電氣紡絲

電氣紡絲的原理早在 1900 年就被發現，當時人們將熔融狀態的封蠟置 於一高壓電場中，發現會有固態的纖維由高壓端被射出，最後形成薄膜狀 沈積物。

電氣紡絲是採用高壓電場的帶電荷噴嘴，將溶液或熔融狀態的高分子 聚合物液體射出，溶劑揮發或冷卻而固化成紡絲後，形成纖維網材。電氣 紡絲法在 70 多年前就已經被開發成功，但是直到 20 世紀末，因為奈米科 技的興起才開始受到重視，其中又以過濾、生醫以及感測為主要應用領域。

電氣紡絲所製作之纖維特點為孔洞性高、面積體積比大，可進一步應 用於生醫領域，其中又以藥物控制施放、組織工程以及創傷敷材為主。近 年來電氣紡絲在細胞生長支架領域的研究應用有大幅增加的趨勢。

2.4.1 電氣紡絲的發展

在 1882 年 Rayleigh 最早開始研究導電液體在電場中的行為[27]。在 1914 年 Zeleny 等學者便開始研究電氣紡絲，但此時的研究還侷限於熔融狀 態的物質[28][29]。

在1934年Formhals申請了第一個電氣紡絲的專利，是一種利用流體電荷

斥力拉伸製備高分子纖維的裝置，此後研究方向便著重於溶液狀態的物質 上，Formhals Anton發明的電氣紡絲技術是現今技術發展的先驅。在1964年 以後，隨著光學攝影技術的進步，Taylor便利用連續式光學攝影的方式，找 出了臨界電壓以及液滴的平衡外型，也就是俗稱的泰勒錐（Taylor Cone）

[30][31][32][33]，平衡半角（Semi-vertical Angle）為49.3°。

在1966年Simons以電氣紡絲法成功製作出輕薄的不織布型態薄膜[34]。

在1970年任職於Dupont的Baumgarten發表一系列以高速攝影機拍下的電氣 紡絲相片，使電氣紡絲的過程和運作方式更為人所知。1971年Baumgarten 更利用電氣紡絲製作出直徑只有0.05~1.1微米的纖維[35]，電氣紡絲已經進 步到可製作出奈米尺寸纖維的能力。在1993年美國俄亥俄州AKRON大學的 Reneker教授研究團隊以此技術成功製備出多種高分子奈米纖維[36][37]，才 使得此技術引起人們注意。由於此技術製程簡單，功能性強，而且具有應 用的潛力，吸引了不少人進行相關的研究，近年來相關的專業期刊論文快 速增加[38]。

2.4.2 電氣紡絲的原理

電氣紡絲的基本原理是利用一高壓電場作為驅動力[39]，將含有高分子 的離子溶液或熔融狀態的高分子置於毛細管（Capillary）中，接上高壓電，

使其中產生高電壓差。穩定的製程中可分為基料（base）、液柱（jet）、展開

（splaying）以及收集（collection）四個部分[36]，當高分子溶液從針頭前 端流出時，初始之半圓形液滴會因高壓電場作用而形成泰勒錐，當電壓逐 漸升高後，電場電壓會大於溶液的表面張力（內聚力），便會從泰勒錐頂端 噴射出一高分子溶液之飛行軌跡（jet）。當此高分子溶液逐漸接近收集板時，

由於拉扯的電場面積變大，便會發生展開的現象，使高分子溶液分裂成更 細小的纖維，沈積於收集板上。纖維與纖維間會形成交錯連結的網路結構 [40]，擁有良好的張力強度。

電氣紡絲能藉由射出電壓、溶液黏度、飛行距離和收集時間等條件來 控制，製作出單一直徑大小的纖維[37]，進而可以精準控制孔洞率、孔徑等，

來達到不同目的及效果的需求。

在收集距離的研究方面，在 2002 年 Magelski 等人的研究發現纖維在形 態及直徑上並不會因為收集距離而改變[41]，Buchko 等人的研究中則指出，

當收集距離縮短，纖維型態會由圓形變扁平[42]。Magelski 的研究中另外也 有溶液流量對纖維型態和直徑的研究，研究指出當流量上升時纖維直徑有 明顯變大的趨勢，而 Zong 等人的研究更指出當流量上升時不但纖維直徑會 變大，而且還會出現大量珠狀或紡錘狀的結構[43]。

電氣紡絲法是一種物理性質的加工方式，可將溶液或熔融狀態的高分 子紡織成不織布型態的薄膜，並具有下列優點：

1. 纖維尺寸可達奈米級。

2. 纖維結構與直徑大小可由溶液黏度（Solution Viscosity）、電場強度

（Electric Field Intensity）、收集距離（Deposition Distance）以及收 集時間（Deposition Time）等精準調控。[44]

3. 成形後之不織布薄膜適合當作藥物載體，可加入抗生素（Antibiotics）

或成長因子（Growth Factor）等功能性載子，使薄膜的功能性增加 [45]。

4. 電氣紡絲法屬於單一加工過程（Single Process）[46][47]。

5. 所需設備不易受到限制。

歸納以上電氣紡絲的優點，配合生醫用的生物可分解與相容性材料，

可應用電氣紡絲的優勢於幾個主要領域：

1. 藥物控制釋放：可進一步解決藥物釋放不均等現階段藥物技術的問 題。

2. 組織工程：因為電氣紡絲所製作之纖維結構的高面積體積比以及高 孔隙性，十分適合生物細胞的生長，因此可培養人體或動物細胞。

3. 創傷敷料：質量輕薄，搭配藥物控制施放可改善傳統創傷治療材 料。

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