DOI: 10.1021/acsami.0c17706
隨著科學、技術和工業領域對于高表面積、多孔納米纖維墊的興趣日益高漲，靜電紡絲已成為一種生產適用于生物醫學、能源和環境應用的纖維組件的常用方法。然而，并不是所有的前體溶液或復雜的幾何構型都可以使用傳統的單噴嘴裝置輕易地制備出來。因此，研究人員已開發出一種同軸靜電紡絲技術，它是靜電紡絲的改良版，其特征是配備有同軸定向雙噴嘴。本文首先介紹了兩種前體溶液同時靜電紡絲的機理以及制備連續纖維需要優化的操作參數。接下來，將討論如何對同軸靜電紡絲工藝進行改進，使之能夠制備出具有改善性能的均一纖維，此外，還探討了如何由“不可紡前體”制備出中空功能化纖維。在本綜述中，作者闡述了同軸電紡納米纖維在不同領域的應用實例。最后，就同軸靜電紡絲的當前局限性和挑戰進行了討論。
圖1.（A）經典單噴嘴靜電紡絲裝置的示意圖。噴絲頭連接到裝滿前體溶液的注射器上，該前體溶液使用前進泵以受控的流速進行供給。使用高壓電源在噴嘴和收集器之間施加電壓。（B）靜電紡絲射流在從噴嘴到收集器的過程中經歷了多輪振蕩不穩定性。
圖2.（A）同軸靜電紡絲裝置的示意圖。使用兩個不同的注射泵，以受控的流速向噴絲頭供應芯和鞘前體。使用高壓電源在噴絲頭和收集器之間施加電壓。（B）內噴嘴和外噴嘴的相對排列會影響纖維的形成。例如，右下方的透射電子顯微照片顯示，當內噴嘴從外噴嘴伸出時，會使芯層更厚，鞘層更薄。
圖3.透射電子顯微照片顯示（A）具有芯鞘結構的單根纖維。（B）芯沒有完全被鞘包裹，因此芯暴露在環境中。（C）在直且厚的纖維鞘中可見彎曲的芯。
圖4.改進的同軸靜電紡絲設置。研究人員展示了同軸靜電紡絲裝置，不是使用兩個同軸定向噴嘴，而是（A）將較小的噴嘴垂直插入較大的噴嘴中；（B）縮短或移除芯噴嘴的切芯設置，以及（C）三個同軸定向噴嘴，以實現三流體靜電紡絲。（D）通過位于噴絲頭和收集器之間的導電環施加二次電場。
圖5.芯和鞘前體溶液中的聚合物濃度影響合成的平均纖維直徑。（A）掃描電子顯微照片表明同軸靜電紡絲聚（L-乳酸）（PLLA）纖維直徑隨鞘層聚合物濃度的變化，整體纖維直徑隨聚合物濃度的增加而增大。比例尺為10μm。（B）左：隨著芯層聚合物的濃度增加，芯和整個纖維直徑均增大。右：芯直徑與總直徑之比增加。
圖6.芯層和鞘層前體溶液的可混溶性影響最終的纖維形態。透射電子顯微照片顯示使用相同的鞘液（含鈦醇鹽和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的乙醇和乙酸混合物）和不同的芯溶液（包括（A）含PVP的乙醇，（B）含聚苯乙烯（PS）的二甲基甲酰胺（DMF）/四氫呋喃（THF）和（C）礦物油）同軸電紡制備的纖維。（A）當纖芯和鞘的前體可混溶時，兩種溶液在靜電紡絲過程中混合，并產生固體纖維。（B）當芯聚合物與鞘聚合物不混溶，但溶劑可混溶時，首先進行溶液混合，然后在溶劑蒸發后將聚合物相分離。除去PS和PVP后，PVP-TiO2基體內的PS富集區和PS貧化區形成了多孔纖維。（C）當使用不溶混的芯溶液（礦物油）并在紡絲后除去時，可獲得中空纖維。
圖7.電壓對同軸靜電紡絲的影響。（A）當電壓太低（亞臨界）時，鞘不會夾帶芯。通過在臨界電壓的適當范圍內增加電壓，可以形成復合且穩定的泰勒錐。在超臨界電壓下，觀察到射流分裂現象。（B）纖維總直徑隨施加電壓的增加而減小。（C）纖維總直徑隨鞘層流速的增大而增大。（D）纖芯和纖維總直徑隨芯層流速的增大而增大。
圖8.通過（A）單噴嘴和（B）同軸靜電紡絲封裝。（A）在單噴嘴靜電紡絲中，將包封的物質與可靜電紡絲的聚合物溶液混合。（B）在同軸靜電紡絲中，可以將包封的物質放在芯中以減輕與鞘層溶劑的接觸。
圖9.鞘層含有甲硝唑（MNA），芯層含有柚皮素（NAR）的芯鞘纖維的抗菌活性。隨著MNA濃度的增加，抑制區域增大。（A）不含任何藥物的對照芯鞘纖維。（B）由含0.2w/v％MNA的鞘前體和含0.7w/v％NAR的芯前體電紡絲制備的纖維。（C）由含0.4w/v％MNA的鞘前體和含1.5w/v％NAR的芯前體電紡絲制備的纖維。
圖10.含PCM的芯鞘纖維墊的儲熱效率。將小玻璃瓶加熱至60℃，然后冷卻至4℃。在沒有隔熱層的情況下，冷卻需要7分鐘（黑色曲線）。但是，當小玻璃瓶完全用含PCM的芯-鞘纖維墊包裹時，需要16分鐘的冷卻時間（藍色曲線）。
圖11.通過同軸靜電紡絲制備自愈材料。（A）通過同軸靜電紡絲將固化劑和樹脂同時或依次封裝在不同的纖維中。（B）當裂紋擴展時，固化劑和樹脂從芯-鞘纖維中釋放出來并相互反應，導致固化或樹脂聚合，從而使裂紋愈合。（C）在冷軋鋼表面上涂覆含有愈合劑的纖維，并與對照表面（無纖維涂層）進行比較。使用剃刀刀片切割表面，并在鹽水中浸泡120小時，然后保存3個月。3個月后，涂層樣品沒有生銹，表明纖維具有自愈能力。
圖12.示意圖顯示了（A）傳統同軸靜電紡絲，（B）電吹和（C）液體輔助靜電紡絲（LAES）裝置之間的區別。（A）在常規的同軸電紡絲中，內噴嘴通常從外噴嘴中伸出，并且鞘層的流速應高于芯層，以利于芯層的封裝。鞘前體需要是可靜電紡絲的。（B）在電吹工藝中，鞘前體是氣體。（C）在LAES中，內噴嘴位于外部噴嘴內至少1mm。芯前體的流速高于鞘層的流速，鞘層可以是不可紡的溶劑或稀釋的聚合物溶液。
圖13.掃描電子顯微鏡照片顯示電吹過程中氣體流速對纖維形態的影響。（A）在2.5L/min的較低氣體流速下，纖維相互連接或呈網狀；而（B）在10L/min的高速率下，相互連接的結點數量明顯減少。比例尺為10μm。
圖14.（A）Teflon AF鞘使纖維墊具有158°的超疏水接觸角，而僅PCL的纖維墊具有125°的水接觸角。（B）僅明膠的纖維墊在浸入水中后會水合，而（C）由明膠芯和Teflon AF鞘組成的纖維不吸水。
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