静电纺丝基础：优化溶液与装置参数

本实验演示了用于体外和体内细胞支持的细胞外结构的纳米纤维支架的静电纺丝制备。首先选择适合目标类型纳米纤维的聚合物溶剂和收集器几何构型。该过程最关键的步骤是确定临界缠结浓度，只有超过该浓度才可能形成纤维。

接下来是调整系统以调控纤维的直径、密度和取向排列。理想的电子显微镜图像可显示能够制备的不同类型纤维。这些静电纺丝纳米纤维支架已被证实可加速细胞成熟、促进细胞生长，并在体外有效引导细胞迁移。

通常，初次接触该方法的人会遇到困难，因为静电纺丝是一个较为敏感的过程。该方法的可视化演示至关重要，因为若无静电纺丝的先前经验，将难以理解装置优化的各个步骤。在为静电纺丝选择聚合物和溶剂时，应结合最终应用考虑材料的生物降解性、热塑性以及交联能力等特性。

然后根据您的选择确定所需的适当个人防护装备。接下来，选择用于收集纳米纤维的基底，例如玻璃、塑料、金属或硅片。现在选择收集器的几何构型。

随机取向的纤维被收集在静止的平板上。而取向排列的纤维则可通过高速旋转的轮盘、滚筒、金属棒或平行板进行收集，需确保收集器具有导电性，并以适当方式保持绝缘，以便接地时不会同时使邻近物体接地。对于旋转式收集器，轮盘应与其轴绝缘。

为了经验性地估算临界缠结浓度，首先从这些候选聚合物浓度中制备若干种不同浓度的溶液，然后选择其中能够流动的浓度。该溶液应为黏性液体，但不能形成凝胶。现在设置静电纺丝装置。

应将注射器放置在距离收集器20厘米的位置，开始将选定的溶液装入注射泵，并设置泵速，使从针尖擦拭掉的液滴能够立即被补充。将收集器接地，并将高压线夹在导电板上。启动轮子旋转前，确保电源设置为零，在缓慢升高电压的同时，观察针尖处溶液的液滴状态，并注意观察射流情况。

继续调节电压以获得一条细长且稳定的射流。如果无法获得稳定射流，应首先调整聚合物溶液的浓度。若射流难以观察，可使用深色哑光背景，并在观察者与射流之间放置一个单向光源。

有时，聚合物溶液会直接从注射器针尖垂直滴落，而不向滚轮方向移动。此时，应确认导电板是否与针尖接触，且收集器是否已接地。若注射器针尖处的聚合物溶液已向滚轮方向倾斜但仍未形成射流，则应提高电压。

通过调节距离和电压，直至观察到稳定的射流。当针头尖端形成较大的聚合物团块时，使用固定在非导电棒上的纸巾将其擦拭去除。若射流出现振荡或摆动现象，可通过降低电压或增加针头尖端与收集滚轮之间的距离来校正。

如果射流持续摆动，可使用更高浓度的聚合物，或向溶液中添加少量蒸发速度较慢的溶剂。可见现象：当稳定射流与以高转速设置的滚轮实现可观察的接触时，可获得最佳的均匀性和取向性，从而改善过短且不连续射流的长度和稳定性。增加聚合物溶液的浓度。

添加更多慢挥发性溶剂，或调整电压。有时在静止平板上收集随机纤维时，纤维会在空气中开始形成片状或纱线状结构，这表明电压设置过高。

当在纤维中发现珠状结构时，应增加聚合物溶液的量，并确保导电板与针头保持持续接触，同时接地的金属丝刷与转轮保持持续接触。此外，应尽量形成稳定的射流。射流不稳定或呈喷溅状通常表明形成了珠状纤维。

若纤维形成带状或相互融合，可使用更高浓度的聚合物或蒸发速率更快的溶剂，以纠正形成波浪状或卷曲状的纤维。提高转轮速度，或将针尖移至距离收集器更远的位置。同时，检查导电板和收集器是否发生振动。

有时需要形成孔隙，此时可使用易挥发的溶剂。但如果不需要形成孔隙，可尝试加入少量比主溶剂挥发性更低的共溶剂。当收集器以低转速或静止状态运行时，纤维的取向质量较差。

通过提高转轮速度来增强排列。电纺纳米纤维在多种细胞类型的培养和研究中具有显著效果。例如，原代大鼠神经元可用β微管蛋白抗体染色，并用核复染剂dpi进行细胞核染色。

重要的是，在纺丝溶液中加入硫黄素等染料后，纤维在制备完成后也可被可视化。该技术使生物材料和细胞生物学领域的研究人员能够探索细胞与多种纳米级形貌特征及几何结构之间的相互作用。请注意，使用高电压可能具有极高危险性，在执行此操作时，必须始终采取预防措施，将操作人员与设备隔离。