專利名稱：一種各向異性纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種各向異性纖維及其制備方法。
背景技術(shù)：
纖維是指由連續(xù)或不連續(xù)的細(xì)絲組成的物質(zhì)。自然界中就存在天然的纖維，從植物、動物和礦物巖石中就可以直接獲取，如亞麻、黃麻、羊毛、兔毛、礦物纖維等，在日常生活中處處可見。相對于天然纖維，化學(xué)纖維是一種經(jīng)過化學(xué)處理加工而成的纖維，以其原料之廣、種類之多，在紡織業(yè)、軍事、環(huán)保、醫(yī)藥、建筑、生物科技等高科技領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對纖維的結(jié)構(gòu)和功能的需要越來越大，不再局限于單一組分、單一材料、單一功能的纖維，復(fù)合纖維的制備顯得尤為重要。而傳統(tǒng)的制備方法，如熔融紡絲、濕法紡絲、靜電紡絲等，由于其工藝和原理的限制，在具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的纖維制備上遇到了困難。尤其是在生物技術(shù)領(lǐng)域，纖維作為細(xì)胞培養(yǎng)的三維載體，在保證不破壞細(xì)胞活性的前提下同步完成細(xì)胞的包裹和纖維的制備，傳統(tǒng)的制備方法是很難實現(xiàn)的。微流控是指一種精確操控微尺度(尤其指亞微米尺度)流體的技術(shù)，具有裝置體積小、液體流動可控、消耗樣品和試劑量更少、易于操控、不易造成交叉污染等優(yōu)點。利用微流控技術(shù)的微通道裝置，能夠可控地制備各種形狀、結(jié)構(gòu)的功能性載體、還可以實現(xiàn)不同性質(zhì)的化學(xué)、生物樣品的封裝，已經(jīng)在基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、組合化學(xué)、藥物篩選和緩釋、細(xì)胞培養(yǎng)以及臨床診斷領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種各向異性纖維以及利用微流控技術(shù)制備多組分纖維的方法，備具有多組分結(jié)構(gòu)的各向異性纖。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是:提供一種各向異性纖維，所述纖維的橫截面方向具有多組分結(jié)構(gòu)，所述纖維的直徑為10微米至I X IO6微米，長度為I毫米以上，所述纖維的橫截面為長方形、正方形或者圓形。在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述多組分結(jié)構(gòu)的形狀和體積相同或相異。在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述纖維由海藻酸鹽基聚合物、瓊脂糖、殼聚糖、丙烯酰胺類聚合物、聚乙二醇、丙烯酸酯類聚合物、聚乳酸、乙烯吡咯烷酮聚合物、聚乙烯醇類聚合物中的一種或多種材料組成。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的另一個技術(shù)方案是:提供一種制備所述的各向異性纖維的方法，所述纖維是通過微流控的方法制備的，包括以下步驟:
首先，微流控芯片的搭建步驟:
采用微加工技術(shù)建立微流體通道網(wǎng)絡(luò)，或者選擇玻璃毛細(xì)管、玻璃片和針頭建立微流體協(xié)流式通道網(wǎng)絡(luò)，該通道網(wǎng)絡(luò)包含兩種通道，分別為前聚體通道和連續(xù)流動相通道；
其次，纖維的制備步驟:
將前聚體溶液和連續(xù)流動相溶液分別裝入注射器，連接各自的入口，用數(shù)控注射泵控制各相溶液流速，待前聚體溶液在通道中呈現(xiàn)穩(wěn)定的協(xié)流纖維狀，固化方法為物理化學(xué)法。在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述通道的橫截面為長方形、正方形或者圓形，通道的長度為20微米到10 X IO6微米，所述前聚體通道為一個或多個，多個通道彼此獨立且并行排列。在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述前聚體溶液選自海藻酸鈉、瓊脂糖、殼聚糖、丙烯酸、丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、或甲基丙烯酸縮水甘油酯中的一種或多種。在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述前聚體溶液為油溶性，所述連續(xù)流動相溶液選自甲基硅油、正十六烷、石蠟油和大豆油中的一種或多種。在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述前聚體溶液為水溶性，所述連續(xù)流動相溶液選自水、乙醇、聚乙烯醇、聚乙二醇、甘油、鈣離子鹽溶液、鎂離子鹽溶液和鋇離子鹽溶液中的一種或多種。在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述固化方法選用熱固化法、紫外固化法和離子置換法中的一種或多種。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明制備過程簡單，形貌尺寸可控，可重復(fù)性好。


圖1是本發(fā)明利用微加工技術(shù)建立的微流體通道網(wǎng)絡(luò)示意 圖2是本發(fā)明利用玻璃毛細(xì)管、玻璃片和針頭建立的微流體協(xié)流式通道網(wǎng)絡(luò)示意圖； 附圖中各部件的標(biāo)記如下:1、連續(xù)流動相通道；2、前聚體通道。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。請參閱圖1和圖2，本發(fā)明實施例提供如下技術(shù)方案:
在一個實施例中，提供一種各向異性纖維，所述纖維的橫截面方向具有多組分結(jié)構(gòu)，所述纖維的直徑為10微米至IX IO6微米，長度為I毫米以上，所述纖維的橫截面為長方形、正方形或者圓形。優(yōu)選的，所述多組分結(jié)構(gòu)的形狀和體積相同或相異。優(yōu)選的，所述纖維由海藻酸鹽基聚合物、瓊脂糖、殼聚糖、丙烯酰胺類聚合物、聚乙二醇、丙烯酸酯類聚合物、聚乳酸、乙烯吡咯烷酮聚合物、聚乙烯醇類聚合物中的一種或多種材料組成。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的另一個技術(shù)方案是:提供一種制備所述的各向異性纖維的方法，所述纖維是通過微流控的方法制備的，包括以下步驟:
首先，微流控芯片的搭建步驟:
采用微加工技術(shù)建立微流體通道網(wǎng)絡(luò)，或者選擇玻璃毛細(xì)管、玻璃片和針頭建立微流體協(xié)流式通道網(wǎng)絡(luò)，該通道網(wǎng)絡(luò)包含兩種通道，分別為前聚體通道2和連續(xù)流動相通道I ;其次，纖維的制備步驟: 將前聚體溶液和連續(xù)流動相溶液分別裝入注射器，連接各自的入口，用數(shù)控注射泵控制各相溶液流速，待前聚體溶液在通道中呈現(xiàn)穩(wěn)定的協(xié)流纖維狀，固化方法為物理化學(xué)法。優(yōu)選的，所述通道的橫截面為長方形、正方形或者圓形，通道的長度為20微米到IOXlO6微米，，所述前聚體通道2為一個或多個，多個通道彼此獨立且并行排列。優(yōu)選的，所述前聚體溶液選自海藻酸鈉、瓊脂糖、殼聚糖、丙烯酸、丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、或甲基丙烯酸縮水甘油酯中的一種或多種。優(yōu)選的，所述前聚體溶液為油溶性，所述連續(xù)流動相溶液選自甲基硅油、正十六烷、石蠟油和大豆油中的一種或多種。優(yōu)選的，所述前聚體溶液為水溶性，所述連續(xù)流動相溶液選自水、乙醇、聚乙烯醇、聚乙二醇、甘油、鈣離子鹽溶液、鎂離子鹽溶液和鋇離子鹽溶液中的一種或多種。優(yōu)選的，所述固化方法選用熱固化法、紫外固化法和離子置換法中的一種或多種。本發(fā)明利用微流控技術(shù)，根據(jù)各向異性纖維的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計并搭建微流控芯片，通過調(diào)節(jié)各相溶液的成分和流速，制備具有多組分結(jié)構(gòu)的各向異性纖維，各組分以其材料和功能以示區(qū)分。選擇性地采用前聚體溶液，包裹功能性的納米粒子、藥物或者細(xì)胞，可以應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)、藥物緩釋、組織工程等領(lǐng)域中。相對于傳統(tǒng)的纖維制備方法，本發(fā)明提出的方法，裝置簡單、操作便捷、纖維的可設(shè)計性和實用性更強。其具體制備方法包括以下步驟:
(I)微流控芯片的制備步驟:
利用微機械加工的方法，制備圓形、或矩形、或其他形貌的通道網(wǎng)絡(luò)，通道網(wǎng)絡(luò)包含2種通道，分別為前聚體通道2和連續(xù)流動相通道I。通道的橫斷面尺寸在I微米到I毫米之間，通道的長度在20微米到100厘米之間。(2)纖維的制備步驟:
將一定濃度的細(xì)胞、或納米粒子、或藥物、或以上任意組合混合物加入水凝膠單體中，振蕩混勻或者超聲分散，作為前聚體溶液。前聚體溶液中的水凝膠單體選自海藻酸鈉、瓊脂糖、殼聚糖、丙烯酸、丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、或甲基丙烯酸縮水甘油酯中的一種或兩種以上的材料。連續(xù)流動相溶液的選擇取決于前聚體溶液:若前聚體溶液為油溶性的材料，連續(xù)流動相溶液選自甲基硅油、正十六烷、石蠟油、或大豆油中的一種或兩種以上的材料；若前聚體溶液為水溶性的材料，連續(xù)流動相溶液選自水、乙醇、聚乙烯醇、聚乙二醇、甘油、鈣離子鹽溶液、鎂離子鹽溶液、或鋇離子鹽溶液中的一種或兩種以上的材料。將上述溶液分別裝入注射器，連接各自通道的入口。用數(shù)控注射泵控制各相溶液流速，待前聚體溶液在通道中呈現(xiàn)穩(wěn)定的協(xié)流纖維狀，根據(jù)前聚體溶液的特性，選用離子置換法、或紫外固化法、或熱固化發(fā)法將其固化，并在通道的末端收集。本發(fā)明利用微流控技術(shù)，根據(jù)各向異性纖維的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計并搭建微流控芯片，通過調(diào)節(jié)各相溶液的成分和流速，可以制備具有多組分結(jié)構(gòu)的各向異性纖維，各組分以其材料和功能以示區(qū)分。選擇性地采用前聚體溶液，包裹功能性的納米粒子、藥物或者細(xì)胞，可以應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)、藥物緩釋、組織工程等領(lǐng)域中。相對于傳統(tǒng)的纖維制備方法，本發(fā)明提出的方法，裝置簡單、操作便捷、纖維的可設(shè)計性和實用性更強，可實現(xiàn)不同性質(zhì)的納米粒子、藥物或者活體細(xì)胞的包裹。實施例1具有兩組分結(jié)構(gòu)的各向異性纖維的制備:
1.微流控芯片的制備:
利用微機械加工的方法，制備方形的PDMS通道網(wǎng)絡(luò)，該通道網(wǎng)絡(luò)包括兩個并行的前聚體通道2和兩個連續(xù)流動相通道I，各通道內(nèi)部做疏水處理。2.纖維的制備:
(I)各相溶液的配置:
前聚體溶液1:將直徑為180納米的單分散二氧化硅納米粒子加入到聚乙二醇二丙烯酸酯的水溶液中，調(diào)節(jié)二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，聚乙二醇二丙烯酸酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，超聲分散，直至膠體粒子溶液產(chǎn)生鮮亮的顏色；向上述溶液中加入引發(fā)劑2-羥基-2-甲基苯丙酮(1%，體積比)，充分混勻后，密封后備用。前聚體溶液2:將直徑為20納米的羧基修飾的單分散四氧化三鐵納米粒子加入到丙烯酰胺的水溶液中，調(diào)節(jié)四氧化三體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，丙烯酰胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，超聲分散；向上述溶液中加入引發(fā)劑2-羥基-2-甲基苯丙酮(1%，體積比)，充分混勻后，密封后備用。連續(xù)流動相溶液:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的甘油溶液。( 2 )纖維的生成及固化
將上述溶液分別裝入注射器，連接各自通道的入口，用數(shù)控注射泵控制各相溶液流速，待前聚體溶液在通道中呈現(xiàn)穩(wěn)定的協(xié)流纖維狀，通過紫外固化法將其固化，并在通道的末端收集。實施例2具有三組分結(jié)構(gòu)的各向異性纖維的制備:
1.微流控芯片的制備:
用乙炔噴燈或微電極拉制儀拉制三管并行的玻璃毛細(xì)管，使其一端成錐形尖口，并在砂紙上打磨，直至尖口平整光滑且單管的尖口內(nèi)徑為20微米，置于酒精中超聲清洗，氮氣吹干；以玻璃片為襯底，將上述處理后的毛細(xì)管插入內(nèi)徑為580微米的單管毛細(xì)管中，調(diào)整尖口至單管毛細(xì)管中軸線上，安裝針頭，并用速干膠固定。2.纖維的制備:
(I)各相溶液的配置:
前聚體溶液1:配置2wt%海藻酸鈉水溶液，高溫滅菌后，等體積與含有2 X 105個/升的人肝癌細(xì)胞的培養(yǎng)基溶液混合，振蕩均勻后備用。前聚體溶液2:配置2被％海藻酸鈉水溶液，高溫滅菌后，等體積與含有2 X 105個/升的小鼠成纖維細(xì)胞的培養(yǎng)基溶液混合，振蕩均勻后備用。前聚體溶液3:將直徑為20納米的單分散四氧化三鐵納米粒子加入海藻酸鈉的水溶液中，調(diào)節(jié)四氧化三鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，海藻酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，振蕩混勻后，紫外照射3小時備用。連續(xù)流動相溶液:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的氯化鈣水溶液，高溫滅菌后備用。( 2 )纖維的生成及固化 在無菌環(huán)境下，將上述溶液分別裝入注射器，連接各自通道的入口，用數(shù)控注射泵控制各相溶液流速，待前聚體溶液在通道中呈現(xiàn)穩(wěn)定的協(xié)流纖維狀，在通道的末端收集海藻酸鈣纖維。收集完畢后，依次用磷酸鹽緩沖液和培養(yǎng)基沖洗纖維，最后將纖維浸在培養(yǎng)基溶液中置于培養(yǎng)箱中。 在纖維的制備過程中可實現(xiàn)藥物、蛋白、細(xì)胞、或納米材料的同步包裹，并應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)、藥物緩釋、組織工程等領(lǐng)域
本發(fā)明通過采用微流控技術(shù)，根據(jù)各向異性纖維的結(jié)構(gòu)和功能，實現(xiàn)了制備具有多組分結(jié)構(gòu)的各向異性纖，達(dá)到了制備過程簡單，形貌尺寸可控，可重復(fù)性好效果。以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種各向異性纖維，其特征在于，所述纖維的橫截面方向具有多組分結(jié)構(gòu)，所述纖維的直徑為10微米至I X IO6微米，長度為I毫米以上，所述纖維的橫截面為長方形、正方形或者圓形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的各向異性纖維，其特征在于，所述多組分結(jié)構(gòu)的形狀和體積相同或相異。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的各向異性纖維，其特征在于，所述纖維由海藻酸鹽基聚合物、瓊脂糖、殼聚糖、丙烯酰胺類聚合物、聚乙二醇、丙烯酸酯類聚合物、聚乳酸、乙烯吡咯烷酮聚合物、聚乙烯醇類聚合物中的一種或多種材料組成。
4.一種制備權(quán)利要求1-3任一所述的各向異性纖維的方法，其特征在于，所述纖維是通過微流控的方法制備的，包括以下步驟: 首先，微流控芯片的搭建步驟: 采用微加工技術(shù)建立微流體通道網(wǎng)絡(luò)，或者選擇玻璃毛細(xì)管、玻璃片和針頭建立微流體協(xié)流式通道網(wǎng)絡(luò)，該通道網(wǎng)絡(luò)包含兩種通道，分別為前聚體通道和連續(xù)流動相通道； 其次，纖維的制備步驟: 將前聚體溶液和連續(xù)流動相溶液分別裝入注射器，連接各自的入口，用數(shù)控注射泵控制各相溶液流速，待前聚體溶液在通道中呈現(xiàn)穩(wěn)定的協(xié)流纖維狀，固化方法為物理化學(xué)法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述通道的橫截面為長方形、正方形或者圓形，通道的長度為20微米到10 X IO6微米，所述前聚體通道為一個或多個，多個通道彼此獨立且并行排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述前聚體溶液選自海藻酸鈉、瓊脂糖、殼聚糖、丙烯酸、丙烯酰胺、異丙基丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、或甲基丙烯酸縮水甘油酯中的一種或多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述前聚體溶液為油溶性，所述連續(xù)流動相溶液選自甲基硅油、正十六烷、石蠟油和大豆油中的一種或多種。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述前聚體溶液為水溶性，所述連續(xù)流動相溶液選自水、乙醇、聚乙烯醇、聚乙二醇、甘油、鈣離子鹽溶液、鎂離子鹽溶液和鋇離子鹽溶液中的一種或多種。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述固化方法選用熱固化法、紫外固化法和離子置換法中的一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種各向異性纖維，所述纖維的橫截面方向具有多組分結(jié)構(gòu)，所述纖維的直徑為10微米至1×106微米，長度為1毫米以上，所述纖維的橫截面為長方形、正方形或者圓形，以及所述各向異性纖維的制備方法。通過上述方式，本發(fā)明制備過程簡單，纖維形貌尺寸可控，可重復(fù)性好。
文檔編號D01D5/32GK103160942SQ201310081389
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者趙遠(yuǎn)錦, 程瑤, 商珞然, 顧忠澤 申請人:東南大學(xué)