非织造材料是由纤维原料或聚合物挤出长丝直接加工集合而成的重要柔性、多孔纺织材料,具有孔隙率高、透气性好、力学性能可控和易功能化等特点。因此,非织造材料在组织工程、个人卫生、医疗保健、过滤、汽车、航空航天和军事等领域得到了广泛应用。异形微/纳米纤维非织造材料的研发有望解决再生医学等领域的重大难题。然而,相关制备及3D成型技术的还有待进一步探索。静电纺丝是一种制备超细纤维和纳米纤维的重要非织造技术。静电纺纤维具有尺寸小、比表面积高等特点,因此,静电纺非织造材料在过滤和组织工程等领域具有广阔的应用前景。然而,静电纺纤维通常为圆形截面、实心结构,如果能够实现静电纺丝异形微/纳米纤维的可控制备,那么静电纺非织造材料的应用性能将得到进一步提高。本课题首先以聚苯乙烯聚合物,THF/DMF双溶剂系统为基础,系统地研究了溶剂比例、溶液浓度、纺丝电压和环境湿度等工艺参数对纤维次级结构的影响,实现了取向沟槽微/纳米纤维次级结构(如纤维表面沟槽数、沟槽深度、纤维内部结构和沟槽纤维直径等)的精细调控。研究表明,纤维表面可以从无沟槽调控到单沟槽或多沟槽,纤维的内部结构可以调控为多孔或无孔。更重要的是,还获得了目前所报道的最细取向沟槽纳米纤维,直径约为326 nm。除了普通沟槽纤维外,还实现了串珠沟槽纤维的可控制备,其中串珠表面可以调控为多孔、大孔和褶皱等结构,而串珠间的纤维可以调控为单沟槽或多沟槽等结构。紧接着研究了单溶剂和双溶剂系统对静电纺聚苯乙烯纤维沟槽结构的影响。选用了三类有机溶剂,其中高挥发性溶剂(Low boiling point solvent,LBPS)有二氯甲烷(DCM),丙酮(ACE)和四氢呋喃(THF);低挥发性溶剂(High boiling point solvent,HBPS)有N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和环己酮(CYCo);非溶剂(non-solvent,NS)有正丁醇(BuOH)。结果表明,单溶剂系统所制备的纤维无沟槽结构,LBPS/DMF溶剂系统所制备的纤维有单沟槽和多沟槽结构,而LBPS/CYCo所制备的纤维多为双沟槽结构。在特定的条件下,LBPS/LBPS,ns/lbps和ns/hbps溶剂系统也能制备沟槽纤维。研究表明,在双溶剂系统中,足够大的der值(两种溶剂的挥发速度差值)是双溶剂系统制备沟槽纤维的核心要求,而沟槽结构的形成机理主要有三种:1)孔拉伸;2)褶皱拉伸;3)射流塌陷拉伸。为了进一步提高纤维次级结构的可控性,研发了在线混合静电纺丝技术(ime),通过纺丝溶液与非溶剂的在线混合及同步纺丝,实现了相通孔大孔微/纳米纤维的可控制备。研究表明,非溶剂的不充分混合和非溶剂致相分离是大孔纤维的主要成型机理。与传统的静电纺多孔纤维相比,大孔纤维具有更大的比表面积、孔径和孔体积。通过调控纺丝工艺参数,实现了纤维直径在1.80±0.40μm至6.75±0.48μm范围内大孔纤维的可控制备。研究也表明大孔纤维在吸油领域具有重要的应用价值,其在硅油、机油和花生油中的吸油能力分别为95.68±7.48gg-1、57.98±4.19gg-1和34.82±2.44gg-1。更重要的是,ime的研发将静电纺丝溶液的可纺范围从稳定溶液体系拓展到了亚稳定和非稳定溶液体系,对更多异型纤维的制备具有重要的指导意义。然而,静电纺微/纳米纤维非织造材料在3d细胞培养和组织再生方面还是个难题,因此采用3d生物打印技术制备了载细胞异形微/纳米纤维非织造材料。利用gelma的物理凝胶特性,研发了gpg生物打印墨水,实现了低浓度gelma载细胞组织工程支架的3d打印可控制备(低至3%,杨氏模量1.8kpa)。gpg生物打印墨水不仅具有较好的细胞相容性,而且具有剪切变稀和自修复特性。因此在打印过程中,能够保持挤出后的形状,同时能够和前期打印的材料粘合在一起,形成一体的3d结构。打印结束后,可以通过uv交联赋予打印结构稳定的力学性能。采用gpg生物打印墨水,也实现了立方体、立体菱形、空心圆柱和空心圆锥等形状的可控制备,表明gpg生物打印具有较高的结构稳定性和可靠性。细胞实验表明,打印的载细胞组织工程支架能够满足细胞在3d环境内的生长要求。gpg生物打印技术有望在组织工程,再生医学和药物筛选等领域得到广泛应用。为实现具有复杂结构和多组分仿生组织工程支架的可控制备,研发了一种新型多材料快速连续3d生物打印技术(rcmep)。特别开发了一种含有7个出口打印喷头的多材料连续快速挤出系统,其中打印喷头与对应的7个储液装置相连,并通过自动化气动阀门控制气压开关,来实现生物打印墨水的程序化挤出或停止,该系统实现了1-7种多材料生物打印墨水的同时挤出或连续挤出。通过与3d移动平台集成同步控制,实现了多材料3d组织工程支架的可控制备。研究表明,这种打印技术可以用来制备载细胞多材料水凝胶组织工程支架,具有梯度变化的仿生结构以及多材料生物电子器件的可控制备等各种复杂的2d和3d结构。与传统的多材料3D生物打印相比,RCMEP不再依赖于机械的转换打印喷头来实现多材料打印,因此打印速度大大提高。RCMEP有望在组织工程,再生医学和药物筛选等领域得到广泛应用。