Оригами

Nov 18, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7083 (2023) Цитировать эту статью

978 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Изготовление высокоориентированных волокон методом электропрядения в дальней зоне является сложной задачей. Многочисленные исследования демонстрируют достижения в выравнивании электропряденых волокон, которые включают модификацию традиционной установки электропрядения сложными добавками, многоэтапное производство и дорогие компоненты. В этом исследовании представлена ​​новая конструкция коллектора со структурой оригами для производства высокоориентированных электропряденых волокон в дальней зоне. Коллектор для оригами крепится на вращающемся барабане и его можно легко прикреплять и снимать для каждого цикла изготовления волокна. Этот простой, эффективный и недорогой метод позволяет получить высококачественные сверхвыровненные волокна, при этом установка остается неизменной для других типов изготовления. Волокна из электроформованного поли(α-капролактона) (PCL) оценивали с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), распределения диаметров волокон, угла контакта с водой (WCA), анализа быстрого преобразования Фурье (FFT), профиля поверхности и графиков интенсивности пикселей. Мы тщательно изучили влияние влиятельных параметров, включая концентрацию полимера, скорость впрыска, скорость вращения коллектора, расстояние от коллектора до кончика и номер калибра иглы, на качество и выравнивание волокон. Более того, мы использовали алгоритмы машинного обучения для прогнозирования результатов и классификации волокон высокого качества, а не продукции низкого качества.

Метод электропрядения широко используется для получения волокон от нано- до микромасштабов из различных полимеров, сополимеров и комбинаций полимеров. Обычно установка электропрядения в дальней зоне сочетается с вращающимся барабаном для создания выровненных волокон. Однако создание выровненных волокон является функцией множества управляемых элементов, а не только зависит от вращающихся барабанов. Высокий контроль над ориентацией волокон имеет решающее значение для расширения спектра применений волокон, включая доставку лекарств1, тканевую инженерию2,3,4, заживление ран5, биосенсоры6,7, регенерацию нервов8,9 и другие биомедицинские применения10,11,12. Обычная цилиндрическая оправка, обычно используемая для выравнивания волокон, имеет определенные ограничения, в том числе отсутствие тщательного контроля над укладкой и выравниванием волокон13. Также сообщается, что вращение оправки может привести к хаотическому осаждению волокон на низких скоростях, тогда как более высокая скорость оправки может привести к получению хорошо ориентированных волокон. Тем не менее, точная настройка скорости коллектора обязательна, поскольку высокая скорость коллектора ухудшает выравнивание волокна из-за отсутствия контроля над степенью анизотропии14,15. Более того, производство волокон с высокой степенью выравнивания может также потребовать использования сложной установки (вращение вспомогательных электродов вокруг оси иглы)16, дорогостоящих дополнений (добавление параллельного коллектора электродов)17 и нескольких стадий изготовления (после вытяжки)18.

Исследователи предложили универсальные методы формирования выровненных волокон19,20,21,22,23. Недавно Cui et al. изготовили выровненную мембрану PCL с хитозаном для контроля высвобождения инкапсулированного ципрофлоксацина. В этой работе коаксиальное электропрядение использовалось для получения случайных/выровненных волокон для лечения ран, даже несмотря на то, что мембрана с лекарственным средством не демонстрировала высокую степень выравнивания волокон1. В других исследованиях Ху и др.24 и Сюй и др.25 высокоориентированные волокна были успешно изготовлены с помощью тонкого дискового коллектора диаметром 280 мм и 200 мм соответственно. Этот метод может обеспечить улучшенную ориентацию волокон, однако этот тип коллектора имеет ограниченную доступную площадь для сбора выровненных волокон. Кадор и др. накрыл пластиковую чашку алюминиевой фольгой и поместил медный провод в центр чашки в качестве центрального контакта, при этом оба провода были подключены к одному и тому же заземлению. Авторы утверждают, что им удалось успешно удалить пустоты и шарики из полученных волокон, хотя предварительная обработка их электроформованием была необходима26. Некоторые исследователи использовали вспомогательные электродные установки для достижения высокой степени контроля над ориентацией и расположением электропряденых волокон на поверхности коллектора27. Например, Захо и др. вместо обычного вращающегося барабана использовали коллектор с параллельными электродами и помещали между коллектором и иглой положительно заряженное медное кольцо. Высокоориентированные нановолокна производились в течение длительного времени прядения; однако дополнения делают установку довольно сложной и дорогостоящей28. В более поздней работе Тинделла и др. точный пространственный контроль над ориентацией волокон был достигнут с помощью электропрядения с помощью магнита. Благодаря установке нескольких конфигураций магнитов в установке были созданы различные градиенты волокон, включая волокна с высокой степенью выравнивания в магнитной области и плавно ориентированные волокна в немагнитной области29. Сильно ориентированные волокна в этом исследовании полностью зависят от конфигурации магнита. Более того, в других исследованиях нановолокна были изготовлены с помощью боковых фильер, которые укладывают волокна на коллектор с противоположных направлений30,31. Например, в 2019 году Тиан и др. использовали установку сопряженного электропрядения для достижения выравнивания микроволокон за счет улучшения условий установки. Изготовленные волокна обладали такими важными характеристиками, как настраиваемый магнетизм, электрическая анизотропная проводимость и повышенная флуоресценция32.