CN102449210A

CN102449210A - 电纺丝喷嘴

Info

Publication number: CN102449210A
Application number: CN2010800237002A
Authority: CN
Inventors: R·史蒂文斯
Original assignee: SCIENCE AND TECHNOLOGY FACILIT
Current assignee: United Kingdom Research and Innovation
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: EP2414568A1; WO2010112820A1; GB0905575D0; US20120034461A1; CN102449210B

Abstract

公开一种用于电纺丝、电喷射和/或电喷雾的设备和方法。所述设备包括用于从流体锥形成流体射流的喷嘴，该喷嘴具有多个导管，所述多个导管被布置成用于供应在形成所述流体射流中使用的多种流体。所述导管形成一个或更多个开口，例如，用于制造单核-单壳纳米纤维和颗粒或者单核-多壳纳米纤维和颗粒的同心开口。所述设备还可包括用于从一个或更多个流体储器向所述喷嘴供应流体的歧管。

Description

电纺丝喷嘴

技术领域

本发明涉及一种诸如在制造纤维、微滴或颗粒中使用的用于电纺丝、电喷雾或电喷射的设备。具体地，本发明涉及制造具有单核-单壳结构或者单核-多壳结构的纤维。

背景技术

电喷雾是一种用于分散液体以产生喷雾的技术。在该技术中，液体通过毛细管被供应，并且向毛细管的末端施加高电压。还提供一板，该板在低电压下(例如接地电压)被偏压，并且该板沿与毛细管垂直的方向与毛细管间隔开。毛细管的末端处的相对高的电势导致形成泰勒锥(Taylor cone)。液体射流通过所述锥的顶点被射出。所述射流由于射流中的库仑斥力(Coulomb repulsion)而快速地形成为微滴，如图1所示。

图2示出电纺丝的相关技术。与电喷雾相似，电压源被连接在毛细管1的末端与收集器板2之间。同样，由于库仑力并且克服表面张力，因而形成泰勒锥。如果液体是聚合物或具有足够高粘度(由于高的分子量)的其它液体，则从泰勒锥射出的液体射流不会散开。所述射流还因聚合物或液体中的静电排斥力而更加细长，直到形成薄的纤维。纤维最终被沉积在收集器2上。液体射流的不稳定性和溶剂的蒸发会导致纤维不是笔直的而可能弯曲。通过谨慎地选择与足够高的电场相结合的聚合物和溶剂系统，可以形成具有纳米级直径的纤维。

电纺丝工艺是一种用于制造纳米纤维的特别通用的工艺。诸如聚合物、组合物、陶瓷和金属纳米纤维之类的材料已被直接制造或者通过纺丝后工艺被制造。已实现3至1000纳米的直径。所制造的纤维能够被使用在多种范围的领域内，从用于临床使用的骨架至用于次微米颗粒过滤的纳米纤维垫。已试图制造更为复杂的纤维(诸如具有不同于外壳的核材料的纤维)以及在外壳中结合药物或在内核中结合细菌和病毒的纤维材料。然而，许多这样的技术被停留在实验室中，因为不曾进展到达至提高制造需要的高度。英国专利申请No.0813601.2描述了一种在提高电纺丝中使用的设备，并且该专利申请的全部内容并入本文。

另一个电流体动力学工艺是电喷射工艺，其中，图1或2中所示的、从泰勒锥射出的射流被设置在基材的附近，并且该射流被用于在基材上进行书写。该技术用于直接在基材上书写电极图案和结构。

US 2004/0182818(Advion Biosciences，Inc.)描述一种电纺丝喷嘴和单片基材。所述喷嘴包括硅基材，该硅基材具有在入口孔和喷嘴出口之间延伸的通道。所述喷嘴产生垂直于喷嘴表面的电纺丝。所形成的纺丝接合到质谱仪或液相层析系统。基于硅基材的喷嘴被用于将试样可控制地分散为对于这些分析技术而言必要的纳米电纺丝(nanoelectrospray)。尽管所述的电纺丝喷嘴不用于纤维制造，但由硅基材制成的喷嘴的研究开启了由微芯片领域应用的大量制造技术，这在能够提高利用电纺丝的纳米纤维生产中可能是有用的。

发明内容

本发明提供一种用于从泰勒锥形成流体射流中使用的电纺丝、电喷射或电喷雾装置，该装置具有多个导管，所述多个导管被布置成用于供应在形成所述流体射流中使用的多种流体。所述装置可以是喷嘴。所述导管被布置成使所述流体射流包括流体中的至少一种，并且流体优选地为液体。每个导管均可以形成一个或更多个开口，所述流体从所述一个或更多个开口排出以形成所述锥或射流。对于诸如电纺丝、电喷射或电喷雾的电流体动力学工艺，在所述装置或喷嘴附近应该存在电场。电纺丝、电喷射或电喷雾是在所形成的产品方面不同的相关工艺，所形成的产品因为所使用的流体的粘度和类型、所施加的电场、从喷嘴至收集表面的距离等的差异而不同。所述喷嘴可形成电纺丝、电喷射或电喷雾设备的一部分，该设备还包括电场装置，该电场装置被布置以形成液体锥和流体射流。所述电场装置可以包括电场发生器和一对电极，该对电极用于在所述喷嘴和与该喷嘴间隔开的收集区之间施加电场。所述设备还可以包括收集装置，该收集装置用于收集所产生的纤维和颗粒。所述收集装置可位于所述收集区中。对于电喷射，所述设备可包括用于使基材相对于所述喷嘴移动的平移台。

所述一个或更多个开口可以被布置成使得在所述射流中，第一流体至少部分地围绕第二流体。这使得形成具有单核-单壳或者单核-多壳结构的复杂纤维或颗粒，或者使得使用气体或液鞘来制造由从高挥发溶剂供应的材料形成的纤维或颗粒。另选地，所述开口可以被布置成使得一种流体与另一种流体相邻或者由另一种流体包围。

所述一个或更多个开口被布置成使得在所述射流中，第一流体围绕第二流体形成护套。也就是说，所述第二流体位于所述第一流体内。第一导管的所述一个或更多个开口可以与第二导管的所述一个或更多个开口同心。

所述喷嘴可以形成在基材上，诸如硅基材上，以允许使用现成的硅处理工具。可以使用深硅蚀刻。

所述导管或所述导管中的开口可以具有尺寸小于0.5mm的流动截面，诸如达至几百微米。每个开口均可具有小于1.0mm²或者甚至为0.5mm²的流动截面。

所述喷嘴包括界定所述开口的壁，其中，所述壁可以从所述基材的第一表面突出。所述导管可以延伸通到所述基材的与所述第一表面相反的第二表面。

可以在所述基材的所述第二表面中设置与所述导管中的一个导管相接的通道。

所述喷嘴还可以包括垫圈，该垫圈用于将相对于岐管密封所述喷嘴。

所述喷嘴可以包括具有一个或更多个开口的第三导管。所述第三导管的所述一个或更多个开口可以与所述第一导管的所述一个或更多个开口同心。所述第三导管使得纤维或颗粒被制造成多达至三层，即，核、内壳和外壳。

所述第一导管可以具有柱形开口。所述第二导管可以具有环形开口。所述柱形开口可以包括直径小于所述开口的杆，该杆沿与所述导管相同的方向延伸并且结合到所述导管的壁。

所述喷嘴可以利用微加工来制造。

抵靠所述基材的所述第二表面可以设置有板，以与歧管相接。所述板可以是玻璃。在所述板和所述基材之间可以设置硅绝缘层。所述板、硅绝缘层和基材可以一起形成可拆卸源，其能够从所述歧管拆下以进行清洁或维护或者用替换喷嘴进行更换。在一些实施方式中，所述板和硅绝缘层中的一者或多者可以被省除。

所述导管的表面可以被涂覆有亲水材料，以改善变湿。所述喷嘴的外表面可以被涂覆有疏水材料以防止变湿。

所述喷嘴可以形成在第一基材上，其中引出电极(extractor electrode)与所述基材间隔开，所述电极适于提供关于通过所述导管中的一个导管的中心的轴线对称的电场。

多个喷嘴可以设置在公共基材上。所述多个喷嘴可以形成阵列。所述阵列可以是线性的或二维的。

本发明还提供一种被布置以形成流体射流的电纺丝、电喷射或电喷雾设备。该设备可以包括与流体输送系统连接的多个流体储器，所述流体输送系统具有带流体出口的歧管，所述流体出口布置成向所述喷嘴或喷嘴阵列供应流体，所述喷嘴或喷嘴阵列通过垫圈密封到所述歧管。所述喷嘴或喷嘴阵列适于从所述歧管拆下。

本发明还提供一种电纺丝、电喷射或电喷雾的方法，该方法包括从多个导管供应多种流体，使得所述多种流体被用于从流体锥形成流体射流，所形成的射流包括所述流体中的至少一种。“形成”是指流体至少涉及允许形成流体锥(诸如泰勒锥)。因此，流体可以是气体与一种或更多种液体，或者是多种液体。

所述多种流体中的一种可以绕所述流体射流形成气鞘。从每个导管供应的所述流体可以被引入一个或更多个开口中。所述射流可以包括至少部分地围绕第二流体的第一流体。例如，所述第一流体可以形成围绕第二流体的液体护套。

从第一导管供应的所述流体可以引入通过与第二导管的所述一个或更多个开口同心的一个或更多个开口。

本发明包括一种制造纤维、微滴或颗粒的方法，其中，所述纤维、微滴或颗粒由所述液体射流中的流体形成。所述纤维、颗粒或微滴可以具有由所述流体中的一种流体形成的核和由所述流体中的其它流体形成的壳。

本发明还包括根据上述方法制造的纤维、颗粒或微滴。

附图说明

现在将参照附图与现有技术的方面一起描述本发明的实施方式，其中：

图1是从毛细管进行电喷雾的示意图；

图2是从毛细管进行电纺丝的示意图；

图3a以截面的形式示出根据本发明的第一实施方式的电纺丝喷嘴；

图3b示出图3a的喷嘴的剖切平面图；

图4是根据本发明的第二实施方式的电纺丝喷嘴的剖视图；

图5是根据本发明的第二实施方式的电纺丝喷嘴的剖视图，其中外部环状缝用于提供围绕电纺丝流体的蒸汽鞘；

图6是示出用于电纺丝的喷嘴涂层和电连接的示意图；

图7是示出如何能够降低喷嘴孔中的表面张力的示意图；

图8a至8d示出具有各种涂层的喷嘴的示意性剖视图；

图9a是其上形成有多个单壁喷嘴的基材的电子显微镜图像；

图9b示出形成在三喷嘴的阵列上的泰勒锥；

图10a和10b是被封装的喷嘴阵列的立体图；

图11是根据第三实施方式的电纺丝喷嘴的剖视图；以及

图12a至12d是形成在硅中的喷嘴和引出电极的电子显微镜图像。

具体实施方式

图3a以截面的形式示出电纺丝喷嘴100和歧管200的第一实施方式。喷嘴100包括供流体流过的多个导管110、120。图3中所示的导管包括柱状孔110，该柱状孔110由环状缝120围绕。孔110与环状缝120的内缘由第一管状壁130限定边界。环状缝120在其外缘处由第二管状壁140限定边界。如图3a所示，管状壁130、140从基材150突出。由孔110形成的空间提供供第一流体能够流过的通道。孔110大体上为圆形孔，但也可以使用其它形状。类似地，缝120也可以使用其它形状。如果孔110和外部环状缝120使用其它形状，则表面张力将导致在喷嘴的端部形成的泰勒锥具有圆形截面。因此，为了形成更加可靠的锥，通常期望圆形和环形的缝。还期望环状缝120与内部孔110同心。

其它实施方式可以包括导管的其它布置。例如，图3a示出均具有单个开口的一对导管：一个导管是环状缝120，另一个导管是柱状孔110。环状缝120同心地围绕孔110。另选地，环状缝能够包括围绕孔布置成圆形的多个开口。所述孔也可以包括一个或更多个开口。还存在来自两个导管的开口不被布置成使所述开口彼此围绕的其它实施方式。例如，一对导管可以设置成彼此相邻，并且具有三角形开口，其中每个开口的一侧平行于另一个开口的一侧。流出这些开口的流体将结合在一起而形成单一射流。尽管流体的表面张力不得不满足形成稳定射流的某些要求，从而可能期望溶剂相似，但所形成的射流仍能够具有朝向将来自第一导管的射流的一侧的夹杂物以及朝向来自第二导管的射流的另一侧的夹杂物。可以提供导管的许多其它可能的形状，每个导管均具有一个或更多个开口，使得流体射流由多种流体形成。当然，流体射流将包括至少一种液体。

参照图3a，为了从喷嘴产生流体锥或泰勒锥，而以与图2中所示相似的方式在喷嘴100和收集器(未示出)之间施加电场。泰勒锥是通过平衡锥中的静电和表面张力而形成的。如图3a和3b所示，孔110将由流过孔110的第一流体形成第一泰勒锥，并且外部环状缝120将形成与第一锥体同心的第二锥体。外部锥体将由第二流体形成。第一流体和第二流体优选地不能混溶。如果使用能混溶的流体，则流体将趋于混合而防止形成两个截然不同的同心锥。流体将通常是在溶剂中包括聚合物的溶液，但基于所形成的纤维的期望特征和组分还可以使用其它混合物和溶液。至少一种流体将包含液体。

溶液可以通过将天然或合成聚合物溶解于高挥发性溶剂中而形成，或者溶液可以是分散在高挥发性聚合物溶液中的绝缘或导电的纳米颗粒的组合。聚合物可以制成为包含生长因子，例如用于组织、骨或者组织和骨的组合。所制成的纳米纤维可以使用于绷带和创伤敷料中，以帮助痊愈。这样的纤维还可以被结合在合成骨架中以临床使用。另选地，聚合物可包含防微生物颗粒(诸如银纳米颗粒)，以保持表面无菌。这样的聚合物可以被使用于纤维的外部，并且因此通过环状缝被输送到喷嘴的末端。

在图3中，从锥体的末端所形成的射流将具有第二流体，该第二流体围绕第一流体的内核形成流体鞘。当射流中的流体离开喷嘴100并且朝向收集器电极(未示出)移动时，流体将因溶剂的蒸发而变干。当变干时，所形成的纤维将具有由存在于第一流体中的组分确定的核组分。外部组分将由存在于第二流体中的组分确定。

图3a和3b示出歧管200，该歧管200便于将第一流体和第二流体通过导管而输送到喷嘴孔110和缝120。如上所述，喷嘴100从基材150的一个表面突出。在基材的第二表面上可以设置通道160以向喷嘴供应第一流体。在图3a和3b所示的实施方式中，通道160的截面小于孔110的截面，但是另选地该通道截面可以等于或者大于孔的截面。孔110延伸通过喷嘴100的突出部而进入基材150。通道160沿着基材的第二表面从孔110延伸，任选地偏离孔的中心径向离开。通道160的该部分由包括基材150的第二表面和歧管200的边界面组成。通道160继续通过歧管200，从歧管的一侧开通到另一侧并且与流体入口220相接。

如图3a和3b所示，环状缝120的径向厚度比第二通道210的截面尺寸大。然而，环状缝120的径向厚度可以小于或等于第二通道210的截面尺寸。第二通道210还可以呈锥形。整个环状缝不延伸通到基材的第二侧，但仅环状缝的一部分继续通过基材。第二通道210与环状缝的延伸通过基材的部分(即导管)相接。通道210横向延伸离开喷嘴。另选地，通道210可以以与第一通道160相似的方式位于基材的第二表面中。最后，通道210通过歧管延伸到第二入口230。该入口230与入口220分离，以允许向孔110和环状缝120提供不同的流体。通道160和210的路线允许入口220和230比喷嘴孔110和120间隔得更远。额外的间隔允许与两种流体的储器更方便的连接。然而，在一些实施方式中，多个喷嘴设置在单一基材上。如果这些喷嘴紧密地挤在一起，则流体入口可能需要被一起更近地间隔开，在每个喷嘴设置有两个或更多个入口时尤其如此。在这样的多喷嘴实施方式中，通道160和210可以被相反地布置成仅从两个入口向基材上的所有喷嘴供应同样的流体。

另选地，两个或更多个通道可以结合以在内置于基材150的表面和歧管200中的微流体结构中混合。微流体结构的出口可以联接到喷嘴的孔或环状缝。

图4示出喷嘴的第二实施方式，在该实施方式中设置用于供应不同流体的三个分离的导管。这三个导管包括中心孔110、第一环状缝120和第二环状缝310。所述孔和第一缝和第二缝具有位于孔110的中心处的公共中心。孔110和第一环状缝120与图3a的孔和环状缝相同，因此使用相同的附图标记。位于孔和缝的端部处的开口有时被称为空隙。

该实施方式允许制造甚至更为复杂的纳米纤维。例如，每个空隙可用于供应不同流体，因此所形成的纤维可以具有核、内壳和外壳，该核、内壳和外壳的每个由不同的材料制成。

围绕一些喷嘴表面可以设置疏水传导涂层320。如图4所示。该涂层被设置在基材150的下侧并且围绕喷嘴的侧面和端部设置，使得圆形壁130、140、330的边缘被涂覆。第三管状壁330的外侧壁也被涂覆有疏水材料。该疏水传导涂层320防止被涂覆的表面因通常用作溶剂的水或有机液体和溶液而变湿。扩大的变湿将导致形成不稳定的泰勒锥和不稳定的电纺丝过程。管状壁130、140、330之间的空隙未被涂覆因为这些表面应完全变湿以形成流体通过导管的均匀流动。喷嘴通过有机或无机薄膜的倾斜蒸发(angled evaporation)工艺或者通过氟富前体的倾斜注入(angled implantation)以形成氟化类金刚石(F-DLC)来涂覆。涂层组分优选地具有低溅射量以及低化学反应性。

图4的实施方式还更加详细地示出喷嘴100如何与歧管200接合。喷嘴从其突出的基材150优选地由硅制成。通道160能够被蚀刻到基材的背面中，以将流体引到喷嘴。在硅基材的背面上，附接有玻璃或另外的硅层340。歧管200经由垫圈350附接到玻璃或硅层340，垫圈350将玻璃或硅层340密封至歧管200。垫圈350允许喷嘴从歧管200拆下以进行更换或清洁。

图4的布置还能够用于更加可靠地并且在比图3a的实施方式更大范围的溶剂的情况下制造两种材料的纳米纤维。如在上述的实施方式中一样，孔110供应第一流体，并且第一环状缝120供应第二流体。这两种流体形成所制造的纳米纤维的核和壳。上述实施方式适于利用低蒸汽压力溶剂从溶液电纺丝和电喷雾纤维和微滴。然而，对于包含纳米颗粒和高蒸汽压力溶剂的溶液，溶剂将太容易蒸发而潜在地导致固体纤维或颗粒太靠近喷嘴地形成，从而可能阻塞喷嘴。为了避免该情况，外环状缝310能够围绕内部两种流体中的挥发性高蒸发压力溶剂提供流体鞘。该鞘可以是低蒸发压力流体，该低蒸发压力流体在挥发性溶剂离开喷嘴之前防止该挥发性溶剂的快速蒸发，由此防止喷嘴中发生阻塞。

另选地，外空隙310供应更多的高蒸发压力溶剂以使喷嘴表面饱含溶剂从而防止变干。这在图5中示出，在图5中，外环状缝310的空隙将饱和蒸汽携带至边缘，以确保壁130始终具有饱和蒸气。

关于可使用于喷嘴的基本电气布置、材料和涂层的其它细节在图6的简图中示出。喷嘴100由硅基材390制造。硅的一些表面或所有表面可被氧化为二氧化硅410。图6示出了喷嘴的所有表面都被氧化。二氧化硅410表面防止电纺丝流体440与硅作用或反应。具体地，二氧化硅层410防止缓冲溶液(诸如在生物科学中使用的那些溶液)影响硅。除了可用于防止喷嘴的外部变湿和导致形成不稳定的泰勒锥的疏水涂层之外，可以使用亲水涂层。在图6中，疏水涂层420覆盖喷嘴的外表面。疏水涂层利用“瞄准线(line of sight)”涂覆技术(诸如如上所述的倾斜热蒸发)来沉积。亲水涂层430覆盖喷嘴的内表面，以帮助用流体440使喷嘴100的孔变湿。另外帮助沿喷嘴的长度向下用流体变湿是增加尖角凹面，以将流体沿喷嘴向下引导。例如，图7示出放置在喷嘴100中的杆450。该杆截面比喷嘴的孔的截面小。可以使用孔和杆的其它形状，但在图7的实施例中，在杆的凸面与孔的凹面相接之处减小的表面张力将沿喷嘴向下引导流体。

在图6中，通过电极400与流体440直接接触而与电纺丝流体形成电接触。电极可被布置成浮在流体上，使得当流体液位改变时，电极400保持与流体接触。另选地，电极400可以形成在基材的第二表面上。第二电极450形成在与喷嘴间隔开的收集器处，也如图2所示。

图8a至8c示出用于喷嘴的电极和涂层的另选布置。图8a示出与图6的喷嘴类似的喷嘴，其中，在均位于喷嘴内的两个表面上(诸如在孔中)以及还在电纺丝流体不在其上流动的外表面上，硅390的表面被氧化成二氧化硅410。这是为了保护整体的喷嘴不受反应性化学制品、溶剂或者细胞物质的影响。喷嘴的内表面(即，孔和流体保持腔)被涂覆有亲水涂层431。优选地，亲水涂层431是导电的，以允许与喷嘴中的并且尽可能靠近喷嘴的出口的流体形成电接触。这作为如上所述的被形成在基材的第二表面上的电极的替代方式或除了该被形成在基材的第二表面上的电极以外。亲水涂层431可以是生化惰性导电薄膜。这可以呈诸如铂的薄膜金属或诸如钽氮化铝的传导陶瓷的形式。亲水涂层不得延伸在喷嘴的外表面上，否则这些外表面将变湿并且泰勒锥将不会被限制，从而导致电短路等。如上所述，喷嘴的外表面涂覆有疏水涂层421以防止变湿。

图8b示出另选实施方式，其中，硅表面未被氧化并且导电亲水涂层(诸如铂或钽氮化铝)直接粘附到喷嘴的内表面上的硅390。疏水涂层421被施加至所述外表面。该实施方式提供用于电纺丝这样的材料的更简单的结构，该材料较少与硅反应并且不需要二氧化硅层来防止电纺丝流体以化学的方式影响硅。

图8c至8d示出安装至封装件460的喷嘴100。在这两个图的实施方式中，通过导体401与电纺丝流体形成电接触。喷嘴100与封装件460在封装件中具有孔的地方相接，以允许电纺丝流体流入喷嘴中。导体401绕封装件中的孔的边缘包覆。在图8c中，硅喷嘴的表面已被氧化为二氧化硅，如图8a中所示。在图8c和8d中，疏水涂层被施涂至喷嘴的外表面，以防止变湿并帮助形成稳定的泰勒锥。

图9a示出已被蚀刻以形成大量喷嘴的基材。这些喷嘴是具有单个导管和单个开口的单壁喷嘴。它们通过等离子蚀刻被形成。单个喷嘴和同心的线性的和二维的喷嘴阵列或单壁喷嘴通过照相平版印刷、深反应离子蚀刻、沉积和薄膜蚀刻的结合来微型制造。喷嘴的大部分材料是硅，以允许使用现成的深蚀刻工具。图9b示出三个喷嘴，该三个喷嘴形成有泰勒锥并且从该锥排出流体射流。

图10a和10b示出喷嘴100如何被封装的更多细节。单独喷嘴的封装将需要每个喷嘴被分离地安装到保持件内，使得每个喷嘴能够被处理并且附接到电纺丝系统。由于喷嘴的尺寸因此这将是昂贵的。由于喷嘴趋于以阵列的方式被使用并且本文所述的喷嘴在硅基材上由硅制造，因此便于将喷嘴封装成阵列。图10a示出由硅基材的带连接的喷嘴阵列。所述封装件是注射成型塑料制品，在该注射成型塑料制品中形成凹部从而硅基材被部分地安置于凹部中。通过塑料制品向喷嘴设置有通孔，以用于流体供应。这可以对于所有喷嘴使用一个孔或者对于每个喷嘴使用单独的孔来进行。在早前所述的实施方式中，其中，喷嘴具有用于制造复杂和/或成层的纤维的多个开口，每个喷嘴中的每个开口均通过单独孔被供应诸如通向图3a中的每个流体入口。注射成形封装件与硅喷嘴阵列之间的密封优选地是不漏气的。在封装层的与阵列相反的侧面上设置凹槽，该凹槽在阵列的外周周围并且与阵列的边缘间隔开。该凹槽提供流体密封。

图10a示出十个喷嘴的阵列。这些喷嘴在图10b中以更详细的视图示出。位于该阵列的端部处的喷嘴是伪喷嘴，所述伪喷嘴不用于电纺丝，而是提供场的均匀性。也就是说，如果在电纺丝中使用位于阵列的端部处的真喷嘴，则它们将遭遇与其它喷嘴不同的场并且将导致从端部喷嘴形成的纤维与从其它喷嘴形成的纤维不同。为了避免该情况，端部喷嘴包括用于在喷嘴附近产生电场的电极，而流体不能穿过该喷嘴。因此，该伪喷嘴减小由位于喷嘴阵列的端部处的不同电场造成的所形成的纤维的差异。

这些喷嘴阵列能够被用于同时制造多个纤维。这些纤维能够被平行地制造，并且任选地，能够立即被编织在一起。另选地，纤维以相对于喷嘴而言随机的取向被制造，并且稍后能够被编织成纱线。

图11是与图4和5的喷嘴相似的喷嘴的示意图，但是包括已知为引出栅极(extractor gate)的附加电极。喷嘴100包括三个导管：中央孔110、第一环状缝120和第二环状缝310。每个导管均具有单个开口。与图4和5类似，流体通过分离的微流体通道500被供应到每个开口。喷嘴由硅150制造，硅之后的层为硅绝缘层。与图4和5类似，下一层340是硅玻璃。与将玻璃和硅放在一起而不存在层510相比，硅绝缘层510提供与这些材料(玻璃和硅)更好的热配合。再下一层是垫圈350。该垫圈允许喷嘴(包括层150、510和340)被从歧管200移除，以进行更换或清洁。引出栅极520通过诸如玻璃微球体的绝缘间隔件530与喷嘴的基材150间隔开。然而，对于间隔件可以使用其它形状和材料。引出栅极520是在其表面上已被氧化为二氧化硅的硅。引出栅极520的二氧化硅表面被印刷或涂覆有导体，从而围绕圆形喷嘴提供均匀的电场。引出电极包围喷嘴，使得电场线围绕穿过喷嘴的中央的轴线呈圆形对称。引出电极可以形成类似于通过基材的通路，并且涂覆有传导材料。所述通路足够大，从而流体通过通路而不与其接触。

引出电极允许使用收集器电极和流体之间的较低电势差来形成并保持泰勒锥。为了利用阵列中的多个喷嘴进行电纺丝，引出电极能够被连接使得所有引出电极供应相同的电场。另选地，每个引出电极均能被独立地控制。通过独立地控制每个引出电极，供不同流体从其穿过的不同喷嘴能够接收不同的场，由此允许每个纤维的电纺丝被精细地控制。这允许阵列来电纺丝不同的纤维，以允许纺丝纤维与其它纤维结合而形成复杂的纳米纤维和生物分子材料。

图11的实施方式还示出可以被包含的询问或监控系统。该系统包括透镜610和光纤620。该系统还可以包括法布里-珀罗(Fabry-Perot)微压力传感器630。例如，光纤和透镜(诸如球透镜)可以被使用于反射模式以检查在微流通道500中存在流体。另选地，传感器630包括法布里-珀罗腔，该腔在场的压力下轻微地膨胀和收缩。腔的直径的变化通过使用光纤结合干涉计来检测。询问和监控系统能够用于监控阻塞并且用于检查流体流率。这种参数的监控对于具有一个阵列中的多个喷嘴或者多个阵列的规模可变的系统来说是重要的。

图12a至12d示出喷嘴100和引出电极520的一些尺寸。图12a和12b示出多个喷嘴。每个喷嘴均包括多个导管。这些导管包括中央孔和两个同心的环状缝。引出电极与外环状缝间隔开。图12d示出在被装配到喷嘴之前的引出电极。该引出电极包括单个基材，该单个基材具有圆形孔或通路，喷嘴通过该圆形孔或通路可被看见。在图12d中，单个的引出电极被用于布置成六角形图案的十九个喷嘴。引出电极中的孔的直径大约为1.0mm，并且孔中心之间的距离大约为1.5mm。

图12c详细地示出喷嘴的壁。每个壁高达至5μm厚。中心内孔的直径大约为320μm。第一环状缝的直径大约为450μm，并且第二环状缝的直径大约为580μm。因此，两个环状缝均具有大约130μm的径向厚度。

上述尺寸仅是示例，因此可以使用其它尺寸的喷嘴、电极、导管和开口。对于最佳电纺丝，导管的尺寸应该根据使用的实际流体的粘度决定。当对于电纺丝而言不同的材料时应该使用不同的喷嘴。孔或环状缝的半径或径向厚度可能需要被基于所使用的流体的粘度进行调节，以对于纳米纤维的每层提供正确的流率。因此，每种纤维类型或材料的混合物都可能需要使用不同的喷嘴。流率过高可能阻止形成泰勒锥或者可能导致沉积为纳米纤维的材料厚度不对。

本领域技术人员将容易理解，可以对上述喷嘴和电纺丝部件和系统进行各种修改和替换，而不脱离所附权利要求的范围。例如，可以使用不同材料、尺寸和形状的喷嘴。另外，尽管上述实施方式主要涉及电纺丝，但这些技术和装置还可以被使用于电喷雾和电喷射。

Claims

1.一种电纺丝、电喷射或电喷雾喷嘴，该喷嘴用于从流体锥形成流体射流，该喷嘴具有多个导管，所述多个导管被布置成用于供应在形成所述流体射流中使用的多种流体。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，每个导管均形有成一个或更多个开口。

3.根据权利要求2所述的喷嘴，其中，所述一个或更多个开口被布置成使得在所述射流中，第一流体至少部分地围绕第二流体。

4.根据权利要求3所述的喷嘴，其中，所述一个或更多个开口被布置成使得在所述射流中，第一流体形成围绕第二流体的护套。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的喷嘴，其中，第一导管的所述一个或更多个开口与第二导管的所述一个或更多个开口同心。

6.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴位于基材上。

7.根据权利要求6所述的喷嘴，该喷嘴包括界定所述开口的壁，其中，所述壁从所述基材的第一表面突出。

8.根据权利要求7所述的喷嘴，其中，所述导管延伸通到所述基材的与所述第一表面相反的第二表面。

9.根据权利要求8所述的喷嘴，该喷嘴还包括位于所述基材的所述第二表面中的通道，该通道与所述导管中的一个导管相接。

10.根据权利要求8或9所述的喷嘴，该喷嘴还包括板，该板贯穿有孔，所述孔被布置成与所述通道相接。

11.根据权利要求10所述的喷嘴，该喷嘴还包括垫圈，该垫圈用于相对于岐管密封所述喷嘴。

12.根据权利要求9所述的喷嘴，该喷嘴还包括具有一个或更多个开口的第三导管。

13.根据权利要求12所述的喷嘴，其中，所述第三导管的所述一个或更多个开口与所述第一导管的所述一个或更多个开口同心。

14.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，其中，所述第一导管具有柱形开口。

15.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，其中，所述第二导管具有环形开口。

16.根据权利要求14所述的喷嘴，其中，所述柱形开口包括直径小于所述开口的杆，该杆沿与所述导管相同的方向延伸并且结合到所述导管的壁。

17.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴被微加工而成。

18.根据权利要求6至11中任一项所述的喷嘴，其中，所述基材是硅。

19.根据权利要求10或11所述的喷嘴，其中，所述板是玻璃。

20.根据权利要求10、11或19所述的喷嘴，其中，所述板和所述基材之间是硅绝缘层。

21.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，其中，所述导管的表面被涂覆有亲水材料。

22.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴的外表面被涂覆有疏水材料。

23.根据前述权利要求中任一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴形成在第一基材上并且包括至少一个壁，该壁界定所述导管中的一个或更多个开口，所述壁从所述基材的第一表面突出，所述喷嘴还包括与所述基材间隔开的引出电极，所述电极适于提供关于一个所述导管的中心轴线对称的电场。

24.根据权利要求23所述的喷嘴，其中，所述引出电极包括第二基材，该第二基材与所述第一基材间隔开并且具有通路，该通路穿过所述第二基材并且比所述导管的所述开口大，以允许来自所述喷嘴的流体从该通路通过。

25.根据权利要求24所述的喷嘴，其中，所述引出电极通过电绝缘材料形成的球与所述第一基材间隔开。

26.一种喷嘴阵列，该喷嘴阵列包括多个根据权利要求2所述的喷嘴，所述喷嘴设置在公共基材上。

27.根据权利要求26所述的喷嘴阵列，其中，所述阵列是线性阵列。

28.根据权利要求27所述的喷嘴阵列，其中，所述阵列是二维阵列。

29.根据权利要求27或28所述的喷嘴阵列，其中，该喷嘴阵列还包括位于所述阵列的周边的突起，所述突起适于具有与所述喷嘴相同的外观但不适于排出流体。

30.一种喷嘴阵列，该喷嘴阵列包括多个根据权利要求23至25中任一项所述的喷嘴，其中，每个喷嘴均设置在公共基材上，并且公共引出电极向所述喷嘴提供电场。

31.一种设置成形成流体射流的电纺丝、电喷射或电喷雾设备，该设备包括权利要求1至25中任一项所述的喷嘴，或者包括权利要求26至30中任一项所述的喷嘴阵列。

32.根据权利要求31所述的设备，该设备还包括与流体输送系统连接的多个流体储器，所述流体输送系统具有带流体出口的歧管，所述流体出口布置成向所述喷嘴或喷嘴阵列供应流体，所述喷嘴或喷嘴阵列通过垫圈相对于所述歧管密封。

33.根据权利要求32所述的设备，其中，所述喷嘴或喷嘴阵列适于从所述歧管拆下。

34.根据权利要求31至33中任一项所述的设备，该设备还包括：光纤，所述光纤被布置成将光引向用于运送流体的导管或通道处；以及检测器，该检测器布置成监控从所述导管或通道接收到的光。

35.根据权利要求31至34中任一项所述的设备，该设备还包括法布里-珀罗腔，该法布里-珀罗腔用于监控所述设备中的流体压力。

36.一种电纺丝、电喷射或电喷雾设备，该设备包括：

喷嘴，该喷嘴用于从流体锥形成流体射流，所述喷嘴具有至少一个导管，所述至少一个导管布置成用于供应在形成所述流体射流中使用的至少一种流体；以及

歧管，该歧管用于从一个或更多个流体储器向所述喷嘴供应流体，

其中，所述喷嘴和所述歧管适于使得所述喷嘴能够从所述歧管拆下。

37.根据权利要求36所述的设备，其中，所述歧管是注塑成型的。

38.根据权利要求36或37所述的设备，其中，所述歧管是塑性的。

39.根据权利要求36至38中任一项所述的设备，其中，所述喷嘴是权利要求1至25中任一项所述的喷嘴。

40.根据权利要求31至39中任一项所述的设备，该设备还包括电场装置，该电场装置被布置成形成所述流体锥和流体射流。

41.根据权利要求31至40中任一项所述的设备，该设备还包括收集部，该收集部用于收集通过电纺丝或电喷雾产生的纤维或颗粒。

42.一种电纺丝、电喷射或电喷雾的方法，该方法包括从多个导管供应多种流体，使得所述多种流体被用于从流体锥形成流体射流，所形成的射流包括所述流体中的至少一种流体。

43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述流体射流包括所述多种流体中的两种或更多种流体。

44.根据权利要求42所述的方法，其中，所述多种流体中的一种流体绕所述流体射流形成气鞘。

45.根据权利要求42至44中任一项所述的方法，其中，从每个导管供应的所述流体被引入一个或更多个开口中。

46.根据权利要求42至45中任一项所述的方法，其中，所述射流包括至少部分地围绕第二流体的第一流体。

47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述第一流体形成围绕第二流体的液体护套。

48.根据权利要求45至47中任一项所述的方法，其中，从第一导管供应的所述流体引入通过第二导管的与所述一个或更多个开口同心的一个或更多个开口。

49.根据权利要求42所述的方法，该方法包括供应三种或更多种流体，其中，所述流体中的两种是液体，并且所述流体射流包括所述两种液体，并且第三种流体形成围绕所述流体射流的气鞘。

50.根据权利要求43或49所述的方法，其中，位于所述射流的中心处的第一流体具有比第二流体更高的蒸汽压力。

51.一种制造纤维、微滴或颗粒的方法，该方法包括权利要求42至50中任一项所述的方法，其中，所述纤维、微滴或颗粒由所述液体射流中的流体形成。

52.根据权利要求51所述的方法，其中，所述纤维、颗粒或微滴具有由所述流体中的一种流体形成的核和由所述流体中的另一种流体形成的壳。

53.根据权利要求51所述的方法，其中，所述纤维、颗粒或微滴具有：由所述流体中的一种流体形成的核；由所述流体中的另一种流体形成的、至少部分地围绕所述核的内壳；以及由所述流体中的再一种流体形成的外壳。

54.一种根据权利要求51至53中任一项所述的方法制造的纤维、颗粒或微滴。

55.一种喷嘴，该喷嘴基本上如参照附图中的图3至图12在本文中所述。

56.一种用于电纺丝、电喷射或电喷雾的设备，该设备基本上如参照附图中的图3至图12在本文中所述。

57.一种电纺丝、电喷雾或电喷射的方法，该方法基本上如参照附图中的图3至图12在本文中所述。

58.一种制造纤维、颗粒或微滴的方法，该方法基本上如参照附图中的图3至图12在本文中所述。