CN113302348B - 聚焦旋转喷射纺丝装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于微米或纳米尺寸聚合物纤维以及此类纤维材料的聚焦定向沉积的系统和方法。该系统和方法采用一股或多股气流来卷吸和偏转由旋转喷射纺丝系统产生的纤维，以形成聚集的纤维流。一些实施例能够以相对高的纤维通量来控制纤维的排列和分布。

Description

聚焦旋转喷射纺丝装置及其使用方法

相关申请

本申请要求于2019年1月14日提交的美国临时专利申请No.62/792,036的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开的实施例涉及利用气流汇聚来操纵纤维运动的定向旋转喷射纺丝系统。

背景技术

纤维结构被自然和工程师用于多种功能：纤维增强、过滤、隔热、驱动控制等。这些功能的实现主要依赖于纤维的直径及其3D组织。许多生物组织由排列成复杂的三维排列的小直径纤维(例如，微米级或纳米级直径纤维)构成。例如，控制人体运动的肌肉纤维直径约为10μm至100μm，并且沿着驱动方向成束。作为另一个例子，胶原纤维是细胞外基质的主要成分，其直径约为10nm至约100nm，并被组织成多种不同结构以实现不同组织的不同机械性能。尽管人类在设计直径约为100μm及以上的厚纤维结构方面有着丰富的历史，但是使用传统技术控制纤维的排列和组织以设计直径约为10μm及以下的精细纤维结构仍然具有挑战性。挑战之一在于同时实现精细的纤维直径、复杂的三维(3D)结构以及高通量，这可以通过对两种主要的纤维制造技术进行比较来说明，即如图1A-1C所示的随机纤维沉积(随机-FD)和挤出式3D打印(挤出式-3DP)。在随机-FD技术中，例如熔喷和静电纺丝，纤维以随机排列的云接近目标，并且显示出对纤维排列和三维几何形状的较差控制。云内的空间分布和纤维取向都不受控制。对纤维云的控制不佳导致对沉积的控制不佳。相比之下，挤压式-3DP通过移动喷嘴挤压纤维，该喷嘴精确地控制沉积的位置和纤维每个部分的排列。然而，挤压式-3DP的通量较低。虽然这两种技术都能够生产大直径范围的纤维，但只有挤出式-3DP可以生产复杂的3D结构，而随机-FD在精细纤维的通量方面具有数量级的优势。通量的限制是固有的:为了填满相同的体积，所需的纤维长度随着纤维直径的减小而迅速增加。挤出式-3DP必须追踪纤维的长度(例如，对于某些应用，长度>100km)，而纤维沉积则不需要。

因此，本领域需要能够以高通量生产小直径纤维(例如，直径小于10μm的纤维)的复杂3D结构的改进系统。

发明内容

本发明的一些实施例包括旋转喷射纺丝系统，该旋转喷射纺丝系统被构造成通过外部施加的气体(例如，空气流)来操控纤维运动，以形成定向的纤维流。一些实施例能够控制纤维排列并具有相对高的通量。

一些实施例提供了一种用于一根或多根微米或纳米尺寸聚合物纤维的聚焦定向沉积的系统，该系统包括储存器，该储存器被构造成保持包括聚合物的材料并可围绕旋转轴线旋转。该储存器包括第一端；与第一端相对的第二端；从第一端延伸至第二端的外侧壁，储存器的形状包括从储存器的外侧壁径向向内设置的一个或多个孔，该一个或多个孔被构造成使得气体能够从第一端运动通过储存器到达第二端；和形成在外侧壁中的一个或多个孔口，该一个或多个孔口中的每一个被构造成用于在储存器的旋转期间通过孔口径向向外喷射材料作为喷射射流。该系统还包括一个或多个气流源，其每一个被构造成在储存器的旋转期间引导气流从储存器的第一端的上游通过储存器的一个或多个孔从储存器的第一端到第二端以及储存器的第二端的下游，该一个或多个气流源共同在储存器的第二端的下游的第一方向上形成组合气流，该组合气流卷吸并偏转一股或多股喷射射流，以在第一方向上形成一根或多根微米或纳米尺寸聚合物纤维的聚焦流，该第一方向具有与储存器的旋转轴线成5度以内的取向。

在一些实施例中，该一个或多个气流源包括多个气流源，该多个气流源具有汇聚的方向，以在第一方向上形成组合气流。在一些实施例中，多个气流源中的至少一些的气流速度相对于的其他气流源的气流速度是可控制的，以实现平衡的组合气流。在一些实施例中，多个气流源的数量和所述多个气流源的布置被构造成使得在储存器的旋转期间的任何单个时间点，来自所有多个气流源的气流流过储存器的一个或多个孔的孔，或者来自所有多个气流源的气流被储存器阻挡。在一些实施例中，多个气流源包括三个气流源。

在一些实施例中，来自一个或多个气流源的总气流速度是可控制的，以改变微米或纳米尺寸聚合物纤维流的具有最紧密聚焦的位置距所述储存器的距离。

在一些实施例中，第一方向在旋转轴线的2度范围内。在一些实施例中，第一方向基本平行于旋转轴线。

在一些实施例中，一根或多根微米或纳米尺寸聚合物纤维的聚焦流的流宽小于储存器的外侧壁的直径。

在一些实施例中，该系统进一步包括设置在多个气流源的上游的阻流结构，该阻流结构被构造为减少多个气流源的上游的气流对于微米或纳米尺寸聚合物纤维流的聚焦的影响。在一些实施例中，该阻流结构设置在旋转的储存器的上游，并且被构造为至少部分地阻挡来自旋转的储存器的上游的气流，从而减小来自旋转的储存器的上游的气流对由于储存器的旋转而产生的气流与通过一个或多个孔的述气流之间的相互作用的影响。在一些实施例中，该阻流结构是静止的，并且不随储存器旋转。在一些实施例中，该阻流结构能够增强对由气流和储存器的旋转所产生的涡流结构的控制，从而当所述纤维向目标行进时，提升对于微米或纳米尺寸聚合物纤维的横向沉积区域的控制。

在一些实施例中，该一个或多个气流源被构造成能够控制所述气体的流速，以在纤维朝向目标行进时聚焦微米或纳米尺寸聚合物纤维的横向沉积区域。

在一些实施例中，该系统进一步包括目标旋转系统，该目标旋转系统被构造为在沉积期间旋转三维的目标，以将纤维沉积在目标的不止一侧上。

在一些实施例中，该系统被构造为手持式的。

在一些实施例中，所述系统进一步包括用于凝固、沉淀或交联的容器，该容器被构造为容纳用于喷射的聚合物材料的凝固、沉淀或交联的浴。

在一些实施例中，该系统进一步包括热源，该热源用于在聚合物材料被输送至储存器之前或聚合物材料在储存器中时加热聚合物材料。

在一些实施例中，该系统被构造为用于纤维的共沉积，并且该系统进一步包括：第二储存器，该第二储存器被构造为容纳包括第二聚合物的第二材料并且能够围绕第二旋转轴线旋转，该第二储存器包括：第一端；与第一端相对的第二端；从第一端延伸至第二端的外侧壁，第二储存器的形状包括从储存器的外侧壁径向向内设置的一个或多个孔，该一个或多个孔被构造成使得气体能够从第一端运动通过储存器到达第二端；和形成在外侧壁中的一个或多个孔口，该一个或多个孔口中的每一个被构造为用于在第二储存器的旋转期间通过一个或多个孔口径向向外喷射第二聚合物材料作为第二喷射射流；该系统进一步包括第二多个气流源，该第二多个气流源中的每一个被构造成在第二储存器的旋转期间引导气流从第二储存器的第一端的上游通过第二储存器的一个或多个孔从第二储存器的第一端到第二端以及第二储存器的第二端的下游，该多个气流源具有汇聚的方向，使得来自多个气流源的气流在第二储存器的第二端的下游的第二方向上共同形成第二组合气流，该第二组合气流卷吸并偏转第二喷射射流，以在第二方向上形成一根或多根第二微米或纳米尺寸聚合物纤维的第二聚焦流，该第二方向具有与第二旋转轴线的旋转轴线成5度以内的方向。该第一方向和该第二方向被定向为用于在同一收集表面上沉积。在一些实施例中，该系统被构造为用于在同一收集表面上同时沉积第一聚合物的一根或多根纤维以及第二聚合物的一根或多根纤维。

一些实施例提供了一种用于形成及沉积至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维的方法。该方法包括：围绕旋转轴线旋转保持包括聚合物的材料的储存器，以从由储存器的外侧壁限定的至少一个孔口喷射至少一股材料射流；引导至少一股气流通过的外侧壁径向向内的储存器上的部分，至少一股气流在储存器的旋转以及至少一股材料射流的喷射期间被从储存器的上游的第一端引导至储存器的下游的第二端，以形成至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维，该至少一股气流卷吸至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维，并在第一方向上形成至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维的聚焦纤维沉积流，该第一方向具有与储存器的旋转轴线成5度以内的方向；以及在目标表面上收集聚焦纤维沉积流。

在一些实施例中，该第一方向基本平行于储存器的旋转轴线。

在一些实施例中，该至少一股气流包括多股气流，该多股气流在第一方向上汇聚并形成组合气流。在一些实施例中，汇聚的多股气流中的至少一些的气流速度相对于其他汇聚的多股气流的流速是可控制的，以实现平衡的组合气流。在一些实施例中，汇聚的多股气流的总气流速度是可控制的，以改变至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维的聚焦纤维沉积流的具有最紧密聚焦的位置距储存器的距离。在一些实施例中，该多股气流包括三股气流。

在一些实施例中，在纤维收集期间，聚焦纤维沉积流具有与目标表面基本相切的方向。

在一些实施例中，该方法进一步包括在纤维收集期间旋转目标表面。

在一些实施例中，该方法进一步包括至少部分地阻挡来自储存器上游的气流，以减少多个气流源上游的气流对至少一种微米或纳米尺寸聚合物纤维的纤维沉积流的聚焦的影响。

在一些实施例中，目标表面在纤维流沉积期间线性地运动。

在一些实施例中，储存器中的材料包括溶剂。

在一些实施例中，储存器中的材料包括聚合物熔融体。在一些实施例中，该方法进一步包括加热储存器。

在一些实施例中，该至少一股喷射射流在被收集到所述目标表面上之前接触浴。在一些实施例中，所述浴包含交联剂。在一些实施例中，该至少一股喷射射流在浴中沉淀，形成至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维。在一些实施例中，至少一股喷射射流在浴中凝固，形成至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维。

在一些实施例中，至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维被沉积以用于复合材料的增强。

在一些实施例中，至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维在一种或多种食物上沉积。

在一些实施例中，该方法进一步包括：围绕第二旋转轴线旋转保持包含第二聚合物的第二材料的第二储存器，以从由第二储存器的外侧壁限定的至少一个孔口喷射至少一股第二材料射流。该方法还包括引导至少一个第二气流通过外侧壁径向向内的第二储存器的一部分，所述至少一股第二气流在所述第二储存器的旋转以及所述至少一股第二材料射流的喷射期间被从所述第二储存器的上游第一端引导至所述第二储存器的下游第二端，以形成所述第二聚合物的至少一根微米或纳米尺寸的聚合物纤维，并且所述至少一股第二气流卷吸所述第二聚合物的至少一根微米或纳米尺寸的聚合物纤维并形成第二聚焦纤维沉积流。该方法还包括在目标表面上收集第二聚焦纤维沉积流。在一些实施例中，第一聚焦纤维沉积流的收集与第二聚焦纤维沉积流的收集在时间上重叠。

一些实施例提供了一种形成三维组织支架的方法，包括执行本文所述的任何方法，其中目标表面是组织支架的三维形状。在一些实施例中，该方法还包括旋转目标以沉积在三维形状的不止一侧上。

本发明所公开的实施例通过提供用于纤维流沉积的系统和方法来满足这些及其他需求。

从以下的详细的说明书和权利要求中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。

附图简要说明

图1A是一些常规随机纤维沉积技术(圆形)以及一些常规挤出式3D打印技术(菱形)的纤维通量vs直径图。

图1B示意性地示出了常规的随机纤维沉积。

图1C示意性地示出了常规的挤出式3D打印。

图2A示意性地示出了根据一些实施例的旋转喷射纺丝系统，该旋转喷射纺丝系统利用气流进行改进以用于纤维流沉积。

图2B是根据一些实施例的通过叠加纤维沉积的视频的帧并指示出纤维流腰部而产生的沉积期间的纤维流的图像。

图3A是根据一些实施例的用于纤维流沉积的旋转喷射纺丝系统的透视图，该系统包括多个气流源，这些气流源将气体吹过储存器的孔口以形成组合气流。

图3B是图3A所示旋转喷射纺丝系统的前视图的图像。

图3C是根据一些实施例的图3A的旋转喷射纺丝系统的储存器的透视图。

图3D是根据一些实施例的用于图3A的旋转喷射纺丝系统中多个气流源的固定装置的透视图。

图3E是根据一些实施例的阻流器的透视图，该阻流器联接至用于图3A的旋转喷射纺丝系统中的多个气流源的固定装置。

图3F是根据一些实施例的储存器、用于待输送至储存器的聚合物材料的供应管线、用于多个气流源的固定装置以及用于多个气流源的供应管线的前透视图。

图3G是根据一些实施例的储存器、固定装置和供应管线的后透视图。

图4A是根据一些实施例的用于纤维流沉积的旋转喷射纺丝系统仿真的轴向气流速度图。

图4B是根据一些实施例的用于纤维流沉积的旋转喷射纺丝系统仿真的径向气流速度图。

图5A示意性地示出了根据一些实施例的用于纤维流沉积的旋转喷射纺丝系统周围的气流，该旋转喷射纺丝系统包括储存器上游的阻流器。

图5B示意性地示出了根据一些实施例的固化成纤维的聚合物材料射流以及拉动成形的纤维的气流。

图5C示意性地示出了根据一些实施例的储存器的轴向视图以及从储存器中喷射出后作用在聚合物材料射流上的力，

图6A是根据一些实施例的用于纤维流沉积的旋转喷射纺丝系统的背景减影图像，该系统不具有产生聚焦纤维流的阻流器。

图6B是图6A的旋转喷射纺丝系统在聚焦纤维流的产生过程中的背景减影图像的平均值，该系统不具有阻流器，该图示出了平均纤维流分布。

图6C是由图6A的系统所产生的纤维的扫描电镜图像，该系统不具有阻流器。

图7A是根据一些实施例的用于纤维流沉积的旋转喷射纺丝系统的背景减影图像，该系统包括产生聚焦纤维流的阻流器。

图7B是图7A的旋转喷射纺丝系统在产生聚焦纤维流期间的背景减影图像的平均值，该系统具有流动阻断装置，该图示出了平均纤维流分布。

图7C是由图7A的系统所产生的纤维的扫描电镜图像，该系统具有阻流器。

图8A是根据一些实施例的，在纤维的产生和沉积期间，在1/800s曝光、1/60公差下拍摄的较大视场上的3600帧的最大强度的叠加，该图示出了纤维流在其腰部的下游变宽。

图8B是根据一些实施例，在距储存器不同距离的旋转目标杆上收集纤维以量化纤维流的加宽的厚度分布图。

图9A示意性地示出了纤维流宽度w和目标表面的曲率半径ρ的长度尺寸。

图9B示意性地示出了根据一些实施例的当w<<ρ，即意味着目标表面对于纤维流来说实际上是平坦的并且沉积与目标的形状相吻合的情况。

图9C示意性地示出了根据一些实施例的当w～ρ或w>>ρ，并且悬垂的纤维阻止目标特征的共形沉积的情况。

图9D是当目标表面的曲率半径大于纤维流宽度时，形成在女性人体模型上的共形沉积图像。

图9E是在具有更精细特征的佛面模型上的共形沉积图像，其中目标表面的曲率半径小于纤维流宽度。

图9F是图9E的共形沉积在压花以将沉积材料成形为包括精细特征之后的图像。

图10A包括根据一些实施例的，将纤维流沉积到切向定向的目标表面上的示意图(上图)、以切向沉积定向进行沉积的纤维的SEM图像(左下图)以及纤维方位的相应的傅立叶图像(右下图)。

图10B包括根据一些实施例的，将纤维流沉积到以与纤维流成60°角定向的目标表面上的示意图(上图)、以60°沉积定向进行沉积的纤维的SEM图像，其示出了部分排列的纤维(左下图)，以及纤维方位的相应的傅立叶图像(右下图)。

图10C包括根据一些实施例的，将纤维流沉积到以垂直于纤维流定向的目标表面上的示意图(上图)、以垂直定向进行沉积的纤维的SEM图像(左下图)以及纤维方位的相应的傅立叶图像(右下图)。

图10D包括根据一些实施例的，在第一深度(右上图)处和360μm深的第二深度(右下图)处沉积到旋转切向定向表面(左图)上的示意图和所得到的纤维结构的CT图像，其示出了纤维的排列随深度的旋转。

图10E包括根据一些实施例的，以相对较低的旋转速度沉积到相对于纤维流成锐角取向的旋转圆柱体的表面上的示意图(上图)、纤维方位的光学轮廓测量(左下图)以及示出纤维的螺旋排列的傅立叶变换图像(右下图)。

图10F包括根据一些实施例的，以相对较快的旋转速度沉积到相对于纤维流成锐角取向的旋转圆柱体的表面上的示意图(上图)、纤维取向的光学轮廓测量(左下图)以及示出纤维的螺旋排列的傅立叶变换图像(右下图)。

图11A示意性地示出了根据一些实施例的用于湿法纺丝应用的旋转喷射纺丝系统，包括用于聚合物材料的沉淀、凝固或交联的水浴器件。

图11B示意性地示出了根据一些实施例的用于熔融纺丝的旋转喷射纺丝系统，其包括一个或多个加热器以加热聚合物材料。

图11C示意性地示出了根据一些实施例的手持式旋转喷射纺丝系统。

图11D示意性地示出了根据一些实施例的包括用于生产过程中纤维流沉积的多个旋转喷射纺丝系统的系统。

图12A示意性地示出了根据一个例子的形成心室支架纤维结构的方法。

图12B是根据一个例子的在组合心轴上沉积之前的组合心轴的图像。

图12C是在用于形成所得的心室纤维支架结构的组合心轴上沉积之后的组合心轴的图像。

图12D是根据一个例子的所得的心室结构的显微CT图像的截面。

图12E是根据一个例子的所得的心室结构的隔膜的显微CT图像。

图12F是根据一个实施例的所得的心室结构的隔膜的详细显微CT图像。

具体实施方式

在以下描述中，应当理解的是，诸如“顶部”、“底部”、“中间”、“向外”、“向内”等术语是为了方便起见，而不应被解释为限制性术语。现在将详细参考在附图及例子中示出的本公开的实施例。一般参考附图，应当理解的是，这些图示是为了描述本公开的特定实施例，而不是为了限制本公开。

每当本公开的特定实施例被称为包括或由一组中的至少一个元素及其组合组成时，应当理解的是，该实施例可单独地或与该组中的任意元素组合地包含该组元素中的任意元素或由该组元素中的任意元素构成。

如本文所使用的，术语“聚合物纤维”和“聚合纤维”是指包含聚合物的纤维。该纤维还可以包括一些非聚合物成分。

如本文所使用的，微米或纳米尺寸的纤维是指直径小于约10μm的纤维。

当结合以下描述和附图考虑时，将能够更好地领会和理解本发明的这些和其他方面。以下描述虽然指出了本发明的各种实施例及其许多具体细节，但是是以说明性的而非限制的方式给出的。在本发明的范围内可以进行许多替换、修改、添加或重新排列，并且本发明包括所有这样的替换、修改、添加或重新排列。

本文所述的一些实施例包括通过从纺丝储存器中喷射由纤维形成液体以形成微米级直径至纳米级直径的聚合物纤维的方法和系统，该纺丝储存器采用气体(例如空气)流来聚焦和排列纤维流中所产生的纤维以进行受控制的沉积。在一些实施例中，以每单位时间的纤维长度计的微纤维产出的通量至少为80km/min。在一些实施例中，微纤维产出的通量在1m/min至150km/min的范围内。在一些实施例中，微纤维产出的通量在100m/min至150km/min的范围内。在一些实施例中，微纤维产出的通量在1km/min至150km/min的范围内。在一些实施例中，微纤维产出的通量在80km/min至150km/min的范围内。在一些实施例中，微纤维产出的通量在80km/min至100km/min的范围内。在一些实施例中，通过纤维排列的控制，沉积的纤维与各种3D几何形状相吻合。

一些传统的高通量方法已经试图沉积到3D形状的目标上以获得3D纤维结构；然而，纤维通常与目标形状不吻合，并且通常出现悬垂的纤维。一些传统方法已经采用目标的旋转来实现圆周纤维排列；然而，这种方法无法处理在真实组织中所观察到的更复杂的排列，例如心室中的螺旋排列，或者心脏瓣膜中在不同层上具有圆周和纵向排列的三层结构。

在一些实施例中，与用于微米至纳米级直径的纤维的常规高通量纤维沉积技术相比，本发明的系统和方法具有改进的结构可控性。本文所描述的系统和方法的一些实施例采用纤维流沉积(Stream-FD)，其中纤维在沉积到目标上之前被构造成空间受限的且排列好的纤维流。结构良好的纤维流能够实现结构良好的沉积。Stream-FD实现了对一致性以及沉积排列的精确控制，同时不牺牲通量。

纤维是使用旋转喷射纺丝工艺，在离心力的作用下，通过来自旋转储存器的一个或多个孔口的纤维形成液体(例如，包含聚合物的材料，在此称为聚合物材料)的一个或多个射流的喷射和随后的固化而形成的。包括一个或多个孔口的储存器在本文中可称为喷丝头。在本文所述的实施例中，气流(例如，空气流)的特定空气动力学被用来限制所产生的纤维分布，以及在纤维流中排列纤维。限制纤维分布需要汇聚的气流，从而当纤维从储存器流出时，气流将纤维聚集在一起。排列纤维需要加速的气流以将纤维拉直。此外，应最小化对于储存器(例如喷丝头)附近的流动的扰动，以避免对纤维的形成造成干扰。在一些实施例中，这些要求可以通过从储存器的旋转轴线处或附近吹送气体(例如空气)来实现。

图2A示意性地示出了根据一些实施例的示例性旋转喷射纺丝系统10，该系统包括旋转运动发生器(例如马达)11，该旋转运动发生器旋转包括孔口的储存器12，该储存器在本文中被称为喷丝头。该系统采用气流(例如，空气流)30来汇聚和并排列纤维流15，该纤维流15是通过在纤维沉积于目标19上之前从喷丝头12喷射聚合物溶液17而产生的。在一些实施例中，气流可以是位于喷丝头/储存器12的旋转轴线21处或附近的气体射流或空气射流，并且可以引导平行于或近似平行于旋转轴线21定向的流动。气流在转子区域上是不均匀的。在一些实施例中，流动集中在与转子的侧壁径向向内间隔开的转子的一个或多个中心部分。在一些实施例中，在转子的下游，气流在转子的旋转轴线处或附近具有较高的速度，该速度在从旋转轴线横向移位的位置处降低。

旋转喷射纺丝通过离心力产生一束或多束纤维，从而在喷丝头12的周围产生沿方位角并径向向外运动的纤维云。当气流(例如空气射流)30从喷丝头的一个或多个中心部分被推动时，气流30以一种被称为卷吸的现象将周围的空气拉入射流中。卷吸流比射流内部的流动慢几个数量级，其对于纤维形成的扰动最小。卷吸流朝着射流汇聚并加速，射流将纤维限制并排列成流，如图2B中纤维流的可视化所示，这是通过叠加来自纤维沉积视频的不同帧而产生的。

旋转喷射纺丝系统和方法的一些实施例的附加细节在下文中参照图3A-3G进行描述。在图3A-3G所示的实施例中，该系统采用多股气流，这些气流组合形成用于汇聚和排列纤维流的组合气流。此外，根据一些实施例，在形成组合流之前，多股气流沿一个或多个孔口的径向向内流过储存器中的孔。

参考图3A-3G，旋转喷射纺丝系统10的实施例包括至少一个储存器12，该储存器12被构造成围绕旋转轴线21旋转。一些系统还可以包括旋转储存器的旋转运动发生器(例如，马达)11。

在一些实施例中，储存器12具有第一端14、与第一端14相对的第二端16以及从第一端14延伸至第二端16的外侧壁18。储存器12被构造成并适用于容纳用于形成聚合物纤维的材料(例如，聚合物材料)。储存器12在外侧壁18中限定一个或多个孔口22。储存器12被构造成并适用于在由储存器12的旋转所引起的压力下通过形成在外侧壁18中的一个或多个孔口22径向向外喷射聚合物材料。一个或多个孔口22中的每一个可被构造成用于在储存器12旋转期间通过孔口22径向向外喷射聚合物材料作为喷射的射流24。

在一些实施例中，储存器限定从外侧壁18径向向内设置的一个或多个孔20a、20b、20c，这些孔被构造成使得气体能够从第一端14运动经过或穿过储存器12到达第二端16。在一些实施例中，储存器12可以限定从外侧壁18径向向内设置的三个孔20a、20b、20c。在另一些实施例中，储存器12可以限定从外侧壁18径向向内设置的三个以上的孔。在一些实施例中，储存器可以限定从外侧壁18径向向内设置的2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17或19个孔。鉴于本公开，本领域的普通技术人员将会理解，不同几何形状的孔及不同数量的孔均落入本发明的范围内。

根据一些实施例，旋转喷射纺丝系统10还包括一个或多个用于形成气流的气流源28a、28b、28c，气流源在本文中也被称为气体射流(例如空气射流)，其用于汇聚和排列纤维流。在一些实施例中，旋转喷射纺丝系统10包括多个气流源28a、28b、28c，每个气流源被构造成引导来自储存器12的第一端14上游的气流，通过孔20a、20b、20c从储存器12的第一端14流到第二端16，以及第二端16的下游。在一些实施例中，多个气流源28a、28b、28c具有汇聚定向，从而使得来自多个气流源的气流在储存器12的第二端16下游的第一方向上共同形成组合气流或气体射流30。在一些实施例中，第一方向基本上平行于旋转轴线21。图3F包括指示来自多个气流源28a、28b、28c的气流30a、30b、30c和与旋转轴线21对齐的组合气流30的箭头。如图3F所示，引导自气流源28a、28b、28c的气流30a、30b、30c可以在储存器12的第二端16下游的位置处汇聚形成组合气流30。在一些实施例中，气流源28a、28b、28c可以汇聚以在储存器12的第二端16下游2cm至10cm的范围内形成组合气流。在一些实施例中，来自气流源的气流可以在距储存器的第二端16的10cm以上的位置处汇聚。组合气流30可以卷吸喷射的射流24，以在第一方向上形成微米或纳米尺寸的聚合纤维32的聚焦流。在非限制性例子中，多个气流源可以在储存器12的第二端16下游大约3cm的距离处汇聚并均匀化。在这样的距离下，在一些实施例中，空气流速可以在大约10m/s和大约30m/s之间。

在一些实施例中，第一方向可以相对于旋转轴线21成一个角度。在一些实施例中，第一方向可以在纵向轴线A1的5°范围内。在一些实施例中，第一方向可以在纵向轴线A1的3°范围内。在一些实施例中，第一方向相对于旋转轴线21具有0°至5°范围内的角度。

如上所述，在一些实施例中，旋转喷射纺丝系统10可以包括气流系统，该气流系统包括一个或多个气流源(例如，喷嘴)28a、28b、28c。一个或多个气流源28a、28b、28c可以被独立地供应气流，或者可以在气流被分成一个或多个气流源28、28b、28c之前共同接收来自公共源的气流。在一些实施例中，如图3A、3D和3G所示，一个或多个气流源可以是单个气流单元或固定装置26的一部分。

在操作中，气流或气体射流30(可以是组合气流)卷吸并偏转喷射流，以在第一方向上形成微米或纳米尺寸聚合物纤维的聚焦流。在旋转轴线处或附近流过储存器的气流不会干扰纤维的形成。图4A和图4B显示了喷丝头12周围流场的湍流模型仿真，其中从喷丝头或储存器的中心部分施加中心空气射流30。即使对于大量的空气射流，中心空气射流的存在在纤维形成区域41的流场中的轴向(图4A)或径向(图4B)方向上引起最小的扰动，因此不会干扰纤维的形成。相反地，如果储存器受到平行于旋转轴线的均匀外来空气流的作用，而不是受到通过储存器的中心部分的外来空气流的作用，则均匀外来气流会干扰纤维形成区域41中的纤维的形成，并可能导致纤维缠结。

在一些实施例中，储存器12可以在没有施加气流(例如，空气流)的情况下开始旋转。气流(例如空气流)可以逐渐增加，直到实现微米或纳米尺寸聚合物纤维(或纤维束)流的聚焦。图2B示出了聚焦的纤维流，并指示了该纤维流最窄处的流腰w_min。在一些实施例中，沿旋转轴线测量，纤维流的腰部可以位于距储存器的孔口3cm至7cm的距离处。如果流速太低，纤维将无法排列或无法正确排列。更高的流速将使得纤维能够在距储存器12更远的距离处进行排列和收集。在离储存器12更远的距离处收集纤维可能有利于确保纤维的干燥和/或允许纤维分布在更大的区域/沉积在更大的目标上；然而，在离储存器较大的距离处，纤维流变宽，纤维可能减慢和弯曲。在一些实施例中，纤维沉积在与孔口相距沿着旋转轴线测量的2cm至20cm处的收集器或目标的表面上。在一些实施例中，纤维沉积在与孔口相距沿着旋转轴线测量的3cm至20cm处的收集器或目标的表面上。在一些实施例中，纤维沉积在与孔口相距沿着旋转轴线测量的4cm至20cm处的收集器或目标的表面上。在一些实施例中，纤维沉积在与孔口相距沿着旋转轴线测量的3cm至50cm处的收集器或目标的表面上。

在一些实施例中，多个气流源的装置可以被构造成使得在储存器旋转期间的任何单个时间点，来自所有气流源的气流流过储存器的孔，或者来自所有气流源的气流被储存器阻挡。以这种方式，组合气流不会因为在某个时间点只有一些气流被阻挡而偏离预期的方向从而导致不平衡的组合气流。例如，图3A-3F所示系统中的气流源装置和储存器被构造成使得在任何时刻，来自所有三个气流源28a、28b、28c的气流流过储存器12的孔20a、20b、20c，或者来自所有三个气流源28a、28b、28c的气流基本上都被孔20a、20b、20c之间的储存器12的部分阻挡。在另一些实施例中，可以具有足够数量的气流，使得即使当气流的一部分被阻挡时，组合气流也可以被平衡。例如，对于具有围绕旋转轴线对称设置的六个气流和围绕旋转轴线对称设置的储存器中的三个孔的实施例，在储存器旋转的某个点处，每间隔一个气流将被阻挡，但是组合气流仍然可以是平衡的。

在一些实施例中，气流源28a、28b、28c可以是可控制的，以实现平衡的组合气流。例如，通过气流源的流速是可调节的，或者来自气流源的流动方向或取向是可调节的。在一些实施例中，气流源28a、28b、28c可以是可控制的，以改变微米或纳米尺寸聚合物纤维32的纤维流具有最紧密的聚焦的位置与储存器12或孔的距离，该聚焦处在本文中也被称为流腰(见图2B)。在一些实施例中，沿着第一方向，孔口和流腰之间的距离可以在大约3cm到大约7cm的范围内。在另一些实施例中，该距离可以短于该范围或者可以大于该范围。在一些实施例中，气体流速可以是可调节的。在一些实施例中，在纤维的形成和沉积期间，气体压力可以在约0.1MPa和约0.5MPa的范围内。

在一些实施例中，旋转喷射纺丝系统10可以包括位于储液器12的第一端12上游的阻流器34(见图3A、3B和3E)。阻流器34可以提供对于由气流和储存器12的旋转所产生的涡流的额外控制，从而当纤维向目标行进时，改善对微米或纳米尺寸聚合物纤维的横向沉积区域的控制。

在一些实施例中，阻流器34，在此也可称为流量调节器，可用于通过防止较强的气流过度扰动储存器12附近的纤维形成以实现更长的收集距离。如上所述，阻流器34可以位于储存器12的第一端14的上游。在一些实施例中，阻流器34可以位于储液器12的第一端14上游约2cm至约10cm的距离处。在一些实施例中，阻流器位于储存器第一端14上游约5cm处。在一些实施例中，阻流器34是固定的并且不旋转的。在另一些实施例中，阻流器34可以被构造成与储存器一起旋转或与储存器分离。根据一些实施例，阻流器34具有等于或大于储存器12的直径。例如，在一些实施例中，阻流器34的直径在储液器12直径的大约1倍至大约5倍的范围内，在另一些实施例中，阻流器可以具有更大的直径。阻流器34的直径可以部分地基于阻流器34相对于储存器12的位置来选择。例如，更远离储存器12放置的较大阻流器34可以具有与更靠近储存器12放置的较小阻流器34类似的效果。在一些实施例中，当沉积到相对靠近储存器的收集器上时，可能不需要阻流器，但是在距离储存器更远的距离(例如，距储存器大于20cm的距离、距储存器大于30cm的距离或距储存器大于50cm的距离)处收集时，可能需要阻流器。

图5A示意性地示出了系统周围的气流流线以及阻流器34对气流的影响。气流主要是由储存器的旋转所引起的径向和方位角气流以及通过储存器中心部分的外来施加气流来支配。在环流区，由于来自快速旋转的储存器的向心流和从储存器中心吹出的空气射流的卷吸流之间的竞争而形成涡流。驱动区域中的外来流动还卷吸着来自环流区域之外和来自储存器及阻流器的上游并在随后的区域中流动的气流。阻流器34可以改变(例如阻挡)至少一些来自储存器上游的气流，并影响环流区域中涡流的大小和形状。

图5B示意性地示出了在离心区域中的流动影响下的聚合物射流24，以及在张力区域中的所得到的纤维15，在离心区域中，聚合物射流24由于在不存在外来空气流的情况下从储存器喷射而受到离心力作用，在张力区域中，纤维15被外部空气流30卷吸并经受张力的作用。在该示意图中，为了简单起见，未示出用于产生外部空气流30的一个或多个气流源。

图5C示意性地示出了储存器的轴向视图，并示出了在纤维形成过程中作用在从储存器喷射出的聚合物材料射流上的各种力。

图6A-6C和7A-7C示出了根据一些实施例的阻流器的效果。在一个非限制性实例中，图6A-6C对应于通过用于纤维流沉积的旋转喷射纺丝系统10产生纤维，该旋转喷射纺丝系统10不包括阻流器34。相比之下，图7A-7C对应于通过用于纤维流沉积的旋转喷射纺丝系统10产生纤维，该旋转喷射纺丝系统10包括阻流器34。与图6A所示的没有使用阻流器的背景减影图像相比，图7A的纤维沉积过程中的背景减影图像显示，使用阻流器34时储存器12下游的湍流较少。在一些实施例中，阻流器34提供对于由气体流动和储存器12的旋转所产生的涡流的额外控制，从而在纤维朝向目标行进时改善对聚合物纤维的横向沉积区域的控制。在使用图7B所示的阻流器时，纤维在聚焦成流之前延伸得更远。阻流器34抑制阻力区域，从而更好的纤维形态。图6C和图7C中的扫描电镜图像对所得到的纤维的形态进行比较。这些图像显示出在使用阻流器的情况下生产的纤维具有更均匀的纤维直径和减少的纤维卷曲。样本是在储存器的下游20cm处采集的。

尽管系统的一些实施例在此被描述为包括阻流器，但是本文所描述的系统和方法不需要包括、结合或者采用储存器上游的阻流器或流量调节器。在一些实施例中，即使不使用阻流器，沉积中的纤维形态、分布以及纤维排列可能是可接受的。如上所述，在一些实施例中，是否需要或使用阻流器可以至少部分地根据储存器和收集纤维的表面之间的距离来确定。

尽管一些实施例在本文中被描述为具有汇聚成单一气流的多个气流，该单一气流卷吸纤维并汇聚和聚焦气流，但是在另一些实施例中，可以采用沿着储存器的旋转轴线引导的单一气流。

对于本文所述的一些系统和方法，在中心气流将纤维流聚焦至腰部之后，正如所预测的湍流射流变宽那样，纤维流与距储存器的距离成比例地变宽。图8A是由纤维流的多个重叠图像所形成的宽视场图像，并且示出了纤维流r_stream随着距储存器x的距离增加而变宽。图8B是在距储存器不同距离处进行收集的厚度分布图。厚度分布图显示出r_stream～0.1x的自相似缩放比例，这类似于射流湍流变宽的速度分布图的自相似缩放比例。因此，在流腰的下游，纤维流的宽度与收集目标表面距离储存器的距离成比例地增加。

在一些实施例中，用于具有纤维流沉积的旋转喷射纺丝的系统被构造为用于在3D特征上的共形沉积。纤维流的限制对于三维特征上的共形沉积很重要。就长度尺度而言，如图9A中示意性所示的，该限制由纤维流宽度w表征，用于沉积的目标的3D特征由局部曲率半径ρ表征。由于纤维流是由随机纤维云产生的，并且不断受到湍流波动的扰动，因此纤维轨迹在纤维流内波动。如果纤维流的宽度远小于目标表面的曲率，w<<ρ，如图9B中示意性所示的，那么对于纤维流来说，目标表面实际上是平坦的，并且沉积与目标表面相吻合。如果纤维流宽度与目标表面的曲率相当或小于目标表面的曲率，w～ρ或w>>ρ，则曲率对于沉积有显著的影响。如果目标表面是凸起的，纤维缠绕在目标周围，仍然产生共形沉积。然而，如果表面是凹入的，纤维横跨凹入部分悬挂，则会导致如图9C所示的非共形沉积。在实践中，纤维流的宽度由中心气流的宽度决定，该宽度可随喷丝头的直径而变化，并随收集距离而线性增加。通过在两个目标上，即在一个50cm高的女性人体模型和一个15cm高的佛像脸上用大约6cm的固定宽度的纤维流进行沉积，来说明与目标的特征尺寸与纤维流宽度对比的效果，该佛像脸是从中国青州的5世纪雕像复制而来的。对于较大的特征尺寸，其中纤维流宽度与目标上的特征尺寸大约相同，沉积与女性人体模型的身体特征吻合得很好(见图9D)。对于相对较小的特征尺寸，其中纤维流宽度大于目标上的特征尺寸，几乎无法在沉积上分辨佛面上的任何面部特征(见图9E)。压花后，佛面上的五官细节显露出来(见图9F)。图9D-9F上的比例尺约为6cm。

理论上，可以缩小旋转设置，以获得更小的纤维流宽度，从而获得更精细的特征分辨率。实际上，较小的纤维流宽度通常需要在通量和纤维质量之间进行权衡。由于湍流波动不断扰动纤维流中的纤维，纤维碰撞和成束的机会随着纤维流中纤维密度的增加而增加。因此，在保持相同通量的同时减小纤维流宽度会导致纤维质量较差，因为它需要更大的纤维密度。或者，使得较小的纤维流保持相同的纤维密度会导致通量较低。对于像佛面这样的目标，其中精细特征仅作为粗糙特征上的浅波动出现，可以采用能够捕获大尺度特征的高通量沉积，而后进行压花(见图9F)。

在一些实施例中，纤维流中纤维的排列使得系统和方法能够通过改变沉积角度来控制沉积的排布。如果纤维流以图10A中的上图示意性地示出的切线方向撞击目标表面，则空气射流的流场受目标的扰动最小，纤维在气流中波动时落到目标表面，并保持它们在气流中的排列。图10A中以该沉积角度沉积的纤维的扫描电镜照片(左下)以及相应的傅立叶变换(右下)图像证实了纤维在纤维流中的排列。如果气流以如图10C的上图所示的垂直方向撞击目标表面，空气射流撞击目标并形成发散减速流场，与用于形成纤维流的汇聚加速场相反。因此，如图10C中以该沉积角度沉积的纤维的扫描电镜照片(左下)和相应的傅立叶变换(右下)图像所示，纤维弯曲并扩散成随机的云，导致几乎甚至完全没有排列的随机沉积。使用中间入射角度会产生如图10B所示的部分排列的沉积。在扫描电镜图片中，比例尺为20μm。根据一些实施例，通过相对于纤维流而移动目标，各种排列的图案是可能的。例如，如图9D所示，在旋转盘上进行收集产生具有通过厚度旋转排列的纤维片。如图10E和10F所示，在旋转圆筒上进行收集产生螺旋状排列。在一些实施例中，可以采用对沉积角度和目标旋转的控制的组合来创建更复杂的纤维排列图案。

在一些实施例中，旋转喷射纺丝系统还可以包括第二储存器，该第二储存器被构造成容纳第二聚合物材料，该第二聚合物材料可以不同于第一聚合物材料。在一些实施例中，旋转喷射纺丝系统还可以包括构造的第二一个或多个气流源，并且第二储存器和第二一个或多个气流源可以被构造为用于气流通过储存器，从而沿着第二方向在储存器的下游形成气流，该第二方向可以基本平行于第二储存器的旋转轴线，或者可以与第二储存器的旋转轴线成一定角度。气流可以卷吸和偏转纤维，以在第二方向上形成第二纤维流。在一些实施例中，第一储存器和第二储存器被定向成使得它们可以同时将纤维沉积到同一目标表面上。本文中关于储存器12所描述的所有特征和方面也适用于第二储存器，并且本文中关于一个或多个气流源所描述的所有特征和方面也适用于第二一个或多个气流源。

在一些实施例中，聚合物材料是聚合物溶液，并且聚合物纤维通过从聚合物溶液中溶剂的蒸发而形成。在一些实施例中，聚合物材料是聚合物熔融体，并且聚合物纤维至少部分通过冷却固化而形成。关于旋转纺丝系统的额外细节，例如储存器、纺丝速度、孔口直径、聚合物、聚合物溶液以及其他聚合物材料，例如聚合物熔融体，可以在美国专利No.2013/0312638中找到，该专利通过引用整体合并于此。

在一些实施例中，用于纤维流沉积的旋转喷射纺丝系统10b可以采用需要交联、沉淀或凝固以形成纤维的聚合物材料。在一些这样的实施例中，至少部分浸没在沉淀、凝固或交联浴104中的旋转目标102可以暴露于聚合物材料流中(见图11A)。关于沉淀、凝固或交联浴以及湿式旋转喷射纺丝系统及方法的其他细节可以在美国公开专利No.2015/0354094中找到，该专利的全部内容通过引用合并于此。

在一些实施例中，聚合物材料可以包括聚合物熔融体，系统10b可以包括加热器204(例如，注射器加热器)，以用于在输送至储存器之前加热聚合物材料(见图11B)。系统10b可以附加地或替代地包括储存器加热器204，以用于在聚合物材料处于储存器中时加热聚合物材料。如图11B所示，在一些实施例中，储存器加热器可以是红外点加热器。

在一些实施例中，用于纤维流沉积的旋转喷射纺丝系统可以被构造为如图11C所示的手持设备。

在一些实施例中，系统10d可以包括用于纤维沉积的多个旋转喷射纺丝系统，其可以将纤维沉积到线性传输的目标上，例如在如图11D所示的传送带302上。在一些实施例中，一个系统或多个旋转喷射纺丝系统可适用于生产线。

在一些实施例中，系统被构造为用于平均直径小于10μm的纤维的沉积。在一些实施例中，系统被构造为用于平均直径小于5μm的纤维的沉积。在一些实施例中，系统被构造为用于平均直径小于3μm的纤维的沉积。在一些实施例中，系统被构造为用于平均直径小于2μm的纤维的沉积。

实施例包括将微米或纳米尺寸的纤维沉积到目标表面上的方法。仅为了说明的目的，本文针对图3A-3G中所示的系统10描述了该方法的一些实施例；然而，鉴于本公开，本领域的普通技术人员将能理解，其他系统可以与本文所描述的方法一起使用。在一些实施例中，一种方法包括围绕旋转轴线21旋转具有外侧壁18和至少一个孔口22的储存器12，以从至少一个孔口22喷射聚合物材料的射流24，该射流24固化以形成聚合物纤维15。在储存器12旋转和聚合物材料射流24喷射以形成聚合物纤维的过程中，至少一股气流，例如气流30a、气流30b、气流30c或气流30，被从储存器12的外侧壁18径向向内引导从储存器的上游端14到储存器的下游端16通过储存器的一部分，用至少一股气流30卷吸聚合物纤维24并形成聚焦纤维沉积流。聚焦纤维沉积流被收集在目标表面上以形成聚合物纤维材料。在一些实施例中，聚焦纤维沉积流沿大致平行于储存器旋转轴线的第一方向流动。在一些实施例中，第一方向的方位在储存器旋转轴线附近的20度以内，在储存器旋转轴线附近的10度以内或在5度以内。在一些实施例中，至少一股气流是多股气流30a、30b、30c汇聚并结合以在第一方向上形成组合气流30(见图3F)。在一些实施例中，储存器包括在侧壁上径向向内的至少一个孔20a、20b、20c，其使得至少一股气流能够流过储存器。

在一些实施例中，沉积的纤维具有小于10μm的平均直径。在一些实施例中，沉积的纤维具有小于5μm的平均直径。在一些实施例中，沉积的纤维具有小于3μm的平均直径。在一些实施例中，沉积的纤维具有小于2μm的平均直径。

本文所描述的系统和方法可以用于很多不同的用途和目的。例如，作为非限制性的列表，所述系统和方法可用于生产复合材料、用于组织工程(例如，用于细胞或组织支架)或用于服装设计。特别地，一些实施例适用于形成具有复杂三维形状和/或复杂纤维排列的结构。控制纤维沉积的三维形状及排列的能力可以影响涉及结构化纤维材料的各个领域，例如时装设计、复合材料和组织工程。

示例-工程心室

本文提供用于工程心室的组织支架，以证明本文所述的一些实施方案的能力。心室是负责泵血的两个心腔。心室由高度排列的心肌细胞层组成，心肌细胞以螺旋方式缠绕。螺旋角在心室壁的厚度中在45°到-45°之间旋转。心肌细胞的复杂螺旋排列由纤维细胞外基质(ECM)支撑，细胞外基质主要由直径从几十纳米到几微米的分层胶原纤维构成。重建这种纤维细胞外基质被认为是心脏组织工程的关键挑战。先前重建心室纤维细胞外基质的努力包括诸如，包括组织脱细胞、随机纤维沉积以及3D打印在内的诸多努力。但是这些努力仍然受到细纤维、复杂结构和高通量之间的权衡的限制。

采用四步旋转程序来复制如图12A所示的简化的三层螺旋双心室模型。纤维直径选择为几微米，类似于心脏细胞外基质中肌表纤维的直径。在步骤一中，将纤维流沉积到形状类似于左心室的旋转心轴上，其中该旋转心轴相对于沉积流成45度角。在步骤二中，将纤维流沉积在旋转的左心室心轴上，该左心室心轴垂直于纤维流。在步骤三中，将纤维沉积在形状类似于右心室的旋转心轴上，其中该右心室心轴相对于沉积流成45度角。在步骤4中，左心室心轴和右心室心轴被定位在一起以形成组合心轴，并且纤维以与纤维流成-45度的角度沉积在旋转的组合心轴上以及先前沉积的纤维层上。

通过直接测量以及显微CT成像验证了这些设计特征的实现。图12B是具有先前沉积的纤维层的组合心轴的图像，并且图12C是以与纤维流成-45度的角度沉积纤维层后的组合心轴的图像。

图12C是所得到的沉积纤维结构的截面的显微CT图像。图12D是两个心室之间的中隔区的显微CT图像，该图显示了变化的螺旋角。图12E是中隔区的图像细节，其也显示了变化的螺旋角。

在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可用于修饰任何定量或定性表示，其可以允许变化而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由诸如“大约”或数值范围的术语所修饰的值不限于特定的精确值，并且可以包括不同于特定值的值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。

虽然仅结合有限数量的方面和实施例详细地描述了本公开，但是应当理解的是，本公开不限于这些方面。相反地，本公开可以被修改以结合此前未描述的、但是与权利要求的范围相称的任何数量的变型、更换、替换或等同设置。此外，虽然已经描述了本公开的各种实施例，但是应当理解的是，本公开的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本公开不应被视为受前述描述的限制，而是仅受所附权利要求书中的范围的限制。

Claims (42)

1.一种用于一根或多根直径小于10μm的微米或纳米尺寸聚合物纤维的聚焦定向沉积的系统，所述系统包括:

储存器，所述储存器被构造成保持包括聚合物的材料并能够围绕旋转轴线旋转，所述储存器包括:

第一端；

第二端，所述第二端与所述第一端相对；

外侧壁，所述外侧壁从所述第一端延伸至所述第二端，所述储存器的形状包括从所述储存器的所述外侧壁径向向内设置的一个或多个孔，所述一个或多个孔被构造成使得气体能够从所述第一端运动通过所述储存器到达所述第二端；

一个或多个孔口，所述一个或多个孔口形成在所述外侧壁中，所述一个或多个孔口中的每一个被构造成用于在所述储存器的旋转期间通过所述孔口径向向外喷射所述材料作为喷射射流；以及多个气流源，所述多个气流源中的每一个被构造成在所述储存器的旋转期间引导气流从所述储存器的所述第一端的上游通过所述储存器的所述一个或多个孔从所述储存器的所述第一端到所述第二端以及所述储存器的所述第二端的下游，所述多个气流源共同在所述储存器的所述第二端的下游的第一方向上形成组合气流，所述组合气流卷吸并偏转一股或多股喷射射流，以在第一方向上形成所述一根或多根微米或纳米尺寸聚合物纤维的聚焦流，所述第一方向具有与所述储存器的所述旋转轴线成5度以内的取向，所述多个气流源具有汇聚的取向，以在所述第一方向上形成所述组合气流。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个气流源中的至少一些气流源相对于所述气流源中的其他气流源的气流速度是可控制的，以实现平衡的组合气流。

3.根据权利要求1所述的系统，其中来自所述多个气流源的总气流速度是可控制的，以改变所述微米或纳米尺寸聚合物纤维的所述流具有最紧密聚焦的位置距所述储存器的距离。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个气流源的数量和所述多个气流源的布置被构造成使得，在所述储存器的旋转期间的任何单个时间点，来自所有所述多个气流源的气流流过所述储存器的所述一个或多个孔中的孔，或者来自所有所述多个气流源的气流被所述储存器阻挡。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述多个气流源包括三个气流源。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述第一方向在所述旋转轴线的2度范围内。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述第一方向基本平行于所述旋转轴线。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述一根或多根微米或纳米尺寸聚合物纤维的所述聚焦流的流宽小于所述储存器的所述外侧壁的直径。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，所述系统进一步包括设置在所述多个气流源的上游的阻流结构，所述阻流结构被构造为减少所述多个气流源的上游的气流对于所述微米或纳米尺寸聚合物纤维的所述流的聚焦的影响。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述阻流结构设置在旋转的所述储存器的上游，并且被构造为至少部分地阻挡来自旋转的所述储存器的上游的气流，从而减小来自旋转的所述储存器的上游的气流对由于所述储存器的旋转而产生的气流与通过所述一个或多个孔的所述气流之间的相互作用的影响。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述阻流结构是静止的，并且不随所述储存器旋转。

12.根据权利要求9所述的系统，其中所述阻流结构是静止的，并且不随所述储存器旋转。

13.根据权利要求9所述的系统，其中所述阻流结构能够增强对由所述气流和所述储存器的所述旋转所产生的涡流结构的控制，从而当一个或多个微米或纳米尺寸聚合物纤维朝向目标行进时，提升对于所述一个或多个微米或纳米尺寸聚合物纤维的横向沉积区域的控制。

14.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述多个气流源被构造成能够控制所述气流的速度，以在一个或多个微米或纳米尺寸聚合物纤维朝向目标行进时聚焦所述一个或多个微米或纳米尺寸聚合物纤维的横向沉积区域。

15.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，所述系统进一步包括目标旋转系统，所述目标旋转系统被构造为在沉积期间旋转三维的目标，以将一个或多个微米或纳米尺寸聚合物纤维沉积在所述目标的不止一侧上。

16.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述系统被构造为手持式的。

17.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，所述系统进一步包括用于凝固、沉淀或交联的容器，所述容器被构造为保持用于喷射的所述聚合物材料的凝固、沉淀或交联的浴。

18.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，所述系统进一步包括热源，所述热源用于在所述聚合物材料被输送至所述储存器之前或在所述聚合物材料在所述储存器中时加热所述聚合物材料。

19.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述系统被构造为用于纤维的共沉积，并且所述系统进一步包括：

第二储存器，所述第二储存器被构造为保持包括第二聚合物的第二材料并且能够围绕第二旋转轴线旋转，所述第二储存器包括:

第一端；

第二端，所述第二端与所述第一端相对；

外侧壁，所述外侧壁从所述第一端延伸至所述第二端，所述第二储存器的形状包括从所述储存器的所述外侧壁径向向内设置的一个或多个孔，所述一个或多个孔被构造成使得气体能够从所述第一端运动通过所述储存器到达所述第二端；和

一个或多个孔口，所述一个或多个孔口形成在所述外侧壁中，所述一个或多个孔口中的每一个被构造为用于在所述第二储存器的旋转期间通过所述一个或多个孔口径向向外喷射第二聚合物材料作为第二喷射射流；和

第二多个气流源，所述第二多个气流源中的每一个被构造成在所述第二储存器的旋转期间引导气流从所述第二储存器的所述第一端的上游通过所述第二储存器的所述一个或多个孔从所述第二储存器的所述第一端到所述第二端以及所述第二储存器的所述第二端的下游，所述第二多个气流源具有汇聚的取向，从而来自所述第二多个气流源的所述气流在所述第二储存器的所述第二端的下游的第二方向上共同形成第二组合气流，所述第二组合气流卷吸并偏转所述第二喷射射流，以在第二方向上形成一根或多根第二微米或纳米尺寸聚合物纤维的第二聚焦流，所述第二方向具有与第二旋转轴线的旋转轴线成5度以内的取向，

其中所述第一方向和所述第二方向被定向为用于在同一收集表面上沉积。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述系统被构造为用于在所述同一收集表面上同时沉积第一聚合物的一根或多根纤维以及所述第二聚合物的一根或多根纤维。

21.一种用于形成及沉积至少一根直径小于10μm的微米或纳米尺寸聚合物纤维的方法，所述方法包括:

围绕旋转轴线旋转保持包括聚合物的材料的储存器，以从由所述储存器的外侧壁限定的至少一个孔口喷射至少一股材料射流；

引导多股气流通过所述外侧壁径向向内的所述储存器上的部分，所述多股气流在所述储存器的旋转以及所述至少一股材料射流的喷射期间被从所述储存器的上游的第一端引导至所述储存器的下游的第二端，以形成至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维，所述多股气流卷吸所述至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维，在第一方向上汇聚并形成组合气流，并在所述第一方向上形成所述至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维的聚焦纤维沉积流，所述第一方向具有与所述储存器的所述旋转轴线成5度以内的取向；以及

在目标表面上收集所述聚焦纤维沉积流。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一方向基本平行于所述储存器的所述旋转轴线。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述多股气流中的至少一些的流速相对于所述多股气流中的其他的流速是可控制的，以实现平衡的组合气流。

24.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，其中所述多股气流的总气流速度是可控制的，以改变所述至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维的所述聚焦纤维沉积流的具有最紧密聚焦的位置距所述储存器的距离。

25.根据权利要求21所述的方法，其中所述多股气流包括三股气流。

26.根据权利要求21所述的方法，其中在纤维收集期间，所述聚焦纤维沉积流具有与所述目标表面基本相切的方向。

27.根据权利要求21所述的方法，所述方法进一步包括在纤维收集期间旋转所述目标表面。

28.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，所述方法进一步包括至少部分地阻挡来自所述储存器的上游的气流，以减少多个气流源的上游的气流对于所述至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维的纤维沉积流的聚焦的影响。

29.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，其中所述目标表面在纤维的沉积期间线性地运动。

30.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，其中所述储存器中的材料包括溶剂。

31.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，其中所述储存器中的材料包括聚合物熔融体。

32.根据权利要求31所述的方法，所述方法进一步包括加热所述储存器。

33.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，其中至少一股喷射射流在被收集到所述目标表面上之前接触浴。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述浴包含交联剂。

35.根据权利要求33所述的方法，其中所述至少一股喷射射流在所述浴中沉淀，形成所述至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维。

36.根据权利要求33所述的方法，其中所述至少一股喷射射流在所述浴中凝固，形成所述至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维。

37.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，其中所述至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维被沉积以用于复合材料的增强。

38.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，其中所述至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维在一种或多种食物上沉积。

39.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，所述方法进一步包括:

围绕第二旋转轴线旋转保持包含第二聚合物的第二材料的第二储存器，以从由所述第二储存器的外侧壁限定的至少一个孔口喷射至少一股第二材料射流；

引导多股第二气流通过所述外侧壁径向向内的所述第二储存器上的部分，所述多股第二气流在所述第二储存器的旋转以及所述至少一股第二材料射流的喷射期间被从所述第二储存器的上游的第一端引导至所述第二储存器的下游的第二端，以形成所述第二聚合物的至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维，并且所述多股第二气流卷吸所述第二聚合物的所述至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维，在第二方向上汇聚并形成组合气流，并在所述第二方向上形成所述至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维的第二聚焦纤维沉积流，所述第二方向具有与所述第二旋转轴线成5度以内的取向；以及

在所述目标表面上收集所述第二聚焦纤维沉积流。

40.根据权利要求39所述的方法，其中在所述第一方向上形成的所述至少一根微米或纳米尺寸聚合物纤维的第一聚焦纤维沉积流的所述收集与所述第二聚焦纤维沉积流的所述收集在时间上重叠。

41.一种用于形成三维组织支架的方法，所述方法包括执行权利要求21至23中任一项所述的方法，其中所述目标表面是组织支架的三维形状。

42.根据权利要求41所述的用于形成三维组织支架的方法，所述方法进一步包括旋转目标以在所述三维形状的不止一侧上沉积。