声学悬浮辅助静电纺丝：均匀且无接触制造

《Materials Today Communications》：Acoustic Levitation-Assisted Electrospinning: Uniform and Contactless Fabrication

　　

静电纺丝（electrospinning）是一种制备纳米纤维的成熟方法。然而，该方法依赖溶液泵送系统。在本研究中，研究人员提出一种基于声学悬浮（acoustic levitation）的新型静电纺丝策略，可实现无接触液滴处理（contactless droplet handling）以及纤维制造过程中颗粒的均匀嵌入（uniform particle embedding），作为初步概念验证。在该装置中，驻声波（standing acoustic wave）将聚合物液滴悬浮于空中，同时一根施加高压的金属丝周期性穿过悬浮液滴，使其表面覆盖薄溶液层；一旦施加高压，纤维制备即开始。为验证均匀嵌入，研究人员将蛋壳合成的羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）颗粒加入聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVOH）中，并成功进行静电纺丝，分散性良好。为展示无接触生物活性材料加工，研究人员将噬菌体（bacteriophage, phage）与鱼明胶（fish gelatin）溶液混合，制成抗菌伤口敷料；噬菌体活性在储存长达14天后仍可检测，并表现出高细胞相容性。这些结果表明声学悬浮辅助静电纺丝具有潜力，适用于需减少表面接触及温和加工敏感生物制剂的生物医学应用。

研究背景方面，静电纺丝通过电流体动力学过程制造微纳纤维矩阵，因纳米形貌可控、高比表面积和类细胞外基质结构，广泛用于组织工程与药物递送。常规静电纺丝使用注射器、泵、管路和针头供液；当负载DNA、噬菌体、脂质体等需保持结构完整的生物组分，或负载HA、银颗粒、炭黑等需均匀分散的颗粒时，会出现沉降、颗粒分布不均、敏感生物组分接触容器表面而失活等问题。声学处理常用于纺丝液预处理以改善分散，而驻声波可形成声压节点实现物体非接触悬浮与操纵。已有研究证明声场可增强泰勒锥形成、改变射流鞭动、用声学全息引导沉积，但将声学悬浮用于纳米纤维制造仍存在空白。因此，研究人员开展声学悬浮辅助静电纺丝研究，用一对球冠形换能器阵列作为“镊子”操纵液滴，验证均匀嵌入与无接触供液两项特征，并分别用蛋壳源HA/PVOH和噬菌体/鱼明胶展示生物医学应用。该研究发表于《Materials Today Communications》，结论显示这种无接触、液滴式静电纺丝可支持生物活性封装和抗菌纤维敷料制造，对病毒、生物制剂等敏感材料递送具潜在价值。

主要关键技术方法方面，研究人员搭建定制声学悬浮系统，由两平行超声换能器阵列、加高压不锈钢丝和单轴移动平台组成，工作频率40 kHz，将20 μL液滴俘获于驻波压力节点；用COMSOL建立二维瞬态压力声学模型定性模拟声场与钢丝扰动；以PVOH/去离子水和明胶/PBS体系对比常规与声学悬浮静电纺丝；通过微波辅助水热反应由蛋壳合成HA；以鱼明胶/PBS混合噬菌体K及宿主金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）体系进行无接触纤维制备、表征、抗菌与hMSCs细胞相容性评估。

研究结果部分，2.1 装置与模拟（Setup and Simulation）：研究人员通过照片、示意图与COMSOL模拟显示，20 μL液滴稳定悬浮于两相控换能器间中心压力节点，不锈钢丝穿滴施加高压未明显扰动声场；对比常规与声学悬浮纺丝，明胶纤维直径由0.49±0.12 μm增至0.58±0.11 μm（p<0.001），PVOH纤维直径无显著差异，声学组纤维略粗主要因装置限制收丝距离仅5 cm。

2.2 蛋壳源HA在PVOH纤维中的均匀嵌入（Uniform Embedding of Eggshell-Derived HA in PVOH Fibres）：研究人员对研磨蛋壳粉进行SEM、EDX、XRD表征，小颗粒9.24±6.06 μm、大颗粒98.25±47.82 μm，主要为碳酸钙；经微波辅助水热反应合成HA，六方晶系、晶粒15.90 nm、Ca/P 1.71。声学悬浮纺丝后HA以微球晶（spherulite）形式沿PVOH纤维分布，平均直径0.89±1.73 μm、取向角36.87°，粗颗粒局部破坏链缠结致未完全固化，但整体分散均匀、无喷嘴堵塞。

2.3 无接触液滴处理制备噬菌体伤口敷料（Contactless droplet handling for the fabrication of phage-loaded wound dressings）：研究人员优化鱼明胶/噬菌体配方，50 wt%明胶+37.5 v/v%噬菌体肉汤纤维形貌佳；接触角显示亲水，FTIR见酰胺I~1650 cm^-1、酰胺II~1540 cm^-1及3200–3400 cm^-1 O–H伸缩；TGA显示噬菌体纤维初期失水9 wt%，残炭31 wt%；XRD显示明胶粉末结晶度15.9%，电纺后44.2%，载噬菌体降至30.3%，噬菌体包于部分无定形基质。抗菌实验对S. aureus形成抑制圈，SEM/TEM见细菌裂解、噬菌体K形态典型；第3、7、14天噬菌体滴度1633±166、977±151 PFU/cm²及可检出；CCK-8显示hMSCs相对活性97.3±2.1%，无毒性。

讨论部分总结，研究人员指出声学悬浮角色是悬浮与输送液滴，钢丝穿滴加高压不破坏声场，实现“无接触”指液滴不接触储液器、管路和针壁。溶液黏度、表面张力等未系统研究，收丝距离致纤维变粗而非声场直接作用。声场持续作用防止颗粒沉降与堵塞，利于均匀嵌入；无接触处理使噬菌体少受界面吸附与污染，鱼明胶无有机溶剂体系保护生物活性。局限包括产量受装置限制、声场与电流体射流参数未系统优化、声场对噬菌体衣壳影响未评。未来将走向全无接触、系统研究声学参数、增强声学系统功率。

结论部分翻译：本研究成功展示将声学悬浮装置与静电纺丝集成的概念验证，用于无接触供液和均匀纤维制造。利用声学驻波，系统可悬浮并控制液滴位置进行静电纺丝。该方法可实现电纺纤维中颗粒的均匀嵌入（如蛋壳源羟基磷灰石载入PVOH基质），以及生物活性电纺伤口敷料的無接触制造（如噬菌体载鱼明胶纤维在储存后保持噬菌体活性）。这些发现凸显了无接触、液滴型静电纺丝在生物活性封装和抗菌纤维敷料制造中的潜力，尤其适用于需对病毒或生物制剂等敏感材料进行温和加工的场景。