CN107667190A

CN107667190A - 生产纳米纤维及其构建体的设备和方法

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Publication number: CN107667190A
Application number: CN201680019105.9A
Authority: CN
Inventors: 伊沃·莱丹迈; 海基·涅米宁; 阿勒·萨尔米; 特尔·波林; 蒂莫·劳哈拉; 卡伊·福尔克; 约科·于利鲁西; 于尔基·海内迈基; 爱德华·黑格斯特伦; 皮普·韦斯基
Original assignee: University of Helsinki
Current assignee: University of Helsinki
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2016-03-19
Publication date: 2018-02-06
Anticipated expiration: 2036-03-19
Also published as: EP3274491A1; AU2016238726A1; CA2980799A1; KR20170130500A; JP2018510273A; US20180073165A1; WO2016151191A1; ES2743831T3; CN107667190B; EP3274491B1

Abstract

本发明涉及用于生产聚合物纤维的设备和方法，特别地涉及生产纤维及其构建体的无喷嘴静电纺丝设备和方法，其中，通过使用脉冲和/或突发脉冲超声波来产生纳米纤维。

Description

生产纳米纤维及其构建体的设备和方法

技术领域

本发明涉及生产纤维及其构建体的静电纺丝设备和方法，特别地涉及无喷嘴静电纺丝设备，其中，通过使用脉冲和/或突发脉冲超声波来产生纳米纤维。

背景技术

静电纺丝使用电位差来从液体中抽出精细的(通常是微米级或纳米级的)纤维。这种工艺不需要凝结化学作用或高温以从溶液中产生固体丝。这使得这种工艺特别适于使用大且复杂的分子来生产纤维。静电纺丝已被用于生产与许多应用相关的纳米结构。它们包括过滤介质、复合材料、防护服、微型和光电设备、光子晶体和柔性光电池。纳米纤维的生物医学应用包括在组织工程以及支架的生产、伤口敷料和药物释放系统中的使用。

标准静电纺丝配置包括连接到高压(5kV至50kV)直流电源的喷丝头(通常为皮下注射针)、注射泵和接地的收集器。将聚合物溶液、溶胶-凝胶、颗粒悬浮液或熔体装载到注射器中，并通过注射泵以恒定速率从针尖挤出该液体。

标准静电纺丝具有其缺点，特别是注射器针头堵塞。高粘度聚合物穿过小口径针头也可能有问题。另外，为了实现高生产率，需要使用许多针头。

为了克服这些问题，已经开发出无针静电纺丝方法和设备。亚林(Yarin)和苏斯曼(Zussman)(聚合物(Polymer)，45，2004，pp.2977-2980)公开了一种双层系统，其中下层是铁磁悬浮液，上层是聚合物溶液。当该系统经受强磁场时，磁悬浮液的稳定竖直尖峰从层间界面以及聚合物层的最上表面的自由表面突出。当对系统施加电场时，自由表面的扰动成为指向上的喷射的部位，并且固化的纳米纤维能够沉积在上方的对电极上，如在普通静电纺丝工艺中。

虽然亚林(Yarin)和苏斯曼(Zussman)的工艺解决了与标准静电纺丝技术相关联的一些问题，但仍然有一些缺点。为了稳定该工艺，需要一种特殊的对电极。此外，仅能够通过改变传统的静电纺丝参数(诸如通过化学改性改变纺丝溶液的性质)和通过改变电压来改变纤维的拓扑(topology)或尺寸。这些通常是缓慢的过程。

JP 2009052171A、JP 2010216049A、CN 203096243U和CN 1986913A描述了一种通过向带电介质的表面施加超声波以产生波而从聚合物表面静电纺丝的方法。通过向聚合物施加电压，纤维从在表面上产生的波的波峰喷出。

然而，从聚合物表面静电纺丝而没有适当的聚焦或波束控制是不提供对喷出的纤维进行空间-时间控制的统计过程。JP 2010216049A建议了改进对超声波聚焦的各种方法，包括使用平行四边形形状的容纳容器，调整超声波源的数量、主方向、频率和振幅，以及通过将超声波朝向焦点反射。然而，特别是单个纤维的受控形成或多个纤维的受控形成仍然是使用相对低的电场时的挑战。

发明内容

本发明基于观察到当使用脉冲和/或突发脉冲超声波执行静电纺丝时能够解决或至少减轻与聚合物纤维的受控形成有关的问题。

因此，本发明的目标在于，提供一种用于生产聚合物纤维的设备，该设备包括：

-用于聚合物介质的开放室，

-电压产生装置，电压产生装置包括定位在开放室中的电极，该电压产生装置被构造成向聚合物介质施加电压，

-被构造成产生超声波束的装置，该装置包括超声波信号产生装置和超声波换能器，以及

-在开放室和超声波换能器之间的电绝缘但是声传导的膜。

本发明的设备的超声波信号产生装置被构造成产生包括脉冲和突发脉冲中的至少一种的超声波束驱动信号。

本发明的另一目标在于，提供一种使用静电纺丝设备来生产聚合物纤维的方法，该方法包括：

-提供聚合物介质，

-使聚合物介质经受超声波束，和

-向聚合物介质施加电压。

根据本发明的方法，通过使用包括脉冲和突发脉冲中的至少一种的超声波束来执行所述经受。

本发明的又另一目标在于，提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于控制可编程处理器以检查泰勒锥和/或喷出的纤维的计算机可执行指令，其中该程序适于评估能够通过根据权利要求22所述的方法获得的数据。

本发明的又另一目标在于提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括用根据权利要求23所述的计算机程序进行编码的计算机可读介质。

本发明的又另一目标在于，提供一种使用静电纺丝设备来生产聚合物纤维束的方法，所述静电纺丝设备包括收集器板，该方法包括：

-提供聚合物介质，

-使聚合物介质经受多个超声波束，所述超声波束包括脉冲和突发脉冲中的至少一种，

-向聚合物介质施加电压，

-将多个聚合物纤维引导至收集器板上的基本相同的位置，以及

-旋转收集器板。

本发明的又另一目标在于，提供一种能够通过本发明的方法获得的包括基质的聚合物纤维。

本发明的又另一目标在于，提供一种支架，该支架包括能够通过本发明的方法获得的包括基质的聚合物纤维。

在所附从属权利要求中描述了本发明的另外的目标。

当结合附图阅读时，从下文对具体示例性实施例的描述可以关于结构和操作方法最好地理解本发明的例证且非限制性实施例以及本发明的附加目的和优点。

在本文件中使用的动词“包括(to comprise)”和“包括(to include)”为开放性限制，其既不排除也不需要存在未叙述的特征。除非另有明确说明，否则所附从属权利要求中叙述的特征都可相互自由组合。此外，应理解，贯穿本文献使用的“一(a)”或“一个(an)”，即单数形式，不排除多个。

附图说明

图1A示出根据本发明的用于生产聚合物纤维的非限制性的示例性设备。

图1B示出图1A中描绘的该设备的一个区块。

图2示出从通过使用根据本发明的示例性设备获得的以超声波方式产生的聚合物突起形成超声波突发脉冲引起的纤维的高速相机照片(以238k FPS获取的镜头)。(A)＝在纤维形成之前产生的超声波突起。(B)＝在超声波突发脉冲(突发脉冲持续时间46μs)击中突起的顶端时的瞬间的突起顶端。(C)＝从突起顶端形成的泰勒锥(聚合物电荷—20kV)，并且(D)＝从泰勒锥形成的纤维。

图3示出根据本发明的使用各种设定生产的示例性纳米纤维(A-F)，以及根据现有技术生产的纳米纤维(G)(在三种不同的声场强度下使用高强度聚焦超声波从3％PEO水溶液纺出的纳米纤维的SEM图像。通过改变超声波场的振幅而在空间上对纤维进行修改。低振幅—260mV(+通过功率放大器放大)，中振幅—500mV，高振幅—650mV。从聚合物表面至收集器的距离—150mm，DC电压—11.3kV。通过以2.2MHz的载波频率和150Hz的脉冲重复频率施加250个循环声音突发脉冲而产生超声波柱)。

图4示出根据本发明的使用不同超声波设定制备的示例性纳米纤维的厚度，以及根据现有技术生产的纳米纤维的厚度(在由传统的针ES(参考)制备的样品和在三种不同的声场强度下由振幅调制超声波ES从3％PEO水溶液制备的样品中测量的平均纳米直径(nm,±SD)。低1+2—260mV(+通过功率放大器放大)，测试1+测试2；中1+2—500mV，测试1+测试2；高1+2—650mV，测试1+测试2。从聚合物表面至收集器的距离—150mm，DC电压—11.3kV。通过以2.2MHz的载波频率和150Hz的脉冲重复频率施加250个循环声音突发脉冲而产生超声波柱。

图5示出药物从根据本发明制备的聚合物纤维释放的释放曲线(吡罗昔康从水中的壳聚糖/聚环氧乙烷纳米片的溶解。样品在两种不同的声场强度下由振幅调制超声波ES从壳聚糖/聚环氧乙烷/吡罗昔康溶液制备。USES样品1—160mV(+通过功率放大器放大)，USES样品2—250mV。从聚合物表面至收集器的距离—340mm，DC电压—21kV。通过以2.2MHz施加声音突发脉冲而产生超声波柱)。

图6示出无电场或声频扰动的聚合物溶液的图像(A)、有声频扰动的聚合物溶液的图像(B)以及有电场和声频扰动(C)的聚合物溶液的图像。

图7示出能够利用本技术获得的示例性纤维和纤维构建体。

图8示出使用本发明的方法和设备制备伤口敷料的示例性系统。

具体实施方式

如本文所定义的，泰勒锥是锥形的对称或非对称突起，例如，通过超声波和电场从聚合物浴液引起的突起。

如本文所定义的，纳米纤维是带有小于1000nm的直径的从泰勒锥浮现的纤维状结构。

如本文所定义的，喷射使用超声波来生产纳米纤维的短段。

如本文所定义的，电绝缘材料是防止超声波换能器和静电纺丝机的电极之间的电短路的材料。导电材料具有优选地低于10^-8S/m的导电率。

如本文所定义的，声传导材料是无显着衰减地允许所采用的超声波通道的材料。声传导材料具有优选低于10dB/cm的衰减。

根据一个实施例，本发明涉及一种静电纺丝设备。在图1A和1B中示出了根据非限制性的示例性实施例的设备。该示例性静电纺丝设备包括：

-用于聚合物介质(110)的开放室(101)，该开放室包括侧壁(101a)，以及优选地通过入口通道(105)和出口通道(107)向开放室供应聚合物介质和/或使聚合物介质循环的装置(104)，

-被构造成产生超声波束(129)的装置，该装置包括超声波信号产生装置(113)和超声波换能装置，诸如，超声波换能器(114)，

-电压产生装置，该电压产生装置包括定位在开放室中的电极(108)，该电压产生装置被构造成向聚合物介质施加电压，以及

-在开放室和超声波换能器之间的电绝缘但是声传导的膜。

超声波换能器被定位成使得超声波束穿过电绝缘膜作用于聚合物介质。

根据本发明，该设备的超声波信号产生装置被构造成产生包括至少脉冲或者突发脉冲的超声波束。不排除连续波的存在。当该设备运行时，作用于聚合物介质的超声波束可包括一个或多个突发脉冲、一个或多个脉冲、以及包括连续超声波的时间窗口。

超声波束被构造成从聚合物表面(106)产生聚合物的突起(125)。

电压产生装置被构造成向突起(125)施加电压，从而从该突起形成泰勒锥(118)，并且聚合物纤维(119)从泰勒锥的顶端喷出。

图2演示了从通过根据本发明的示例性设备产生的聚合物介质的以超声波方式产生的聚合物突起形成超声波突发脉冲引起的纤维(高速相机照片：以238k FPS获取的镜头)。在图中，图例(A)指示在特定纤维形成之前产生的超声波突起(即，其中示出的突起是前一聚焦的超声波辐照的结果)，图例(B)指示在超声波突发脉冲(突发脉冲持续时间46μs)击中突起的顶端时的瞬间的突起顶端，图例(C)指示从突起顶端形成的泰勒锥(聚合物电荷—20kV)，并且图例(D)指示从泰勒锥形成的纤维。相比之下，通过仅使用连续超声波，图2中所示的实验中所使用的电荷不能够以相对低的电压—20kV以及从收集器至超声波诱导突起的类似距离引发纤维形成。较高电荷的使用则由于产生使所生产的纤维基体退化的剧烈聚合物飞溅而限制了对纤维形成的控制。

膜(103)的主要功能在于，使聚合物介质与超声波换能器分离。膜应当是基本电绝缘的，以防止电击穿，例如短路。示例性的膜为麦拉膜，即，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜

根据优选实施例，该设备包括定位在膜和超声换能器之间的填充有电绝缘但是声传导的材料(109)的密封室(102)。密封室(102)中的材料应当是基本上电绝缘的，以防止电击穿，例如短路。此外，该材料应当是声传导的(低超声波吸收和散射)。当将密封室和聚合物分离的膜是平坦且厚的时，在该电绝缘且声传导的材料中的声速应当该接近聚合物介质的声速，以避免超声波束的散焦。可替代地，膜能够与聚焦超声换能器同心地弯曲。在后一种情形下，在聚合物和换能器之间的材料中的声速不必与聚合物中的声速类似。具有接近许多水性聚合物的声速的合适电绝缘且声传导的材料的示例为矿物油。合适材料的另一示例为固体环氧聚合物。密封则防止材料移动，并且防止在材料内侧形成气泡。

当存在密封室时，超声波束被构造成穿过密封室中的材料和膜来作用于聚合物介质。

根据一个实施例，该设备包括被构造成使密封室(102)中的材料(109)循环和/或改变密封室(102)中的材料(109)的装置(127)。示例性的装置包括两个或更多个管、泵。这种实施例的优点是，当材料为液体时，如果需要，例如当聚合物介质的属性改变时，则其能够容易地改变。装置(127)还能够包括用于加热和/或冷却该材料的装置。

为了控制单根纤维的属性(受控直径、拓扑、长度，孔隙度和形态)，能够施加紧密几何聚焦和时空控制(稳定或动态)的超声波束(例如，单频、频率混合、较高/次谐波产生、冲击波产生、爆破或连续波)。需要超声波束到达聚合物介质并且优选地通过声辐射力、声流、气穴或聚合物的物理化学改性(例如表面张力、聚合物介质中的聚合物状态、粘度、流变状态、温度、密度和压力)中的一种来产生突起。超声波束的紧密聚焦优选产生窄(顶端直径<1mm)且高(高度>2mm)的突起，这是以相当低的电场，即δ1kV/cm，产生泰勒锥和纤维喷出的必要条件。带有100-300Hz的低重复频率的突发脉冲超声波束对于以δ1kV/cm的电场开始纤维喷出是优选的。

优选地，该设备包括电接地的或带电的收集器板(111)，并且更优选地还包括收集器板操纵装置(115)，该收集器板操纵装置(115)被构造成沿正交的x、y和z方向移动收集器板。示例性的运动是平移和旋转。

收集器能够是任何接地的或带电的收集器。收集器的形状可以不同于盘或板的形状，并且例如能够是锥形或楔形的。其还可以是静止的、平移的、摆动的、抖动的，或者通过收集器操纵装置(115)，诸如致动器(例如主轴或线轴)，沿着/围绕一个或多个轴线旋转。收集器运动可以与超声波激励同步。可以通过声波，例如表面波、膜波、共振，来调制收集器表面。

超声波产生装置被构造成在聚合物介质的顶表面中导致突起(125)，且因此与DC场一起形成泰勒锥(118)。超声波产生装置包括一个或多个有源换能器元件(114)以及一个或多个信号发生器(113)，且可选地还包括相位控制器。根据优选实施例，超声波产生装置包括信号发生器(113)，信号发生器(113)被构造成产生优选地独立的编码信号，即，其瞬时振幅、相位和频率以预定方式在时间上改变的信号，所述信号被驱动到换能器(114)。能够使用多路复用器获得相同的技术效果，从而仅需要一个信号发生器。根据另一实施例，超声波产生装置包括功率放大器(116)，功率放大器(116)被构造成放大被驱动到换能器的电子信号，优选地通过阻抗匹配电路(117)来放大，该阻抗匹配电路(117)最大化对换能器的功率传递，并且防止驱动信号的失真。在附图中未示出功率放大器(116)和阻抗匹配电路(117)。

根据特定实施例，根据本发明的设备包括：多个超声波产生装置，超声波产生装置被构造成使聚合物介质突出，且因此在聚合物介质的顶表面上形成多个突起；以及电压产生装置，电压产生装置包括位于开放室中的电极，该电压产生装置被构造成向聚合物介质的突起的顶端施加电压，使得在电压产生装置的帮助下，形成多个泰勒锥，并且从泰勒锥的顶端喷出多个聚合物纤维。根据该实施例，该设备还包括被构造成将所述多个聚合物纤维引导到可旋转的收集器板上的基本相同的位置的装置。

根据一个实施例，信号产生装置包括被构造成修改换能器电压、修改换能器脉冲/突发脉冲持续时间、修改换能器脉冲重复频率、修改换能器频率含量、修改换能器信号声学线性/非线性和/或修改换能器信号特征的装置。示例性的信号特征为正弦、锯齿、方形、振荡、编码信号、噪声。

根据一个实施例，使用频率从kHz到THz，优选约MHz，并且最优选地约2MHz的猝发音或连续信号或编码信号进行纺丝。振幅的范围能够从几Pa至GPa，更优选地几百kPa至几MPa。优选地，振幅调制为具有0.01-100000Hz(最优选为100-300Hz)脉冲重复频率(PRF)的10-500周期正弦猝发音。PRF对如何容易地开始纺丝事件有影响。100-300Hz的PRF和1-5mm的喷泉高度对于开始纺丝是优选的。可以纺丝已经开始之后施加连续波。

根据一个实施例，该设备还包括用于声学参数激励(即，声频混频)的装置，或者通过振幅调制，作为允许对从内侧接近泰勒锥顶端的点进行低频调制的方式。

根据一个实施例，该设备还包括被构造成朝向收集器板(111)引导聚合物纤维的AC/DC产生装置(120b)。示例性的DC产生装置是AC/DC电极，诸如直导体。

根据另一实施例，根据本发明的设备还包括被构造成从外部，优选地在形成在焦点处的喷泉(126)的顶点处，调制泰勒锥的顶端的磁、电场，声学和/或光学装置。泰勒锥能够是对称的或不对称的。

根据优选实施例，该设备的所有功能特征，包括密封室(102)、开放室(101)、膜(103)、收集器(111)和可选的收集器板操纵装置(115)，以及AC/DC产生装置(120b)，都位于气候室(112)内侧。这简化了对使用该设备制备的聚合物纤维的物理化学属性的控制和调节。

根据一个实施例，根据本发明的设备包括被构造成控制温度、RH、pH和大气的装置(123)，以便调节聚合物介质、密封室的材料以及开放室上的大气的期望属性。根据另一实施例，该设备还包括被构造成从聚合物介质和/或密封室中的材料移除气泡的装置。

根据另一实施例，根据本发明的设备包括具有到达将要成像的样品的光学/声学路径(124)的成像装置(120)，成像装置(120)被构造成对泰勒锥体(118)和/或聚合物纤维(119)成像。

根据优选实施例，成像装置被构造成拍摄泰勒锥和喷出纤维的至少一部分的单个或一系列图像。根据另一实施例，该设备包括具有不同视点的多个成像装置，以便允许例如通过使用反射镜或棱镜以及一个成像传感器产生泰勒锥和喷出纤维的3D图像。这允许对泰勒锥中的非对称振动模式和微涡流的增强控制。根据一个实施例，通过使用包括反射表面和分束器的成像装置获得多角度视图。根据另一实施例，成像装置包括偏振器，其被构造成锐化图像并确定聚合物纤维中的内部应力场。

成像(单个图像和多个图像的序列)能够通过任何能够获得关于泰勒锥的信息的合适技术执行。示例包括但不限于光学显微术、荧光显微法、UV成像、拉曼光谱法、干涉测量法、衍射和动态光散射。成像技术是已知的，并且合适的成像装置是可商购的，或者能够以相对直接的方式对当前需要定制。类似地，存在能够针对当前需求定制的图像捕获和分析软件。成像可基于直接照明、背光照明或自照明。从成像设备获得的图像被存储在分析单元(例如，计算机)上，其中使用适当的软件和算法对其进行分析，以便确定泰勒锥的形状和喷出纤维的属性。因为所记录的辐射的源可能不同，所以分析取决于成像技术。在光学显微术的情形中，图像中的每个图像都包括在制造过程的不同阶段处的泰勒锥或喷出光纤的显微照片或一组显微照片。在一个实施例中，图像处理包括确定泰勒锥和纳米纤维、纳米纤维编织物的投影尺寸。处理基于例如连续图像的横截面表面积。处理还允许基于来自连续图像的投影来确定飞溅的存在，以及基于连续图像确定泰勒锥上的表面波的存在。

根据一个实施例，随着成像进行，实时地基于目前获得的数据执行泰勒锥和喷出光纤的期望属性的计算。结果在开始时是大致近似的，并且随着可获得的数据越多而变得越准确(例如，贝叶斯过滤)。数据分析也可以是迭代的，并且能够从图像数据进行带有拓扑和形态信息的3D重建。根据另一实施例，仅在制作过程已经达到预定点之后才进行泰勒锥和纤维属性的计算，在所述预定点之后，该过程终止或继续。根据另一实施例，以预测方式执行对期望泰勒锥或纤维属性的计算，预测泰勒锥和纤维的未来状态以允许对过程的提前控制(例如，随机控制以使纤维或纤维编织物质量更均匀，或者纤维构建体的质量更均匀)。还能够使用这种方法以使纤维构建体更贴合规格。

为了对正在生产的聚合物纤维进行反馈控制，该设备还包括光学装置，诸如频闪或高帧率相机。根据另一实施例，该设备还包括被构造成控制以下之一的软件和固件：自由聚合物表面的水平、泰勒锥的形状、喷出向量、喷出向量的指向稳定性、聚合物飞溅的存在、纤维厚度、和纤维或纤维编织物中的材料梯度、以及不纺丝。反馈控制可使用或不使用图像数据库进行基于内容的图像检索和相似性比较。

根据一个实施例，成像装置被构造成拍摄泰勒锥和所喷出的纤维的至少一部分的单个图像或一系列图像。根据另一实施例，该设备包括具有不同视点的多个成像装置，以允许产生泰勒锥和喷出纤维或纤维编织物的3D图像。这允许对泰勒锥中的非对称振动模式和微涡流的增强控制。根据一个实施例，通过使用包括反射表面和分束器的成像装置获得多角度视图。根据另一实施例，成像装置包括偏振器，其被构造成锐化图像并确定聚合物纤维中的内部应力场。

根据另一实施例，本发明涉及一种使用静电纺丝设备来生产聚合物纤维的方法。适合于该方法的示例性设备包括：

-包括侧壁(101a)的开放室(101)，

-超声波束产生装置，

-包括定位在开放室中的电极的电压产生装置，以及

-在开放室和密封室之间的电绝缘但是声传导的膜(103)，

该方法包括下列步骤：

-向开放室(101)提供聚合物介质，

-穿过电绝缘膜使聚合物介质经受超声波束，以及

-向聚合物介质施加电压。

根据优选实施例，该方法还包括收集聚合物纤维。

根据该方法，超声波束包括波峰、突发脉冲中的至少一种。

根据本发明的方法，超声波突发脉冲或脉冲在位于开放室中的聚合物介质的顶表面上产生突起。优选地，超声波突发脉冲或者脉冲如此强烈，使得突起的顶端处于开放室的壁的顶边缘上方。这通过减小壁对电DC场的影响而确保了在突出的顶端和目标之间的稳定电场。

根据本发明的方法，通过使用位于开放室中且处于聚合物介质内的电极来向聚合物介质施加电压。优选地，电压在5kV和50kV之间。这形成泰勒锥，并且因此形成聚合物纤维从泰勒锥的顶端的喷出。根据该方法，喷出的聚合物纤维被收集到接地或者带电的收集器中，收集器是平的、圆锥的或者具有任何其它几何形状。收集器是本领域已知的。

使用超声波允许以快速间歇方式在无纺丝、纺丝和喷射模式之间进行切换。在一个实施中，其特征在于采用聚焦压电陶瓷换能器，多个扇区(优选地16个扇区)已经被雕刻到该聚焦压电陶瓷换能器中，以允许经相位控制的聚焦超声波。使用环形相控阵结构，能够动态地调节泰勒锥的顶锥角(tip angle)和对称性，并且能够将涡度引入锥体中，以使挤出纤维呈螺旋状。

根据优选实施例，泰勒锥，优选泰勒锥的顶端和/或聚合物介质的顶表面的层状部分被外部调制器调制，使得喷出的聚合物纤维的形状和/或外形根据需要被控制和微调。示例性的调制为磁调制、电场调制、声调制、热调制和光学调制。

根据另一实施例，根据本发明的另一方法还包括通过外部DC场引导从泰勒锥的顶端喷出的聚合物纤维，并且将纤维收集到接地或者带电的收集器上。

根据另一实施例，本公开涉及一种使用静电纺丝设备来生产聚合物纤维的方法，该设备包括。适合于该方法的示例性设备包括：

-开放室(101)，

-超声波束产生装置，

-包括定位在开放室中的电极的电压产生装置，和

-在开放室和密封室之间的电绝缘但是声传导的膜(103)，以及

-收集器板(111)，

该方法包括下列步骤：

-向开放室提供聚合物介质，

-使聚合物介质经受多个超声波束，以使得在聚合物介质的表面上形成多个突起，所述超声波束包括脉冲、突发脉冲中的至少一种，

-向聚合物介质施加电压，使得在突起上形成多个泰勒锥，并且从泰勒锥的顶端喷出聚合物纤维，

-旋转收集器板，使得形成包括多个聚合物纤维的编织物。

根据优选实施例，聚合物介质为液体。根据另一个优选实施例，聚合物介质包括两种或更多种聚合物、一种或多种溶剂和/或一种或多种诸如化学或生物实体的基质。溶剂使得聚合物介质较不粘稠，并且有助于将一种或多种基质结合到聚合物收集构建体中。示例性的基质为药物分子、前体药物分子、候选药物分子、纳米颗粒、金颗粒(例如金纳米颗粒)、细胞、病毒、双膦酸盐、类固醇、蛋白聚糖、胶原质和生长因子。根据另一实施例，基质选自药物分子、金颗粒、病毒和细胞。

本技术可能感兴趣的生物活性材料包括：止痛剂、拮抗剂、抗炎剂、驱肠虫剂、抗心绞痛剂、抗心律失常剂、抗生素(包括青霉素)、抗胆固醇、抗凝血剂、抗惊厥剂、抗抑郁剂、抗糖尿病药、抗癫痫药、抗促性腺激素、抗组胺剂、抗高血压药、抗毒蕈碱药、抗分支杆菌药、抗肿瘤药、抗精神病药、免疫抑制剂、抗甲状腺药、抗病毒药、抗真菌剂、抗焦虑镇静剂(催眠药和精神安定药)、收敛剂、β-肾上腺素受体阻断剂、血液制品和替代物、抗癌剂、强心剂、造影剂、皮质类固醇、止咳剂(祛痰剂和粘液溶解剂)、利尿剂、多巴胺能药(抗帕金森病药)、止血剂、免疫抑制剂和免疫活性剂、脂质调节剂、肌肉松弛剂、副交感神经药、甲状旁腺降钙素和双膦酸盐、前列腺素、放射性药物、性激素(包括类固醇)、抗过敏剂、兴奋剂和厌食症剂、拟交感神经药物、甲状腺药物、血管扩张剂、神经元阻断剂、抗胆碱能药和胆碱仿制药、抗毒蕈碱和毒蕈碱药、维生素和黄嘌呤。

适用于本技术的示例性药物为恩他卡朋、埃索美拉唑、阿托伐他汀、雷贝拉唑、吡罗昔康和奥氮平。一种示例性药物是吡罗昔康(4-羟基-2-甲基-N-(2-吡啶基)-2H-1,2-苯并噻嗪-3-甲酰胺1,1-二氧化物)。

根据本方法生产的纤维的直径通常为5至1000nm，优选为约100nm。纳米纤维编织物较大。在图7中示出了能够通过本发明的方法获得的示例性纤维。所生产的纤维可包括与基质相同或不同的纳米颗粒。

根据本公开的方法生产的聚合物纤维能够是固体或者含有夹杂物。纤维能够是均匀的或能够包含梯度和/或分层结构。如果生物材料诸如活细胞被结合到聚合物纤维中，则选择聚合物使得细胞能够在聚合物纤维中存活。根据另一实施例，选择聚合物纤维，使得纤维按需要改变细胞的属性。聚合物还能够被选择为使得其在生物学上可再吸收。

根据另一实施例，该方法还包括拍摄泰勒锥和/或喷出纤维或纤维编编织物的一个或多个图像，并且对图像进行存储和/或分析。存储图像有用的，特别是在需要质量控制和生产后验证的制药应用中。另外，分析允许检测收集的构建体中的潜在结构缺陷，以及在聚合物纤维形成期间在线调整制作参数。

图3示出了根据本公开的方法和设备的使用3％聚环氧乙烷(PEO)水溶液作为聚合物介质以及高(650mV，由信号发生器(113)产生，且然后由功率放大器(116)放大)、中(500mV)和低(260mV))超声波振幅生产的示例性纳米纤维(A-F)。纤维(G)是使用根据现有技术的针纺丝器材生产的。

如图3A-F所示，纤维形状能够作为超声波振幅的函数来进行调整。列表示两个平行实验，证明了该方法的重复性。特别是当制备用于医疗和药物应用的纤维时，这是一个优点。在图3中示出纤维的平均厚度。结果表明，通过改变超声波场的振幅来修改纤维拓扑。

如图3中的结果所示，通过借助于驱动电压改变超声波柱(125)高度，能够改变所生产的纤维的属性，例如平均厚度或厚度变化。能够以高精度(μs至ms)作为时间的函数来控制(122)跨换能器(114)的电压。因此，能够沿着纤维以高分辨率改变纤维属性。将其与外部操作(115、120b)相结合，能够在时间和空间上控制所生产的纤维构建体(128)，这等效于3D打印，但是在微观尺度上。此外，能够及时地控制无质量的“喷嘴”尺寸，这对于基于喷嘴的3D打印方法是不可能的。

图4示出了根据本发明使用不同超声波设定来制备的示例性纳米纤维的厚度，以及根据现有技术制备的纳米纤维的厚度。平均值表示图3中呈现的纤维样品的平均厚度，SD表示相应的分布。结果表明，能够通过不同的声场强度修改平均厚度值，表现了纤维拓扑的非化学改变。厚度分布反映了图3所示的纤维的拓扑异质性。

在图6A-C中示出聚合物介质的顶部表面的示例性图像。图6A示出了聚合物介质既不经受超声波也不经受电场的情形。图6B示出当聚合物介质经受超声波且因此形成突起时的情形。在图6C中，聚合物介质经受超声波以及电场。如图所示，形成泰勒锥，并且聚合物纤维从泰勒锥的顶端喷出(声泉)。

根据优选实施例，诸如药物分子的基质被结合到聚合物纤维中。这通过在本发明的方法中使用包括诸如药物分子的基质的聚合物介质实现。

根据一个实施例，使用根据本公开的方法和设备制备包括吡罗昔康的壳聚糖/PEO纤维。在图5中示出了吡罗昔康在水介质中从各种直径的壳聚糖/PEO纤维溶解。

例如能够通过将纳米气泡或者光吸收纳米颗粒(例如，金或光控制有机分子)嵌入纤维中，并且例如通过施加声或光而施加外部扰动来改变物质从纤维释放的释放曲线。为了在期望地点受控地释放，这种释放能够由环境，例如pH、酶和温度触发。

本发明的设备和方法适适于制备伤口敷料和创可贴。根据优选实施例，伤口敷料(或创可贴)优选地包括增强伤口愈合的药物。在图8中示出了示例性系统。因此，包括期望的药物分子(701)的聚合物介质被设置在根据本发明的设备的开放室中。然后允许超声波束(705)在聚合物介质的表面上产生突起，并且通过向聚合物介质施加电压，从该突起形成泰勒锥(706)，并且聚合物纤维构建体(702)从泰勒锥的顶端喷出。这种构建体被引导到伤口(703)以形成伤口敷料(704)。

设备能够是手持式的，并且能够在医院的床边或在家中或在现场由患者使用，例如，自制伤口敷料、创可贴或膏药，全部有或没有药物。

根据另一实施例，本发明涉及一种计算机程序产品，其包括用于控制可编程处理器以检查泰勒锥和/或喷出纤维的计算机可执行指令，其中该程序适于评估能够通过根据本发明的方法获得的数据。计算机程序产品能够以一个或多个电路实现，所述电路中的每个电路都能够是设有适当软件的可编程处理器电路、专用硬件处理器(例如应用程序专用集成电路“ASIC”)、或可构造硬件处理器(例如现场可编程门阵列“FPGA”)。

根据另一实施例，本发明涉及一种能够通过使用本发明的静电纺丝设备的方法获得的包括基质的聚合物纤维，该方法包括：

-提供包括基质的聚合物介质，

-使聚合物介质经受包括至少脉冲或者突发脉冲的超声波束，以及

-向聚合物介质施加电压。

优选地，基质从药物分子、无机颗粒、病毒、细胞和生物活性分子构成的组中选择。示例性的无机颗粒为金颗粒。

根据另一实施例，基质选自药物分子、前体药物分子、药物候选分子、纳米颗粒、金颗粒(例如金纳米颗粒)、细胞、病毒、二膦酸盐、类固醇、蛋白聚糖、胶原质和生长因子。

根据特定实施例，生物活性分子选自蛋白质、肽、核酸、寡糖、多糖、脂质、激素、生长因子、抗体构成的组。

根据特定实施例，肽包含2至300个氨基酸，其中氨基酸是天然存在的氨基酸和/或非天然存在的氨基酸。

根据特定实施例，抗体是嵌合抗体、人源化抗体或全人源抗体、和/或其抗原结合片段。

根据又一特定实施例，本发明涉及一种包括能够通过本发明的方法获得的包括基质的聚合物纤维的支架。

上文给出的描述中提供的非限制性、具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。

Claims

1.一种用于生产聚合物纤维(119)的设备，所述设备包括：

-用于聚合物介质(110)的开放室(101)，

-电压产生装置，所述电压产生装置包括定位在所述开放室中的电极(108)，所述电压产生装置被构造成向所述聚合物介质施加电压，

-超声波束产生装置，所述超声波束产生装置包括信号产生装置(113)和超声波换能器(114)，

-在所述开放室和所述超声波换能器之间的电绝缘但是声传导的膜(103)，其特征在于，所述信号产生装置被构造成产生超声波束驱动信号，所述信号包括脉冲和突发脉冲中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述信号产生装置(113)还包括被构造成修改换能器电压、换能器脉冲/突发脉冲持续时间、换能器脉冲重复频率、换能器频率含量、换能器信号声学线性/非线性以及换能器信号特征中的一项或多项的装置(116、117)。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备包括在所述膜(103)和所述超声波换能器(114)之间的密封室(102)，该室包括电绝缘但是声传导的材料(109)。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述设备包括被构造成使所述密封室(102)中的材料(109)循环和/或改变所述密封室(102)中的材料(109)的装置(127)。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中，所述材料(109)选自油，特别是矿物质油，以及固态环氧聚合物。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，其中，所述膜(103)包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的设备，所述设备还包括：

-电接地的或带电的收集器板(111)，所述收集器板被构造成收集聚合物纤维，和

-优选地，收集器板操纵装置(115)，所述收集器板操纵装置被构造成使所述收集器板沿着正交的x方向、y方向和z方向移动。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的设备，所述设备还包括：

-被构造成产生AC/DC场并且朝向所述收集器板引导聚合物纤维的装置(120b)。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的设备，所述设备还包括：

-被构造成调制泰勒锥(125)的顶端和/或离开所述泰勒锥的聚合物纤维的层状部分的装置(121)。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的设备，所述设备还包括被构造成从泰勒锥和/或喷出的聚合物纤维(119)拍摄一张或多张照片的装置(120)。

11.一种用于使用静电纺丝设备来生产聚合物纤维的方法，

所述方法包括：

-提供聚合物介质，

-使所述聚合物介质经受超声波束，以及

-向所述聚合物介质施加电压，其特征在于，

所述超声波束包括脉冲和突发脉冲中的至少一种。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电压为δ1kV/cm，并且所述超声波束包括多个突发脉冲，其中，所述突发脉冲的重复频率为100-300Hz。

13.根据权利要求11或12所述的方法，所述方法还包括：将聚合物纤维收集到电接地的或带电的收集器板上。

14.根据权利要求11或12所述的方法，所述方法还包括：将聚合物纤维收集到皮肤、尤其是受伤的皮肤上。

15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：将超声波束聚焦至泰勒锥，并且改变所述超声波束的振幅、频率和/或脉冲重复频率。

16.根据权利要求11至15中的任一项所述的方法，所述方法还包括：通过外部AC/DC场来引导聚合物纤维。

17.根据权利要求11至16中的任一项所述的方法，所述方法还包括：调制泰勒锥的顶端和/或离开所述泰勒锥的聚合物纤维的层状部分。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述调制选自磁调制、电场调制、声学调制、热调制和光学调制。

19.一种用于使用静电纺丝设备来生产聚合物纤维束的方法，所述静电纺丝设备包括收集器板，所述方法包括：

-提供聚合物介质，

-使所述聚合物介质经受多个超声波束，

-向所述聚合物介质施加电压，

-将所述多个聚合物纤维引导至在所述收集器板上的基本相同的位置，以及

-旋转所述收集器板，其特征在于，

所述超声波束包括脉冲和突发脉冲中的至少一种。

20.根据权利要求11至19中的任一项所述的方法，所述聚合物介质还包括溶剂和/或基质。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述基质选自药物分子、前体药物分子、药物候选分子、纳米颗粒、金颗粒、病毒和细胞。

22.根据权利要求11至21中的任一项所述的方法，所述方法还包括：对泰勒锥和/或喷出的聚合物纤维成像，并且将成像的结果存储在存储介质中并且/或者基于成像的结果控制所述方法。

23.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于控制可编程处理器以检查泰勒锥和/或喷出的聚合物纤维的计算机可执行指令，其中，所述程序适于评估能够通过根据权利要求22所述的方法获得的数据。

24.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用根据权利要求23所述的计算机程序进行编码的计算机可读介质。

25.一种能够通过根据权利要求20或21所述的方法获得的聚合物纤维。

26.根据权利要求25所述的聚合物纤维，其中，所述基质选自由药物分子、无机颗粒、病毒、细胞和生物活性分子构成的组。

27.一种支架，所述支架包括根据权利要求25或26所述的聚合物纤维。