近收集器电印制备高比表面积纤维素乙酸酯结构及其在生物分离中的应用

研究人员针对传统电纺膜在色谱应用中纤维排布不可控、孔隙不均的问题，创新性地开发了"近收集器电印"技术（near-collector electroprinting），通过将喷嘴与收集器间距缩小至10 μm范围，成功制备出纤维间距精确至5 μm的3D打印纤维素乙酸酯（CA）结构。该技术结合聚乙烯亚胺（PEI）改性，使结构具备离子交换能力，其比表面积/体积比（Sv ）达到6×105 m-1 ，与电纺膜相当。研究证实负电压打印可将纤维直径降至400 nm，为生物分离膜设计提供了可控、高效的新方案。

　　

在生物制药领域，高纯度生物分子的分离纯化一直是核心挑战。传统树脂色谱面临扩散速率慢、压降大等问题，而电纺纳米纤维膜虽具有高比表面积（S_v
），却因纤维排布无序导致孔隙不均、流动分布不可控。更棘手的是，现有膜材料往往需要复杂的后修饰才能赋予功能基团，这严重制约了分离效率。

针对这些瓶颈，一项发表在《Micro and Nano Engineering》的研究提出了突破性解决方案。研究团队开发了名为"近收集器电印"的新技术，通过将电喷印的喷嘴-收集器距离缩短至10 μm级，配合精确的电压控制，实现了纤维素乙酸酯（CA）结构的微米级精确定制。这项技术的核心在于：使用导电基底施加±1 kV电压，通过优化打印参数，在CA墨水中掺入聚乙烯亚胺（PEI）赋予离子交换能力，直接打印出具有生物分子结合功能的3D结构。

关键技术包括：近场电印系统搭建（喷嘴直径3-5 μm）、CA/PEI墨水配方优化（1-7%浓度梯度）、正负电压极性调控（±1 kV）、以及通过荧光标记牛血清白蛋白（FITC-BSA）结合实验验证功能。研究团队特别设计了多孔结构模型，包含5-20 μm可调间距的网格，用于系统评估性能。

3.1. 打印膜结构
通过SEM证实，该技术可制备最小5 μm间距的CA纤维网络，纤维直径1-2 μm。计算显示5 μm间距结构的S_v
达6×10⁵
m^-1
，与208 nm直径的电纺膜（S_{v
=7×10⁵
m^-1
）相当，但具有更可控的孔隙分布。}

3.2. 含聚合物添加剂的墨水
流变学测试表明12.5% CA+1% PEI墨水具有剪切稀化特性。当PEI浓度≥3%时会出现喷嘴堵塞，最终确定1% PEI为最优配比，可打印出2 μm宽纤维的9层结构。

3.3. 电压极性效应
负电压(-1 kV)打印使CA/PEI纤维直径骤降至400 nm并呈现卷曲形态，这是由于PEI带正电与负极性基底强烈吸引所致。虽然需要10倍速打印才能拉直纤维，但该现象提示通过极性调控可进一步提升S_v
。

3.4. BSA负载与释放
荧光显微和酶标仪定量显示：CA/PEI结构对FITC-BSA的负载量显著高于纯CA结构（荧光强度38 vs 0.4 a.u.），且在pH3条件下能有效释放。负电压打印结构的BSA释放量达1190 μg/ml，略高于正电压打印的1155 μg/ml（p=0.028）。

这项研究开创性地将电印技术与功能化墨水相结合，实现了"一步法"制备具有离子交换能力的精密分离膜。其价值体现在三方面：一是突破性地将电印分辨率推进至亚微米级；二是通过PEI原位掺入避免了繁琐的后修饰步骤；三是极性调控为纤维精细化提供了新思路。尽管当前打印速度仍需提升，但该技术为下一代定制化色谱膜的设计指明了方向，在抗体纯化、病毒过滤等领域具有广阔应用前景。