CN103160942A

CN103160942A - 一种各向异性纤维及其制备方法

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Publication number: CN103160942A
Application number: CN2013100813892A
Authority: CN
Inventors: 赵远锦; 程瑶; 商珞然; 顾忠泽
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2033-03-14
Also published as: CN103160942B

Abstract

本发明公开了一种各向异性纤维，所述纤维的横截面方向具有多组分结构，所述纤维的直径为10微米至1×10⁶微米，长度为1毫米以上，所述纤维的横截面为长方形、正方形或者圆形，以及所述各向异性纤维的制备方法。通过上述方式，本发明制备过程简单，纤维形貌尺寸可控，可重复性好。

Description

一种各向异性纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物材料技术领域，特别是涉及一种各向异性纤维及其制备方法。

背景技术

纤维是指由连续或不连续的细丝组成的物质。自然界中就存在天然的纤维，从植物、动物和矿物岩石中就可以直接获取，如亚麻、黄麻、羊毛、兔毛、矿物纤维等，在日常生活中处处可见。相对于天然纤维，化学纤维是一种经过化学处理加工而成的纤维，以其原料之广、种类之多，在纺织业、军事、环保、医药、建筑、生物科技等高科技领域都有广泛应用。随着科学技术的发展，人们对纤维的结构和功能的需要越来越大，不再局限于单一组分、单一材料、单一功能的纤维，复合纤维的制备显得尤为重要。而传统的制备方法，如熔融纺丝、湿法纺丝、静电纺丝等，由于其工艺和原理的限制，在具有复杂结构和功能的纤维制备上遇到了困难。尤其是在生物技术领域，纤维作为细胞培养的三维载体，在保证不破坏细胞活性的前提下同步完成细胞的包裹和纤维的制备，传统的制备方法是很难实现的。

微流控是指一种精确操控微尺度（尤其指亚微米尺度）流体的技术，具有装置体积小、液体流动可控、消耗样品和试剂量更少、易于操控、不易造成交叉污染等优点。利用微流控技术的微通道装置，能够可控地制备各种形状、结构的功能性载体、还可以实现不同性质的化学、生物样品的封装，已经在基因组学、蛋白质组学、组合化学、药物筛选和缓释、细胞培养以及临床诊断领域得到广泛的应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种各向异性纤维以及利用微流控技术制备多组分纤维的方法，备具有多组分结构的各向异性纤。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种各向异性纤维，所述纤维的横截面方向具有多组分结构，所述纤维的直径为10微米至1×10⁶微米，长度为1毫米以上，所述纤维的横截面为长方形、正方形或者圆形。

在本发明一个较佳实施例中，所述多组分结构的形状和体积相同或相异。

在本发明一个较佳实施例中，所述纤维由海藻酸盐基聚合物、琼脂糖、壳聚糖、丙烯酰胺类聚合物、聚乙二醇、丙烯酸酯类聚合物、聚乳酸、乙烯吡咯烷酮聚合物、聚乙烯醇类聚合物中的一种或多种材料组成。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备所述的各向异性纤维的方法，所述纤维是通过微流控的方法制备的，包括以下步骤：

首先，微流控芯片的搭建步骤：

采用微加工技术建立微流体通道网络，或者选择玻璃毛细管、玻璃片和针头建立微流体协流式通道网络，该通道网络包含两种通道，分别为前聚体通道和连续流动相通道；

其次，纤维的制备步骤：

将前聚体溶液和连续流动相溶液分别装入注射器，连接各自的入口，用数控注射泵控制各相溶液流速，待前聚体溶液在通道中呈现稳定的协流纤维状，固化方法为物理化学法。

在本发明一个较佳实施例中，所述通道的横截面为长方形、正方形或者圆形，通道的长度为20微米到10×10⁶微米，所述前聚体通道为一个或多个，多个通道彼此独立且并行排列。

在本发明一个较佳实施例中，所述前聚体溶液选自海藻酸钠、琼脂糖、壳聚糖、丙烯酸、丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、或甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或多种。

在本发明一个较佳实施例中，所述前聚体溶液为油溶性，所述连续流动相溶液选自甲基硅油、正十六烷、石蜡油和大豆油中的一种或多种。

在本发明一个较佳实施例中，所述前聚体溶液为水溶性，所述连续流动相溶液选自水、乙醇、聚乙烯醇、聚乙二醇、甘油、钙离子盐溶液、镁离子盐溶液和钡离子盐溶液中的一种或多种。

在本发明一个较佳实施例中，所述固化方法选用热固化法、紫外固化法和离子置换法中的一种或多种。

本发明的有益效果是：本发明制备过程简单，形貌尺寸可控，可重复性好。

附图说明

图1是本发明利用微加工技术建立的微流体通道网络示意图；

图2是本发明利用玻璃毛细管、玻璃片和针头建立的微流体协流式通道网络示意图；

附图中各部件的标记如下：1、连续流动相通道；2、前聚体通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供如下技术方案：

在一个实施例中，提供一种各向异性纤维，所述纤维的横截面方向具有多组分结构，所述纤维的直径为10微米至1×10⁶微米，长度为1毫米以上，所述纤维的横截面为长方形、正方形或者圆形。

优选的，所述多组分结构的形状和体积相同或相异。

优选的，所述纤维由海藻酸盐基聚合物、琼脂糖、壳聚糖、丙烯酰胺类聚合物、聚乙二醇、丙烯酸酯类聚合物、聚乳酸、乙烯吡咯烷酮聚合物、聚乙烯醇类聚合物中的一种或多种材料组成。

首先，微流控芯片的搭建步骤：

采用微加工技术建立微流体通道网络，或者选择玻璃毛细管、玻璃片和针头建立微流体协流式通道网络，该通道网络包含两种通道，分别为前聚体通道2和连续流动相通道1；

其次，纤维的制备步骤：

优选的，所述通道的横截面为长方形、正方形或者圆形，通道的长度为20微米到10×10⁶微米,，所述前聚体通道2为一个或多个，多个通道彼此独立且并行排列。

优选的，所述前聚体溶液选自海藻酸钠、琼脂糖、壳聚糖、丙烯酸、丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、或甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或多种。

优选的，所述前聚体溶液为油溶性，所述连续流动相溶液选自甲基硅油、正十六烷、石蜡油和大豆油中的一种或多种。

优选的，所述前聚体溶液为水溶性，所述连续流动相溶液选自水、乙醇、聚乙烯醇、聚乙二醇、甘油、钙离子盐溶液、镁离子盐溶液和钡离子盐溶液中的一种或多种。

优选的，所述固化方法选用热固化法、紫外固化法和离子置换法中的一种或多种。

本发明利用微流控技术，根据各向异性纤维的结构和功能，设计并搭建微流控芯片，通过调节各相溶液的成分和流速，制备具有多组分结构的各向异性纤维，各组分以其材料和功能以示区分。选择性地采用前聚体溶液，包裹功能性的纳米粒子、药物或者细胞，可以应用于细胞培养、药物缓释、组织工程等领域中。相对于传统的纤维制备方法，本发明提出的方法，装置简单、操作便捷、纤维的可设计性和实用性更强。其具体制备方法包括以下步骤：

（1）微流控芯片的制备步骤：

利用微机械加工的方法，制备圆形、或矩形、或其他形貌的通道网络，通道网络包含2种通道，分别为前聚体通道2和连续流动相通道1。通道的横断面尺寸在1微米到1毫米之间，通道的长度在20微米到100厘米之间。

（2）纤维的制备步骤：

将一定浓度的细胞、或纳米粒子、或药物、或以上任意组合混合物加入水凝胶单体中，振荡混匀或者超声分散，作为前聚体溶液。前聚体溶液中的水凝胶单体选自海藻酸钠、琼脂糖、壳聚糖、丙烯酸、丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、或甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或两种以上的材料。连续流动相溶液的选择取决于前聚体溶液：若前聚体溶液为油溶性的材料，连续流动相溶液选自甲基硅油、正十六烷、石蜡油、或大豆油中的一种或两种以上的材料；若前聚体溶液为水溶性的材料，连续流动相溶液选自水、乙醇、聚乙烯醇、聚乙二醇、甘油、钙离子盐溶液、镁离子盐溶液、或钡离子盐溶液中的一种或两种以上的材料。

将上述溶液分别装入注射器，连接各自通道的入口。用数控注射泵控制各相溶液流速，待前聚体溶液在通道中呈现稳定的协流纤维状，根据前聚体溶液的特性，选用离子置换法、或紫外固化法、或热固化发法将其固化，并在通道的末端收集。

本发明利用微流控技术，根据各向异性纤维的结构和功能，设计并搭建微流控芯片，通过调节各相溶液的成分和流速，可以制备具有多组分结构的各向异性纤维，各组分以其材料和功能以示区分。选择性地采用前聚体溶液，包裹功能性的纳米粒子、药物或者细胞，可以应用于细胞培养、药物缓释、组织工程等领域中。相对于传统的纤维制备方法，本发明提出的方法，装置简单、操作便捷、纤维的可设计性和实用性更强，可实现不同性质的纳米粒子、药物或者活体细胞的包裹。

实施例1 具有两组分结构的各向异性纤维的制备:

1.微流控芯片的制备：

利用微机械加工的方法，制备方形的PDMS通道网络，该通道网络包括两个并行的前聚体通道2和两个连续流动相通道1，各通道内部做疏水处理。

2.纤维的制备：

（1）各相溶液的配置：

前聚体溶液1：将直径为180纳米的单分散二氧化硅纳米粒子加入到聚乙二醇二丙烯酸酯的水溶液中，调节二氧化硅的质量分数为40%，聚乙二醇二丙烯酸酯的质量分数为10%，超声分散，直至胶体粒子溶液产生鲜亮的颜色；向上述溶液中加入引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮(1%，体积比)，充分混匀后，密封后备用。

前聚体溶液2：将直径为20纳米的羧基修饰的单分散四氧化三铁纳米粒子加入到丙烯酰胺的水溶液中，调节四氧化三体的质量分数为5%，丙烯酰胺的质量分数为30%，超声分散；向上述溶液中加入引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮(1%，体积比)，充分混匀后，密封后备用。

连续流动相溶液：质量分数为60%的甘油溶液。

（2）纤维的生成及固化

将上述溶液分别装入注射器，连接各自通道的入口，用数控注射泵控制各相溶液流速，待前聚体溶液在通道中呈现稳定的协流纤维状，通过紫外固化法将其固化，并在通道的末端收集。

实施例2 具有三组分结构的各向异性纤维的制备：

1.微流控芯片的制备：

用乙炔喷灯或微电极拉制仪拉制三管并行的玻璃毛细管，使其一端成锥形尖口，并在砂纸上打磨，直至尖口平整光滑且单管的尖口内径为20微米，置于酒精中超声清洗，氮气吹干；以玻璃片为衬底，将上述处理后的毛细管插入内径为580微米的单管毛细管中，调整尖口至单管毛细管中轴线上，安装针头，并用速干胶固定。

2.纤维的制备：

（1）各相溶液的配置：

前聚体溶液1：配置2wt%海藻酸钠水溶液，高温灭菌后，等体积与含有2×105个/升的人肝癌细胞的培养基溶液混合，振荡均匀后备用。

前聚体溶液2：配置2wt%海藻酸钠水溶液，高温灭菌后，等体积与含有2×105个/升的小鼠成纤维细胞的培养基溶液混合，振荡均匀后备用。

前聚体溶液3：将直径为20纳米的单分散四氧化三铁纳米粒子加入海藻酸钠的水溶液中，调节四氧化三铁的质量分数为0.4%，海藻酸钠的质量分数为1%，振荡混匀后，紫外照射3小时备用。

连续流动相溶液：质量分数为2%的氯化钙水溶液，高温灭菌后备用。

（2）纤维的生成及固化

在无菌环境下，将上述溶液分别装入注射器，连接各自通道的入口，用数控注射泵控制各相溶液流速，待前聚体溶液在通道中呈现稳定的协流纤维状，在通道的末端收集海藻酸钙纤维。收集完毕后，依次用磷酸盐缓冲液和培养基冲洗纤维，最后将纤维浸在培养基溶液中置于培养箱中。

在纤维的制备过程中可实现药物、蛋白、细胞、或纳米材料的同步包裹，并应用于细胞培养、药物缓释、组织工程等领域

本发明通过采用微流控技术，根据各向异性纤维的结构和功能，实现了制备具有多组分结构的各向异性纤，达到了制备过程简单，形貌尺寸可控，可重复性好效果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种各向异性纤维，其特征在于，所述纤维的横截面方向具有多组分结构，所述纤维的直径为10微米至1×10⁶微米，长度为1毫米以上，所述纤维的横截面为长方形、正方形或者圆形。

2.根据权利要求1所述的各向异性纤维，其特征在于，所述多组分结构的形状和体积相同或相异。

3.根据权利要求1所述的各向异性纤维，其特征在于，所述纤维由海藻酸盐基聚合物、琼脂糖、壳聚糖、丙烯酰胺类聚合物、聚乙二醇、丙烯酸酯类聚合物、聚乳酸、乙烯吡咯烷酮聚合物、聚乙烯醇类聚合物中的一种或多种材料组成。

4.一种制备权利要求1-3任一所述的各向异性纤维的方法，其特征在于，所述纤维是通过微流控的方法制备的，包括以下步骤：

首先，微流控芯片的搭建步骤：

其次，纤维的制备步骤：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通道的横截面为长方形、正方形或者圆形，通道的长度为20微米到10×10⁶微米，所述前聚体通道为一个或多个，多个通道彼此独立且并行排列。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述前聚体溶液选自海藻酸钠、琼脂糖、壳聚糖、丙烯酸、丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、或甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或多种。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述前聚体溶液为油溶性，所述连续流动相溶液选自甲基硅油、正十六烷、石蜡油和大豆油中的一种或多种。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述前聚体溶液为水溶性，所述连续流动相溶液选自水、乙醇、聚乙烯醇、聚乙二醇、甘油、钙离子盐溶液、镁离子盐溶液和钡离子盐溶液中的一种或多种。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述固化方法选用热固化法、紫外固化法和离子置换法中的一种或多种。