应用电纺技术(electrospinning)开发新型奈米纤维不织布

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1、應用電紡技術（Electrospinning）開發新型奈米纖維不織布1前言　　近年來，伴隨著奈米科技的發展，奈米纖維越來越受關注。　　根據纖維學會的奈米纖維技術戰略委員會的定義，「奈米纖維」是由「奈米級纖維」和「奈米結構纖維」所構成的，「奈米級纖維係指「直徑由1nm～100nm，長度是直徑的100倍以上的纖維狀物質」，「奈米結構纖維」是指「和纖維粗細無關，內、外和表面均以奈米級加以控制、擁有緻密的秩序結構的纖維」1）。但是，在文獻等資料上，一般來說，甚至連直徑為次微米級的纖維也被稱為奈米纖維。　　奈米纖維最大的特徵包括有比表面積增大。最為人所知的就是表面擁有和表體（Bulk

2、）大不相同的物性，奈米纖維會重新呈現過去所想像不到的各種機能，這也是大家所期盼的事情。　　筆者公司著眼於奈米纖維製作法之一的電紡技術，著手進行各種應用研究。本文將就電紡技術相關概要和筆者等人的研究成果進行介紹。2電紡技術　　所謂電紡技術係指利用對高分子溶液或熔融狀態的高分子印加高電壓後，紡製纖維絲的方法。通常是使用數kV以上的電壓，因它的電流很小，所以，具有能源消費量小的特徵。　　本技術在1930年代已提出專利2）。是一種過去就很有名的技術，進入1990年代之後，有關奈米纖維的形成機制和應用的研究以美國為中心，盛行起來，日本在近年來也注意到它的發展。　　電紡技術和其他的奈米

3、纖維製作技術相較之下，可列舉出以下的特徵。2-1可直接製作奈米纖維不織布（面料）　　電紡技術可以二次元擴展形態形成奈米纖維。因此，具有一旦紡成絲線之後，不需要重新加工的優點。2-2在室溫下也能紡絲　　電紡技術在室溫下也能進行紡絲，所以含有不耐熱的化合物的溶液也可以紡絲。舉例來說，將含有藥物的高分子溶液進行紡絲時，就能得到可應用在藥物漸放體系的奈米纖維3）。另外，對含有病毒的奈米纖維之高分子溶液進行紡絲，可得到含病毒的奈米纖維4）。此時，病毒仍維持感染力。2-3可應用在寬幅材料上　　迄今已有非常多的高分子，如聚酯、聚醯胺等合成高分子和膠原、蠶絲、DNA天然高分子等等，利用電紡

4、技製出奈米纖維的報告5,6）。還有像複合材料和有機、無機混合材料等等的報告。　　活用此種特徵，研討各種應用的可行性，如過濾器1）、再生醫療用骨架材料7-10）、藥物傳遞（DrugDelivery）3）、化學感測器11）、複合補強材12）等等。　　電紡技術的原理還是研究對象，在此使用圖１概略說明。　　對注入高分子溶液的噴嘴前端印加電壓。或是直接在高分子溶液印加電壓，會引起下面的現象。　　1.噴嘴前端的液滴液的表面有電荷聚集，彼此會推斥。此時由噴嘴噴出的液滴會逐漸變成圓錐狀（TaylorCone）。　　2.電荷的推斥力會逐漸變強，推斥力超過表面張力時，液體就會從圓錐的前端直射出

5、來。　　3.噴出的溶液流變細時，表面電荷密度會變大，所以電荷的推斥力還會增加，溶液流還會被拉長。此時，溶液流的表面積會快速變大，使溶媒發揮效力，並在捕集電極上形成奈米纖維。　　若用肉眼來觀察此種紡絲的狀態，從圓錐前端直射出某長度的溶液之後，會突然擴展成看似噴霧狀態（圖2a）。但是，若以高速攝像機來觀察此種看似噴霧狀態的部分時可清楚得知，直射的溶液流開始蛇行，並直接朝向捕集電極飛噴而去（圖2b）13）。　　影響電紡技術的因子有許多，如電壓、溶液粘度、表面張力、溶媒的蒸發速度、電氣傳導度等等，決定平均纖維徑和纖維的均勻性等項。另外，可以利用捕集電極的形狀來控制形狀，如呈片狀、圓

6、筒狀等等。3電紡技術的應用例3-1於再生醫療上之應用14)　　在再生醫療上，生體組織和骨架材料的力學適合性極為重要。例如，軟組織（角膜）有膠原、透明質酸，硬組織（骨頭、牙齒）有磷灰石等生體吸收材料。但是，血管和神經等彈性組織方面，滿足力學特性，同時還兼具生體吸收性的彈性體，並未見到有關理想材料的報告。　　日本三重大學的宮本等人從過去就對生體吸收性材料：彈性蛋白進行研發15）。彈性蛋白是血管、肺、韌帶、皮膚等彈性組織的主要成分，對於保持組織的彈性度負有重要的功能。彈性蛋白擁有牢固的交聯結構，所以在過去一直被視為很難成型和加工。但是，宮本等人將天然的彈性蛋白可溶化，並發現進行交

7、聯的新交聯法，成功地將彈性蛋白應用在面材、軟管等三次元結構體的成型和加工上。　　所得的彈性蛋白結構體和血管、神經具有同等的高伸度。可視為是優良的材料，但是和血管、神經不同，它的彈性率很低。彈性蛋白素材本身因屬高含水性材料，故而撕裂強度低，很難利用縫合導入生體中。這些都是有待克服的問題。　　筆者等人和三重大共同進行研究，為了解決這些課題，將聚乳酸奈米纖維構成的軟管和彈性蛋白進行複合，並就提高彈性率以及撕裂強度進行探討。　　透過彈性蛋白和奈米纖維的複合，撕裂強度變大，並得到可以縫合在血管和神經等部位的軟管（圖３）。而且