４） 静电纺丝研究的展望。
１ 静电纺丝概述
静电纺丝是一种制备微纳米纤维的纳米技术， 因为设备简单、制备效率高而受到广泛的关注。典 型的静电纺丝装置如图 １ 所示， 主要由三个部件构 成： 高压电源、带有磨平针头的注射器和接收基 底。高压电源一般能提供 ０￣５０ ｋＶ 的电压， 大多数 研究采用直流电源， 也有少数采用交流电源。高分 子溶液装在注射器中， 通常在注射器的上端口连接 注射泵， 用以控制溶液流出的速率。注射器的下端 口连接磨平的针头， 针头与高压电源的正极连接作 为阳极。电源的负极与接收基底连接作为阴极， 并 接地， 接收基底一般采用铝箔， 也可以将玻片或硅 片放在铝箔上接收。加上电压时针头喷嘴处的溶液 会带上正电荷， 因此在喷嘴处会形成近似三角锥状 的结构， 亦称“泰勒锥”。当“泰勒锥”受到 的 静 电场力大于表面张力时， “泰勒锥”的尖端就会喷 射出射流。当溶液浓度很稀时， 这种射流最终形成 一 些 小 球 ， 这 种 情 况 叫 做 “ 电 喷 （ ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙ） ”； 当溶液浓度足够大时， 喷出物是细丝， 这种情况叫 做“电纺 （ ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ） ”。喷出物在电场的作用 下飞向阴极， 沉积在接收基底上。电纺丝通常呈无 序聚集状态， 然而无序排列的电纺丝在宏观整体上 的物性是均一的， 某些应用却希望材料具有各向异