CN104114349A - 用于制造聚合物纤维的系统、装置和方法 - Google Patents

Abstract

根据示例性实施方式，提供用于形成微米、亚微米和/或纳米尺寸聚合物纤维的方法。所述方法包括提供聚合物的静态沉积物。所述方法也包括接触所述聚合物的表面以传递足够的力，以便部分的所述聚合物脱离所述接触，并将所述聚合物的所述部分甩离所述接触和甩离所述聚合物的所述沉积物，由此形成微米、亚微米和/或纳米尺寸聚合物纤维。

Description

用于制造聚合物纤维的系统、装置和方法

相关申请

本申请要求2011年11月17日提交的美国临时申请61/561,185的优先权，该申请通过引用被全文并入本文中。

政府支持

本发明利用美国国防部(DARPA)授予的政府支持W911NF-10-1-0113作出。美国政府具有本发明的某些权利。

背景技术

聚合物纤维，例如纳米纤维，具有广泛的用途，包括但不限于用于催化底物、光子学、过滤、防护服、细胞支架、药物递送和伤口愈合。采用聚合物纤维制备的结构适合用于组织工程学，因为这些结构可容易地绕成不同的形状，具有高表面质量比、高孔隙率(其有助于透气性)、能够包封活性物质，和能够取向等。采用聚合物纤维制成的结构的组织工程学应用可以包括但不限于整形手术的、肌肉的、血管的和神经的假体，以及再生医学。Madurantakam等(2009)Nanomedicine4:193-206；Madurantakam,P.A.等2009)Biomaterials30(29):5456-5464；Xie等(2008)Macromolecular RapidCommunications29:1775–1792。

静电纺丝是制造聚合物纤维的传统工艺。静电纺丝采用高电压在针头尖端的聚合物溶液液滴与收集装置之间形成电场。电压源的一个电极置于所述溶液中，另一个电极连接至收集装置。这传递静电力至聚合物溶液的液滴。当所述电压增加时，电场增强，因此增加在针头尖端的聚合物溶液悬垂液滴的受力大小。增加静电力在与所述液滴的表面张力相反的方向起作用，导致所述液体拉长，形成圆锥形，通常称作泰勒锥(Taylor cone)。当静电力克服了液滴的表面张力时，从所述锥体喷出带电的聚合物溶液的连续喷射流。所述聚合物溶液的喷射流猛烈地鞭动和弯曲着向所述收集装置加速。当溶液远离针头并朝向收集装置移动时，喷射流因溶剂蒸发而快速变细和干燥。在接地的收集装置的表面上，沉积无规取向的固体聚合物纤维的非织造垫。Zufan(2005)Final RET Report；Xie,J.W.等(2008)Macromolecular RapidCommunications29(22):1775-1792；Reneker,D.H.等(2007)Advances inApplied Mechanics41:43-195；Dzenis,Y.(2004)Science304(5679):1917-1919；Rutledge,G.C.and Yu,J.H.(2007)“Electrospinning”In Encyclopedia ofPolymer Science and Technology,John Wiley&Sons:New Jersey；Krogman,K.C.等(2009)Nature Materials8(6):512-518；Pham,Q.P.等(2006)TissueEngineering12(5):1197-1211；Boland,E.D.等(2001)Journal of MacromolecularScience-Pure and Applied Chemistry38(12):1231-1243；Teo,W.E.和Ramakrishna,S.(2006)Nanotechnology17(14):R89-R106；Li,D.；Xia,Y.N.(2004)Advanced Materials16(14):1151-1170；Greiner,A.和Wendorff,J.H.(2007)Angewandte Chemie-International Edition46(30):5670-5703。

具有与静电纺丝有关的多个弊端，例如，低的生产速率、对于高压电场的要求、对于精确溶液电导率的要求，以及需要制造取向纤维结构的额外装置。Lia和Xia(2004)Advanced Materials16:1151-1170；Weitz等(2008)NanoLetters8:1187–1191；Arumuganathar,S.和Jayasinghe,S.N.2008)Biomacromolecules9(3):759-766。

因此，本领域需要改进的系统、装置和方法来制造聚合物纤维，例如纳米纤维。

发明概述

本文描述的是由液体材料制造具有微米、亚微米和纳米尺寸的纤维的改进的系统、装置和方法。示例性的纤维形成装置不使用喷射所述液体材料的喷嘴、容纳和喷射所述液体材料的喷丝板或旋转储液器(rotating reservoir)或形成所述纤维的静电电压。本文所描述的示例性的装置被简化成不使用喷丝板或静电电压。此外，不使用喷射所述液体材料的喷嘴避免所述喷嘴的堵塞问题。

示例性的装置、系统和方法可以制备具有从约1纳米到约100微米的示例性尺寸的微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维。示例性的尺寸可以包括但不限于约15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、33、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740、750、760、770、780、790、800、810、820、830、840、850、860、870、880、890、900、910、920、930、940、950、960、970、980、990、1000纳米，10、20、30、40或约50微米。介于所述直径之间的示例性直径也是本发明的部分。

示例性的装置、系统和方法可以用于形成单根连续纤维或多根具有相同或不同尺寸的纤维，例如直径约25纳米至约50微米、约100纳米至约1微米、约500纳米至约100微米、25微米至约100微米，或约5、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、33、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740、750、760、770、780、790、800、810、820、830、840、850、860、870、880、890、900、910、920、930、940、950、960、970、980、990、1000纳米，10、20、30、40或约50微米。介于所述直径之间的示例性直径也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，可以形成多根取向的(例如，单轴取向的)微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维。

在示例性实施方式中，通过控制一个或多个因素——包括但不限于旋转结构的旋转速度、液体材料的浓度、液体材料的粘度、液体材料的分子量、液体材料的溶剂挥发性、温度等——可以设定由示例性的纤维形成装置、系统和方法所形成的纤维的空间和层次结构。

采用本发明的方法和装置所形成的纤维可以具有任意长度。示例性的长度范围可以从约纳米至约500码，但不限于该示例性的范围。一些示例性的纤维长度可以包括但不限于1nm至约100nm、约1mm至约100mm、1cm至约100cm、1英尺至约100英尺、1码至约100码等。介于所列举的长度之间的示例性的纤维长度也是本发明的部分。

在一个实施方式中，所述纤维的长度可以取决于所述装置运行时间的长度和/或加料至所述系统的液体的量。另外，可以使用任意合适的工具将所述纤维切成想要的长度。

根据示例性实施方式制造的纤维可以用作例如细胞外基质，并且与细胞一起也可以用于形成工程化组织。该组织不仅可用于制造假肢装置和再生医学，而且可用于研究组织发育生物学和疾病病理学，以及用于药物发现和毒性试验。所述纤维也可以与其它物质，例如，治疗剂组合，以便将该物质递送至应用或植入纤维的位置，用于例如，治疗需要该治疗的对象。根据本文公开的所述方法制造的纤维也可以用于生产食品、膜、过滤器等。

一种示例性实施方式提供形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维的方法。所述方法包括提供聚合物的静止沉积物。所述方法也包括接触聚合物的表面以传递足够的力，以使部分聚合物脱离所述接触，并将聚合物的所述部分甩离所述接触以及甩离所述聚合物的沉积物，由此形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维。

另一示例性实施方式提供形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维的系统。所述系统包括支撑聚合物静止沉积物的平台，和竖直直布置在所述平台上方并沿垂直轴与所述平台隔开的旋转结构。所述旋转结构包括可绕旋转轴旋转的中芯轴，和附着于所述旋转芯轴的一个或多个叶片。设置所述旋转结构，并使其可运行从而在旋转时使所述一个或多个叶片与聚合物的表面接触以传递足够的力，以使部分所述聚合物脱离与所述旋转结构的一个或多个叶片的接触，并将所述聚合物的所述部分甩离与所述一个或多个叶片的接触以及甩离所述聚合物的沉积物，由此形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维。

运行本发明所述装置以形成纤维的足够的旋转速度和时间可以取决于所述材料的浓度和所形成的纤维的想要的特征。旋转结构的示例性旋转速度范围从约100rpm至约500,000rpm，但旋转速度不限于该示例性的范围。采用旋转运动的某些示例性装置可以在约1,000rpm-50,000rpm、约1,000rpm至约40,000rpm、约1,000rpm至约20,000rpm、约5,000rpm-20,000rpm、约5,000rpm至约15,000rpm或约1,000、1,500、2,000、2,500、3,000、3,500、4,000、4,500、5,000、5,500、6,000、6,500、7,000、7,500、8,000、8,500、9,000、9,500、10,000、10,500、11,000、11,500、12,000、12,500、13,000、13,500、14,000、14,500、15,000、15,500、16,000、16,500、17,000、17,500、18,000、18,500、19,000、19,500、20,000、20,500、21,000、21,500、22,000、22,500、23,000、23,500或约24,000rpm的速度下旋转。在上面列举的范围和数值中间的范围和数值也被考虑为本发明的部分。例如，约10,000rpm-15,000rpm或8,000rpm-12,000rpm的旋转速度是本发明方法所涵盖的。在一个实施方式中，采用旋转运动的装置可以在大于约1,000rpm、大于约1,500rpm、大于约2,000rpm、大于约2,500rpm、大于约3,000rpm、大于约3,050rpm、大于约3,100rpm、大于约3,150rpm、大于约3,200rpm、大于约3,250rpm、大于约3,300rpm、大于约3,350rpm、大于约3,400rpm、大于约3,450rpm、大于约3,500rpm、大于约3,550rpm、大于约3,600rpm、大于约3,650rpm、大于约3,700rpm、大于约3,750rpm、大于约3,800rpm、大于约3,850rpm、大于约3,900rpm、大于约3,950rpm或大于约4,000rpm的速度下旋转。在上面列举的速度中间的速度也被考虑为本发明的部分。

可以旋转示例性的旋转结构冲击所述液体材料一段足以形成想要纤维的时间，诸如，例如，约1分钟至约100分钟、约1分钟至约60分钟、约10分钟至约60分钟、约30分钟至约60分钟、约1分钟至约30分钟、约20分钟至约50分钟、约5分钟至约20分钟、约5分钟至约30分钟或约15分钟至约30分钟、约5-100分钟、约10-100分钟、约20-100分钟、约30-100分钟或约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100分钟或更长。在上面列举的数值中间的时间和范围也是本发明的部分。

另一实施方式提供了微型化系统，用于在空腔，诸如人体的空腔或微型化空腔中形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维。所述系统包括具有伸入所述空腔内用于供给聚合物的供给端的聚合物供给管，和在所述聚合物供给管的所述供给端附近提供的微型化旋转结构。所述旋转结构包括可绕旋转轴旋转的中芯轴，和附着于所述旋转芯轴的一个或多个叶片。所述系统还包括使所述旋转结构绕旋转轴旋转的运动发生器。设置所述旋转结构，其是可运行的，从而在旋转时使一个或多个叶片接触所述聚合物的表面以传递足够的力，以使部分聚合物脱离与所述旋转结构的一个或多个叶片的接触，并将聚合物的所述部分甩离与所述一个或多个叶片的接触以及甩离所述聚合物的沉积物，由此形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维。

另一实施方式提供用于形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维的系统。所述系统包括支撑聚合物静止沉积物的平台，和布置在所述平台附近且沿垂直轴与所述平台隔开的喷射嘴。设置所述喷射嘴以产生对准所述聚合物的气体喷流，以便所述气体喷流接触所述聚合物的表面以传递足够的力，以将部分所述聚合物甩离与所述气体喷流的接触和甩离所述聚合物的沉积物，由此形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维。

使用示例性的纤维形成装置、系统和方法所形成的示例性的纤维具有许多应用和优点。例如，示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于从细胞外基质蛋白直接创建三维组织工程支架而没有危害效应和对蛋白质生物活性的干扰。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于将活细胞整合在这些微米和纳米级聚合物支架内以产生细胞包封线，而使用本领域公知的纳米纤维制造技术则是不可行的。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于从少量聚合物液体制造纳米纤维组件。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于从聚合物熔体以及聚合物溶液制造纳米纤维组件，这是由于本文公开的所述装置和方法不依赖于溶液的电导率。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于从原位交联聚合物溶液制造纳米纤维，这是由于本文公开的所述方法和装置制造纳米纤维的速率高。

用于本发明的装置和方法的示例性的聚合物可以是生物相容性的或非生物相容的，并且包括，例如，聚氨酯、聚硅氧烷或有机硅、聚乙烯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚(甲基丙烯酸2-羟基乙酯)、聚(N-乙烯基吡咯烷酮)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚(乙烯-共-乙酸乙烯酯)、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸、聚丙交酯(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLGA)、聚酸酐、聚磷腈、聚锗烷(polygermane)、聚原酸酯、聚酯、聚酰胺、聚烯烃、聚碳酸酯、聚芳酰胺、聚酰亚胺以及它们的共聚物和衍生物。

用于本发明的装置和方法的示例性的聚合物也可以是天然产生的聚合物，例如，蛋白质、多糖、脂质、核酸或它们的组合。

用于示例性实施方式的装置和方法的示例性的蛋白质，例如，纤维蛋白包括但不限于海藻酸盐、丝(例如，丝心蛋白和丝胶等)、角蛋白(例如，α-角蛋白，其是毛发、角和指甲的主要蛋白质成分、β-角蛋白，其是鳞和爪的主要蛋白质成分等)、弹性蛋白(例如，弹性蛋白原等)、原纤维蛋白(例如，原纤维蛋白-1，其是微纤丝的主要成分、原纤维蛋白-2，其是弹性组织生成中的成分、原纤维蛋白-3，其被发现于大脑、原纤维蛋白-4，其是弹性组织生成中的成分等)、纤维蛋白原/纤维蛋白/凝血酶(例如，纤维蛋白原，其在伤口愈合期间通过凝血酶转化为纤维蛋白)、纤维连接蛋白、层粘连蛋白、胶原蛋白(例如，胶原蛋白I，其被发现于皮肤、肌腱和骨骼、胶原蛋白II，其被发现于软骨、胶原蛋白III，其被发现于结缔组织、胶原蛋白IV，其被发现于细胞外基质蛋白、胶原蛋白V，其被发现于毛发等)、波形蛋白、神经丝(例如，轻链神经丝NF-L、中链神经丝NF-M、重链神经丝NF-H等)、微管(例如，α-微管蛋白、β-微管蛋白等)、淀粉样蛋白(例如，α-淀粉样蛋白、β-淀粉样蛋白等)、肌动蛋白、肌球蛋白(例如，肌球蛋白I-XVII等)、肌联蛋白，其是最为人熟知的蛋白质(也称作连接蛋白)等。

用于示例性实施方式的装置和方法的示例性的多糖，例如，纤维多糖包括但不限于壳多糖，其是节肢动物外骨骼的主要成分、透明质酸，其被发现于细胞外间隙和软骨(例如，D-葡萄糖醛酸，其是透明质酸的成分、D-N-乙酰葡糖胺，其是透明质酸的成分等)等。

用于示例性实施方式的装置和方法的示例性的糖胺聚糖(GAG)包括但不限于建立细胞外基质的硫酸类肝素、有助于肌腱和韧带强度的硫酸软骨素、被发现于细胞外基质的硫酸角蛋白等。

在一个示例性实施方式中，用于本发明所述装置和方法的聚合物可以是两种或更多种聚合物和/或两种或更多种共聚物的混合物。在一个实施方式中，用于本发明所述装置和方法的所述聚合物可以是一种或多种聚合物和或多种共聚物的混合物。在另一实施方式中，用于本发明所述装置和方法的所述聚合物可以是一种或多种合成聚合物和一种或多种天然产生的聚合物的混合物。

在示例性实施方式中，所述液体材料可以是聚合物溶液，即聚合物溶于合适的溶剂或溶液。在该实施方式中，所述方法可以进一步包含在将聚合物引至所述装置和/或将所述聚合物加料至所述装置之前将聚合物溶于溶剂。在其它实施方式中，将聚合物作为聚合物熔体加料至装置。在示例性实施方式中，可以在适合熔融所述聚合物的温度下加热聚合物，例如，在约100℃至约300℃、100-200℃、约150-300℃、约150-250℃或约150-200℃或约100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190、195、200、205、210、215、220、225、230、235、240、245、250、255、260、265、270、275、280、285、290、295或约300℃的温度下加热。在所列举的温度中间的示例性的温度也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，多根微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维与试剂接触，所述试剂例如多种活细胞(如肌肉细胞、神经细胞、内皮细胞和上皮细胞)；生物学活性试剂(如亲脂肽、脂质、核苷酸)；荧光分子、金属、陶瓷、纳米粒子和/或药学活性试剂。在本发明的某些实施方式中，与活细胞接触的纤维在合适的介质中在适宜于产生例如活组织的条件下培养一段时间。

在其它实施方式中，所述聚合物，即聚合物溶液，在所述制造工艺期间与活细胞接触，以制造具有大量细胞的纤维、(部分地或完全地)包封细胞的纤维和/或由细胞(部分地或完全地)围绕的纤维。所述聚合物也可以在所述制造工艺期间与另外的试剂，例如蛋白质、核苷酸、脂质、药物、药学活性试剂、杀生物剂和/或抗微生物剂接触，以制造含有这些试剂的微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维。

在其它方面，本发明提供使用本发明所述方法和装置制造的纤维，以及含有本发明所述聚合物纤维的组织、膜、过滤器、生物防护织物、生物传感器装置、食品和药物递送装置。

根据本文公开的所述方法制造的所述纤维能够用作例如细胞外基质，并且与细胞一起也可以用于形成工程化组织。这种组织不仅对于假肢装置的制造和再生医学有用，而且对于研究组织发育生物学和疾病病理学，以及在药物发现和毒性试验中均是有用的。本发明所述纤维也可以与其它物质例如治疗剂组合，以便将该物质递送至所述聚合物纤维应用或植入的位置。根据本文公开的方法制造的聚合物纤维也可以用于生产食品、膜和过滤器。

在另一方面，本发明提供了鉴定调节组织功能的化合物的方法。所述方法包括，提供使用本发明所述装置和/或根据本发明所述方法制造的组织；使所述组织与试验化合物接触；确定在存在和不存在所述试验化合物时所述试验化合物对组织功能的影响，其中，与不存在所述试验化合物时所述组织功能相比，存在所述试验化合物时对组织功能的调节表明所述试验化合物调节组织的功能，由此鉴定调节组织功能的化合物。

在另一方面，本发明提供鉴定对治疗或预防组织疾病有用的化合物的方法。所述方法包括，提供使用本发明所述装置和/或根据本发明所述方法制造的组织；使所述组织与试验化合物接触；和确定在存在和不存在所述试验化合物时所述试验化合物对组织功能的影响，其中，与不存在所述试验化合物时所述组织功能相比，在存在所述试验化合物时对组织功能的调节表明所述试验化合物调节组织的功能，由此鉴定对治疗或预防组织疾病有用的化合物。所述组织功能可以是与所述特定组织类型关联的任何合适的生理学活性，例如，生物力学活性，例如，收缩性、细胞应力、细胞肿胀和刚度，或电生理学活性，在一个实施方式中，所述方法包括对所述组织应用刺激。在另一示例性实施方式中，多个活组织同时接触试验化合物。

附图说明

通过结合附图参考下文的描述，示例性实施方式的前述及其它目的、方面、特征和优点将变得更加清楚且更易理解，其中：

图1A示出示例性的纤维形成装置，其中旋转结构在与液体材料的沉积物隔开的未激活位置。

图1B示出图1A所述示例性装置，其中所述旋转结构在启动位置，其穿入所述液体材料至想要的深度。

图1C示出图1A和1B所述示例性装置，其中所述旋转结构将部分所述液体材料甩离与所述旋转结构的接触以及甩离形成纤维的平台。

图2示出包括多个旋转结构的示例性的纤维形成装置。

图3A示出在进行纤维形成工艺之前的示例性的纤维形成装置。

图3B示出在纤维形成工艺期间的图3A的纤维形成装置。

图3C示出在进行纤维形成工艺之后的图3A和3B的纤维形成装置。

图4A示出在进行纤维形成工艺之前的示例性的纤维形成装置，其中旋转结构未旋转。

图4B示出在纤维形成期间图4A的示例性装置，其中旋转结构旋转并与液体材料接触。

图5是流程图，示出形成或制造用于形成微米、亚微米和/或纳米尺寸纤维的示例性的纤维形成装置的示例性方法，该装置使用一个或多个旋转结构。

图6是流程图，示出了一种使用示例性的纤维形成装置来形成微米、亚微米和/或纳米尺寸纤维的示例性方法，所述装置采用一个或多个旋转结构。

图7示出包括支撑多个突出物的中芯轴的示例性旋转结构。

图8示出包括支撑多个突出物的中芯轴的另一个旋转结构。

图9A和9B示出示例性的纤维形成装置的透视图，该装置包括平台和靠在平台上的旋转结构。

图10示出基本上被设置为矩形叶片的示例性的突出物。

图11A示出沿与旋转结构的旋转轴正交的平面截取的示例性旋转结构的剖视图。

图11B示出沿穿过旋转轴延伸的平面截取的图11A的示例性旋转结构的剖视图。

图12A示出沿与旋转结构的旋转轴正交的平面截取的示例性旋转结构的剖视图。

图12B示出沿穿过所述旋转轴延伸的平面截取的图12A所述示例性旋转结构的剖视图。

图13示出基本上被设置为锯齿形叶片的示例性的突出物，其中所述锯齿形的尖锐边缘在所述纤维形成工艺期间穿入液体材料。

图14A示出沿与所述旋转结构的旋转轴正交的平面截取的示例性的旋转结构的剖视图。

图14B示出沿穿过所述旋转轴延伸的平面截取的图14A所述示例性旋转结构的剖视图。

图15A示出沿与所述旋转结构的旋转轴正交的平面截取的示例性旋转结构的剖视图。

图15B示出沿穿过所述旋转轴延伸的平面截取的图15A所述示例性旋转结构的剖视图。

图16示出基本上被设置为圆锥投影的示例性的突出物，其中所述圆锥形的尖端在所述纤维形成工艺期间穿入液体材料。

图17A示出沿与所述旋转结构的旋转轴正交的平面截取的示例性旋转结构的剖视图。

图17B示出沿穿过所述旋转轴延伸的平面截取的图17A所述示例性旋转结构的剖视图。

图18A示出沿与所述旋转结构的旋转轴正交的平面截取的示例性旋转结构的剖视图。

图18B示出沿穿过所述旋转轴延伸的平面截取的图18A所述示例性旋转结构的剖视图。

图19A示出包括喷射嘴的示例性的纤维形成装置，其中未通过所述喷射嘴向液体材料施力。

图19B示出图19A的示例性纤维形成装置，其中所述喷射嘴在相对于水平面的低冲击角度对所述液体材料施力。

图19C示出图19A和19B所述的示例性的纤维形成装置，其中所述喷射嘴在相对于水平面的高冲击角度对所述液体材料施力。

图20是流程图，示出形成或制造图19A-19C所述示例性的纤维形成装置的示例性方法。

图21是流程图，示出使用图19A-19C所述示例性的纤维形成装置由液体材料形成纤维的示例性方法。

图22示出可以用作例如腹腔镜手术的腹腔镜工具一部分的示例性的微型化纤维形成装置的透视图。

图23示出示例性容器，其可以通过附着根据示例性实施方式提供的一个或多个示例性旋转结构而定制。

图24A示出通过示例性的纤维形成装置形成的具有约340.5纳米的示例性平均直径的纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图24B是对应于图24A所述纤维的柱状图，示出了具有以纳米计的不同平均纤维直径(沿x轴)的纤维的数量频率(沿y轴)。

图25A示出通过示例性的纤维形成装置形成的具有约416纳米的示例性平均直径的纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图25B是对应于图25A所述纤维的柱状图，示出了具有以纳米计的不同平均纤维直径(沿x轴)的纤维的数量频率(沿y轴)。

图26示出通过示例性的纤维形成装置形成的示例性平均直径为约360纳米(具有约10纳米的示例性平均误差范围)的纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图27示出通过示例性的纤维形成装置形成的示例性平均直径为约110纳米(具有约5纳米的示例性平均误差范围)的纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图28示出通过示例性的纤维形成装置形成的纤维束的网状结构的顶视图。

图29示出采用旋转刷直接向聚合物溶液施力的示例性的纤维形成装置。

图30示出示例性的纤维形成装置和在所述纤维形成工艺期间可以改变的示例性参数。

图31示出使用图29所述示例性装置制造的纤维的扫描电子显微图像和说明示例性纤维参数的图。

图32和33示出使用图29所述示例性装置制造的纤维的扫描电子显微图像，以及显示出旋转速度的改变对纤维直径影响的图。

图34和35示出使用图29所述示例性装置制造的纤维的扫描电子显微图像，以及显示出旋转速度和聚合物流速的改变对纤维直径影响的图。

图36示出示例性的纤维形成装置，其包括用于加热聚合物熔体的加热元件、使用聚合物熔体制造的纤维的扫描电子显微图像和显示出所制造的纤维的示例性直径的图。

图37描述手持聚合物纤维装置的概念设计。旋转马达(电动的或气动的)连接至伸出一个或许多刷毛的芯轴。聚合物溶液加料至刷毛路径，产生微米或纳米尺寸的纤维。比例尺代表2cm。

图38是具有一个刷毛的芯轴的CAD渲染。在该显示中，刷毛直径350μm且从芯轴表面伸出2mm，并且芯轴在最接近刷毛的部分直径25mm。比例尺代表2cm。

图39描述手持聚合物纤维装置的概念设计的侧视图。在该显示中，能够调整提供聚合物溶液的管子以改变刷毛穿入聚合物液滴的深度。比例尺代表2cm。

图40是手持聚合物纤维装置的概念设计的等距视图。在该显示中，提供所述聚合物溶液的管子可以被调整以改变刷毛穿入聚合物液滴的深度。箭头代表取决于马达旋转方向的所产生纤维的轨迹。比例尺代表2cm。

图41是使用高速摄像拍摄的多屏图像序列，示出从单个刷毛制造聚合物纤维。

图42是使用高速摄像拍摄的多屏图像序列，示出从单个刷毛制造聚合物纤维。

图43描述所制造的聚合物纤维的示例性样品。

发明详述

本发明提供聚合物纤维形成可调的的改进的纤维形成装置、系统和方法。通过示例性实施方式可以控制纤维的一个或多个属性，包括但不限于直径、长度、定向、取向、多纤维结构等。示例性装置不采用或不需要喷射液体材料的喷嘴、容纳和喷射所述液体材料的喷丝板或旋转储液器，或形成所述纤维的静电电压。与本领域的装置相比，示例性装置由于不使用喷丝板或静电电压，因而是简化的。此外，在示例性装置中缺少喷射液体材料的喷嘴避免了喷嘴堵塞的问题，而喷嘴堵塞会减少纤维的产量来清洁喷嘴。

术语“液体材料”是指可以用于示例性的纤维形成装置、系统和方法中用来形成纤维的呈液体状态的任何适宜物质。在示例性实施方式中，液体材料是聚合物溶液。在另一示例性实施方式中，液体材料是聚合物熔体。

术语“沉积物”是指在静止的或活动的平台上的一些液体材料。在示例性实施方式中，液体材料的沉积物可以不与液体材料的供给通道液体连通。在另一示例性实施方式中，液体材料的沉积物可以与液体材料的供给通道液体连通，以便在所述纤维形成工艺期间可以一次性地、间歇性地或连续地补充所述沉积物。所述液体材料的沉积物可以与纤维形成装置接触形或在纤维形成装置附近形成。在纤维形成期间，可以传递力，例如剪切力至所述液体材料的沉积物。被设置以由液体材料的沉积物形成纤维的示例性的纤维形成装置也可用于由液体材料的液滴形成纤维。

术语“液滴”是指在用于提供液体材料的供给通道的末端的基本上为液滴形状的一些液体材料。在一个实施方式中，“液滴”是以一个圆形质量自然落下的液体材料的量。所述液体材料的液滴可以与纤维形成装置接触形成或在纤维形成装置附近形成。在纤维形成期间，可以传递力至所述液体材料的液滴。可以被设置以由液体材料的液滴形成纤维的示例性的纤维形成装置也可用于由液体材料的沉积物形成纤维。

术语“纤维”和“聚合物纤维”在本文中可以互换使用，这两个术语是指具有微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维。示例性的纤维可以由任何合适的(多种)液体材料形成。

术语“甩(fling)”或“甩(flinging)”是指示例性的纤维形成装置或方法的一个或多个部件的动作、运动或移动，其被传递给液体材料沉积物，并导致由所述液体材料形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维。更具体地，在甩的动作中，示例性的纤维形成装置的部件最初与液体材料沉积物的表面接触以便传递足够的力(例如剪切力)或能量至液体材料，以在所述表面产生弯月面，并克服表面张力，以便部分所述液体材料脱离与所述部件的接触，并将所述液体材料沉积物抛离、扔离或掷离所述接触和所述液体材料沉积物。对液体材料该部分的甩、抛、扔或掷引起所述液体材料延展、拉伸和/或拉长，以及液体材料中溶剂的蒸发和/或干燥，其将液体材料的被甩离部分变形为微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维。引起或促成甩的动作的纤维形成装置的示例性部件包括但不限于在旋转结构上的一个或多个可接触液体材料沉积物的突出物、可以直接冲击液体材料沉积物的一股或多股气体的喷射流或气流等。

在本发明的某一实施方式中，生物源聚合物可以用于本发明的装置来制造纤维。在该实施方式中，对所述聚合物应用足够的剪切力引起粘附的生物源聚合物分子的剪切诱导蛋白质展开，由此暴露隐藏的蛋白质-蛋白质结合域，并促成体外纤维化。

使用示例性的纤维形成装置、系统和方法形成的示例性纤维具有许多应用和优点。例如，示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于直接由细胞外基质蛋白创建三维组织工程化支架而没有危害效应，并且不干扰蛋白质生物活性。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于将活细胞整合在这些微米和纳米级聚合物支架内以产生被细胞包封的线，这使用本领域公知的纳米纤维制造技术是不可行的。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于从少量聚合物液体制造纳米纤维组件。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于从聚合物熔体以及聚合物溶液制造纳米纤维组件，这是由于所述装置和方法不取决于溶液电导率。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于从原位交联聚合物溶液制造纳米纤维，这是由于纳米纤维制造的速率高。

本发明的示例性纤维形成装置可以具有许多应用，包括但不限于聚合物或蛋白质纤维的批量制造、超取向(ultra-aligned)纤维支架的制造、用于体外组织工程应用的生物功能纤维支架、用于体内组织工程应用的生物功能纤维支架、生物功能缝合线、超强纤维和织物制造、生物功能蛋白质或聚合物过滤器、防护服或覆盖物等。

根据本文公开的方法制造的纤维能够例如用作细胞外基质，和与细胞一起也可以用于形成工程化组织。该组织不仅可用于假肢装置的制造和再生医学，而且对于调查组织发育生物学和疾病病理学，以及在药物发现和毒性试验中也是有用的。本发明的纤维也可以与其它物质，例如，治疗剂组合，以便将该物质输送至纤维应用或植入的位置。根据本文公开的方法制造的纤维也可以用于生产食品、膜和过滤器。

I.采用一个或多个旋转结构的示例性实施方式

示例性实施方式提供使用一个或多个旋转结构形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维的系统、装置和方法。通过示例性的微型化系统、装置和方法形成的示例性纤维直径范围从约1纳米至约100微米，但不限于该示例性范围。

图1A-1C示出可采用一个或多个旋转结构来形成纤维的示例性的纤维形成装置100的示意图。图1A示出所述示例性装置100，其中旋转结构是在与液体材料的沉积物隔开的未激活位置。图1B示出所述示例性装置100，其中所述旋转结构是在穿入所述液体材料至想要的深度的启动位置。图1C示出所述示例性装置100，其中旋转结构将液体材料甩离与旋转结构的接触和甩离平台以形成纤维。图1A-1C示出的示例性装置100不采用或不需要喷射液体材料的喷嘴、容纳和喷射所述液体材料的喷丝板或旋转储液器，或形成所述纤维的静电电压。示例性装置比现有技术的装置更简单，因为它们不使用喷丝板或静电电压。此外，在示例性装置中缺少喷射所述液体材料的喷嘴避免所述喷嘴堵塞的问题。

所述示例性的纤维形成装置100可以包括支撑液体材料的沉积物104的平台102。在示例性实施方式中，平台102是固定的。在另一示例性实施方式中，平台102是可移动的和/或活动的。平台102可以由任何适宜材料，例如，能够经受热和/或对化学有机溶剂不敏感的材料。在一个实施方式中，平台102可以由塑料材料，例如，聚丙烯、聚乙烯或聚四氟乙烯形成。在另一实施方式中，平台102可以由金属，例如，铝、钢、不锈钢、碳化钨、钨合金、钛或镍形成。示例性的平台102可以具有任何合适的尺寸或几何形状，包括但不限于圆形、矩形、椭圆形等。平台102也可以是任意活体器官，例如，心、肾、(多个)肝叶、膀胱、子宫、肠、骨骼肌或肺，或其部分的形式成形。平台102可以进一步成形为任意中空空腔、器官或组织，诸如圆形的肌肉结构，例如，括约肌或虹膜。这些形状允许纤维以活器官的形式沉积来制造工程化组织和器官，这在下面会更详细地描述。

在示例性实施方式中，沉积物104可以是一次性沉积物。在另一示例性实施方式中，沉积物104可以是连续或间歇补充的沉积物。示例性的纤维形成装置100可以包括适宜于连续供给液体材料104到平台102上的部件，例如壶嘴或注射泵。

在示例性实施方式中，供纤维形成的液体材料的示例性体积范围可以从约1微升至约100毫升。一些示例性体积包括但不限于约1微升至约100微升、约1毫升至约20毫升、约20毫升至约40毫升、约40毫升至约60毫升、约60毫升至约80毫升、约80毫升至约100毫升，但不限于这些示例性范围。在所列举的体积中间的示例性体积也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，所述纤维形成装置100可以包括一个或多个容纳可引到平台102上的液体材料的储液器(未画出)。储液器可以由合适的材料形成，包括但不限于陶瓷、金属、聚合物等，取决于装置的具体应用。示例性的储液器可以具有从约1微升至约100毫升的用于容纳所述液体材料的体积。一些示例性体积包括但不限于约1微升至约100微升、约1毫升至约20毫升、约20毫升至约40毫升、约40毫升至约60毫升、约60毫升至约80毫升、约80毫升至约100毫升，但不限于这些示例性范围。在所列举的体积中间的示例性体积也是本发明的部分。

在图1A-1C示出的示例性实施方式中，所述纤维形成装置100可以包括供给液体材料至平台102的供给通道106。在示例性实施方式中，供给通道106可以提供以沉积物形式被沉积到平台102上的液体材料。在示例性实施方式中，供给通道106可以提供不断补充的沉积物到平台102上。在示例性实施方式中，供给通道106可以在其运行期间将液体材料一次性地、间歇地或连续地供给到平台102上。

在另一示例性实施方式中，供给通道106可以提供在旋转结构108附近的供给通道106的尖端形成的一个或多个液滴形式的液体材料。在示例性实施方式中，供给通道106可以提供不断补充的液滴。在示例性实施方式中，供给通道106可以提供所述液体材料的一次性的、间歇的或连续的供给。

通过供给通道106提供的液体材料的示例性加料速率范围可以从约0.01毫升每分钟至约100毫升每分钟，但加料速率不限于该示例性范围。一些示例性的加料速率包括但不限于约0.01毫升每分钟至约1毫升每分钟、约1毫升每分钟至约20毫升每分钟、约20毫升每分钟至约40毫升每分钟、约40毫升每分钟至约60毫升每分钟、约60毫升每分钟至约80毫升每分钟、约80毫升每分钟等。在所列举的速率中间的示例性加料速率也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，可以提供包括一个或多个微流体通道的微流体装置来将液体材料供给至平台102。在示例性实施方式中，可以提供包括一个或多个宏观流体通道的宏观流体装置来将液体材料供给至平台102。在示例性实施方式中，可以提供微流体和宏观流体装置来将液体材料供给至平台102。

在示例性实施方式中，可以在平台102附近、其上或其中提供加热和/或融化液体材料的加热装置。由于液体材料不装在旋转储液器中，示例性实施方式仅需加热平台的一部分(例如，所述液体沉积物的位置)，并可以避免加热旋转元件。这导致所述装置中能源使用效率的提高，并且与常规纤维形成装置相比具有简化的设计。在示例性实施方式中，输送至平台102的聚合物可以通过加热装置加热以形成可接着用于形成纤维的聚合物熔体。在示例性实施方式中，可以在合适的温度加热聚合物以融化所述聚合物，例如，在约100℃至约300℃、100-200℃、约150-300℃、约150-250℃或约150-200℃或约100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190、195、200、205、210、215、220、225、230、235、240、245、250、255、260、265、270、275、280、285、290、295或约300℃的温度下加热。在所列举的温度中间的示例性温度也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，可以在液体材料104的附近提供一个或多个气翼(air foil)或空气叶片(air blade)(未画出)以增加被甩离的液体和/或由液体材料形成的纤维所经受的空气湍流。在一个实施方式中，所形成的纤维是未取向的，这是由于所述一个或多个气翼造成的增加的空气流动或增加的空气湍流。在另一实施方式中，所形成的纤维是基本上沿一轴线或平面取向的，这是由于所述一个或多个气翼造成的增加的空气流动或空气湍流。为此，所述示例性的纤维形成装置可以与如2010年11月17日提交的序列申请号61/414,674的美国临时专利申请的图13-17相关描述的气翼组合使用，通过引用将其整个内容合并于本文中。

在示例性实施方式中，装置的平台102可以包括或可以提供有通道或罩(未画出)以提供想要的路径，或者沿想要的路径将纤维引导至收集装置110，例如，板、线轴等。收集装置110可以由任意适宜材料构成，例如，能够经受热和/或对化学有机溶剂不敏感的材料。在一个实施方式中，收集装置110可以由塑料材料，例如，聚丙烯、聚乙烯或聚四氟乙烯形成。在另一实施方式中，收集装置110可以由金属，例如，铝、钢、不锈钢、碳化钨、钨合金、钛或镍形成。收集装置110可以具有任意合适的尺寸或几何形状，包括但不限于圆形、矩形、椭圆形等。收集装置110也可以成形为任意活体器官，例如，心、肾、(多个)肝叶、子宫、膀胱、肠、骨骼肌或肺，或其部分的形式。收集装置110可以进一步成形为任意中空空腔、器官或组织，诸如圆形的肌肉结构，例如，括约肌或虹膜。这些形状允许纤维以活器官的形式沉积来制造工程化组织和器官，在下面会更详细地描述。

在示例性实施方式中，收集装置110可以与平台102隔开，并可以环绕平台102。虽然图1A-1C所示的所述示例性的收集装置110是固定的，但其它示例性的收集装置可以是活动的，例如，旋转的和/或摆动的。活动的收集装置110可以用于接收网、垫、织造或非织造形态的纤维。示例性的纤维形态可以提高所述纤维收集物的力学性能。

在收集装置110在所述纤维形成工艺期间移动的示例性实施方式中，收集装置可以连接至传递运动至收集装置110的运动发生器。所述运动发生器进而可以连接至对所述运动发生器供给能量的电源，和控制其运动的各个方面的控制装置，例如，运动的类型(线性的和/或旋转的)、所述运动发生器的启动/停止、所述运动发生器的启动和停止的时机、所述运动的速度、所述运动的加速或减速等。传递给示例性收集装置110的通常线性速度的示例性范围可以包括约0.0001m/s至约4.2m/s，但不限于该示例性范围。可以控制收集装置110的运动以获得想要的纤维的取向和形态。

在某些实施方式中，所述收集装置110可以保持在约室温，例如，约20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或约30℃，和环境湿度，例如，约30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89或约90％的湿度。根据所期望的制造聚合物纤维的表面形貌，可以在任意合适的温度和湿度保持收集装置110和形成所述方法。例如，将湿度从约30％升至约50％制造出多孔纤维，而将湿度降至约25％则制造出光滑纤维。由于光滑纤维比多孔纤维具有更高的拉伸强度，在一个实施方式中，在受控湿度条件下(例如湿度的变化约低于约10％)，保持本发明所述装置和进行本发明所述方法。在所列举的范围中间的示例性温度和湿度数值也是本发明的部分。

示例性的纤维形成装置100可以包括一个或多个在平台102附近的旋转结构108。示例性的旋转速度范围可以从约100rpm至约500,000rpm，但旋转速度不限于该示例性的范围。运行本发明所述装置以形成纤维的足够的旋转速度和时间可以取决于所述材料的浓度和所形成的纤维的想要的特征。采用旋转运动的某些示例性装置可以在约1,000rpm-50,000rpm、约1,000rpm至约40,000rpm、约1,000rpm至约20,000rpm、约5,000rpm-20,000rpm、约5,000rpm至约15,000rpm，或约1,000、1,500、2,000、2,500、3,000、3,500、4,000、4,500、5,000、5,500、6,000、6,500、7,000、7,500、8,000、8,500、9,000、9,500、10,000、10,500、11,000、11,500、12,000、12,500、13,000、13,500、14,000、14,500、15,000、15,500、16,000、16,500、17,000、17,500、18,000、18,500、19,000、19,500、20,000、20,500、21,000、21,500、22,000、22,500、23,000、23,500或约24,000rpm的速度下旋转。在上面列举的范围和数值中间的范围和数值也被考虑为本发明的部分。例如，约10,000rpm-15,000rpm或8,000rpm-12,000rpm的旋转速度被本发明所述方法涵盖。在一个实施方式中，采用旋转运动的装置可以在大于约1,000rpm、大于约1,500rpm、大于约2,000rpm、大于约2,500rpm、大于约3,000rpm、大于约3,050rpm、大于约3,100rpm、大于约3,150rpm、大于约3,200rpm、大于约3,250rpm、大于约3,300rpm、大于约3,350rpm、大于约3,400rpm、大于约3,450rpm、大于约3,500rpm、大于约3,550rpm、大于约3,600rpm、大于约3,650rpm、大于约3,700rpm、大于约3,750rpm、大于约3,800rpm、大于约3,850rpm、大于约3,900rpm、大于约3,950rpm或大于约4,000rpm的速度下旋转。

可以使旋转结构108旋转来冲击所述液体材料一段足以形成想要的纤维的时间，诸如，例如，约1分钟至约100分钟、约1分钟至约60分钟、约10分钟至约60分钟、约30分钟至约60分钟、约1分钟至约30分钟、约20分钟至约50分钟、约5分钟至约20分钟、约5分钟至约30分钟或约15分钟至约30分钟、约5-100分钟、约10-100分钟、约20-100分钟、约30-100分钟，或约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100分钟或更长。在上面列举的数值中间的时间和范围也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，旋转结构的一个或多个部分或部件可以穿入液体材料的表面至想要的深度。示例性的穿入深度范围可以从约1纳米至约1厘米，但不限于该范围。一些示例性的穿入深度包括但不限于约1毫米至约20毫米、约20毫米至约40毫米、约40毫米至约60毫米、约60毫米至约80毫米、约80毫米至约100毫米、约1厘米等。在上面列举的示例性数值中间的示例性穿入深度也是本发明的部分。

可以任意合适的方式设置旋转结构108以使得在旋转时，旋转结构108接触在平台102上的液体材料的表面，从而传递足够的力或能量以在旋转结构108接触所述表面的位置产生弯月面。旋转结构108所传递的力或能量克服所述表面张力，使在弯月面的部分液体材料脱离并将所述部分甩离与旋转结构108的接触和平台102，由此形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维。纤维可以收集在收集装置110上。在示例性实施方式中，液体材料甩动的方向可以与接触液体材料的旋转结构的部件运动的切线方向基本相同。在示例性实施方式中，所述旋转结构可以与所述液体材料的顶面基本上平行的方向传递力至所述液体材料。

在图1A-1C示出的示例性实施方式中，旋转结构108可以具有以顺时针和/或反时针的方式绕旋转中轴R(指向图1A-1C纸面里或纸面外)可旋转的中芯轴。在示例性实施方式中，旋转轴可以偏离所述垂直轴V基本上90度。芯轴可以具有基本上圆柱形的形状，截面基本上圆形，具有沿所述旋转轴R取向的中心。旋转结构108也可以包括一个或多个固定在旋转芯轴外表面上的突出物，例如，以叶片、刷子、刷毛等形式的，以便部分所述突出物穿入所述液体材料的表面。示例性的旋转结构108可以包括任意适宜数量的固定到所述芯轴上的突出物，包括但不限于一个突出物至100,000个突出物。一些示例性的突出物数量包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、约50至约100、约100至约200、约200至约300、约300至约400、约400至约500等。在所列举的示例性数量中间的示例性的突出物数量也是本发明的部分。可以在所述芯轴上以任意合适的排列设置所述突出物，包括但不限于有规律的多行或多列排列、阵列图案、环形排列、无规排列等。

每个突出物可以具有任意适宜形状，包括但不限于基本上矩形的突出物、锯齿形突出物(在芯轴上的突出物的底部比离所述芯轴最远的顶部更宽)、圆柱形突出物以及类似形状的突出物。在高旋转速度下和/或在破碎的突出物可能损害纤维纯度的情形中，锯齿形可以为所述突出物提供加强的结构完整性，并可以防止旋转期间突出物的折断。

在一些示例性实施方式中，当液体材料接触到突出物时，可以改变在旋转结构108上的突出物的一个或多个方面，以控制液体材料对突出物的附着，由此促使纤维形成。可以控制或设定的示例性方面包括但不限于突出物的表面化学、突出的表面形貌(例如，粗糙的纹理)、突出物的几何学(例如，突出物的截面形状)等。此外，设定所述突出物的这些方面可以允许控制形成的纤维的几何学、纤维宽度、纤维上的表面特征以及类似方面。

示例性的突出物可以由任意适宜材料形成，包括但不限于钛、不锈钢(例如，300和400合金)、铝(例如，6061、7075)、聚苯乙烯、聚丙烯(例如，UHMW、HDPE、LDPE)、ABS、缩醛(共聚物和均聚物)、尼龙、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯以及类似材料。

纤维形成装置100可以包括使旋转结构108绕所述旋转轴R旋转的运动发生器112。运动发生器112可以用于控制旋转结构108运动的一个或多个方面，包括但不限于启动和停止旋转结构、旋转结构启动和停止的时机、旋转结构的速度、旋转结构的速度改变、旋转结构的旋转轴R相对于液体材料104的取向等。在示例性实施方式中，可以单次启动所述旋转结构108以传递瞬时力至液体材料的表面。在另一示例性实施方式中，可以在两个或更多个分开的或连续的时间段启动和旋转所述旋转结构108。

可以使用一个或多个机械连接件114，例如，杆、活塞等，将所述旋转结构108连接至所述运动发生器112，机械连接件114将所述运动发生器112产生的运动可靠地且有效地传递至旋转结构108。运动发生器112可以连接至供给电力以驱动所述运动发生器112的电源116，例如，电力干线或一个或多个电池。所述运动发生器112也可以连接至控制装置或机械装置118，用于控制运动各方面，例如，运动的类型(线性的和/或旋转的)、运动发生器的启动/停止、运动发生器的启动和停止的时机、运动的速度、运动的加速或减速以及类似方面的。

在示例性实施方式中，当装置运行时，使用者可以通过所述控制装置或机械装置118实时地控制运动发生器112运行的任意方面。在另一示例性实施方式中，也可以预编程的方式控制这些方面，其中所述运动发生器预编程有如何控制所述旋转结构的指令。示例性的运动发生器112包括但不限于电动马达、气动马达、微动马达(microdrive motor)、牙钻以及类似物。所述示例性的运动发生器112可以连接至一个或多个传导装置，其用于传导，例如，以电力信号、光学信号或以其它信号编码的控制指令，以控制运动发生器112的不同方面。

在示例性实施方式中，可以通过控制一个或多个因素来设定由示例性的纤维形成装置、系统和方法形成的所述纤维的空间和层次结构，所述因素包括但不限于旋转结构的旋转速度、液体材料的浓度、液体材料的粘度、液体材料的分子量、液体材料溶剂的挥发性等。示例性实施方式可以使用所述示例性的运动发生器的不同组合以产生和控制所述纤维的想要的织法和/或取向。

在示例性实施方式中，运动发生器112也可以传递横向的或线性的运动至旋转结构108，以将旋转结构108放置在相对于平台102上的液体材料104的想要的位置。在示例性实施方式中，可以使所述运动发生器112移向或远离所述液体材料104，以调整旋转结构108穿入液体材料104的深度。

在一个实施例中，在纤维形成工艺开始之前，旋转结构108可以在通过第一距离与所述平台102隔开的未激活位置。该间距可以允许使用者将液体材料104引入平台102上，而旋转结构108不会阻碍对平台102的接近。在液体材料104沉积在平台102之后，旋转结构108可以通过运动发生器线性地移向平台102。旋转结构108随后在启动位置，准备用于纤维形成工艺，并通过较小的第二距离与平台102隔开。当达到所想要的第二距离时或当旋转结构108接触液体材料104的表面至想要的深度时，可以停止旋转结构108向平台102的线性运动。当旋转结构108通过第二较小间距与所述平台102隔开时，可以开始纤维形成。在示例性实施方式中，旋转结构108可以在旋转结构108线性移动以到达它的启动位置之前或期间开始旋转。在另一示例性实施方式中，旋转结构108在它已经到达它的启动位置之后才开始旋转。

图1A-1C示出示例性的纤维形成装置运行的三个示例性阶段。在图1A中，旋转结构108在停止位置，其中它通过较大的第一距离与在平台102上的液体材料104隔开。旋转结构可以在该位置旋转或不旋转。在图1B中，旋转结构108已经移向在平台102上的所述液体材料104以到达它的启动位置。在该位置，旋转结构可以接触或浸入液体材料至想要的深度。在图1C中，旋转结构108显示为将部分所述液体材料104甩离与所述旋转结构的接触以及甩离所述平台102，以形成一根或多根纤维。

在示例性实施方式中，运动发生器112在纤维形成之前和/或期间可以改变旋转结构108相对于液体材料104的表面的旋转轴R，以改变旋转结构108传递力至液体材料104的角度。在示例性实施方式中，在纤维形成的时间段期间旋转结构108的旋转轴R可以保持相同，以在所述时间段期间形成的全部纤维基本上以相同的方向排列。在示例性实施方式中，在纤维形成的时间段期间可以改变所述旋转轴R，以在所述时间段期间形成的所述纤维以两个或更多个方向排列。以两个或更多个方向取向所形成的示例性纤维可以网或垫的结构进行收集。

在示例性实施方式中，在纤维形成工艺之前和/或期间，运动发生器112可以移动旋转结构108使其更靠近或更远离平台102，以便旋转结构108穿入液体材料104的深度分别增加或减少。

在示例性实施方式中，运动发生器112可以不改变旋转结构108的旋转轴R相对于液体材料104的取向，这样，所述装置形成基本上沿相同方向排列的纤维。在另一示例性实施方式中，运动发生器112可以一次或多次改变旋转结构108的旋转轴R相对于液体材料104的取向。这调节旋转结构108传递力至液体材料104的方向，并导致纤维基本上沿两个或更多个方向形成。基本上沿两个或更多个方向形成的纤维可以被设置用来形成想要的多纤维结构，例如，网、垫、支架等，其在重叠的纤维之间具有间距。

在一些示例性实施方式中，可以将气体引入液体材料以促进在液体材料上的弯月面的形成，进而促进纤维形成。示例性气体包括但不限于空气、二氧化碳等。在示例性实施方式中，在将液体材料供入装置之前(例如通过液体材料的碳酸化)，可以将气体引入所述液体材料。在另一示例性实施方式中，纤维形成装置100可以包括将气体引入液体材料104的气体供给通道(未画出)。在示例性实施方式中，所述气体供给通道在装置运行期间可以提供一次性的、间歇的或连续的气体供给。在旋转结构108于纤维形成期间传递力至液体材料104表面之前或期间，可以将气体引入所述液体材料104。

在一些示例性实施方式中，可以将一种或多种试剂引入液体材料104，以便所得到的纤维包含所述试剂。示例性试剂包括但不限于任意合适的生物学活性试剂，例如亲脂肽、脂质、核苷酸、蛋白质、药物、药学活性试剂、杀生物剂、抗微生物剂等。在示例性实施方式中，在将液体材料供入装置之前可以将试剂引入所述液体材料。在另一示例性实施方式中，纤维形成装置可以包括用于在纤维形成期间将试剂引入液体材料的试剂供给通道(未画出)。

图29示出采用旋转刷直接传递力至聚合物溶液的示例性的纤维形成装置。所述刷连接至用于使刷旋转的运动发生器，例如可控的驱动马达。聚合物溶液通过聚合物进口通道供给至固定平台，该进口通道可终止于旋转刷附近的聚合物喷嘴。在示例性实施方式中，聚合物进口通道可以连接至聚合物溶液供给装置，例如，注射泵，并可以用于提供形成纤维的聚合物溶液的连续流动。可以提供收集器以收集纤维。

在一些示例性实施方式中，可以在所述旋转刷附近提供一个或多个另外的流体进口通道。在一个示例性实施方式中，通过在聚合物喷嘴附近的另外的流体进口通道，可以引入一股或多股气体喷流。空气喷流可以用于增加正被所述旋转刷甩动的聚合物溶液所经受的剪切力，由此促进纤维形成。空气喷流也可以用于提供双喷射纺丝，由此两根或更多根纤维可以缠绕在一起以形成复合缠绕纤维。在另一示例性实施方式中，可以引入除用于形成核-鞘纤维的聚合物溶液之外的一种或多种材料。

图2示出包括多个旋转结构208、220和222的示例性的纤维形成装置200。可以使用连接至运动发生器212的机械部件224(例如杆)将旋转结构支撑在相对于彼此的想要的布置。在示例性实施方式中，可以设置所述旋转结构，以便它们沿水平面彼此间隔开，并且冲击液体材料204表面上的不同区域。这允许装置200同时形成多个纤维，因为多个力被同时施加至所述液体材料的表面。本领域普通技术人员将理解可以用于示例性的纤维形成装置的旋转结构的数量不限于图2中所显示的说明性的数量。图2中示出的特征202、204、206、210、212、214、216和218与图1中的特征102、104、106、110、112、114、116和118相似且与其结合进行描述。

图3A-3C示出可以采用一个或多个旋转结构来形成纤维的示例性纤维形成装置300的透视图。图3A示出在所述纤维形成工艺之前的装置300，其中静止沉积物302被支撑在平台304上。平台304可以被收集装置306围绕。

在示例性实施方式中，供纤维形成的液体材料的示例性体积可以在约1微升至约100毫升。一些示例性实施体积包括但不限于约1微升至约100微升、约1毫升至约20毫升、约20毫升至约40毫升、约40毫升至约60毫升、约60毫升至约80毫升、约80毫升至约100毫升，但不限于这些示例性范围。在所列举的体积中间的示例性体积也是本发明的部分。

图3B示出在纤维形成工艺期间的纤维形成装置300，其中旋转结构308开始与液体材料302接触，将部分液体材料甩离所述平台304以形成纤维310。

图3C示出在纤维形成工艺之后的装置300，其中所形成的纤维310被收集在收集装置306上。

图3A-3C示出的所述示例性装置300不采用或不需要喷射液体材料的喷嘴、容纳和喷射所述液体材料的喷丝板或旋转储液器，或静电电压来形成纤维。示例性装置比本领域那些装置更简单，由于它们不使用喷丝板或静电电压。此外，在示例性装置中缺少喷射液体材料的喷嘴避免了喷嘴堵塞的问题。

图4A和4B示出示例性的纤维形成装置400，其中旋转结构402旋转以由使用注射器404供给至旋转结构402附近的液体材料形成纤维。在示例性装置400中，旋转结构402可以是具有钢刷毛的刷。所述刷毛可以具有约12.5mm的示例性直径，其以在约40,000rpm至约60000rpm范围的速度旋转。

注射器404可以用于提供和任选地不断补充与旋转结构402的旋转刷毛接触的液体材料的沉积物或液滴。在示例性实施方式中，供纤维形成的液体材料的示例性体积范围可以从约1微升至约100毫升。一些示例性体积包括但不限于约1微升至约100微升、约1毫升至约20毫升、约20毫升至约40毫升、约40毫升至约60毫升、约60毫升至约80毫升、约80毫升至约100毫升，但不限于这些示例性范围。在所列举的体积中间的示例性体积也是本发明的部分。

图4A示出在纤维形成之前的示例性装置400，其中旋转结构402不旋转。图4B示出在纤维形成期间的示例性装置400，其中旋转结构402旋转，并与通过所述注射器404供给的液体材料的沉积物或液滴接触。旋转结构402的旋转可以由所述液体材料形成一根或多根纤维406。在示例性实施方式中，纤维406可以被收集在一个或多个收集装置(未画出)上。

图5是示出形成或制造示例性的纤维形成装置的示例性方法500的流程图，其采用一个或多个旋转结构来形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维。

在步骤502中，为支撑液体材料提供一个或多个平台。在示例性实施方式中，平台是固定的，并容纳所述液体材料的静止沉积物。在另一示例性实施方式中，平台是可移动的或活动的。

在步骤504中，任选地，可以提供与平台结合的加热装置以加热和/或熔融液体材料。在示例性实施方式中，加热装置可以用于熔融聚合物，并由聚合物熔体形成纤维。

在步骤506中，为在平台附近收集纤维提供一个或多个收集装置。在示例性实施方式中，收集装置是固定的。在另一示例性实施方式中，收集装置是可移动的或活动的。

在步骤508中，任选地，在平台附近提供一个或多个供给通道以将液体材料引入平台。液体材料可以在纤维形成工艺之前一次性地或在纤维形成工艺期间周期性地或连续地提供。

在步骤510中，在形成纤维的液体材料附近提供一个或多个旋转结构。所述旋转结构连接至一个或多个用于传递旋转运动至旋转结构的运动发生器。

在步骤512中，一个或多个电源和/或控制机构被连接至运动发生器以分别驱动和运行所述运动发生器。电源和控制机构可以与所述运动发生器一体提供，或与其分开提供。所述电源，例如，一个或多个电池，可以提供用于控制所述运动发生器的电能。所述控制机构可以用于启动、停止和改变纤维形成时间段内运动发生器的运动，例如，旋转结构的启动、旋转结构的旋转速度以及类似方面。控制机构可以包括可用于预编程所述运动发生器运行的处理器。

图6是示出使用示例性的纤维形成装置的示例性方法600的流程图，其采用一个或多个形成微米、亚微米和/或纳米尺寸纤维的旋转结构。

在步骤602中，提供了示例性的纤维形成装置，例如根据图5示出的方法500获得的纤维形成装置。

在步骤604中，将液体材料引入平台，例如，通过一个或多个提供在所述平台附近的供给通道。可以一次、两次或更多次、连续地或周期性地将液体材料引入所述平台。引入平台的液体材料的体积和流动速率可以保持恒定或基于纤维形成的所述需要而改变。

在步骤606中，一个或多个旋转结构可以想要的方式(例如，在想要的时间、想要的速度、想要的冲击角度等)运行以传递力至液体材料的表面。在纤维形成工艺之前和/或期间，可以一次、两次或更多次、连续地或周期性地传递所述力。任选地，旋转结构可以移向或远离液体材料以达到想要的穿入所述表面的深度。

在步骤608中，通过所述旋转结构的所述力将部分所述液体材料甩离液体材料的沉积物和甩离与旋转结构的接触。不希望受到理论束缚，所述材料可以伸展和弯曲成一根或多根纤维，由于空气阻力、射流颈缩(jet necking)以及所述液体材料中所述溶剂的蒸发。

在步骤610中，所得到的纤维收集在一个或多个可以是固定的或活动的收集装置上。

图30是示例性的纤维形成装置的示意图，其显示出可针对纤维形成而改变的示例性参数，包括，例如，旋转刷速度、聚合物流动速率、溶剂挥发性、聚合物浓度，如，所述聚合物溶液或聚合物熔体的粘度、旋转刷和收集器之间的间隙距离、喷嘴直径、刷的类型和刚度。

II.示例性的旋转结构和突出物

示例性实施方式提供一个或多个旋转结构，其外表面包括一个或多个示例性突出物用于形成微米、亚微米和/或纳米尺寸纤维。示例性实施方式还提供一个或多个适宜于与示例性旋转结构一起用于形成微米、亚微米和/或纳米尺寸纤维的突出物。示例性实施方式进一步提供包括一个或多个旋转结构的纤维形成装置，每个旋转结构包括一个或多个突出物。

在一些示例性实施方式中，旋转结构可以包括一个或多个固定于旋转结构外表面的突出物。在一些示例性实施方式中，旋转结构可以包括两个或更多个相同类型的突出物，例如，具有相同形状和尺寸的突出物。在一些其它的示例性实施方式中，旋转结构可以包括两个或更多个不同类型的突出物，例如，具有不同形状和/或不同尺寸的突出物。示例性突出物可以穿入液体材料的表面至想要的穿入深度。示例性的穿入深度范围可以从约1纳米至约1厘米，但不限于该范围。一些示例性的穿入深度包括但不限于约1毫米至约20毫米、约20毫米至约40毫米、约40毫米至约60毫米、约60毫米至约80毫米、约80毫米至约100毫米、约1厘米以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性穿入深度也是本发明的部分。

每个突出物可以具有任意合适的形状，包括但不限于基本上矩形的突出物、锯齿形突出物(其位于芯轴上的突出物底部比离芯轴最远的顶部更宽)以及类似形状的突出物。在高旋转速度下和/或在破碎的突出物可能损害纤维纯度的情形中，锯齿形可以为突出物提供加强的结构完整性，并可以防止旋转期间突出物折断。

每个突出物可以具有任意合适的高度(垂直于旋转轴R沿突出物从底部到其顶部量取，表示为H)，包括但不限于约1纳米至约10厘米。一些示例性高度可以包括但不限于0.1cm、0.2cm、0.3cm、0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性高度也是本发明的部分。

每个突出物可以具有任意合适的长度(沿所述旋转轴R量取，表示为L)，包括但不限于约1纳米至约50厘米。一些示例性长度可以包括但不限于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性长度也是本发明的部分。

每个突出物可以具有任意合适的宽度(量取为所述突出物的厚度)，包括但不限于约1纳米至约50厘米。一些示例性宽度可以包括但不限于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性宽度也是本发明的部分。

在其中突出物具有基本上圆锥形(其中圆锥体的圆形面接触旋转结构)的示例性实施方式中，突出物的圆形面可以具有在约1微米至约50厘米范围的示例性直径。一些示例性直径可以包括但不限于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性直径也是本发明的部分。

在其中突出物的矩形面接触旋转结构的示例性实施方式中，所述矩形面可以具有在约1微米至约50厘米范围的示例性长度和/或宽度。一些示例性长度和/或宽度可以包括但不限于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性长度和/或宽度也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，示例性突出物的高度与宽度或者高度与长度的高宽比范围可以从约1:1至约100:1。一些示例性的高宽比可以包括但不限于1:1、5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1、45:1、50:1、55:1、60:1、65:1、70:1、75:1、80:1、85:1、90:1、95:1、100:1以及类似比例。在上面列举的示例性数值中间的示例性高宽比也是本发明的部分。

示例性突出物可以由任意适宜材料形成，包括但不限于钛、不锈钢(例如，300和400合金)、铝(例如，6061、7075)、聚苯乙烯、聚丙烯(例如，UHMW、HDPE、LDPE)、ABS、缩醛(共聚物和均聚物)、尼龙、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯以及类似材料。

本文所述的一些示例性突出物参照图7-18。但是，示例性突出物不限于图7-18示出的所述示例性实施方式。图7-18示出的所述示例性突出物和旋转结构未按比例尺绘制。

图7示出示例性的旋转结构700，其包括中芯轴702，其支撑芯轴702外表面上的多个突出物704。在图7示出的示例性实施方式中，所述中芯轴702可以设置为基本上圆环形的结构。中芯轴702的外周可以提供有多个突出物704，其从所述环结构径向地向外伸出。在示例性实施方式中，每个突出物704可以具有基本上细长圆柱形的结构，具有基本上圆形形状的截面。在另一示例性实施方式中，每个突出物704可以具有基本上细长盒状的结构，具有基本上方形或矩形形状的截面。在示例性实施方式中，突出物704可以与所述中芯轴702一体形成。在另一示例性实施方式中，突出物704可以与中芯轴702分开形成，并可以连接至所述中芯轴702。

在图7示出的所述示例性实施方式中，每个突出物704可以是细长的和弧形的结构，其具有基本上比其厚度或宽度更大的长度。在示例性实施方式中，所述结构的长度可以比所述厚度或所述宽度大约2至约50(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20以及类似数值)范围的倍数。

每个突出物704可以沿突出物704的长度方向弯曲，以便所述突出物以顺时针或反时针方向从附着于中芯轴702的突出物底部弯曲至突出物顶部706。在该设置中，所述突出物704的顶部沿成一定角度的方向朝向或背朝所述径向方向。在运行中，旋转结构700既可以顺时针方向，也可以反时针方向旋转，以便顶部706的旋转方向沿突出物704终端指向的方向。在示例性实施方式中，在所述中芯轴702上的全部所述突出物704可以以或者顺时针方向，或者反时针方向弯曲，以便所述突出物可以接纳在所述中芯轴702上。

在示例性实施方式中，所述中芯轴702可以包括接纳杆部件(未画出)的中心空隙或间隙708。所述杆部件可以连接至并支撑所述中芯轴702，并且可以在远端方向伸出所述液体材料。所述杆部件可以接着连接至用于传递运动至所述杆部件的运动发生器(未画出)，其也可以导致所述芯轴702旋转。这接着导致所述突出物704——其穿入液体材料——旋转，同时接触所述液体材料，其导致突出物702甩动部分所述液体材料以形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维。

图8示出另一示例性旋转结构800，其包括中芯轴802，用于支撑所述中芯轴802外表面上的多个突出物804。在示例性实施方式中，所述芯轴802可以设置为一个或多个环结构。在所述环结构的外周可以提供有多个突出物804，其从环结构径向向外延伸。在示例性实施方式中，环结构可以包括一对环结构，其容纳并保持住夹在所述环结构之间的突出物末端。在图8示出的所述示例性实施方式中，突出物804可以是丝状刷毛。示例性的刷毛可以由任意合适的材料形成，包括但不限于天然纤维、合成纤维、金属线(例如，钢、铝等)、合成树脂材料，包括聚酰胺、聚烯烃，诸如聚乙烯或聚丙烯、偏二卤乙烯，诸如聚偏二氯乙烯或聚偏二氟乙烯，或聚酯，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯，以及类似材料。

所述芯轴802的中心可以连接至并支撑杆元件806，该杆元件806在远端方向远离液体材料延伸。杆元件806可以接着连接至可以将旋转运动传递至该杆元件806的运动发生器(未画出)，其也可以导致所述芯轴802旋转。这进而导致所述突出物804——其穿入液体材料——旋转，同时接触所述液体材料，使突出物802甩动部分所述液体材料以形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维。

图9A和9B示出包括平台902和停留在所述平台902上的旋转结构904的示例性纤维形成装置900的透视图。所述示例性旋转结构904可以是图8示出并描述的示例性结构800。在其它示例性实施方式中，以不同方式设置的旋转结构906、908和910可以用于装置900。旋转结构906、908和910与图7的示例性旋转结构700相似，且参照其描述。所述旋转结构906、908和910可以具有不同的尺寸和颜色，如图9A和9B所示出的。

在示例性实施方式中，平台902可以包括接纳液体材料的下陷区域或狭缝912。在运行期间，在旋转结构904上的所述突出物可以放置在所述狭缝912附近或在所述狭缝912中，以便在所述纤维形成工艺期间穿入所述液体材料的表面。

图10示出基本上被设置为矩形叶片的示例性突出物1000。所述突出物1000可以具有基本上盒形的结构，具有六个矩形面和沿平行于所述面的平面截取的矩形截面。在示例性实施方式中，突出物1000的面可以是相同的形状和尺寸。在另一示例性实施方式中，突出物1000可以包括一组两个平行面，其比其它两组面的面积更大。也即是说，示例性突出物1000可以设置为具有薄边的叶片。

在示例性实施方式中，一个或多个示例性突出物1000可以固定于被设置为绕旋转轴R旋转的旋转结构1006的外表面。在该示例性设置中，一个或多个突出物1000可以固定于所述旋转结构1006的外表面，从所述旋转结构1006的外表面径向地向外伸出。

在示例性实施方式中，突出物1000的沿旋转轴R延伸并与所述旋转结构1006的外表面接触的面，可以比突出物1000的沿旋转结构1006的长度延伸并从所述旋转结构1006径向地向外伸出的面，具有基本上更小的面积。在示例性实施方式中，突出物1000中沿旋转结构1006的长度径向向外延伸的面的面积，与被布置为与旋转结构1006的外表面接触的面的面积之比，可以在约1:1至约100:1的范围。一些示例性比值可以包括但不限于1:1、5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1、45:1、50:1、55:1、60:1、65:1、70:1、75:1、80:1、85:1、90:1、95:1、100:1以及类似比值。在上面列举的示例性数值中间的示例性比值也是本发明的部分。

图11A和11B示出在旋转结构1006外表面上的如图10所示类型的两个或更多个突出物1000的示例性设置。图11A示出沿与旋转结构1006的旋转轴R正交的平面截取的示例性旋转结构1006的剖视图。图11B示出沿贯穿所述旋转轴R延伸的平面截取的如图11A所述示例性旋转结构1006的剖视图。在图11A和11B示出的该示例性设置中，两个或更多个突出物1000可以在两个或更多个不同的沿着并贯穿所述旋转轴R延伸的平面上相互隔开，以便它们在旋转结构1006的横截面外周相互隔开。例如，突出物1008和1010可以沿平面A从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1012和1014可以沿平面B从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1016和1018可以沿平面C从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1020和1022可以沿平面D从所述旋转结构的表面径向地向外伸出。

图12A和12B示出在旋转结构1006′外表面上的图10所示类型的两个或更多个突出物1000′的示例性设置。图12A示出沿与旋转结构1006′的旋转轴R正交的平面截取的示例性旋转结构1006′的剖视图。图12B示出沿贯穿旋转轴R的平面截取的图12A所述示例性旋转结构1006′的剖视图。在图12A和12B示出的该示例性设置中，两个或更多个突出物1000′可以在沿着并贯穿所述旋转轴R的两个或更多个不同平面上相互隔开，以便它们在旋转结构1006′的横截面外周上相互隔开。例如，突出物1008′和1010′可以沿平面A′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1012′和1014′可以沿平面B′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1016′和1018′可以沿平面C′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1020′和1022′可以沿平面D′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出。

此外，在图12A和12B示出的所述示例性实施方式中，两个或更多个突出物1000′可以沿两个或更多个垂直于旋转轴R延伸的不同平面(例如，平面E、F、G和H)相互隔开，以便它们沿所述旋转结构1006′的所述中芯轴的长度隔开。

图13示出基本上被设置为锯齿形叶片的示例性突出物1300，其中所述锯齿形的尖锐边缘在所述纤维形成工艺期间穿入液体材料。在示例性实施方式中，一个或多个示例性突出物1300可以固定于被设置为绕旋转轴R旋转的旋转结构1306的外表面。在该示例性设置中，一个或多个突出物1300可以固定于旋转结构1306的外表面，从所述旋转结构1306的外表面径向地向外伸出。

突出物1300可以包括被设置为接触旋转结构1306外表面并沿它的旋转轴R延伸的矩形面。突出物1300可以包括两个倾斜的矩形面(例如，面1302)，和两个三角形面(例如，面1304)，其基本上正交于与旋转结构1306接触的面延伸。突出物1300的面1302可以从所述旋转结构1306沿旋转轴R径向向外伸出。突出物1300的面1304可以基本上正交于旋转轴R从旋转结构1306径向向外伸出。

在示例性实施方式中，沿所述旋转轴R延伸并被布置为与所述旋转结构1306的外表面接触的所述突出物1300的面，可以比沿所述旋转结构1306的长度延伸并从所述旋转结构1306径向地向外伸出的所述突出物1300的面1304，具有基本上更小的面积。在示例性实施方式中，面1304的面积，与沿所述旋转轴R延伸并被布置为与所述旋转结构1306的外表面接触的面，其沿所述旋转结构1306的长度径向地向外延伸，的面积之比，可以在约1:1至约100:1的范围。一些示例性比值可以包括但不限于1:1、5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1、45:1、50:1、55:1、60:1、65:1、70:1、75:1、80:1、85:1、90:1、95:1、100:1以及类似比值。在上面列举的示例性数值中间的示例性比值也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，突出物1300的沿所述旋转轴R延伸并被布置为与所述旋转结构1306的外表面接触的面，可以比突出物1300的基本上正交于旋转轴R从旋转结构1306径向向外伸出的面1302，具有基本上更小的面积。在示例性实施方式中，面1302的面积与面1304的面积之比，可以在约1:1至约100:1的范围。一些示例性比值可以包括但不限于1:1、5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1、45:1、50:1、55:1、60:1、65:1、70:1、75:1、80:1、85:1、90:1、95:1、100:1以及类似比值。在上面列举的示例性数值中间的示例性比值也是本发明的部分。

图14A和14B示出在旋转结构1306外表面上的图13所示类型的两个或更多个突出物1300的示例性设置。图14A示出沿与旋转结构1306的旋转轴R正交的平面截取的示例性旋转结构1306的剖视图。图14B示出沿贯穿所述旋转轴R的平面截取的图14A所述示例性旋转结构1306的剖视图。在图14A和14B示出的该示例性设置中，两个或更多个突出物1300可以在沿着并且贯穿所述旋转轴R延伸的两个或更多个不同平面上相互隔开，以使得它们沿旋转结构1306的横截面的外周相互隔开。例如，突出物1308和1310可以沿平面A从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1312和1314可以沿平面B从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1316和1318可以沿平面C从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1320和1322可以沿平面D从所述旋转结构的表面径向地向外伸出。

图15A和15B示出在旋转结构1306′外表面上的图13所示类型的两个或多个突出物1300′的示例性设置。图15A示出沿与旋转结构1306′的旋转轴R正交的平面截取的示例性旋转结构1306′的剖视图。图15B示出在沿着并贯穿所述旋转轴R延伸的平面截取的图15A所述示例性旋转结构1306′的剖视图。在图15A和15B示出的该示例性设置中，两个或更多个突出物1300′可以沿在沿着并贯穿所述旋转轴R延伸的两个或更多个不同平面上相互隔开，以便它们在旋转结构1306′的横截面外周上相互隔开。例如，突出物1308′和1310′可以沿平面A′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1012′和1014′可以沿平面B′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1316′和1318′可以沿平面C′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1320′和1322′可以沿平面D′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出。

此外，在图15A和15B示出的所述示例性实施方式中，两个或更多个突出物1300′可以沿两个或更多个垂直于所述旋转轴R延伸的不同平面(例如，平面E、F、G和H)相互隔开，以便它们沿旋转结构1306′的中芯轴的长度隔开。

图16示出基本上被设置为圆锥投影的示例性突出物1300，其中所述圆锥形的顶部在所述纤维形成工艺期间穿入液体材料。在一个示例性实施方式中，一个或多个示例性突出物1600可以固定于被设置为绕旋转轴R旋转的旋转结构1606的外表面。在该示例性设置中，一个或多个突出物1600可以固定于所述旋转结构1606的外表面，从所述旋转结构1606的外表面径向向外伸出。突出物1600可以包括从旋转结构1606径向向外伸出的圆锥形面1602，和被设置为接触旋转结构1606的外表面并沿它的旋转轴R延伸的圆形面1604。

在示例性实施方式中，沿所述旋转轴R延伸并被布置为与所述旋转结构1606的外表面接触的突出物1600的面1604，可以比从所述旋转结构1606径向向外伸出的突出物1600的圆锥形面1602，具有基本上更小的面积。在示例性实施方式中，面1602的面积与面1604的面积之比，可以在约1:1至约100:1的范围。一些示例性比值可以包括但不限于1:1、5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1、45:1、50:1、55:1、60:1、65:1、70:1、75:1、80:1、85:1、90:1、95:1、100:1以及类似比值。在上面列举的示例性数值中间的示例性比值也是本发明的部分。

图17A和17B示出在旋转结构1606外表面上的如图16所示类型的两个或更多个突出物的示例性设置。图17A示出沿与所述旋转结构1606的旋转轴R正交的平面截取的示例性旋转结构1606的剖视图。图17B示出沿贯穿所述旋转轴R的平面截取的图17A所述示例性旋转结构1606的剖视图。在图17A和17B示出的该示例性设置中，两个或更多个突出物1600可以在沿着并贯穿所述旋转轴R延伸的两个或更多个不同平面上相互隔开，以便它们在所述旋转结构1606的横截面外周上相互隔开。例如，突出物1608和1610可以沿平面A从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1612和1614可以沿平面B从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1616和1618可以沿平面C从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1620和1622可以沿平面D从所述旋转结构的表面径向地向外伸出。

图18A和18B示出在旋转结构1606′外表面上的图16所示类型的两个或更多个突出物1600′的示例性设置。图18A示出沿与所述旋转结构1606′的旋转轴R正交的平面截取的示例性旋转结构1606′的剖视图。图18B示出沿贯穿所述旋转轴R延伸的平面截取的图18A所述示例性旋转结构1606′的剖视图。在图18A和18B示出的该示例性设置中，两个或更多个突出物1600′可以在沿着并贯穿所述旋转轴R的两个或更多个不同平面上相互隔开，以便它们在所述旋转结构1606′的横截面外周上相互隔开。例如，突出物1608′和1610′可以沿平面A′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1612′和1614′可以沿平面B′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1616′和1618′可以沿平面C′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出，突出物1620′和1622′可以沿平面D′从所述旋转结构的表面径向地向外伸出。

此外，在图18A和18B示出的示例性实施方式中，两个或更多个突出物1600′可以沿两个或更多个垂直于所述旋转轴R延伸的不同平面(例如，平面E、F、G和H)相互隔开，以便它们沿所述旋转结构1606′的所述中芯轴的长度隔开。

III.采用一股或多股气体喷流的示例性实施方式

示例性实施方式提供采用一股或多股气体喷流形成微米、亚微米和/或纳米尺寸纤维的系统、装置和方法。通过所述示例性系统、装置和方法所形成的示例性纤维直径范围可以从约1纳米至100微米，但不限于该示例性范围。

图19A-19C示出采用一股或多股气体喷流形成一根或多根纤维的示例性纤维形成装置1900的示意图。图19A示出所述示例性装置1900，其中未传递力给液体材料。图19B示出所述示例性装置1900，其中通过气体喷流在相对于水平面的低冲击角度传递力给液体材料。图19C示出示例性装置1900，其中气体喷流在相对于水平面的高冲击角度传递力给液体材料。图19A-19C示出的示例性装置1900不采用或不需要喷射液体材料的喷嘴、容纳和喷射液体材料的喷丝板或旋转储液器，或静电电压来形成所述纤维。示例性装置比本领域的现有装置更简单，由于它们不使用喷丝板或静电电压。此外，在示例性装置中不包含喷射所述液体材料的喷嘴避免了与本领域的现有装置相关的喷嘴堵塞的问题。

所述示例性的纤维形成装置1900可以包括用于支撑液体材料沉积物1904的平台1902。在示例性实施方式中，供纤维形成的所述液体材料的示例性体积可以在约1微升至约100毫升。一些示例性实施体积包括但不限于约1微升至约100微升、约1毫升至约20毫升、约20毫升至约40毫升、约40毫升至约60毫升、约60毫升至约80毫升、约80毫升至约100毫升，但不限于这些示例性范围。在所列举的体积中间的示例性体积也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，沉积物1904可以是一次性沉积物。在另一示例性实施方式中，沉积物1904可以是连续或间歇补充的沉积物。在示例性实施方式中，液体材料的沉积物1904在所述平台1902上可以是静止的或活动的。示例性的纤维形成装置1900可以包括将液体材料供给至平台1902的供给通道1906。在示例性实施方式中，供给通道1906可以提供液体材料的一次性的、间歇的或连续的供给。通过所述供给通道1906提供的液体材料的示例性加料速率范围可以从约0.01毫升每分钟至约100毫升每分钟，但加料速率不限于该示例性范围。一些示例性的加料速率包括但不限于约0.01毫升每分钟至约1毫升每分钟、约1毫升每分钟至约20毫升每分钟、约20毫升每分钟至约40毫升每分钟、约40毫升每分钟至约60毫升每分钟、约60毫升每分钟至约80毫升每分钟、约80毫升每分钟以及类似速率。在所列举的速率中间的示例性加料速率也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，可以提供包括一个或多个微流体通道的微流体装置供给所述液体材料至所述平台1902。在示例性实施方式中，可以提供包括一个或多个宏观流体通道的宏观流体装置将液体材料供给至平台1902。在示例性实施方式中，可以提供微流体和宏观流体装置以用于将液体材料供给至平台1902。

在示例性实施方式中，可以在平台1902附近、其上或其中提供加热和/或融化所述液体材料1904的加热装置。例如，输送至平台1902的聚合物可以通过加热装置加热以形成可接着用于形成纤维的聚合物熔体。在示例性实施方式中，可以在适合于融化所述聚合物的温度下加热聚合物，例如，在约100℃至约300℃、100-200℃、约150-300℃、约150-250℃或约150-200℃或约100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190、195、200、205、210、215、220、225、230、235、240、245、250、255、260、265、270、275、280、285、290、295或约300℃的温度下加热。在所列举的温度中间的示例性温度也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，可以在液体材料1904的附近提供一个或多个气翼或空气叶片(未画出)以增加在纤维形成期间和/或之后由液体材料形成的纤维所经受的空气湍流。为此，示例性的纤维形成装置1900可以与如2010年11月17日提交的序列号61/414,674的美国临时专利申请的图13-17相关描述的气翼组合使用，通过引用将其整个内容以其实体方式合并于本文中。

在示例性实施方式中，装置1900的平台1902可以包括或可以提供有导管或罩(未画出)以提供想要的路径或沿想要的路径将纤维引入收集装置1910。所述收集装置1910可以由任意适宜材料，例如能够经受热和/或对化学有机溶剂不敏感的材料构成。在一个实施方式中，收集装置1910可以由塑料材料，例如，聚丙烯、聚乙烯或聚四氟乙烯形成。在另一实施方式中，收集装置1910可以由金属，例如，铝、钢、不锈钢、碳化钨、钨合金、钛或镍形成。收集装置1910可以具有任意合适的尺寸或几何形状，包括但不限于圆形、矩形、椭圆形以及类似形状。收集装置1910也可以形成为任意活器官，例如，心、肾、(多个)肝叶、子宫、膀胱、肠、骨骼肌或肺，或其部分的形状。收集装置1910可以进一步成形为任意中空空腔、器官或组织，诸如圆形的肌肉结构，例如，括约肌或虹膜。这些形状允许纤维以活器官的形式沉积来制造工程化组织和器官，在下面会更详细地描述。

在示例性实施方式中，收集装置1910可以与平台1902隔开，并可以围绕平台1902。虽然图示出的示例性收集装置1910是静止的，其它示例性的收集装置可以是活动的，例如，旋转的和/或摆动的。活动的收集装置1910可以用于接收网、垫、织造或非织造形态的纤维。示例性的纤维形态可以提高纤维收集物的力学性能。

在其中收集装置1910在所述纤维形成期间移动的示例性实施方式中，所述收集装置可以连接至将运动传递至收集装置1910的运动发生器。所述运动发生器接着连接至供给能量至运动发生器的电源，和控制其运动的各个方面的控制装置，所述方面例如运动的类型(线性的和/或旋转的)、运动发生器的启动/停止、运动发生器的启动和停止的时机、运动的速度、运动的加速或减速以及类似运动。传递给示例性收集装置1910的示例性线性速度的范围可以包括约0.0001m/s至约4.2m/s，但不限于该示例性范围。一些示例性线性速度可以包括但不限于约0.01m/s、0.02m/s、0.03m/s、0.04m/s、0.05m/s、0.06m/s、0.07m/s、0.08m/s、0.09m/s、0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s、0.6m/s、0.7m/s、0.8m/s、0.9m/s、1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s以及类似速度。在所列举的示例性速度中间的示例性线性速度也是本发明的部分。可以控制收集装置1910的运动以获得想要的纤维取向和形态。

在某些实施方式中，收集装置1910可以保持在约室温，例如，约20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或约30℃，和环境湿度，例如，约30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89或约90％的湿度。可以在任意合适的温度和湿度保持收集装置1910和形成所述方法，取决于待制造的聚合物纤维的想要的表面形貌。例如，将湿度从约30％升至约50％制得多孔纤维，而将湿度降至约25％则制得光滑纤维。由于光滑纤维比多孔纤维具有更高的拉伸强度，在一个实施方式中，在受控的湿度条件，例如，变化约低于约10％的湿度下保持本发明所述装置和进行本发明所述方法。在所列举的范围中间的示例性温度和湿度数值也是本发明的部分。

所述示例性的纤维形成装置1900可以包括一个或多个提供在所述液体材料1904附近并与其隔开的气体喷嘴1912。所述喷嘴1912可连接或已连接至气体源，并可以对准平台1902上的液体材料1904发射高压气体喷流或气流1914。可以通过喷嘴1912发射的示例性气体包括但不限于空气、二氧化碳以及类似气体。喷嘴1912可以设置以使气体喷流接触液体材料的表面以传递足够的力或能量以在所述气体喷流接触所述表面的位置产生弯月面。通过所述气体喷流所传递的力或能量也使弯月面处的部分液体材料脱离，并将所述部分甩离与气体喷流的接触和甩离所述液体材料的沉积物1904，由此形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维。所述纤维可以离开平台1902，并可以收集在收集装置1910上。

在示例性实施方式中，所述液体材料被甩出的方向可以基本上与所述气体喷流流动的方向相同。在示例性实施方式中，所述气体喷流可以基本上平行于所述液体材料顶面的方向传递力至所述液体材料。

示例性实施方式可以提供用于控制喷嘴1912运行的一个或多个方面的机构，包括但不限于所述喷嘴的启动和停止、所述喷嘴启动和停止的时机、设定和/或改变所述气体喷流的速度、设定和/或改变在所述气体喷流中所述气体的流速、设定和/或改变喷嘴相对于液体材料的方向、喷嘴和液体材料之间的距离以及类似方面。在示例性实施方式中，可以单次启动喷嘴1912以传递瞬时力至液体材料1904。在另一示例性实施方式中，可以间歇地或连续地启动喷嘴1912。

所述喷嘴1912可以连接至控制器或控制机构，其接收例如，以电信号、光信号或以其它信号编码的控制指令，以控制喷嘴1912运行的不同方面。喷嘴1912也可以连接至电源和提供电源来驱动喷嘴的导管。在示例性实施方式中，当所述装置运行时，可以由使用者以实时方式控制喷嘴1912运行的任意方面。在另一示例性实施方式中，也可以预编程的方式控制这些方面。

可以产生气体喷流冲击液体材料1904一段足以形成想要的纤维的时间，诸如，例如，约1分钟至约100分钟、约1分钟至约60分钟、约10分钟至约60分钟、约30分钟至约60分钟、约1分钟至约30分钟、约20分钟至约50分钟、约5分钟至约20分钟、约5分钟至约30分钟或约15分钟至约30分钟、约5-100分钟、约10-100分钟、约20-100分钟、约30-100分钟或约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100分钟或更长。在上面列举的数值中间的时间和范围也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，所述喷射嘴1912可以连接至运动发生器，其可以传递横向的或线性的运动至所述喷射嘴1912以将所述喷射嘴放置在相对于平台1902上的液体材料1904的想要的位置。在示例性实施方式中，使用运动发生器可以改变喷嘴1912与液体材料1904之间的垂直和/或水平距离。在示例性实施方式中，使用所述运动发生器可以改变气体喷流传递力至液体材料的角度。

在图19A-19C示出的所述示例性实施方式中，喷嘴1912与液体材料1904沿所述水平面H隔开，但基本上不与液体材料沿垂直轴V隔开。也即是说，所述气体喷流以低冲击角度冲击在所述液体材料的表面上，所述角度包括但不限于与水平面成约0度至约10度(例如，约0度、1度、2度、3度、4度、5度、6度、7度、8度、9度、10度以及类似角度)。在冲击角度基本上为0度的示例性实施方式中，可以基本上平行于所述平面施加力至液体材料的表面。在图19A-19C示出的示例性实施方式中，喷嘴1912沿水平面H和垂直轴V方向均与液体材料1904隔开。这就是说，气体喷流以更高的冲击角度冲击在所述液体材料的表面上，所述角度包括但不限于与所述水平面成约10度至约50度(例如，约10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度以及类似角度)。其它冲击角度也在本发明的范围内。

在示例性实施方式中，在所述装置运行期间可以不改变喷嘴1912相对于液体材料1904的取向，这样，所述装置形成基本上沿相同方向排列的纤维。在另一示例性实施方式中，可以一次或多次改变所述取向以便调节所述气体喷流传递力至液体材料的方向，由此使得纤维基本上沿两个或更多个方向形成。可以设置基本上沿两个或更多个方向形成的纤维以形成想要的多纤维结构，例如，网、垫、支架等，其在重叠的纤维之间具有想要的间距。

在一些示例性实施方式中，可以将气体引入液体材料以促进在液体材料上的弯月面的形成，进而促进部分液体材料从所述旋转结构脱离和被甩出。示例性气体包括但不限于空气、二氧化碳以及类似气体。在示例性实施方式中，在将所述液体材料供入所述装置之前，例如，通过所述液体材料的碳酸化，可以将气体引入液体材料。在另一示例性实施方式中，纤维形成装置1900可以包括将气体引入液体材料的气体供给通道(未画出)。在示例性实施方式中，所述气体供给通道在所述装置运行期间可以提供一次性的、间歇的或连续的气体供给。在喷嘴1912传递力至液体材料表面之前或期间可以将气体引入液体材料以形成纤维。

在一些示例性实施方式中，可以将一种或多种试剂引入液体材料，以便所得到的纤维包含所述试剂。示例性试剂包括但不限于任意合适的生物学活性试剂，例如亲脂肽、脂质、核苷酸、蛋白质、药物、药学活性试剂、杀生物剂、抗微生物剂以及类似试剂。在示例性实施方式中，在将液体材料供入装置之前可以将所述试剂引入液体材料中。在另一示例性实施方式中，纤维形成装置1900可以包括供给通道(未画出)，以在将液体材料引入装置之前或在纤维形成期间将试剂引入所述液体材料的试剂。

图20是示出形成或制造图19A-19C的示例性纤维形成装置的示例性方法2000的流程图。

在步骤2002中，为支撑液体材料提供一个或多个平台。在示例性实施方式中，所述平台是固定的，并容纳液体材料的静止沉积物。在另一示例性实施方式中，平台是可移动的或活动的。

在步骤2004中，任选地，可以提供与所述平台相连的加热装置以加热和/或熔融液体材料。在示例性实施方式中，加热装置可以用于熔融聚合物，并由聚合物熔体形成纤维。

在步骤2006中，为在所述平台附近收集纤维提供一个或多个收集装置。在示例性实施方式中，收集装置是固定的。在另一示例性实施方式中，收集装置是可移动的或活动的。

在步骤2008中，任选地，在平台附近提供一个或多个供给通道用于将液体材料引入平台。在所述纤维形成工艺之前一次性地提供液体材料，或在所述纤维形成工艺之间和/或期间周期性地或连续地提供液体材料。

在步骤2010中，在液体材料附近提供一个或多个喷射嘴用于形成纤维。

在步骤2012中，一个或多个电源和/或控制机构连接至所述喷射嘴以分别驱动和运行所述喷射嘴。所述电源和控制机构可以与所述喷射嘴一体提供，或与其分开提供。电源，例如，一个或多个电池、交流电源等，可以提供驱动喷嘴的电能。控制机构可以在纤维形成阶段启动、停止和改变气体流动，例如，所述喷嘴的启动、通过所述喷嘴发射的所述气体喷流的速度以及类似方面。所述控制机构可以包括可用于预编程所述喷射嘴运行的处理器。

图21是示出使用图19A-19C的示例性纤维形成装置1900由液体材料形成纤维的示例性方法2100的流程图。

在步骤2102中，提供例如根据图20示出的方法2000获得的示例性的纤维形成装置。

在步骤2104中，将液体材料引入所述平台，例如，通过一个或多个提供在所述平台附近的供给通道。可以一次、两次或更多次、连续地或周期性地将液体材料引入平台。将液体材料引入平台的体积和流动速率可以保持恒定或基于纤维形成的所述需要而改变。

在步骤2106中，所述喷嘴可以想要的方式(例如，在想要的流动速率、想要的速度、想要的冲击角度、想要的时间等)运行以传递力至液体材料的表面。在所述纤维形成工艺之前和/或期间，可以一次、两次或多次、连续地或周期性地传递所述力。

在步骤2108中，通过所述力将部分液体材料甩离所述液体材料的沉积物和喷射嘴。不希望受到理论束缚，所述材料可以伸展和弯曲成一根或多根纤维，这是由于空气阻力、射流颈缩(jet necking)以及所述液体材料中所述溶剂的蒸发。

在步骤2110中，所得到的纤维收集在一个或多个可以是固定的或活动的收集装置上。

IV.示例性的微型化纤维形成系统和装置

示例性实施方式提供微型化系统、微型化装置和使用微型化系统和微型化装置在动物，例如人、驯化动物、野生动物或其类似动物的身体上或其内部形成微米、亚微米和/或纳米尺寸纤维的方法。在本申请任何位置所提及的任意示例性的纤维形成装置也可以是微型化的。

示例性的微型化装置或系统可以，例如，由医疗专家，如外科医生使用，在所述身体内直接形成纤维以加速伤口愈合和稳定，并作为可生物降解的和可生物相容的体内支架促进器官和组织的再生。通过所述示例性的微型化系统、装置和方法所形成的示例性纤维直径范围从约1纳米至约100微米，但不限于该示例性范围。示例性直径可以包括但不限于约15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、33、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740、750、760、770、780、790、800、810、820、830、840、850、860、870、880、890、900、910、920、930、940、950、960、970、980、990、1000纳米、10、20、30、40或约50微米。在所列举的直径中间的示例性直径也是本发明的部分。

用于形成所述纤维的示例性液体材料可以包括但不限于可生物相容的纤维，诸如可生物降解聚合物、可生物降解蛋白质以及类似材料。

示例性装置可以具有尺寸范围，但通常足够小以被整体地或部分地插入所述身体里形成的空腔内。一些示例性装置可以具有小至几个立方毫米的体积。一些示例性装置可以足够小以适合在人手掌心中(参见，例如，图22、37、39和40)。

图22示出示例性的微型化纤维形成装置2200的透视图，其可以用作腹腔镜手术的腹腔镜工具的部分。图22示出的示例性装置2200不采用或不需要喷射所述液体材料的喷嘴、容纳和喷射所述液体材料的喷丝板或旋转储液器，或静电电压来形成纤维。示例性装置比现有技术的装置更简单，因为它们不使用喷丝板或静电电压。此外，在示例性装置中不包含喷射所述液体材料的喷嘴避免了喷嘴堵塞的问题。

所述示例性的微型化纤维形成装置2200可以包括形成于或连接至邻近所述体腔的所述装置的第一末端的微型化主体部分2202。所述微型化主体部分2202可以引入所述体腔内，并可以具有任意合适的尺寸和形状以插入所述体腔内。在图22示出的示例性实施方式中，主体部分2202可以具有侧壁2204，其在一个示例性实施方式中具有半圆柱形结构。主体部分2202的侧壁2204可以限定出微型化空腔2206，在其中，可以安置微型化旋转结构。主体部分2202可以具有一个或多个孔口2208，液体材料的一股或多股喷流或一根或多根纤维可以通过它离开主体部分2202。所述孔口2208可以位于任意合适的位置，例如，在主体部分2202的所述侧壁2204中。孔口2208可以具有任意合适的截面形状，并可以合适的数量、位置和形态提供以控制所得到的纤维2224的形状和性能。在示例性实施方式中，装置的主体部分2202可以包括在所述孔口2208或其附近的通道或罩(未画出)以提供想要的路径或沿想要的路径将所述纤维引入在所述体腔内的想要的区域。

所述示例性的微型化纤维形成装置2200可以包括形成于或连接至主体部分2202的用于将主体部分2202插入体腔的插入部分2210。在示例性实施方式中，插入部分2210可以设置为可由所述使用者握紧的手持部分，以将所述装置引入在所述身体上或其中的想要的位置。在示例性实施方式中，装置2200可以用作腹腔镜工具，并可以插入所述体腔内。在该示例性实施方式中，所述插入部分2210的外径可以适当的小以便插入身体内，例如，通过导管或身体中的开口。在图22示出的示例性实施方式中，插入部分2210可以具有基本上细长圆柱形的结构，具有基本上圆形的横截面。

在示例性实施方式中，所述微型化纤维形成装置2200可以包括一个或多个容纳液体材料的微型化储液器(未画出)，其可以引入所述体腔内。所述储液器可以由适宜材料形成，包括但不限于陶瓷、金属、聚合物等，取决于所述装置的具体应用。示例性储液器可以具有在约1微升至约100毫升的体积以容纳液体材料。一些示例性体积包括但不限于约1微升至约100微升、约1毫升至约20毫升、约20毫升至约40毫升、约40毫升至约60毫升、约60毫升至约80毫升、约80毫升至约100毫升，但不限于这些示例性范围。

在图22示出的另一示例性实施方式中，微型化纤维形成装置2200可以不包括可引入所述体腔的储液器，但可以包括从所述体腔外部供给液体材料的供给通道2212。所述供给通道2212的外径可以适当的小以插入身体内，例如，通过在身体中的导管或开口。邻近体腔的供给通道2212的第一末端2214可以开在一个或多个微型化旋转结构2216附近之上或其中，以便将液体材料从存储装置加料至旋转结构。远离所述体腔2202的所述供给通道2212的第二端2218可以连接至另一供给通道或容纳液体材料的存储装置。

在示例性实施方式中，供纤维形成的液体材料的示例性体积范围可以从约1微升至约100毫升。一些示例性体积包括但不限于约1微升至约100微升、约1毫升至约20毫升、约20毫升至约40毫升、约40毫升至约60毫升、约60毫升至约80毫升、约80毫升至约100毫升，但不限于这些示例性范围。在所列举的体积中间的示例性体积也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，供给通道2212可以以沉积物的形式提供液体材料，所述沉积物被提供为与旋转结构2216接触或在附近。在示例性实施方式中，供给通道2212可以提供不断补充的沉积物。在示例性实施方式中，供给通道2212在旋转结构2216运行期间可以向其提供一次性的、间歇的或连续的液体材料供给。通过供给通道2212提供的液体材料的示例性加料速率范围可以从约0.01毫升每分钟至约100毫升每分钟，但加料速率不限于该示例性范围。一些示例性的加料速率包括但不限于约0.01毫升每分钟至约1毫升每分钟、约1毫升每分钟至约20毫升每分钟、约20毫升每分钟至约40毫升每分钟、约40毫升每分钟至约60毫升每分钟、约60毫升每分钟至约80毫升每分钟、约80毫升每分钟以及类似速率。在所列举的速率中间的示例性加料速率也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，供给通道2212可以以一个或多个液滴的形式提供液体材料，所述液滴在旋转结构2216附近的第一末端2214顶部形成。在示例性实施方式中，供给通道2212可以提供不断补充的液滴。在示例性实施方式中，供给通道2212在旋转结构2216运行期间可以向其提供一次性的、间歇的或连续的液体材料供给。通过供给通道2212提供的液体材料的示例性加料速率范围可以在约0.01毫升每分钟至约100毫升每分钟，但加料速率不限于该示例性范围。一些示例性的加料速率包括但不限于约0.01毫升每分钟至约1毫升每分钟、约1毫升每分钟至约20毫升每分钟、约20毫升每分钟至约40毫升每分钟、约40毫升每分钟至约60毫升每分钟、约60毫升每分钟至约80毫升每分钟、约80毫升每分钟以及类似速率。在所列举的速率中间的示例性加料速率也是本发明的部分。

所述示例性的微型化纤维形成装置2200可以包括一个或多个微型化旋转结构2216，其安置在位于所述供给通道2212近端2214附近的主体部分2202的空腔2206内。示例性的旋转速度范围可以从约100rpm至约500,000rpm，但旋转速度不限于该示例性的范围。运行本发明装置以形成纤维的足够的旋转速度和时间可以取决于材料的浓度和所形成纤维的想要的特征。采用旋转运动的示例性装置可以在约1,000rpm-50,000rpm、约1,000rpm至约40,000rpm、约1,000rpm至约20,000rpm、约5,000rpm-20,000rpm、约5,000rpm至约15,000rpm或约1,000、1,500、2,000、2,500、3,000、3,500、4,000、4,500、5,000、5,500、6,000、6,500、7,000、7,500、8,000、8,500、9,000、9,500、10,000、10,500、11,000、11,500、12,000、12,500、13,000、13,500、14,000、14,500、15,000、15,500、16,000、16,500、17,000、17,500、18,000、18,500、19,000、19,500、20,000、20,500、21,000、21,500、22,000、22,500、23,000、23,500或约24,000rpm的速度下旋转。在上面列举的范围和数值中间的范围和数值也为本发明的部分。例如，约10,000rpm-15,000rpm或8,000rpm-12,000rpm的旋转速度被本发明的方法涵盖。在一个实施方式中，采用旋转运动的装置可以在大于约1,000rpm、大于约1,500rpm、大于约2,000rpm、大于约2,500rpm、大于约3,000rpm、大于约3,050rpm、大于约3,100rpm、大于约3,150rpm、大于约3,200rpm、大于约3,250rpm、大于约3,300rpm、大于约3,350rpm、大于约3,400rpm、大于约3,450rpm、大于约3,500rpm、大于约3,550rpm、大于约3,600rpm、大于约3,650rpm、大于约3,700rpm、大于约3,750rpm、大于约3,800rpm、大于约3,850rpm、大于约3,900rpm、大于约3,950rpm或大于约4,000rpm的速度下旋转。

可以旋转示例性的旋转结构冲击液体材料一段足以形成想要的纤维的时间，诸如，例如，约1分钟至约100分钟、约1分钟至约60分钟、约10分钟至约60分钟、约30分钟至约60分钟、约1分钟至约30分钟、约20分钟至约50分钟、约5分钟至约20分钟、约5分钟至约30分钟或约15分钟至约30分钟、约5-100分钟、约10-100分钟、约20-100分钟、约30-100分钟或约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100分钟或更长。在上面列举的数值中间的时间和范围也是本发明的部分。

可以任意合适的方式设置旋转结构2216，使得在旋转时所述旋转结构2216接触在供给通道2212第一末端2214供给的液体材料的表面，以传递足够的力或能量，从而在旋转结构2216接触液体材料表面的位置产生弯月面。通过所述旋转结构2216所传递的力或能量也使所述弯月面处的部分液体材料脱离，并将所述部分甩离与所述旋转结构2216的接触和甩离所述供给通道2212的第一末端2214，由此形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维。在示例性实施方式中，所述液体材料甩出的方向可以与旋转结构接触液体材料的点运动的切线方向基本相同。所述纤维可以通过所述孔口2208离开装置的主体部分2202，并进入所述体腔。

在图22示出的所述示例性实施方式中，旋转结构2216可以具有中芯轴2220，其可以以顺时针和/或反时针的方式绕旋转中轴R旋转。在一个示例性实施方式中，芯轴2220可以具有基本上圆柱形的形状，截面基本上圆形，具有沿旋转轴R取向的中心。旋转结构2216也可以包括一个或多个固定在旋转芯轴2220外表面上的突出物2222，例如，以叶片、刷子、刷毛等形式的。示例性的旋转结构可以包括任意适宜数量的固定至芯轴2220的突出物2222，包括但不限于一个突出物至100,000个突出物。一些示例性的突出物数量包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、约50至约100、约100至约200、约200至约300、约300至约400、约400至约500以及类似数量。在所列举的示例性数量中间的示例性的突出物数量也是本发明的部分。可以在芯轴2220上以任意合适的排列设置所述突出物2222，包括但不限于有规律的多行或多列排列、阵列排列、环形排列、无规排列以及类似排列。图38中为了说明的目的描绘了包含单个突出物的旋转结构——例如芯棒(mandrel)——的示例性中芯轴。

每个突出物2222可以具有任意适宜形状，包括但不限于基本上矩形的突出物、锯齿形突出物(其在芯轴上的突出物底部比离所述芯轴最远的顶部更宽)以及类似形状的突出物。在高旋转速度下和/或在破碎的突出物可能损害所述纤维纯度的情形中，锯齿形可以为所述突出物提供增强的结构完整性，并可以防止旋转期间突出物的折断。

每个突出物2222可以具有任意合适的高度(垂直于所述旋转轴R沿突出物从所述突出物底部到其顶部量取，表示为H)，包括但不限于约1纳米至约10厘米。一些示例性高度可以包括但不限于0.1cm、0.2cm、0.3cm、0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性高度也是本发明的部分。

每个突出物2222可以具有任意合适的长度(沿所述旋转轴R量取，表示为L)，包括但不限于约1纳米至约50厘米。一些示例性长度可以包括但不限于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性长度也是本发明的部分。

每个突出物2222可以具有任意合适的宽度(量取为所述突出物的厚度)，包括但不限于约1纳米至约50厘米。一些示例性宽度可以包括但不限于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性宽度也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，突出物2222可以穿入所述液体材料的表面至任意合适的深度以形成纤维，包括但不限于约1纳米至约1厘米。一些示例性的穿入深度包括但不限于约1毫米至约20毫米、约20毫米至约40毫米、约40毫米至约60毫米、约60毫米至约80毫米、约80毫米至约100毫米、约1厘米以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性穿入深度也是本发明的部分。

在一些示例性实施方式中，所述突出物的所述宽度与所述高度的示例性宽高比范围可以从约1:1至约100:1。一些示例性的宽高比可以包括但不限于1:1、5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1、45:1、50:1、55:1、60:1、65:1、70:1、75:1、80:1、85:1、90:1、95:1、100:1以及类似比例。在上面列举的示例性数值中间的示例性宽高比也是本发明的部分。

突出物2222可以由任意适宜材料形成，包括但不限于钛、不锈钢(例如，300和400合金)、铝(例如，6061、7075)、聚苯乙烯、聚丙烯(例如UHMW、HDPE、LDPE)、ABS、缩醛(共聚物和均聚物)、尼龙、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯以及类似材料。

所述示例性的微型化纤维形成装置2200可以包括使所述旋转结构2216绕所述旋转轴R旋转的运动发生器(未画出)。所述运动发生器可以用于控制旋转结构2216运动的一个或多个方面，包括但不限于启动和停止所述旋转结构、所述旋转结构启动和停止的时机、设定和/或改变旋转结构的速度、设定和/或改变旋转结构的旋转轴R相对于所述装置其余部分的取向，以及类似方面。在示例性实施方式中，当所述装置运行时，这些方面可以由使用者实时控制。在另一示例性实施方式中，这些方面也可以以预编程的方式控制，其中所述运动发生器预编程有如何控制所述旋转结构的指令。示例性的运动发生器包括但不限于电动马达、气动马达、微动马达(microdrive motor)、牙钻以及类似物。示例性的运动发生器可以连接至一个或多个用于从所述体腔外部供给电力至所述运动发生器的具有导电性导线的导管。所述导管也可以用于传导，例如，以电力信号、光学信号或以其它信号编码的控制指令，以控制运动发生器的不同方面。

在示例性实施方式中，可以单次启动旋转结构2216。在另一示例性实施方式中，可以在两个或更多个分开的时间段启动和旋转所述旋转结构2216，或者连续进行。

在示例性实施方式中，所述运动发生器可以不改变旋转结构的旋转轴R相对于装置其余部分的定向，以使得装置形成基本上沿相同方向排列的纤维。在另一示例性实施方式中，运动发生器可以一次或多次改变旋转结构的旋转轴R相对于装置其余部分的定向。这调节突出物2222传递力至所述液体材料的方向，并导致纤维基本上沿两个或更多个方向形成。可以设置基本上沿两个或更多个方向形成的纤维以形成想要的多纤维结构，例如，网、垫、支架等，具有在重叠的纤维之间的想要的间距。

在示例性实施方式中，运动发生器可以使旋转结构移动至更靠近或更远离所述供给通道2212的第一末端2214，以使得突出物2222穿入所述液体材料的深度分别增加或减小。

在示例性实施方式中，所述运动发生器可以是微型化的。例如，运动发生器可以安置在装置2200的所述插入部分2210内。在另一示例性实施方式中，运动发生器可以是非微型化的，且可以从体腔外部远程控制旋转结构2216的运动，例如，通过电缆或旋转杆。延伸在外部运动发生器与插入体腔的运动发生器之间的示例性的杆可以由医用级不锈钢(例如，316合金)形成。因此，更大的和更强力的运动发生器也可以用于使用微型化旋转结构2216在小体腔内部纺丝纤维。

示例性的微型化纤维形成装置2200可以包括一个或多个可以是微型化的或非微型化的收集装置。收集装置可以是固定的或可以旋转方式、线性方式或旋转和线性运动组合的方式运动。所述收集装置可以是惰性物体或活组织。在用于腹腔镜手术的示例性微型化装置中，示例性收集装置可以是伤口、肌肉或任何其它体腔或器官。在所述收集装置是动物体内的空腔的示例性实施方式中，空腔可以扩张以创建外科手术工作的空间，并构建所述外科手术的想要的环境条件。在示例性实施方式中，所述空腔可以使用一种或多种气体，例如，二氧化碳，或使用一个或多个机械组件，例如，可膨胀微球、可膨胀杆进行扩张。

足够小以适合在人手掌心中的另外的示例性微型化装置描绘于图37、39和40中。图37提供示例性纤维形成装置的透视图，其中回转马达(电动的或气动的)连接至伸出一个或许多刷毛的芯轴。聚合物溶液加料至刷毛路径，产生微米或纳米尺寸的纤维。图39提供图37描述的示例性纤维形成装置的侧视图，其显示能够调整用于提供所述聚合物溶液的管子，从而改变所述刷毛穿入所述聚合物液滴的深度。图40提供图37描述的所述示例性纤维形成装置的等距视图，其中，能够调整用于提供所述聚合物溶液的管子以改变刷毛穿入聚合物液滴的深度。

在一些示例性实施方式中，可以将气体引入液体材料以促进在液体材料上形成弯月面，进而促进旋转结构使部分液体材料的脱离和甩出。示例性气体包括但不限于空气、二氧化碳以及类似气体。在示例性实施方式中，在将所述液体材料供入所述装置之前，例如，通过所述液体材料的碳酸化，可以将所述气体引入所述液体材料。在另一示例性实施方式中，微型化纤维形成装置2200可以包括将气体从体腔外部引入液体材料的气体供给通道(未画出)。在示例性实施方式中，气体供给通道在装置运行期间可以提供一次性的、间歇的或连续的气体供给。气体供给通道的外径可以适当的小以便插入身体内，例如，通过导管或所述身体的开口插入。邻近体腔的所述气体供给通道的第一末端可以开在所述供给通道2212第一末端2214附近之上或其中，以将所述气体引入所述液体材料。远离所述体腔的气体供给通道的第二端可以连接至另一气体供给通道或容纳所述气体的存储装置。所述气体可以在旋转结构2216传递力至所述液体材料表面之前或期间引入所述液体材料以形成纤维。

在一些示例性实施方式中，可以将一种或多种试剂引入所述液体材料，以便所得到的纤维包含所述试剂。示例性试剂包括但不限于任意合适的生物学活性试剂，例如亲脂肽、脂质、核苷酸、蛋白质、药物、药学活性试剂、杀生物剂、抗微生物剂以及类似试剂。在示例性实施方式中，在将所述液体材料供入所述装置之前可以将试剂引入所述液体材料。在另一示例性实施方式中，微型化纤维形成装置2200可以包括试剂供给通道(未画出)，用于在纤维形成之前或期间将试剂从所述体腔外部引入所述液体材料的。

插入体腔的示例性微型化纤维形成装置的组件通常在插入体腔之间消毒。在示例性实施方式中，示例性的微型化纤维形成装置的可插入组件，或整个示例性的微型化纤维形成装置，可由可被消毒而不降解的材料形成，例如，通过高压灭菌、使用紫外光、使用氧化乙烯消毒等。

示例性的微型化纤维形成装置的小尺寸允许插入体腔内，例如，通过伤口、手术切口、导管、接口或主动脉。示例性装置可以用于器官或组织的体内制造。示例性装置可以用于构建圆柱形器官、空腔填充组织、器官带(organbanding)等。示例性装置可以用于组织结构的模块化组装。组织或器官的各个部分可以使用示例性装置从不同的位置或在不同的时间组装。

示例性的微型化纤维形成装置可以具有许多应用，包括但不限于闭合伤口、腹腔镜手术、器官或组织的体内制造、外科应用的微型化、蛋白质纤维的批量制造、超强蛋白质纤维的批量制造、用于体外组织工程应用的生物功能纤维支架、用于体内组织工程应用的生物功能纤维支架、生物功能缝合线、超强纤维和织物制造、生物功能蛋白质或聚合物过滤器、防护服或覆盖物等。

示例性的微型化纤维形成装置可以用于非医学或生物学应用，诸如在高性能体育或军事装备上的纤维增强的小型空腔、超小型纤维结构，或大型精细结构，其中所述结构的非常小的中断对于输送纤维涂料是必要的。示例性装置可以改成家用的或为可定制的伤口敷料或织物而向前可展开地制造纤维的手持装置。

V.示例性的手持纤维形成装置

示例性实施方式提供使用一个或多个旋转结构的用于形成微米、亚微米和/或纳米尺寸纤维的手持系统和装置。

在示例性实施方式中，图22的所述示例性装置2200可以用于以手持方式形成纤维。可以设置被使用者握紧的所述插入部分2210，以便以想要的方向和定向引导所述主体部分2202形成纤维。所述装置2200的所述示例性特征参照图22进行描述。

在示例性实施方式中，所述手持装置2200可以是微型化装置。在另一示例性实施方式中，所述手持装置2200可以是非微型化装置。

在一些示例性实施方式中，旋转结构可以包括一个或多个固定至所述旋转结构外表面的突出物。运行本发明装置以形成纤维的足够的旋转速度和时间可以取决于所述材料的浓度和所形成的纤维的想要的特征。所述旋转结构的示例性旋转速度范围可以从约100rpm至约500,000rpm，但旋转速度不限于该示例性的范围。采用旋转运动的某些示例性装置可以在约1,000rpm-50,000rpm、约1,000rpm至约40,000rpm、约1,000rpm至约20,000rpm、约5,000rpm-20,000rpm、约5,000rpm至约15,000rpm或约1,000、1,500、2,000、2,500、3,000、3,500、4,000、4,500、5,000、5,500、6,000、6,500、7,000、7,500、8,000、8,500、9,000、9,500、10,000、10,500、11,000、11,500、12,000、12,500、13,000、13,500、14,000、14,500、15,000、15,500、16,000、16,500、17,000、17,500、18,000、18,500、19,000、19,500、20,000、20,500、21,000、21,500、22,000、22,500、23,000、23,500或约24,000rpm的速度下旋转。在上面列举的范围和数值中间的范围和数值也为本发明的部分。例如，约10,000rpm-15,000rpm或8,000rpm-12,000rpm的旋转速度被本发明所述方法涵盖。在一个实施方式中，采用旋转运动的装置可以在大于约1,000rpm、大于约1,500rpm、大于约2,000rpm、大于约2,500rpm、大于约3,000rpm、大于约3,050rpm、大于约3,100rpm、大于约3,150rpm、大于约3,200rpm、大于约3,250rpm、大于约3,300rpm、大于约3,350rpm、大于约3,400rpm、大于约3,450rpm、大于约3,500rpm、大于约3,550rpm、大于约3,600rpm、大于约3,650rpm、大于约3,700rpm、大于约3,750rpm、大于约3,800rpm、大于约3,850rpm、大于约3,900rpm、大于约3,950rpm或大于约4,000rpm的速度下旋转。

可以旋转示例性的旋转结构冲击所述液体材料一段足以形成想要的纤维的时间，诸如，例如，约1分钟至约100分钟、约1分钟至约60分钟、约10分钟至约60分钟、约30分钟至约60分钟、约1分钟至约30分钟、约20分钟至约50分钟、约5分钟至约20分钟、约5分钟至约30分钟或约15分钟至约30分钟、约5-100分钟、约10-100分钟、约20-100分钟、约30-100分钟或约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100分钟或更长。在上面列举的数值中间的时间和范围也是本发明的部分。

在一些示例性实施方式中，旋转结构可以包括两个或更多个相同类型的突出物，例如，具有相同形状和尺寸的突出物。在一些其它的示例性实施方式中，旋转结构可以包括两个或更多个不同类型的突出物，例如，具有不同形状和/或不同尺寸的突出物。示例性突出物可以穿入液体材料的表面至想要的穿入深度。示例性的穿入深度范围可以从约1纳米至约1厘米，但不限于该范围。一些示例性的穿入深度包括但不限于约1毫米至约20毫米、约20毫米至约40毫米、约40毫米至约60毫米、约60毫米至约80毫米、约80毫米至约100毫米、约1厘米以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性穿入深度也是本发明的部分。

每个突出物可以具有任意适宜形状，包括但不限于基本上矩形的突出物、锯齿形突出物(其中在所述芯轴上的所述突出物的底部比离所述芯轴最远的顶部更宽)，以及类似形状的突出物。在高旋转速度下和/或在破碎的突出物可能损害所述纤维纯度的情形中，所述锯齿形可以为所述突出物提供加强的结构完整性，并可以防止旋转期间所述突出物的折断。

每个突出物可以具有任意合适的高度(垂直于所述旋转轴R沿所述突出物从底部到顶部量取，表示为H)，包括但不限于约1纳米至约10厘米。一些示例性高度可以包括但不限于0.1cm、0.2cm、0.3cm、0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性高度也是本发明的部分。

每个突出物可以具有任意合适的长度(沿所述旋转轴R量取，表示为L)，包括但不限于约1纳米至约50厘米。一些示例性长度可以包括但不限于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性长度也是本发明的部分。

每个突出物可以具有任意合适的宽度(量取为所述突出物的厚度)，包括但不限于约1纳米至约50厘米。一些示例性宽度可以包括但不限于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性宽度也是本发明的部分。

在突出物具有基本上圆锥形形状的示例性实施方式中(其中圆锥的圆形面接触旋转结构)，所述突出物的圆形面可以具有在约1微米至约50厘米的范围的示例性直径。一些示例性直径可以包括但不限于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性直径也是本发明的部分。

在其中突出物的矩形面接触旋转结构的示例性实施方式中，所述矩形面可以具有在约1微米至约50厘米的范围的示例性长度和/或宽度。一些示例性长度和/或宽度可以包括但不限于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50cm以及类似数值。在上面列举的示例性数值中间的示例性长度和/或宽度也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，示例性突出物的高度与宽度或高度与长度的高宽比范围可以从约1:1至约100:1。一些示例性的高宽比可以包括但不限于1:1、5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1、45:1、50:1、55:1、60:1、65:1、70:1、75:1、80:1、85:1、90:1、95:1、100:1以及类似比例。在上面列举的示例性数值中间的示例性高宽比也是本发明的部分。

示例性的突出物可以由任意适宜材料形成，包括但不限于钛、不锈钢(例如，300和400合金)、铝(例如，6061、7075)、聚苯乙烯、聚丙烯、(例如UHMW、HDPE、LDPE)、ABS、缩醛(共聚物和均聚物)、尼龙、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯以及类似材料。

通过示例性的手持系统和装置形成的示例性纤维直径范围可以从约1纳米至约100微米，但不限于该示例性范围。

VI.现有装置与示例性的纤维形成系统和装置的设置

现有系统和装置可以设置和定制以包括示例性纤维形成装置的一个或多个组件，用于形成微米、亚微米和/或纳米纤维。在示例性实施方式中，示例性的纤维形成装置可以连接至插入体腔的外科手术工具，并可以用于在体腔中形成纤维。

在图23示出的另一示例性实施方式中，示例性的纤维形成装置或示例性的纤维形成装置的一个或多个组件可以连至现有系统，其可以布置在液体上和/或与液体接触以由所述液体形成纤维。示例性的现有系统可以包括但不限于舟、船、可以漂浮或提供在所述液体上的平台，可以在所述液体沉积物上行进的交通工具，以及类似物。

图23示出示例性容器2300，其可以通过将一个或多个示例性旋转结构2302连至所述容器2300的外表面，例如，所述容器2300的面2304而得以定制。可以为容器2300提供一个或多个供给通道2308，以便一种或多种液体材料(例如，聚合物熔体、聚合物溶液以及类似材料)可以供给至容器2300外部。在示例性实施方式中，供纤维形成的所述液体材料的示例性体积在约1微升至约100升的范围。一些示例性体积包括但不限于约1升至约100升、约1升至约20升、约20升至约40升、约40升至约60升、约60升至约80升、约80升至约100升，但不限于这些示例性范围。在所列举的体积中间的示例性体积也是本发明的部分。

在示例性实施方式中，容器2300，例如，舟或其它交通工具，可以漂浮或提供在液体2306，例如，烃液体(例如，油)上。在所述容器2300运行期间，聚合物材料可以通过供给通道2308供给至液体2306。旋转结构2302——其可以接触液体2306的表面——可以在合适的速度并绕旋转轴R旋转，以便所述旋转结构2302的所述旋转传递力至浮在液体2306顶部的聚合物材料。这可以使得由聚合物材料形成纤维，如上面参照图1A-1C描述的。在示例性实施方式中，纤维可以合适的二维结构，例如，网、垫以及类似结构形成，其在重叠纤维之间的具有期望的间距。所述纤维结构可以在重叠纤维之间的间距内吸收部分或全部所述液体2308。

示例性的旋转结构2302可以连接至传递旋转运动至旋转结构2302的运动发生器(未画出)。运动发生器也可以传递横向运动至旋转结构2302，例如，从所述液体表面2306降低和升高所述旋转结构、相对于液体表面2306改变旋转结构2302的旋转轴R，以及类似运动。示例性运动发生器可以连接至控制所述旋转结构的运动的一个或多个方面的控制装置。示例性运动发生器可以连接至驱动其运动的电源。

在图23所述示例性容器2300的示例性实施方式中，使用所述示例性的定制容器2300可以清理渗漏在硬表面(例如，道路)或水体(例如，湖)上的不想要的液体(例如，油)。例如，当定制容器2300浮在水体上，所述供给通道2308可以供给聚合物材料至油的表面，且附着于容器2300的旋转结构2302可以运行以由聚合物材料形成纤维。所形成的纤维可以吸收浮在所述水体表面上的油，且可以随后从水体表面除去，例如，使用网。

VII.示例性实施方式与空气喷流-纺丝容器和气翼的组合

任意本发明所述示例性的纤维形成装置、系统和方法可以与如2010年11月17日申请的序列号61/414,674的美国临时专利申请的图8-12相关描述的空气喷流-纺丝容器组合使用，通过引用将其整个内容以其实体方式合并于本文中。

任意本发明所述示例性的纤维形成装置、系统和方法可以与如2010年11月17日申请的序列号61/414,674的美国临时专利申请的图13-17相关描述的气翼组合使用，通过引用将其整个内容以其实体方式合并于本文中。

任意本发明所述示例性的纤维形成装置、系统和方法可以与如图8-12相关描述的空气喷流-纺丝容器组合使用，并且与如2010年11月17日申请的序列号61/414,674的美国临时专利申请的图13-17相关描述的气翼组合物使用，通过引用将其整个内容以其实体方式合并于本文中。

VIII.示例性的微米、亚微米和纳米尺寸纤维

任意本文所述示例性的纤维形成装置、系统和方法可以用于形成一根或多根微米、亚微米和/或纳米尺寸纤维。在一个实施方式中，本发明的所述装置、系统和方法导致具有约15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、33、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740、750、760、770、780、790、800、810、820、830、840、850、860、870、880、890、900、910、920、930、940、950、960、970、980、990、1000纳米，10、20、30、40或约50微米的直径的微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维的制造。

使用本发明方法和装置形成的聚合物纤维可以具有任意长度。一些示例性纤维长度可以包括但不限于1nm至约100nm、约1mm至约100mm、1cm至约100cm、1英尺至约100英尺、1码至约100码以及类似长度。在所列举的长度中间的示例性的纤维长度也是本发明的部分。

在一个实施方式中，聚合物纤维的长度取决于装置运行的时间长度和/或加料至系统的聚合物的量。此外，可以使用任何合适的工具将所述聚合物纤维切成想要的长度。

在本发明的实施方式中，形成多根微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维。所述多根微米、亚微米和/或纳米尺寸的聚合物纤维可以具有相同直径或不同直径。在示例性实施方式中，可以通过控制包括但不限于旋转结构的旋转速度、液体材料的浓度、液体材料的粘度、液体材料的分子量、液体材料溶剂的挥发性以及类似因素的一个或多个因素设定由示例性的纤维形成装置、系统和方法形成的所述纤维的空间和层次结构。

在一个实施方式中，本发明所述方法导致多根排列的(例如，单轴排列的)的微米、亚微米和/或纳米尺寸聚合物纤维的制造。

根据本文公开的所述方法制造的所述纤维能够用作，例如，细胞外基质，和与细胞一起也可以用于形成工程化组织。该组织不仅可用于假肢装置的制造和再生医学，而且对于研究组织发育生物学和疾病病理学，以及在药物发现和毒性试验中是有用的。本发明所述纤维也可以与其它物质，例如，治疗剂组合，以便将该物质输送至所述聚合物纤维应用或植入的位置。根据本文公开的所述方法制造的聚合物纤维也可以用于生产食品、膜和过滤器。

使用示例性的纤维形成装置、系统和方法所形成的示例性纤维具有许多应用和优点。例如，示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于从细胞外基质蛋白直接创建三维组织工程支架而没有危害效应和对蛋白质生物活性的干扰。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于将活性细胞整合在这些微米和纳米级聚合物支架内以产生细胞包封的线，而使用本领域公知的纳米纤维制造技术是不可行的。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于从少量聚合物液体制造纳米纤维组件。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于从聚合物熔体以及聚合物溶液制造纳米纤维组件，这是由于本文公开的所述装置和方法不依赖于溶液电导率。示例性的纤维形成装置、系统和方法可用于从原位交联聚合物溶液制造纳米纤维，这是由于本文公开的所述方法和装置制造纳米纤维的速率高。

在示例性实施方式中，通过示例性的纤维形成装置、系统和方法所形成的纤维可以接触多个活细胞。示例性的纤维形成装置和系统可以包括用于在纤维形成工艺之前和/或期间将活细胞加入材料和/或在纤维形成工艺之后将活细胞加入纤维的机构。可以使用的示例性的活性细胞包括但不限于干细胞、肌肉细胞、神经细胞、内皮细胞、上皮细胞以及类似细胞。所述活细胞可以在所述纤维形成工艺之前、期间和/或之后与所述液体材料混合以制造包封细胞的纤维。可以培养所述活细胞以制造活组织。所接触的纤维可以在合适的介质中培养。

在示例性实施方式中，通过示例性的纤维形成装置、系统和方法所形成的纤维可以接触一种或多种生物学活性试剂。示例性的纤维形成装置和系统可以包括用于在所述纤维形成工艺之前和/或期间将试剂加入材料中和/或在所述纤维形成工艺之后将试剂加入纤维的机构。可以使用的示例性的试剂包括但不限于亲脂肽、脂质、核苷酸、蛋白质、药物、杀生物剂、抗微生物剂以及类似试剂。所述试剂可以在所述纤维形成工艺之前、期间和/或之后与所述液体材料混合以制造试剂覆盖的纤维。所接触的纤维可以设置成垫和/或网结构以形成微生物和生物防护织物。

在示例性实施方式中，通过示例性的纤维形成装置、系统和方法所形成的纤维可以接触一种或多种药学活性试剂。示例性的纤维形成装置和系统可以包括在所述纤维形成工艺之前和/或期间将所述试剂加入材料和/或在纤维形成工艺之后将试剂加入纤维的机构。所述试剂可以在纤维形成工艺之前、期间和/或之后与所述液体材料混合以制造试剂覆盖的纤维。所接触的纤维可以设置成垫和/或网结构以形成微生物和生物防护织物。

通过示例性装置、系统和方法所形成的示例性的微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维可以具有任何合适的应用，包括但不限于用于组织工程、治疗剂的输送、治疗剂的控制释放、用于药物输送装置、用于伤口敷料、用于酶固定、用于生物传感器、形成膜、形成过滤器、形成纤维、形成网、形成食品、形成药品、形成化妆品、形成在体腔内的纤维结构，以及类似应用。

用示例性纤维形成的垫、网和/或织造结构可以用于非致命性武器，例如，网。

示例性实施方式可以用于形成植入身体的纤维，例如，作为细胞输送装置。可植入纤维的示例性应用包括但不限于细胞输送装置、细胞稳定装置、生物起搏器等。使用示例性的纤维形成装置，天然聚合物、合成聚合物、蛋白质纤维等可以用于形成线。所述线可以官能化以有助于降低免疫反应和提高细胞活力和融合。

根据本文公开的所述方法制造的所述纤维能够用作，例如，细胞外基质和，与细胞一起，也可以用于形成工程化组织。该组织不仅对于假肢装置的制造和再生医学，而且对于研究组织发育生物学和疾病病理学，以及在药物发现和毒性试验中是有用的。本发明所述纤维也可以与其它物质，例如，治疗剂组合，以便将该物质输送至所述聚合物纤维应用或植入的位置。根据本文公开的所述方法制造的聚合物纤维也可以用于生产食品、膜和过滤器。

在另一方面，本发明提供鉴定调节组织功能的化合物的方法。所述方法包括，提供使用本发明所述装置和根据本发明所述方法制造的组织；使所述组织与试验化合物接触；和确定在存在和不存在所述试验化合物时所述试验化合物对组织功能的影响，其中，与不存在所述试验化合物时所述组织功能相比，存在所述试验化合物时所述组织功能的调节表明所述试验化合物调节组织功能，由此鉴定调节组织功能的化合物。

在另一方面，本发明提供鉴定对治疗或预防组织疾病有用的化合物的方法。所述方法包括，提供使用本发明所述装置和根据本发明所述方法制造的组织；使所述组织与试验化合物接触；和确定在存在和不存在所述试验化合物时所述试验化合物对组织功能的影响，其中，与不存在所述试验化合物时所述组织功能相比，存在所述试验化合物时所述组织功能的调节表明所述试验化合物调节组织功能，由此鉴定对治疗或预防组织疾病有用的化合物。

所述组织功能可以是与所述特定组织类型关联的任何合适的生理活性，例如，生物力学活性，例如，收缩性、细胞应力、细胞肿胀和刚度，或电生理学活性。

在一个实施方式中，所述方法包括对所述组织应用刺激。

在另一实施方式中，多个活组织同时接触试验化合物。

示例性的纤维形成装置可以用于形成导热性纤维，其可以用于传导热能，例如，热。示例性的纤维形成装置可以用于形成磁活性纤维。可以用于形成纤维的磁活性材料包括但不限于磁流体(磁性颗粒的胶体悬浮液)和导电聚合物的各种分散体。含有直径大约10纳米的颗粒的磁流体、直径约1-2微米的聚合物包封的磁性颗粒，和具有低于室温的玻璃化转变温度的聚合物是特别有用的。

示例性的纤维形成装置可以用于形成导电性纤维，其可以用于传导电能，例如，作为导线。所形成的纤维可以包括导电性颗粒，例如，金属，如金的颗粒，其赋予所述纤维导电性。在示例性实施方式中，用于形成纤维的材料溶液包括导电性颗粒。在另一示例性实施方式中，当所述纤维形成时和/或形成之后，导电性颗粒可以整合在所述纤维中。可以用于形成纤维的电活性材料的例子是聚合物，包括但不限于诸如聚苯胺和聚吡咯的导电聚合物、离子导电聚合物，诸如磺化聚丙烯酰胺是相关的材料，以及电导体，诸如炭黑、石墨、碳纳米管、金属颗粒和金属涂覆的塑料或陶瓷材料。

在示例性实施方式中，所述纤维可以具有固定电阻。在另一示例性实施方式中，所述纤维可以具有可变电阻。在示例性实施方式中，可以调整纤维的结构形态以改变电阻。例如，在使用之前或在使用期间，所述纤维结构可以挤压在一起以增加所述导电颗粒的浓度，其降低所述电阻，且反之亦然。

通过示例性的纤维形成装置形成的示例性导电纤维可以用于各种导电性的应用，包括但不限于提供有电力的集成电路、医疗设备等。

根据本发明所述方法和使用本发明所述示例性装置制造的一些示例性纤维结合图24-28和41-43示出和描述。然而，通过示例性实施方式形成的纤维不限于图24-28和41-43所示的所述说明性实施方式。

图24A示出通过示例性的纤维形成装置形成的具有约340.5纳米的示例性平均直径的纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像。所述纤维由在氯仿(CHCl₃)中含有以重量计约8％的PLA的聚乳酸溶液形成。所述示例性纤维通过包括提供有锯齿形突出物的旋转结构的示例纤维形成装置形成。

图24A示出的所述纤维的示例性平均直径范围从约150纳米至约900纳米和更大。图24B是对应于图24A所述纤维的柱状图，示出具有以纳米计的不同平均纤维直径(沿x轴)的纤维的数量频率(沿y轴)。所形成的所有纤维的所述平均直径是约340.5纳米。

图25A示出通过示例性的纤维形成装置形成的具有约416纳米的示例性平均直径的纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像。所述纤维由聚乳酸(PLA)溶液形成，其包含溶于氯仿(CHCl₃)和DMF(90:1)的以重量计约8％的PLA。所述示例性纤维通过示例性的纤维形成装置形成，其包括以约30,000rpm旋转的具有锯齿形突出物的旋转结构。

图25A示出的所述纤维的示例性平均直径范围从约150纳米至约900纳米和更大。图25B是对应于图25A所述纤维的柱状图，示出具有以纳米计的不同平均纤维直径(沿x轴)的纤维的数量频率(沿y轴)。所形成的所有纤维的平均直径是约416纳米。

图26示出使用图3A-3C描述的示例性装置制造的纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像。所述纤维通过将聚合物溶液经微通道连续加料至平台(载玻片)形成。所述聚合物溶液是聚乳酸(PLA)溶液，其含有在氯仿(CHCl₃)中的以重量计约8％的PLA。所述示例性纤维通过示例性的纤维形成装置形成，其包括以约8000rpm的平均旋转速度连续旋转的旋转结构。所描述的纤维具有约360纳米的示例性平均直径(具有约10纳米的示例性平均误差范围)。

图27示出使用图3A-3C描述的所述示例性装置制造的纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像。所述纤维通过将聚合物溶液经微通道连续加料至平台(载玻片)形成。所述聚合物溶液是聚环氧乙烷(PEO)溶液，其含有在水-乙醇混合物中的以重量计约2.5％的PEO。示例性纤维通过示例性的纤维形成装置形成，其包括以约8000rpm的平均旋转速度连续旋转的旋转结构。所描述的纤维具有约110纳米的示例性平均直径(具有约5纳米的示例性平均误差范围)。

图28示出通过示例性的纤维形成装置由聚合物溶液形成的多个纤维的网状结构的顶视图。所述聚合物溶液是聚乳酸(PLA)溶液，其含有在氯仿中的以重量计约8％的PLA。所述示例性纤维通过示例性的纤维形成装置形成，其包括以约60,000rpm连续旋转约60秒的旋转结构。由于高的制造速率，所述纤维密度相当高，且产生由纤维形成的不透明网状结构。

图41是使用高速摄像拍摄的多屏图像序列，示出从单个刷毛制造聚合物纤维。25mm的具有单个不锈钢刷毛(直径尺寸为350μm且距芯轴表面2mm)的中芯轴或芯轴在聚合物液滴存在下旋转。当刷毛经过所述液滴时，聚合物纤维得以制造。虚线表示刷毛的近似位置。直箭头表示所得到的聚合物纤维。所述弯箭头表示旋转方向。

图42是使用高速摄像拍摄的多屏图像序列，示出从单个刷毛制造聚合物纤维。25mm的具有单个不锈钢刷毛(其直径尺寸为350μm，距所述芯轴表面2mm)的芯轴在聚合物液滴存在下旋转。当刷毛经过液滴时制造出聚合物纤维。虚线表示刷毛的近似位置。直箭头表示所得到的聚合物纤维。弯箭头表示旋转方向。

图43描述所制造的聚合物纤维的示例性样品。纤维由溶于氯仿的15％的聚苯乙烯制造。多刷毛芯棒(multi-bristle mandrel)在通过从不锈钢管补充聚合物保持尺寸一致的聚合物液滴存在下以16,000RPM旋转，以制造取向的聚合物纤维。比例尺表示2cm。

IX.示例性实施方式在设定纤维表面纹理和孔隙率中的用途

示例性实施方式可以用于创建具有想要的例如，粗糙、光滑等表面纹理的纤维。示例性实施方式也可以用于创建具有想要的孔隙率，例如，具有想要的孔径的纤维和/或多纤维结构(例如，网、垫等)。

纤维表面纹理和孔隙率随多种因素变化，包括但不限于传递至液体材料表面的力、旋转结构穿入液体材料的深度、液体材料中溶剂的挥发性(其影响溶剂蒸发速率)、液体材料的力学特性和当其形成时围绕所述纤维的所述气氛湿度，以及类似因素。

在示例性实施方式中，可以改变溶剂的类型以改变溶剂挥发性，以及由此带来的溶剂蒸发速率改变。材料溶液中溶剂的蒸发速率影响纤维的表面纹理和孔隙率。增加溶剂蒸发速率通常导致更光滑的具有低孔隙率的纤维。具有更高挥发性的溶剂可以用于形成更光滑的具有低孔隙率的纤维，且反之亦然。

在示例性实施方式中，可以升高围绕所述纤维的气氛温度以提高所述溶剂的蒸发速率，反之亦然。更高的温度可以用于形成更光滑的具有低孔隙率的纤维，反之亦然。在某些实施方式中，纤维可以在示例性温度，包括但不限于约20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或约30℃的环境中形成。

在示例性实施方式中，可以降低围绕纤维的气氛湿度以提高溶剂的蒸发速率，反之亦然。更低的湿度可以用于形成更光滑的具有低孔隙率的纤维，反之亦然。在某些实施方式中，所述纤维可以在示例性湿度包括但不限于约30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89或约90％的湿度环境中形成。例如，将湿度从约30％升至约50％制得多孔纤维，而将湿度降至约25％则制得光滑纤维。由于光滑纤维比多孔纤维具有更高的拉伸强度，在一个实施方式中，在例如，变化约低于约10％的湿度的受控湿度条件下，保持本发明所述装置和进行本发明所述方法。

在示例性实施方式中，可以设置示例性旋转结构的所述突出物以增加所述液体材料的喷流表面积，从而提高所述溶剂的蒸发速率，反之亦然。

在一些示例性实施方式中，一个或多个上面所述因素可以组合调整以影响所述纤维的所述表面纹理和孔隙率。

X.示例性的液体材料

本发明所述纤维形成装置、系统和方法可以用于由一系列材料制成纤维。示例性材料在下面论述，包括合成聚合物，诸如聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸等。在一些示例性实施方式中，合成聚合物可以专门合成以具有沿主链上的一些区域，其可以被尖化用于特定的目的，包括但不限于特殊键合、折叠、展开等。示例性材料也可以包括天然聚合物，诸如壳聚糖、海藻酸盐、明胶等。示例性材料也可以包括天然产生的聚合物，例如，生物源聚合物，例如，能够原纤维形成的聚合物，例如，蛋白质、多糖、脂质、核酸或它们的组合。示例性材料也可以包括其它适宜材料，例如，金属或陶瓷材料。

用于示例性实施方式的装置和方法中的示例性生物源聚合物(例如纤维蛋白)包括但不限于海藻酸盐、丝(例如，丝素蛋白和丝胶等)、角蛋白(例如，α-角蛋白，其是毛发、角和指甲的主要蛋白质成分、β-角蛋白，其是鳞和爪的主要蛋白质成分等)、弹性蛋白(例如，弹性蛋白原等)、原纤维蛋白(例如，原纤维蛋白-1，其是微纤丝的主要成分、原纤维蛋白-2，其是弹性纤维生成中的成分、原纤维蛋白-3，其被发现于大脑、原纤维蛋白-4，其是弹性纤维生成中的成分等)、纤维蛋白原/纤维蛋白/凝血酶(例如，纤维蛋白原，其在伤口愈合期间通过凝血酶转化为纤维蛋白)、纤维连接蛋白、层粘连蛋白、胶原蛋白(例如，胶原蛋白I，其被发现于皮肤、肌腱和骨；胶原蛋白II，其被发现于软骨；胶原蛋白III，其被发现于结缔组织；胶原蛋白IV，其被发现于细胞外基质蛋白；胶原蛋白V，其被发现于毛发等)、波形蛋白、神经丝(例如，轻链神经丝NF-L、中链神经丝NF-M、重链神经丝NF-H等)、微管(例如，α-微管蛋白、β-微管蛋白等)、淀粉样蛋白(例如，α-淀粉样蛋白、β-淀粉样蛋白等)、肌动蛋白、肌球蛋白(例如，肌球蛋白I-XVII等)、肌联蛋白，其是最为人熟知的蛋白质(也称作连接蛋白)等。

用于示例性实施方式的装置和方法中的示例性生物源聚合物(例如纤维多糖)包括但不限于壳多糖，其是节肢动物外骨骼的主要成分、透明质酸，其被发现于细胞外间隙和软骨(例如，D-葡萄糖醛酸，其是透明质酸的成分、D-N-乙酰葡糖胺，其是透明质酸的成分等)等。

用于示例性实施方式的装置和方法中的示例性生物源聚合物——例，糖胺聚糖(GAG)(发现于身体的糖聚合物)——包括但不限于建立细胞外基质的硫酸类肝素、有助于肌腱和韧带强度的硫酸软骨素、被发现于细胞外基质的硫酸角蛋白等。

任何合适的液体材料可以用于示例性实施方式以形成微米、亚微米和/或纳米尺寸的纤维。示例性材料可以包括聚合物，例如，任何天然产生的聚合物，包括但不限于蛋白质、多糖、脂质、核酸或它们的组合；任何合成聚合物，包括但不限于聚酯、聚酰胺、聚烯烃、聚碳酸酯、聚氨酯、聚羧酸；和/或任何无机聚合物，包括但不限于聚硅烷、有机硅、聚磷腈、聚锗烷(polygermane)等。其它示例性聚合物包括但不限于可生物相容的或非生物相容的聚合物，例如，聚氨酯、聚硅氧烷或有机硅、聚乙烯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸2-羟基乙酯、聚N-乙烯基吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚(乙烯-co-乙酸乙烯酯)、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙交酯(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚(丙交酯-共-乙交酯)、聚酸酐、聚磷腈、聚锗烷(polygermane)、聚原酸酯、聚酯、聚酰胺、聚烯烃、聚碳酸酯、聚芳酰胺、聚酰亚胺以及它们的共聚物和衍生物。

示例性材料可以包括一种或多种金属或合金，包括但不限于钛、不锈钢、铝等。

在本发明某些实施方式中，所述方法包括在所述聚合物纤维的制造工艺之前和/或期间，将生物学活性试剂，例如，多肽、蛋白质、核酸分子、核苷酸、脂质、杀生物剂、抗微生物剂或药学活性试剂与所述聚合物混合。

在其它实施方式中，在所述聚合物纤维的制造工艺期间，多个活细胞与聚合物混合。在这些实施方式中，可以使用可生物相容聚合物(水凝胶)。

在一个实施方式中，用于本发明装置和方法的聚合物可以是两种或更多种聚合物和/或两种或更多种共聚物的混合物。在一个实施方式中，用于本发明装置和方法的聚合物可以是一种或多种聚合物和或多种共聚物的混合物。在另一实施方式中，用于本发明所述装置和方法的聚合物可以是一种或多种合成聚合物和一种或多种天然产生的聚合物的混合物。

在一个实施方式中，聚合物不是糖，例如，粗糖或蔗糖。在另一实施方式中，所述聚合物不是棉花糖。

在一个实施方式中，用于本发明所述方法的聚合物是合成聚合物。在一个实施方式中，所述聚合物是可生物相容的。合适的可生物相容聚合物包括但不限于，例如，聚氨酯、聚硅氧烷或有机硅、聚乙烯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸2-羟基乙酯、聚N-乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚(乙烯-共-乙酸乙烯酯)、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸、聚丙交酯(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLGA)、聚酸酐、聚磷腈、聚锗烷(polygermane)，和聚原酸酯，以及它们的共聚物和衍生物。

在另一实施方式中，用于本发明所述聚合物纤维的聚合物不是可生物相容的。合适的非可生物相容聚合物包括但不限于，例如，聚酯、聚酰胺、聚烯烃、聚碳酸酯、聚芳酰胺、聚酰亚胺以及它们的共聚物和衍生物。

在另一实施方式中，用于本发明所述聚合物纤维的聚合物是天然产生的聚合物。这些天然产生的聚合物的非限制性例子包括，例如，多肽、蛋白质，例如，能够进行原纤维形成、多糖，例如海藻酸盐、脂质、核酸分子以及它们的组合。

在一个实施方式中，使用单一聚合物制造本发明所述聚合物纤维。在另一实施方式中，使用两种、三种、四种、五种或更多种聚合物制造本发明所述聚合物纤维。在一个实施方式中，用于本发明方法的聚合物可以是两种或更多种聚合物和/或两种或更多种共聚物的混合物。在一个实施方式中，用于本发明所述方法的所述聚合物可以是一种或多种聚合物和或多种共聚物的混合物。在另一实施方式中，用于本发明所述方法的所述聚合物可以是一种或多种合成聚合物和一种或多种天然产生的聚合物的混合物。

用于本发明所述方法的聚合物可以作为聚合物溶液供给至平台。相应地，本发明所述方法可以进一步包括在供给所述聚合物之前将所述聚合物溶于溶剂(例如，氯仿、水、乙醇、异丙醇)。

任选地，所述聚合物可以作为聚合物熔体供给至所述平台，并因此，在一个实施方式中，在适于融化所述聚合物的温度下加热支撑所述聚合物的平台部分，例如，在约100℃至约300℃、100-200℃、约150-300℃、约150-250℃或约150-200℃或约100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190、195、200、205、210、215、220、225、230、235、240、245、250、255、260、265、270、275、280、285、290、295或约300℃的温度下加热。在所列举的温度中间的示例性的范围和温度也是本发明的部分。在该实施方式中，所述平台也可以包含加热和/或融化所述聚合物的加热元件。

在一个实施方式中，根据本发明所述方法形成的所述聚合物纤维进一步与试剂接触以制造或增加所述聚合物纤维中每表面单位面积所述孔尺寸或所述孔数量。

根据本发明所述方法形成的聚合物纤维可以接触另外的试剂，并且任选地在合适的介质，诸如组织培养介质中培养。所述聚合物纤维与另外的试剂的接触将允许所述试剂，例如(完全地或部分地)涂覆所述纤维，或在例如细胞的情形中，嵌入纤维中。在所述聚合物纤维制造期间，所述聚合物与另外的试剂的接触也允许所述试剂被包含在聚合物纤维自身内。

在一个实施方式中，多根聚合物纤维可以接触，例如，种入多个活细胞，例如，血管平滑肌细胞、肌肉细胞(例如，心肌细胞)、骨骼肌、肌成纤维细胞、气道平滑肌细胞、成骨细胞、成肌细胞、成神经细胞、成纤维细胞、成神经胶质细胞、生殖细胞、肝细胞、软骨细胞、角质形成细胞、结缔组织细胞、神经胶质细胞、上皮细胞、内皮细胞、血管内皮细胞、激素分泌细胞、免疫系统细胞、神经细胞和会分化成收缩细胞的细胞(例如，干细胞，例如，胚胎干细胞或成人干细胞、祖细胞或卫星细胞)。在一个实施方式中，用多个活细胞处理的聚合物纤维可以在合适的介质中体外培养。这些培养的细胞展现这些体内细胞的特性和功能。所述多个活性细胞可以包含一种或多种细胞，诸如2009年10月09日申请的、名称为“Tissue Engineered Mycocardiumand Methods of Productions and Uses Thereof”的美国临时申请61/306,736和PCT申请PCT/US09/060224中描述的，其每一个的全部内容通过引用合并于本文中。

所述细胞可以是正常细胞、异常细胞(例如，来自病变组织的那些，或经生理学或遗传学改造以实现异常的或病理学的表型或功能的那些)、衍生自胚胎干细胞或诱导多潜能干细胞的正常的或病变的肌肉细胞。

所述术语“祖细胞”在本文中用来指相对于其所分化形成的细胞具有更原始(例如，在沿发育途径或历程的比完全分化的细胞更早的步骤)的细胞表型的细胞。通常，祖细胞也具有显著的或非常高的增殖潜能。祖细胞能够引起多个不同的分化细胞类型或单一分化细胞类型，取决于所述发育途径和所述细胞发育和分化所处的环境。

术语“祖细胞”在本文中用作“干细胞”的同义词。

术语“干细胞”在本文中用来指能够增殖和产生更多祖细胞的未分化的细胞，所述祖细胞具有产生大量母细胞的能力，所述母细胞能够接着产生分化的或可分化的子细胞。所述子细胞自身可以被诱导以进行增殖，以及产生随后可以分化成一个或多个成熟细胞类型的下一代，同时也保持一个或多个细胞具有亲代的发育潜能。所述术语“干细胞”指在特定情况下有能力或潜能分化成更特异化或更加分化的表型的祖细胞子集，并且其保持在某些情况下增殖而基本上不分化的能力。在一个实施方式中，所述术语干细胞通常指天然产生的母细胞，其后代(下一代)往往通过分化而在不同方向上发生特化，例如，通过获得完整的个体特征，如在胚胎细胞和组织的逐渐异化(diversification)中所发生的。细胞分化通常是通过许多细胞分裂发生的复杂过程。分化细胞可以衍生自多功能细胞，其自身来自于多功能细胞，诸如此类。虽然每个这些多功能细胞可以被认为是干细胞，但每个能够产生的细胞类型范围可以相当大地变化。一些分化细胞也有能力产生具有更大发育潜能的细胞。该能力可以是天然的或可以是通过用各种因素处理人工诱导的。在许多生物学实例中，干细胞也是“多功能的”，因为它们能够产生具有多于一个的不同细胞类型的下一代，但这不需要“干细胞特性(stemness)”。自我更新(Self-renewal)是所述干细胞定义的其它经典部分。理论上，自我更新能够通过两个主要机理之一发生。干细胞可以不对称分裂，一个子代保持所述干细胞状态(stem state)，而另一个子代表达有些不同的其它特定功能和表型。任选地，种群中的一些所述干细胞能够对称分裂成两个干细胞，因此整体上在种群中保持了一些干细胞，而种群中的其它细胞仅产生分化的下一代。从形式上讲，作为干细胞开始的细胞有可能朝分化的表型前进，但随后“逆转(reverse)”和重新表达所述干细胞表型，术语称作“去分化”或“重组”或“逆分化”。

术语“胚胎干细胞”用来指所述胚胎囊胚内细胞群的多潜能干细胞(参见美国专利5,843,780、6,200,806，通过引用将所述内容合并于本文中)。这些细胞能够类似地从源自体细胞核移植的囊胚的内细胞群获得(参见，例如，美国专利5,945,577、5,994,619、6,235,970，其通过引用合并于本文中)。胚胎干细胞的所述显著特性限定胚胎干细胞的表型。因此，如果细胞拥有一个或多个胚胎干细胞区别于其它细胞的独特特性，则其具有胚胎干细胞的表型。示例性的显著的胚胎干细胞特性非限制性地包括基因表达谱、增殖能力、分化能力、染色体核型、对特定培养条件的响应以及类似特性。

所述术语“成人干细胞”或“ASC”用来指任何源自非胚性组织的多功能干细胞，所述组织包括胎儿的、少年的和成人的组织。干细胞已经从广泛的成人组织中分离，包括血液、骨髓、脑、嗅上皮、皮肤、胰腺、骨骼肌和心肌。每个这些干细胞能够基于基因表达、因子响应、培养形态进行表征。示例性成人干细胞包括神经干细胞、神经嵴干细胞、间充质干细胞、造血干细胞和胰腺干细胞。

在一个实施方式中，适合用于所要求的装置和方法的祖细胞是描述于2009年10月9日申请的名称为“Tissue Engineered Mycocardium and Methodsof Productions and Uses Thereof”的PCT申请PCT/US09/060224的定向心室祖细胞(Committed Ventricular Progenitor(CVP)cell)，通过引用将其全部内容合并于本文中。

用于接种的细胞能够体内培养、从天然来源衍生、基因工程化或通过任何其它方式制造。可以使用任何天然来源的原核和真核细胞。在接触多个活性细胞的聚合物纤维被植入器官的实施方式中，能够使用来自受体的细胞、来自同种供体或来自不同种供体的细胞，或细菌或微生物细胞。

在本发明的一个实施方式中，多根聚合物纤维接触多个肌肉细胞并培养，这样，制造活组织。在本发明的另一实施方式中，多根聚合物纤维接触多个肌肉细胞并培养由此制造活组织，并且所述活组织进一步接触神经元并培养，这样，制造具有嵌入的神经网络的活组织。

在一个特定实施方式中，所述活组织是各向异性组织，例如，肌肉薄膜。

在本发明的其它实施方式中，多根聚合物纤维接触生物学活性多肽或蛋白质，诸如，胶原蛋白、纤维蛋白、弹性蛋白、层粘连蛋白、纤维连接蛋白、整合素、透明质酸、4-硫酸软骨素、6-硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸肝素、肝素和硫酸角质素和蛋白多糖。在一个实施方式中，所述多肽或蛋白质是亲脂性的。

在其它实施方式中，所述聚合物纤维接触核酸分子和/或核苷酸，或脂质。

多个聚合物纤维也可以接触药学活性试剂。合适的药学活性试剂包括，例如，麻醉药、安眠药、镇静剂和睡眠诱导剂、抗精神病药、抗抑郁药、抗过敏药、抗心绞痛药、抗关节炎药、平喘药、降血糖药、止泻药、抗惊厥药、抗痛风药、抗组胺药、止痒药、催吐药、止吐药、解痉药、食欲抑制剂、神经活性物质、神经递质受体激动剂、拮抗剂、受体阻滞剂和再摄取调节剂、β-肾上腺素能受体阻滞剂、钙通道受体阻滞剂、双硫仑和双硫仑样药、肌肉松弛剂、镇痛剂、退烧药、兴奋剂、抗胆碱酯酶药、拟副交感神经剂、激素、抗凝剂、抗血栓药、血栓溶解剂、免疫球蛋白、免疫抑制剂、激素受体激动剂/拮抗剂、维生素、抗微生物剂、抗肿瘤药、抗酸药、助消化药、通便剂、泻药，利尿剂、防腐剂、消毒剂、杀真菌剂、体外驱虫剂、抗寄生虫剂、重金属、重金属拮抗剂、螯合剂、气体和蒸气、生物碱、盐、离子、自体活性物质、洋地黄、强心苷、抗心律失常药、抗高血压药、血管扩张剂、血管收缩剂、抗毒蕈碱、神经节刺激剂、神经节阻断剂、神经肌肉阻断剂、肾上腺素能神经抑制剂、抗氧化剂、维生素、化妆品、消炎药、伤口治疗制品、抗凝血剂，抗肿瘤药、抗血管生成剂、麻醉剂、抗原制剂、伤口愈合剂、植物提取物、生长因子、润肤剂、保湿剂、排斥/抗排斥药物、杀精剂、调理剂、抗菌剂、抗真菌剂、抗病毒剂、抗生素、杀生物剂、抗生物污染剂、镇静剂、降胆固醇药，镇咳药、组胺阻断药或单胺氧化酶抑制剂。

其它合适的药学活性试剂包括生长因子和细胞活素。在本发明中有用的生长因子包括但不限于转化生长因子α(“TGF-α”)、转化生长因子β(“TGF-β”)、血小板衍生生长因子，包括AA、AB和BB亚型(“PDGF”)、成纤维细胞生长因子(“FGF”)，包括FGF酸性亚型1和2、FGF碱性亚型2和FGF亚型4、8、9和10、神经生长因子(“NGF”)，包括NGF2.5s、NGF7.0s和βNGF和神经营养因子、脑源性神经营养因子、软骨衍生因子、骨生长因子(BGF)、碱性成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子(IGF)、血管内皮生长因子(VEGF)、粒细胞集落刺激因子(G-CSF)，胰岛素样生长因子(IGF)I和II、肝细胞生长因子、神经胶质细胞的神经营养因子(GDNF)、干细胞因子(SCF)、角质细胞生长因子(KGF)、转化生长因子(TGF)，包括TGFα、β、β1、β2和β3、骨生长因子、骨基质衍生生长因子、骨源性生长因子以及它们的混合物。在本发明中有用的细胞活素包括但不限于心肌营养素、基质细胞衍生因子、巨噬细胞衍生趋化因子(MDC)、黑色素瘤生长刺激活性(MGSA)、巨噬细胞炎症蛋白1α(MIP-1α)、2、3α、3β、4和5、IL-1、IL-2、IL-3、IL-4、IL-5、IL-6、IL-7、IL-8、IL-9、IL-10、IL-11、IL-12、IL-13、TNF-α和TNF-β。在本发明中有用的免疫球蛋白包括但不限于IgG、IgA、IgM、IgD、IgE以及它们的混合物。

可以用于接触本发明所述聚合物纤维的其它试剂包括但不限于生长激素、瘦素、白血病抑制因子(LIF)、肿瘤坏死因子α和β、血管抑素、内皮抑素、凝血酶敏感蛋白、成骨蛋白1、骨形态发生蛋白2和7、骨粘连蛋白、生长调节素样肽、骨钙素、干扰素α、干扰素αA、干扰素β、干扰素γ、干扰素1α、氨基酸、肽、多肽和蛋白质，例如，结构蛋白、酶和肽激素。

对于诸如核酸的试剂，任何核酸能够用于接触所述聚合物纤维。例子包括但不限于脱氧核糖核酸(DNA)、对映DNA(ent-DNA)和核糖核酸(RNA)。涉及DNA的实施方式包括但不限于cDNA序列、任何来源的天然DNA序列以及正义或反义寡聚核苷酸。例如，DNA能够是裸露的(例如，美国专利5,580,859、5,910,488)或络合的或包封的(例如，美国专利5,908,777、5,787,567)。DNA能够存在于任何种类的载体中，例如在病毒或质粒载体中。在一些实施方式中，所使用的核酸会有助于促进或抑制在所述聚合物纤维内部和/或外部的细胞中的基因表达。所述核酸能够是有效增强吸收进细胞的任何形式。

用于处理本发明所述聚合物纤维的试剂也可以是细胞碎片、细胞残骸、细胞器和其它的细胞组成部分、药片和病毒以及囊泡、脂质体、胶囊、纳米颗粒和作为分子附件的其它试剂。在一些实施方式中，所述试剂构成含有试剂的囊泡、脂质体、胶囊或其它包封物，其在接触之后的时间段，诸如在植入的时间段或当后期刺激或相互作用时被释放。在一个说明性实施方式中，诸如脂质体的转染试剂包含被包入细胞内的想要的核苷酸序列，其位于所述聚合物纤维内或在其上。

磁或电活性材料是其它试剂的例子，其任选用于接触本发明所述聚合物纤维。磁活性材料的例子包括但不限于磁流体(磁性颗粒的胶体悬浮液)和导电聚合物的各种分散体。含有直径大约10纳米的颗粒的磁流体、直径约1-2微米的聚合物包封的磁性颗粒，和具有低于室温的玻璃化转变温度的聚合物是特别有用的。电活性材料的例子是聚合物，包括但不限于诸如聚苯胺和聚吡咯的导电聚合物、离子导电聚合物，诸如磺化聚丙烯酰胺是相关的材料，以及电导体，诸如炭黑、石墨、碳纳米管、金属颗粒和金属涂覆的塑料或陶瓷材料。

接触本发明所述聚合物纤维的合适的杀生物剂包括但不限于有机锡、溴化水杨酰苯胺、硫醇、季铵化合物、汞化合物以及铜和砷的化合物。

抗微生物剂，其包括抗菌剂、抗病毒剂、抗真菌剂和抗寄生虫剂，也可以用于接触本发明所述聚合物纤维。

本发明的目的也在于使用本发明所述方法和装置制造的所述聚合物纤维，以及包含本发明所述纤维的组织、膜、过滤器和药物输送装置，例如，用例如药学活性试剂处理的聚合物纤维。

XI.使用示例性实施方式所形成的聚合物纤维的用途

使用示例性实施方式所形成的示例性聚合物纤维可以用于范围广泛的应用，包括但不限于工程化组织和器官，包括诸如组织或基体材料的补片或塞子的结构、假肢和其它植入物的制造；分形神经和/或血管网络的组织支架；伤口的修复或敷料；止血装置；用于组织修复和支撑的装置，诸如缝合线、外科手术和整形手术的螺钉以及外科手术和整形手术的板；合成植入物的天然涂层或组件；美容植入物和支撑物；器官或组织的修复或结构支撑；物质输送；生物工程平台；测试物质对细胞影响的平台；细胞培养；催化底物；光子学；过滤；防护服；细胞支架；药物输送；伤口愈合；食品和各种其它用途。

本发明所述聚合物纤维的益处之一是，它们能够用于牢固地控制所述生物的/非生物的界面。换句话讲，本发明所述聚合物纤维能够用于引导特定细胞和/或组织类型的生长和/或发育。

例如，在一个实施方式中，本发明所述聚合物纤维可以用于制备膜，其作为例如，任何类型的伤口和损伤的敷料是有用的。可以引入干细胞、成纤维细胞、上皮细胞和/或内皮细胞以允许组织生长。在某些实施方式中，使用所述聚合物纤维除了提供支撑外，还会引导和/或阻止想要的细胞类型至伤口或损伤的区域。例如，使用聚合物纤维修复心脏可以包括加入会引导细胞分化成例如肌肉细胞而不是例如成纤维细胞的任何合适的物质，和/或促进想要的细胞类型迁移至伤口区域。该方法会确保所述修复是生物学功能的和/或阻止例如再狭窄。所述聚合物纤维的该用途可以与其它的治疗、修复和整形方法组合。

在另一实施方式中，通过提供不必须由成纤维细胞和其它细胞合成的基质可以将聚合物纤维膜作为填充材料插入伤口以加强愈合，由此减少愈合时间，并降低在所述伤口位置合成新组织的代谢能需求。

聚合物纤维膜的许多用途在外科手术修复或建造领域是可能的。例如，本发明的膜可以用于制造组织或整形手术的螺钉、板、缝合线或密封剂，其由与装置将用于其中的组织相同的材料制成。

在其它示例性实施方式中，聚合物纤维膜可以用于形成，例如，用作动脉瘤加固或用在造瘘口位置的套管。该套管置于想要加固的区域上，并且缝合、密封或以其它方式附着至所述容器。聚合物纤维膜也可以用作止血片和脑脊液泄漏的塞子。另一用途是用于阻塞患有干眼综合症的病人的泪点泪(punctum lacryma)。

聚合物纤维膜也可以用于支撑或连接已经历过损伤、外科手术或恶化的组织或结构。例如，该膜可以用于患有产后尿失禁的病人的膀胱颈悬吊术。直肠支撑、阴道支撑、疝补片和子宫脱垂的修复是其它说明性的用途。所述膜可以用于修复或加固衰弱的或功能失调的括约肌，诸如在食管反流情况下的食管括约肌。其它的例子包括在切除后，诸如在切除癌组织后，增强和替换声带、会厌和气管中的组织。

本发明所述膜的其它用途包括，例如，准备阻塞和加固以阻塞泄漏。例如，肺减容(部分除去)后密封肺上的开口。

本发明所述聚合物纤维的另一示例性用途是作为防止术后诱导粘连(post-operative induced adhesion)的阻隔物。

本发明所述聚合物纤维的另一示例性用途是充当神经生长的模板。

在本发明的另一实施方式中，所述聚合物纤维可以用于制备过滤器。这些过滤器对于过滤污染物、生物试剂和有害但非常小的颗粒，例如，纳米颗粒是有用的。例如，本发明的聚合物纤维过滤器可以用于纯化液体，诸如水(例如饮用水)、油(例如用于汽车中的油过滤器)。在另一实施方式中，聚合物纤维过滤器可以在用于例如面具时纯化空气，以滤去病毒、细菌和有害纳米颗粒时。

本发明所述聚合物纤维也可以被包含在生物传感器装置中，例如，通过使生物分子之间高度特异性的相互作用被检测和利用，使用生物元件(例如，酶、抗体、全细胞等)监控基质上各种化合物的存在的装置，例如，作为生物识别表面。该生物传感器可以用于各种应用，诸如水、空气和土壤中污染物的监控，和体液中诸如激素、糖和肽的医学重要分子的检测，以及病原学检测。

在本发明的其它实施方式中，所述聚合物纤维可以用于制备织物。在一个实施方式中，所述织物是生物防护织物，例如，提供针对有毒试剂，例如，生物学和化学毒素的防护的织物。例如，所述聚合物纤维可以包括，例如，氯己定，其能够杀死大多数细菌，或肟，其能够分解有机磷、作为许多农药、杀虫剂和神经毒气主要成分的化合物。

在另一实施方式中，本发明所述聚合物纤维可以用于制备食品。例如，聚合物纤维可以由可食用聚合物，例如海藻酸盐制成，其中，可以加入调味剂，例如水果调味剂或巧克力。在一个实施方式中，所述食品不是棉花糖。

在另一实施方式中，本发明所述聚合物纤维可以用于制备家居装饰。

在另一实施方式中，本发明所述聚合物纤维可以用于形成或制造医疗装置。

在另一实施方式中，本发明所述聚合物纤维可以用于在体腔内部创建纤维，例如，在像心脏之类的器官内部。

本发明所述聚合物纤维的另一用途是递送一种或多种物质至想要的位置和/或以受控方式递送。在一些实施方式中，所述聚合物纤维用于递送所述材料，例如药学活性物质。在其它实施方式中，聚合物纤维材料用于递送含在所述聚合物纤维内的物质，或由含在所述聚合物纤维内的物质制造或释放的物质。例如，包含细胞的聚合物纤维能够植入身体，并用于递送植入后由所述细胞产生的分子。本发明组合物能够用于输送物质至体内位置、体外位置或其它位置。本发明组合物能够使用任何方法应用或给药至这些位置。

将活细胞接种至本发明所述聚合物纤维的能力也提供建造组织、器官或器官样组织的能力。包含在该组织或器官内的细胞能够包括起到输送物质的细胞、提供初始替代组织的接种细胞或二者。

在本发明的一个实施方式中，多根聚合物纤维用多个活细胞处理，并在合适条件下培养以制造生物工程组织。

在一些实施方式中，接触或种入活细胞的聚合物纤维与药物组合，以改善所述植入物的功能。例如，抗生素、消炎药、局部麻醉剂或它们的组合可被加入生物工程器官的所述细胞处理的聚合物纤维以加速愈合过程。

生物工程组织的例子包括但不限于骨、牙齿结构、关节、软骨(包括但不限于关节软骨)、骨骼肌、平滑肌、心肌、肌腱、半月板、韧带、血管、支架、心脏瓣膜、角膜、耳膜、神经导管、组织或器官的补片或密封剂、缺损组织的填料、美容修复片、皮肤(加入细胞以制造皮肤等同物的片)、喉部的软组织结构，诸如气管、会厌和声带、其它软骨结构，诸如关节软骨、鼻软骨、睑板、气管环、甲状软骨和杓状软骨、结缔组织、血管移植物和它们的组成部分，以及局部应用和诸如肝、肾、肺、肠、胰腺、视觉系统、听觉系统、神经系统和肌肉骨骼系统的器官的修复的片。

在一个特定实施方式中，多根聚合物纤维接触多个活肌肉细胞，并在合适的条件下培养，引导细胞以想要的各向异性生长，以制造肌肉薄膜(MFT)或多个MTF，如美国专利申请20090317852和PCT申请WO2010/127280所描述的制备，通过引用将其全部内容合并于本文中。

接触活细胞的聚合物纤维也能够用于制造人工器官或器官的部分。定型细胞系在三维聚合物纤维基质中的混合能够用于制造模拟复杂器官的结构。成形所述聚合物纤维的能力允许制备替代诸如肝叶、胰腺、其它内分泌腺和肾脏的器官的复杂结构。在该情形中，细胞植入以承担所述器官中的细胞的功能。优选地，自体细胞或干细胞用于减少免疫排斥的可能性。

在一些实施方式中，用活细胞接触的聚合物纤维用于制备部分替代物或增加物。例如，在某些疾病状态，器官损失至功能失调的程度。经典的例子是肝硬化。在硬化中，正常的肝细胞陷入瘢痕组织的纤维带内。在本发明的一个实施方式中，对肝进行活体检查，获取可存活的肝细胞，在多根聚合物纤维中培养，并重新植入病人体内作为桥梁或常规肝移植的替代物。

在另一个例子中，通过在分开的培养物中生长胰高血糖素分泌细胞、胰岛素分泌细胞、生长抑素分泌细胞和/或胰多肽分泌细胞以及它们的组合，然后将它们与聚合物纤维混合，创建人工胰岛。这些结构然后置于皮肤下、腹膜后、肝内或在其它想要的位置，作为糖尿病的可植入长期治疗。

在另一个例子中，激素分泌细胞用于，例如，替代垂体前叶细胞以影响，例如生长激素分泌、促黄体激素、促卵泡激素、催乳激素和促甲状腺激素的合成和分泌。性腺细胞，诸如睾丸间质细胞和滤泡细胞补充睾酮素和雌激素水平。特定设计的组合在绝经后的和围绝经期的妇女或内源性睾酮分泌减少的男性的激素替代疗法中是有用的。在基质中使用和植入产生多巴胺的神经元以补充在黑质中有缺陷的或受损的多巴胺细胞。在一些实施方式中，来自受体或供体的干细胞能够与轻微受损的细胞混合，例如胰岛细胞或肝细胞，并置于多根聚合物纤维中，随后收集以控制所述干细胞分化成想要的细胞类型。在其它实施方式中，甲状腺细胞能够种入和生长以形成小型甲状腺激素分泌结构。该过程在体外或体内进行。所述新形成的分化细胞导入病人体内。

生物工程组织对测定组织活性或功能、组织发育生物学和疾病病理学，以及在药物发现和毒性试验中是有用的。

因此，本发明也提供用于鉴定那些调节组织功能的化合物的方法。所述方法包括，提供使用本发明所述装置和根据本发明所述方法制造的生物工程组织，诸如肌肉薄膜；使所述生物工程组织与试验化合物接触；和确定在存在和不存在所述试验化合物时所述试验化合物对组织功能的影响，其中，与不存在所述试验化合物时所述组织功能相比，在存在所述试验化合物时所述组织功能的受到调节表明了所述试验化合物调节组织的功能，由此鉴定能够调节组织功能的化合物。

在另一方面，本发明也提供鉴定对治疗或预防疾病有用的化合物的方法。所述方法包括，提供使用本发明所述装置和根据本发明所述方法制造的生物工程组织，例如，肌肉薄膜；使所述生物工程组织与试验化合物接触；和确定在存在和不存在所述试验化合物时所述试验化合物对组织功能的影响，其中，与不存在所述试验化合物时所述组织功能相比，在存在所述试验化合物时所述组织功能受到调节表明了所述试验化合物具有调节组织的功能，由此鉴定对治疗或预防组织疾病有用的化合物。

本发明所述方法通常包括确定试验化合物对生物工程组织整体的影响，然而，本发明所述方法也包括进一步评价试验化合物对生物工程组织的单个细胞类型的影响。

本发明所述方法可以包括使单一生物工程组织与试验化合物接触，或使多个生物工程组织与试验化合物接触。

作为本文使用的各种形式的术语“调节”意指包括刺激(例如，增加或上调特定的响应或活性)和抑制(例如，降低或下调特定的响应或活性)。

作为本文使用的术语“接触”(例如，使生物工程组织与试验化合物接触)意指包括试验化合物与生物工程组织的任何形式的相互作用(例如，直接或间接的相互作用)。术语接触包括温育(incubating)化合物和生物工程组织(例如将试验化合物加入生物工程组织)。

试验化合物可以是任何试剂，包括化学试剂(诸如毒素)、小分子、药物、肽、蛋白质(诸如抗体、细胞因子、酶以及类似物)和核酸，包括基因药物和导入的基因，其可以编码治疗剂，诸如蛋白质、反义制剂(例如，含有用目标细胞类型表达的目标RNA，例如RNAi或siRNA的互补序列的核酸)、核酶以及类似物。

所述试验化合物可以通过任何合适的方法加入生物工程组织。例如，所述试验化合物可以滴加在本发明的生物工程组织的表面上，并允许渗入或以其它方式进入所述生物工程组织，或者它能够被加入营养介质中，并允许在所述介质中扩散。在生物工程组织在多孔板中培养的实施方式中，每个培养孔可以接触不同的试验化合物或相同的试验化合物。在一个实施方式中，筛选平台包括输送试验化合物的微流体处理系统和微血管模拟暴露于药物输送。

本发明所述聚合物纤维组织能够评价许多生理学相关参数，例如，胰岛素分泌、电导率、神经递质释放、脂质生产、胆汁分泌；例如，肌肉活性；例如，生物力学和电生理学活性。例如，在一个实施方式中，本发明所述聚合物纤维组织能够用于肌肉细胞或组织的收缩性实验，诸如化学和/或电刺激的血管、呼吸道或消化道平滑肌、心肌或骨骼肌的收缩。此外，能够研究不同肌肉细胞类型对相同刺激(例如，药理学的和/或电的)的差别收缩性。

在另一实施方式中，本发明所述生物工程组织能够用于测定细胞的渗透溶胀引起的固体应力。例如，当所述细胞溶胀时，聚合物纤维组织会弯曲，结果体积改变，这样可以测定由于细胞溶胀引起破裂的力和点。

在另一实施方式中，本发明所述生物工程组织能够用于测定细胞中预应力或残余应力。例如，能够研究因在内皮素-1存在下长期收缩而重构的血管平滑肌细胞。

进一步地，本发明所述生物工程组织能够用于研究在外伤性损伤，例如，外伤性脑损伤之后组织结构中的刚度损失。外伤应激(Traumatic stress)能够应用于血管平滑肌生物工程组织作为血管痉挛模型。这些生物工程组织能够用于确定何种力对导致血管平滑肌进入超收缩状态是必要的。这些生物工程组织也能够用于测试适合用于减小血管痉挛反应或改善伤后反应和使血管平滑肌的收缩性更快恢复至正常水平的药物。

在其它实施方式中，本发明所述生物工程组织能够用于研究对旁分泌释放因子的生物力学响应(例如，由于一氧化氮从血管内皮细胞释放引起的血管平滑肌扩张，或由于一氧化氮释放引起的心脏扩张)。

在其它实施方式中，本发明所述生物工程组织能够用于评价试验化合物对电生理学参数的影响，例如电生理学曲线，包括电压参数，选自动作电位、动作电位时程(APD)、传导速度(CV)、不应期、波长、恢复原状、心动过缓、心动过速、折返性心律失常和/或钙通量参数，例如，细胞内钙瞬变、瞬时振幅、上升时间(收缩)、衰减时间(放松)、所述瞬时下的总面积(力)、恢复原状、局灶性和自发性钙释放。例如，当所述生物工程组织接触试验化合物时，含有心肌细胞的生物工程组织的电压或钙通量参数降低表明所述试验化合物是心脏毒性的。

在另一实施方式中，本发明所述生物工程组织能够用于测定试验化合物对组织应激状态影响的药理学实验。例如，所述实验可以包括确定药物对组织应激的影响和所述生物工程组织的结构重构。此外，所述实验可以包括确定药物对细胞骨架结构的影响，以及因此对所述生物工程组织的收缩性的影响。

在其它实施方式中，本发明所述生物工程组织能够用于测定生物材料对生物力学响应的影响。例如，能够研究因改变生物工程组织的材料性能(例如，刚度、表面形貌、表面化学或几何图案)而重构的血管平滑肌的差别收缩。

在进一步的实施方式中，本发明所述生物工程组织能够用于研究干细胞(例如，多潜能干细胞、多功能干细胞、诱导多潜能干细胞和来源于胚胎、胎儿、新生儿、少年和成人的祖细胞)成为收缩表型的功能分化。例如，本发明所述聚合物纤维用未分化细胞，例如，干细胞处理，并且成为收缩表型的分化通过薄膜弯曲进行观察。分化可作为以下参数的应变量来面容：共培养(例如，用与分化细胞共培养)、旁分泌信号、药理学、电刺激、磁刺激、热波动、与特定基因的转染和生物力学摄动(例如，周期的和/或静态的应变)。

在另一实施方式中，本发明所述生物工程组织能够用于通过评价，例如，所述化合物对生物工程组织电生理学响应的影响来确定试验化合物的毒性。例如，打开钙通道导致钙离子流入所述细胞，其在心脏和骨骼的肌纤维的兴奋-收缩耦连中起到重要作用。钙的反转电位是正的，所以钙电流几乎总是向内的，导致在许多应激细胞中产生动作电位平台。这些通道是治疗干预的目标，例如，抗高血压药物的钙通道阻滞剂亚型。候选的药物可以在本文描述的电生理学表征实验中测试，以确定那些可以潜在引起不良临床反应，例如，不可接受的心脏应激变化的化合物，其可以导致心律失常。

例如，可以导致心律失常的不可接受的心脏应激变化包括，例如，用于正常动作电位传导的离子通道的阻断，例如，阻断Na⁺通道的药物会阻断所述动作电位，且会看到没有上升；阻断Ca²⁺通道的药物会延长复极化，并增加不应期；K⁺通道的阻断会阻断快速复极化，并因此会被更慢的Ca²⁺通道介导复极化所支配。

此外，可以评估代谢变化来确定试验化合物是否有毒，这例如通过测定使生物工程组织接触试验化合物是否导致代谢活性降低和/或细胞死亡来进行。例如，代谢变化的测定可以使用各种可检测的标签系统进行测量，诸如荧光/显色检测或生物发光检测，使用，例如，REDOX活性的AlamarBlue荧光/显色测定(Invitrogen)，REDOX指示剂在代谢活性细胞中从氧化态(非荧光的，蓝)变成还原态(荧光的，红)；代谢活性的Vybrant MTT显色测定(Invitrogen)，水溶性MTT在代谢活性细胞中还原成不溶性甲臜(formazan)；和细胞DNA含量的Cyquant NF荧光测量，荧光DNA染料受渗透剂的协助进入细胞，并粘合核染色质。为进行生物发光实验，使用下面的示例性试剂：基于细胞滴度荧光素酶的ATP测量(Promega)，热稳定的萤火虫荧光素酶在从代谢活性细胞释放的可溶性ATP存在下发光。

本发明所述生物工程组织对评价治疗剂的特定递送载体也是有用的，例如，比较经由不同递送系统给药的相同试剂的效果，或简单评估递送载体自身(例如，病毒载体或脂质体)是否能够影响所述生物工程组织的生物学活性。这些递送工具可以具有任何形式，从常规的药物制剂到基因输送工具。例如，本发明所述装置可以用于比较由两个或更多个递送系统(例如，长效制剂和控释制剂)给药的相同试剂的治疗效果。本发明所述生物工程组织也可以用于研究特定载体自身是否对所述组织有影响。由于基因疗法的使用的增加，与各种可能的递送系统有关的安全问题变得越来越重要。因此，本发明所述生物工程组织可以用于研究用于核酸疗法的输送系统，诸如裸DNA或RNA、病毒载体(例如，逆转录病毒或腺病毒载体)、脂质体以及类似物的性能。因此，所述试验化合物可以是具有或不具有任何相关治疗剂的任何合适类型的输送工具。

而且，本发明所述生物工程组织对于评价试验化合物关于例如肌肉和/或神经肌肉的疾病或紊乱的治疗活性是合适的体外模型。例如，本发明所述生物工程组织(例如，含有肌肉细胞)可以通过例如，浸渍于含有所述试验化合物的介质浴中来接触候选化合物，并且所述试验化合物对组织活性(例如，生物力学和/或电生理学活性)的影响可以如本文所描述的进行测量，与适当控制的，例如，未处理的生物工程组织进行比较。任选地，在测量如本文所描述的组织活性(例如，生物力学和/或电生理学活性)之前，本发明所述生物工程组织可以浸在含有候选化合物的介质中，然后清洗所述细胞。在所述试验试剂(与不存在所述试验化合物时使用所述装置的相同活性进行比较)存在时使用所述生物工程组织所测定的活性的任何改变表明所述试验化合物可以对治疗或预防组织疾病，例如，神经肌肉疾病是有用的。

本发明所述纤维其他考虑的用途公开于，例如，PCT申请WO2008/045506、WO2003/099230、WO2004/032713中，通过引用将其全文合并于本文中。

本发明通过下面的不应当理解为限制的实施例进一步说明。本申请各部分所引用的所有参考文献、专利和公开的专利申请的内容以及所述附图，在此通过引用以其实体形式合并于本文中。

实施例

实施例1.改变旋转速度对纤维形成和纤维直径的影响

纤维由8％的聚乳酸溶于氯仿的溶液制造。使用图29的所述示例性纤维形成装置，其中刷子在约35,000rpm和约15,000rpm的示例性旋转速度下旋转。旋转刷与收集器之间的间隙距离是约10cm，且聚乳酸的流动速率是约12ml/小时。

图31示出所制造的纤维的扫描电子显微图像和说明示例性纤维直径的图。如图31所描述的，更高的旋转速度(例如，约35,000rpm)在所述聚合物喷流被甩出时提供更高的拉伸力。这允许所述聚合物喷流延伸得更远，由此促使纤维形成，并导致所述纤维中的形成的珠粒更少。此外，更高的旋转速度(例如，约35,000rpm)导致纤维直径比由更低的旋转速度(例如，约15,000rpm)所获得的纤维直径更小。在约35,000rpm的旋转速度下形成的示例性纤维可以具有约463nm的示例性平均直径，而在约15,000rpm下形成的示例性纤维可以具有约760nm的示例性平均直径。

实施例2.改变聚合物浓度和聚合物流动速率对纤维形成的影响

使用6％的聚乳酸溶于氯仿的溶液制造纤维，并且图29所描述的所述示例性纤维形成装置具有约10cm的间隙和约2ml/小时的所述聚合物流动速率，其旋转速度在约5,000rpm、15,000rpm和35,000rpm之间变化。

图32示出使用图29所描述的示例性装置制造的纤维的扫描电子显微图像和说明改变旋转速度对纤维直径影响的图。如图32所描述的，更高的旋转速度(例如，约35,000rpm)在所述聚合物喷流被甩出时提供更高的拉伸力。这允许所述聚合物喷流延伸得更远，由此促使纤维形成，并导致纤维中形成的珠粒更少。此外，更高的旋转速度(例如，约35,000rpm)导致比由更低的旋转速度(例如，约5,000rpm)所获得的纤维直径更小的具有更窄分布的纤维直径。

实施例3.改变聚合物浓度和聚合物流动速率对纤维形成的影响

使用10％的聚乳酸溶于氯仿的溶液制造纤维，并且图29所描述的示例性纤维形成装置具有约10cm的间隙距离和约2ml/小时的聚合物流动速率，其所述旋转速度从约15,000rpm变化至约35,000rpm。如图33所描述的，更高的旋转速度(例如，约35,000rpm)提供更大的力和纤维中形成的珠粒更少。在该实施例中改变所述速度对纤维直径没有影响。

实施例4.改变旋转速度和聚合物流动速率对纤维形成的影响

使用6％的聚乳酸溶于氯仿的溶液和图29所描述的示例性纤维形成装置的旋转速度来制造纤维，该装置具有约10cm的间隙，聚合物流动速率在约2ml/小时、6ml/小时和12ml/小时之间变化，速度从约5,000rpm变化至35,000rpm。如图34所描述的，在低旋转速度下形成珠粒。在低旋转速度和高流动速度下，形成更多珠粒和畸形纤维。

实施例5.改变旋转速度和聚合物流动速度对纤维形成的影响

使用10％的聚乳酸溶于氯仿的溶液和图29所描述的所述示例性纤维形成装置的旋转速度来制造纤维，该装置具有约10cm的间隙、聚合物流动速率在约2ml/小时、6ml/小时和12ml/小时之间变化，速度从约5,000rpm变化至35,000rpm。如图35所描述的，在低旋转速度下，高浓度聚合物溶液(例如，约10％)产生非常少的纤维。在低旋转速度和高流动速度下，形成更多珠粒和畸形纤维。

实施例6.聚合物熔体的使用

图36示出包括加热聚合物熔体的加热元件的示例性纤维形成装置、使用聚合物熔体制造的纤维的扫描电子显微图像和显示所制造纤维的示例性直径的图。

如图36所描述的，与溶剂纺纤维相比，熔纺纤维具有更光滑的表面和更一致的结构。在一些情况中，熔纺纤维的平均直径高于溶剂纺纤维，这是由于所述聚合物熔体的所述高粘度。由聚合物熔体形成的示例性纤维可以具有约2.6微米的示例性直径。

引用合并

本申请各部分所引用的所有参考文献，包括专利和专利申请的全部内容，在此通过引用以其实体的方式合并于本文中。那些参考文献的合适组分和方法可以选为本发明及其实施方式。还进一步地，在背景技术部分确认的所述组分和方法也是本公开不可或缺的，且也可以用于在本发明的范围内结合或替代在本公开任何位置所描述的组分和方法。

等同物

在所描述的示例性实施方式中，为了明确起见，使用特定术语。为了说明的目的，每个特定术语打算至少包括以相似方式运行实现相似目的所有技术和功能等同物。此外，在相同情形中，其中特定示例性实施方式包括多个系统元件或方法步骤，那些元件或步骤也可以用单个元件和步骤代替。同样地，单个元件或步骤也可以用起到相同目的的多个元件或步骤代替。进一步地，其中各种性能的参数在本文中为示例性实施方式具体说明，那些参数可以调高或调低二十分之一、十分之一、五分之一、三分之一、二分之一以及类似数值，或其通过舍入的近似值，除非另有说明。而且，虽然示例性实施方式已经参照其特定实施方式显示和描述，本领域普通技术人员将明白在其中可以作出在形式和细节上的各种替代和改变，而不背离本发明的范围。还进一步地，其它方面、功能和优点也在本发明的范围内。

本文中提供的示例性流程图用于说明性目的，是方法的非限制性实例。本领域普通技术人员将认识到示例性方法可以包括比所述示例性流程图示出的那些方法更多或更少的步骤，并且在所述示例性流程图中的步骤可以以与示出不同的顺序进行。

Claims (139)

1.用于形成微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维的方法，所述方法包括：

提供聚合物的静态沉积物；和

与所述聚合物的表面产生接触以对其传递足够的力，从而：

使部分的所述聚合物脱离所述接触，和

将所述聚合物的所述部分甩离所述接触和所述聚合物的所述沉积物，由此形成微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维。

2.权利要求1所述方法，其中所述力基本上平行于所述聚合物的所述表面施用。

3.权利要求1所述方法，其中所述力是瞬时力。

4.权利要求1所述方法，其中所述力通过在旋转期间穿入所述聚合物沉积物的旋转结构基本上平行于所述聚合物的所述表面施用。

5.权利要求4所述方法，其中所述旋转结构包括叶片。

6.权利要求5所述方法，其中所述旋转结构包括中芯轴，和其中所述叶片固定在所述中芯轴的外表面。

7.权利要求5所述方法，其中所述旋转结构穿入所述聚合物达1纳米至1厘米的深度。

8.权利要求5所述方法，其中所述旋转结构以100rpm至500,000rpm的速率旋转。

9.权利要求5所述方法，其中所述旋转结构包括一个或多个矩形突出物。

10.权利要求5所述方法，其中所述旋转结构包括一个或多个锯齿形突出物，其中所述锯齿形的尖端穿入所述聚合物。

11.权利要求1所述方法，其中所述力通过对准所述聚合物表面的液体喷流施用。

12.权利要求1所述方法，进一步包括：

在所述纤维形成之前或期间提供所述聚合物。

13.权利要求12所述方法，其中所述聚合物使用微通道或宏通道提供。

14.权利要求12所述方法，其中所述聚合物使用微流体腔室或宏流体腔室提供。

15.权利要求12所述方法，其中所述聚合物以0.01ml/min至100ml/min的速率提供。

16.权利要求1所述方法，进一步包括：

使用收集器收集所述聚合物纤维。

17.权利要求16所述方法，其中所述收集器是固定的。

18.权利要求16所述方法，其中所述收集器是可移动的。

19.权利要求18所述方法，其中所述收集器以线性方式移动。

20.权利要求18所述方法，其中所述收集器以旋转方式移动。

21.权利要求1所述方法，其中所述聚合物是聚合物溶液。

22.权利要求1所述方法，其中所述聚合物是聚合物熔体。

23.权利要求1所述方法，其中所述纤维具有1纳米至100微米的直径。

24.权利要求1所述方法，进一步包括：

传递第二力至所述聚合物的所述表面以形成第二微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维，其中所述第一和第二纤维基本上以相同的方向排列。

25.权利要求1所述方法，进一步包括：

传递第二力至所述聚合物的表面以形成第二微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维，其中所述第一和第二纤维以不同方向排列。

26.权利要求1所述方法，进一步包括：

调整传递至所述聚合物的所述表面上的所述力的强度。

27.权利要求1所述方法，进一步包括：

调整所述力传递至所述聚合物的所述表面的方向。

28.权利要求1所述方法，进一步包括：

在所述力传递至所述聚合物的所述表面之前或期间，将气体引入所述聚合物以促进弯月面的形成。

29.权利要求28所述方法，其中所述气体通过所述聚合物的碳酸化引入。

30.权利要求1所述方法，进一步包括：

使用一个或多个在所述聚合物附近的空气叶片增加所述纤维所经历的空气湍流。

31.权利要求1所述方法，进一步包括：

使用为所述纤维提供路径的导管引导所述纤维。

32.权利要求1所述方法，其中所述方法不使用喷嘴来形成所述纤维。

33.权利要求1所述方法，其中所述方法不使用喷丝板来形成所述纤维。

34.权利要求1所述方法，其中所述方法不采用静电电压来形成所述纤维。

35.权利要求1所述方法，其中所述微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维接触多个活细胞。

36.权利要求35所述方法，其中所述活细胞选自肌肉细胞、神经细胞、内皮细胞和上皮细胞。

37.权利要求35所述方法，其中培养所述活细胞以制造活组织。

38.权利要求1所述方法，其中所述微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维接触生物学活性试剂。

39.权利要求38所述方法，其中所述试剂选自亲脂肽、脂质和核苷酸。

40.权利要求1所述方法，其中所述微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维用药学活性剂处理。

41.权利要求40所述方法，其中所述接触的微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维在适当的介质中培养。

42.权利要求1所述方法，其中所述聚合物在制造包封细胞的纤维期间与活细胞混合。

43.权利要求1所述方法，其中所述聚合物与选自蛋白质、核苷酸、脂质、药物、药学活性剂、杀生物剂和抗微生物剂的生物学活性剂混合。

44.根据前述权利要求中任一项所制造的微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维。

45.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于组织工程。

46.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于递送治疗剂。

47.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于治疗剂的控释。

48.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于伤口敷料。

49.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于酶固定。

50.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于生物传感器。

51.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于形成膜。

52.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于形成过滤器。

53.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于形成织物。

54.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于形成网。

55.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于形成食品。

56.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于形成药用品。

57.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维用于形成化妆品。

58.权利要求44所述聚合物纤维，其中所述纤维在体腔内形成。

59.含有权利要求44所述微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维的组织。

60.含有权利要求44所述微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维的膜。

61.含有权利要求44所述微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维的过滤器。

62.含有权利要求44所述微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维的药物输送装置。

63.含有权利要求44所述微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维的微生物和生物防护织物。

64.含有权利要求44所述微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维的生物传感器装置。

65.用于形成微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维的系统，所述系统包括：

平台，其用于支撑聚合物的静态沉积物；和

旋转结构，其竖直地布置在所述平台上方且沿垂直轴与所述平台隔开，所述旋转结构包括：

可绕旋转轴旋转的中芯轴，和

一个或多个固定于所述旋转芯轴的叶片；

其中，所述旋转结构被设置，并且可运行使得在旋转时所述一个或多个叶片接触所述聚合物的表面以传递足够的力，以便：

使所述聚合物的部分脱离与所述旋转结构的一个或多个叶片的接触，和

将所述聚合物的所述部分甩离与所述一个或多个叶片的接触以及甩离所述聚合物的沉积物，由此形成微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维。

66.权利要求65所述系统，其中所述旋转轴基本上偏移垂直轴90度。

67.权利要求65所述系统，其中所述力基本上平行于所述聚合物的表面施加。

68.权利要求65所述系统，其中所述力是瞬时力。

69.权利要求65所述系统，其中所述一个或多个叶片通过穿入所述聚合物，基本上平行于所述聚合物的表面传递所述力，以形成弯月面。

70.权利要求69所述系统，其中所述一个或多个叶片穿入所述聚合物至1纳米至1厘米的深度。

71.权利要求65所述系统，其中所述旋转结构以100rpm至500,000rpm的速率旋转。

72.权利要求65所述系统，其中所述一个或多个叶片中的至少一个是矩形的。

73.权利要求65所述系统，其中所述一个或多个叶片中的至少一个是锯齿形的，其中所述锯齿形的尖端穿入所述聚合物。

74.权利要求65所述系统，进一步包括：

通道或腔室，其在所述纤维形成之前或期间用于将所述聚合物供给到所述平台上。

75.权利要求74所述系统，其中所述聚合物以0.01ml/min至100ml/min的速率供给。

76.权利要求65所述系统，进一步包括：

收集器，其布置在所述平台附近用于收集所述纤维。

77.权利要求76所述系统，其中所述收集器是固定的。

78.权利要求76所述系统，其中所述收集器是可移动的。

79.权利要求78所述系统，其中所述收集器以线性方式移动。

80.权利要求78所述系统，其中所述收集器以旋转方式移动。

81.权利要求65所述系统，其中所述聚合物是聚合物溶液。

82.权利要求65所述系统，其中所述聚合物是聚合物熔体。

83.权利要求65所述系统，其中所述纤维具有1纳米至100微米的直径。

84.权利要求65所述系统，其中所述旋转结构被设置，并且且可运行使得在旋转时，所述一个或多个叶片传递第二力至所述聚合物的表面，从而：

在所述表面形成第二弯月面，和

将在所述第二弯月面附近的部分聚合物甩离所述聚合物的沉积物，由此形成第二微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维，其中所述第一和第二纤维基本上以相同的方向排列。

85.权利要求65所述系统，其中所述旋转结构被设置且可运行使得在旋转时所述一个或多个叶片传递第二力至所述聚合物的表面，从而：

在所述表面形成第二弯月面，和

将在所述第二弯月面附近的部分的聚合物甩离所述聚合物的沉积物，由此形成第二微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维，其中所述第一和第二纤维以不同方向排列。

86.权利要求65所述系统，其中所述旋转芯轴的旋转速度是可调的。

87.权利要求65所述系统，其中所述一个或多个叶片穿入所述聚合物的深度是可调的。

88.权利要求65所述系统，其中所述一个或多个叶片传递所述力至所述聚合物的表面所沿的方向是可调的。

89.权利要求65所述系统，进一步包括：

进气口，其在所述力传递至所述聚合物的表面之前或期间将气体引入所述聚合物以促使弯月面形成。

90.权利要求89所述系统，其中所述气体通过所述聚合物的碳酸化引入。

91.权利要求65所述系统，进一步包括：

一个或多个空气叶片，其布置在所述聚合物附近用于增加所述纤维所经历的空气湍流。

92.权利要求65所述系统，进一步包括：

导管，其布置在所述聚合物附近用于为所述纤维提供路径。

93.权利要求65所述系统，进一步包括：

用于容纳所述旋转结构的部件和竖直位于所述平台上方的另外的一个或多个旋转结构。

94.权利要求93所述系统，其中所述部件和所述另外的一个或多个旋转结构沿相同的旋转轴旋转，以形成多根纤维并基本上沿相同方向排列。

95.权利要求93所述系统，其中所述旋转结构和所述另外的一个或多个旋转结构沿不同的旋转轴旋转，以形成多根纤维并基本上沿不同方向排列。

96.权利要求65所述系统，其中所述系统不包括用于形成所述纤维的喷嘴。

97.权利要求65所述系统，其中所述系统不包括用于形成所述纤维的喷丝板。

98.权利要求65所述系统，其中所述系统不使用静电电压来形成所述纤维。

99.权利要求65所述系统，进一步包括：

机构，用于将试剂加入所述聚合物以使得所述纤维含有所述试剂。

100.用于在微型空腔内形成微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维的微型化系统，所述系统包括：

聚合物供给管，其具有伸入所述空腔用于供给聚合物的供给端；

微型化旋转结构，其提供在所述聚合物供给管的供给端附近，所述旋转结构包括：

可绕旋转轴旋转的中芯轴，和

一个或多个附着在所述旋转芯轴上的叶片；和

运动发生器，用于使所述旋转结构绕所述旋转轴旋转；

其中，所述旋转结构被设置且可运行使得旋转时，所述一个或多个叶片接触所述聚合物的表面以传递足够的力，从而：

使部分的所述聚合物脱离与所述旋转结构的所述一个或多个叶片的所述接触，和

将所述聚合物的所述部分甩离与所述一个或多个叶片的接触以及甩离所述聚合物的沉积物，由此形成微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维。

101.权利要求100所述系统，其中所述空腔是体腔，其收集所述聚合物纤维。

102.权利要求100所述系统，其中所述聚合物供给管在所述旋转结构的旋转期间连续供给所述聚合物。

103.权利要求100所述系统，其中所述运动发生器是微型化的，且可插入所述空腔。

104.权利要求100所述系统，其中所述微型化运动发生器是微动马达。

105.权利要求100所述系统，其中所述运动发生器是非微型化的，且提供在所述空腔外部。

106.权利要求105所述系统，其中所述非微型化运动发生器远离所述空腔远程地控制所述旋转结构的运动。

107.权利要求100所述系统，进一步包括：

一个或多个导管，其连接至所述运动发生器，用于从所述空腔外部供给电力至所述运动发生器。

108.权利要求100所述系统，其中所述一个或多个叶片中的至少一个是矩形的。

109.权利要求100所述系统，其中所述一个或多个叶片中的至少一个是锯齿形的，其中，所述锯齿形的尖端穿入所述聚合物。

110.权利要求100所述系统，其中所述中芯轴的旋转速度是可调的。

111.权利要求100所述系统，其中所述一个或多个叶片穿入所述聚合物的深度是可调的。

112.权利要求100所述系统，其中所述一个或多个叶片传递所述力至所述聚合物的所述表面所沿的方向是可调的。

113.权利要求100所述系统，进一步包括：

进气口，其在将所述力传递至所述聚合物的表面之前或期间将气体引入所述聚合物以促使弯月面形成。

114.权利要求113所述系统，其中所述气体通过所述聚合物的碳酸化引入。

115.权利要求100所述系统，进一步包括：

导管，其布置在所述聚合物附近用于为所述纤维进入所述空腔提供路径。

116.权利要求100所述系统，其中设置所述旋转结构以形成基本上沿相同方向取向的多根微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维。

117.权利要求100所述系统，其中设置所述旋转结构以形成基本上沿两个或更多个方向取向的多根微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维。

118.权利要求100所述系统，其中所述系统不包括用于形成所述纤维的喷嘴。

119.权利要求100所述系统，其中所述系统不包括用于形成所述纤维的喷丝板。

120.权利要求100所述系统，其中所述系统不使用静电电压来形成所述纤维。

121.权利要求100所述系统，进一步包括：

机构，其用于将试剂加入所述聚合物以使所述纤维包含所述试剂。

122.用于形成微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维的系统，所述系统包括：

平台，其用于支撑聚合物的静态沉积物；和

喷射嘴，其布置在所述平台附近且与所述平台隔开，所述喷射嘴被设置为产生对准所述聚合物的气体喷流，以使所述气体喷流接触所述聚合物的表面以施加足够的力，以将部分的所述聚合物甩离与所述气体喷流的接触以及甩离所述聚合物的沉积物，由此形成微米、亚微米或纳米尺寸聚合物纤维。

123.权利要求122所述系统，其中所述力基本上平行于所述聚合物的表面施加。

124.权利要求122所述系统，其中所述力是瞬时力。

125.权利要求122所述系统，进一步包括：

通道或腔室，其在所述纤维形成之间或期间用于将所述聚合物供给到所述平台上。

126.权利要求122所述系统，其中所述聚合物以0.01ml/min至100ml/min的速率供给所述聚合物。

127.权利要求122所述系统，进一步包括：

收集器，其布置在所述平台附近用于收集所述纤维。

128.权利要求122所述系统，其中所述气体喷流传递所述力至所述聚合物的表面所沿方向是可调的。

129.权利要求122所述系统，进一步包括：

进气口，其在所述力传递至所述聚合物的所述表面之前或期间将气体引入所述聚合物以促使弯月面形成。

130.权利要求129所述系统，其中所述气体通过所述聚合物的碳酸化引入。

131.权利要求122所述系统，进一步包括：

一个或多个空气叶片，其布置在所述聚合物附近用于增加所述纤维所经历的空气湍流。

132.权利要求122所述系统，进一步包括：

导管，其布置在所述聚合物附近用于为所述纤维提供路径。

133.权利要求122所述系统，其中传递至所述聚合物的表面的所述力是可调的。

134.权利要求122所述系统，其中所述气体喷流的速度是可调的。

135.权利要求122所述系统，其中所述气体是空气。

136.权利要求122所述系统，其中所述系统不包括用于形成所述纤维的喷嘴。

137.权利要求122所述系统，其中所述系统不包括用于形成所述纤维的喷丝板。

138.权利要求122所述系统，其中所述系统不使用静电电压来形成所述纤维。

139.权利要求122所述系统，进一步包括：

机构，其用于将试剂加入所述聚合物以使所述聚合物包含所述试剂。