机械电场纺丝技术在双层纳米磁性滤膜制备中的应用研究

本研究针对近场电纺(NFES)技术操作窗口窄、参数敏感度高的问题，通过机械电场纺丝(MES)技术优化聚己内酯(PCL)微纤维制备工艺，并首次将MES制备的PCL/Fe3 O4 复合纤维与传统电纺(CES)膜结合，构建具有磁响应特性的双层滤膜。研究解决了MES样品机械强度不足的缺陷，为组织工程支架和磁性过滤材料开发提供了新思路。

　　

在纳米纤维制备领域，传统电纺技术(CES)虽能大规模生产纤维，却难以实现精确定位沉积；而近场电纺(NFES)虽提高了分辨率，却受限于1 mm/s的基板移动速度和极窄的操作窗口。更棘手的是，现有研究多集中于易加工的高分子量聚环氧乙烷(PEO)，而对生物相容性优异的聚己内酯(PCL)在NFES中的参数优化研究近乎空白。当研究人员尝试添加磁性纳米颗粒(Fe₃
O₄
MNP)增强功能时，参数敏感度问题更显突出——这直接制约着磁性过滤膜、药物载体等生物医学应用的发展。

为突破这些瓶颈，伊朗Armina工程公司联合中国研究团队创新性地采用机械电场纺丝(MES)技术，将基板移动速度提升至500 mm/s，通过系统优化电压、流速、墨水浓度等参数，首次实现了PCL微纤维的可控制备。研究发现，添加10-20 nm的Fe₃
O₄
颗粒非但不会破坏纤维形态，反而能通过调节介电常数改善纺丝稳定性。最具突破性的是，团队创造性地将MES制备的功能层与CES支撑层复合，成功解决了单一MES样品机械强度不足的行业难题。相关成果发表在《Materials Chemistry and Physics》上。

研究采用振动样品磁强计(VSM)分析磁性能，扫描电镜(SEM)表征纤维形貌，透射电镜(TEM)观察纳米颗粒分布，并通过微拉伸测试评估力学性能。特别值得注意的是，所有实验均使用未经处理的商用PCL颗粒和Fe₃
O₄
纳米颗粒，这增强了工艺的普适性。

在"优化MES参数"部分，研究揭示了电压与纤维直径的非线性关系：当电压超过临界值(12 kV)时，静电力的过度增强会导致纤维"过度生长"；而流速优化实验表明，0.8 μL/min可使纤维直径分布变异系数控制在15%以内。关于纳米颗粒添加的影响，椭圆型Fe₃
O₄
比球形颗粒更易沿纤维轴向排列，这种各向异性分布使复合纤维的饱和磁化强度达到38 emu/g。

"结论"部分指出，MES-CES双层结构的断裂伸长率较单一MES样品提高220%，且磁响应性能完全保留。这为开发兼具机械强度和功能特性的组织工程支架提供了新范式。研究还颠覆了"添加剂必然破坏MES稳定性"的传统认知，证实适量Fe₃
O₄
反而能拓宽操作窗口——这对功能性纳米纤维的工业化制备具有重要指导意义。

讨论中特别强调，该双层结构设计巧妙地规避了MES产量低的缺陷：CES支撑层承担力学负荷，而MES功能层确保精准的孔径分布和磁响应特性。这种"优势互补"策略不仅适用于磁性滤膜，还可拓展至药物缓释、神经导管等领域。研究团队建议未来探索其他功能性纳米颗粒(如金纳米棒)与MES的兼容性，以进一步拓展该技术的应用边界。