基于阶梯喷射与负压流场耦合的纳米纤维定向凝聚与包芯成纱动力学模型及在小微口径血管支架上的应用

Electrospun nanofiber core-spun yarns have an important research value to explore a new way to functional textiles, because they could combine the scale effect and functionality of nanofibers and the machinability of traditional yarn. However, due to the restriction from the instabilities of electrospinning jet and rupture easily for ultrafine fibers, there have difficulties to produce nanofiber core-spun yarns continuously. We would provide a novel view to solve problems of batching process, bundle assembling and twisting occurred in core-spun yarns with electrospun nanofiber. Bundle assembling of nanofibers will be achieved through control of nanofiber oriental movements by combination of gradient airflow field theory and negative pressure suction effect, and then a continue nanofiber core-spun yarn will be obtained by traditional friction twisting method. Further, the electrospun nanofiber core-spun yarns will be explored in application of minor-caliber vascular tissue engineering with three-layer bionic structure. Investigations in this project will cover aspects of establishment of mechanical motion model of electrospun nanofibers in coupled airflow field and electric field, and solution of the motion trail of fiber flow in coupled fields, and optimation of processing parameters in bundle assembling and the core-spun mechanism in spinning and twisting electrospun nanofibers into a yarn. Also, the feasibility of this project will be analyzed form views of mechanical property, biocompatibility and promoting blood vessel regeneration in constructing minor-caliber vascular tissue engineering by core-spun with electrospun nanofibers. This investigation will provide related theories and experiences in core-spun of electrospun nanofibers in potential industry application.

静电纺纳米纤维包芯纱对开拓纺织品功能化新途径具有重要的研究价值，因为其能结合纳米纤维的尺寸效应、功能性和传统纱线的可加工性。然而，受射流不稳定和纤维超细易断等因素的影响，纳米纤维难以连续包芯成纱。我们以新的视角剖析纳米纤维包芯纺纱中遇到的纤维批量化、集聚成束和包芯加捻等问题，提出将阶梯流场和负压吸动效应相结合，通过对电纺纳米纤维运动的定向控制，实现纳米纤维的集聚成束，然后借助传统摩擦加捻获得连续有捻的纳米纤维包芯纱，并将该方法应用于构建具有三层仿生结构的小口径组织工程血管。项目将建立流场电场耦合下电纺纳米纤维运动的力学模型，求解纤维流在耦合场下的运动轨迹，寻找具有最佳集聚效果的工艺参数，研究纳米纤维加捻包芯成纱的机理。从力学性能、生物相容性和促进血管再生性等方面探讨该方法应用于构建小口径血管支架的可行性。本项目将为发展具有产业化应用潜力的纳米纤维包芯纺纱方法和相关应用提供理论和实践依据。

静电纺丝主要产品形式为纳米纤维无纺毡，虽然其具有超细尺度、大比表面积和高孔隙率等优点，但是产品形式单一、力学性能和二次加工性能较差等问题极大地限制了其产业化应用。如果将纳米纤维加工成纱线，纤维沿纱轴平行取向，可赋予材料独特的力学、光学、电学和生物学等性能。本项目从纳米纤维纱的产业化和纺织品功能应用出发，提出一种气流控制纳米纤维集聚成束和传统摩擦加捻相结合的纳米纤维包芯纺纱新方法。在此基础上，构建具有多层仿生结构的小口径组织工程血管，并研究其力学性能、生物学性能及在血管再生上的应用。结果显示，当纺丝电压为35kV，阶梯气流压力分别为0.2-0.7MPa，纺丝间距为40cm，溶液流量为48ml/h，摩擦辊负压抽气量为10L/min，摩擦辊转速为600r/min时，纳米纤维成纱过程稳定，且制备的纱线表面具有均匀的捻回分布，纤维取向度好。此外，通过抽取芯丝所构建的纳米纤维管状材料具有明显的双层结构，管壁厚度为523±25µm，管内径大小为700±39μm，而且直径大小可根据芯纱直径的大小调节。重要的是，相比传统的纳米纤维血管支架材料，包芯纱纳米纤维血管支架的轴向和径向的拉伸强度分别增加了86%和34%；此外，还显示良好的弹性恢复性和爆破压。还发现，相比未接枝TSF的纳米纤维血管支架材料，接枝TSF后的纳米纤维血管支架材料的内层和外层均显示良好的亲水性和蛋白质吸附性能；体外细胞培养实验结果表明接枝TSF后的PLCL/PCL/小口径血管支架分别增强了内皮细胞（VECs）和平滑肌细胞（SMCs）在其内层和外层的增殖能力和黏附能力，而且细胞是沿着纳米纤维的排列取向生长分布的。由此可见，这种带有优秀的力学性能和优秀的生物相容性的小口径双层纳米纤维血管支架材料在组织工程支架中具有巨大的潜力。本项目的研究为静电纺纳米纤维包芯纱的制备以及构建多层结构的微小口径血管支架材料提供了新思路。