静电纺丝长丝制造技术

技术编号:15078882 阅读:171 留言:0更新日期:2017-04-07 11:46
一种用于从静电纺丝纤维制备连续长丝的方法采用了导电凝聚槽,该导电凝聚槽为细长的三维表面,诸如移动的金属丝(2)。金属丝(2)的凝聚槽和带电纤维(14)的源(16)之间形成有吸引力的电场梯度。金属丝(2)的凝聚槽在相对于带电纤维的源(16)的长度方向移动。在收集金属丝(2)的表面上的纤维,以便形成连续长丝(24)。然后,可以对长丝(24)进行拉伸并组装成诸如肌腱和韧带的模仿组织分级结构的纱线。

Electrospun filament

The invention relates to a method for preparing a continuous filament from an electrostatic spinning fiber, which adopts a conductive condensation tank, which is an elongated three-dimensional surface, such as a moving wire (2). An attractive electric field gradient is formed between the condensing groove of the metal wire (2) and the source (16) of the charged fiber (14). The condensed groove of the wire (2) moves in the direction of the length of the source (16) of the charged fiber. A fiber is collected on the surface of a wire (2) in order to form a continuous filament (24). Then, a filament (24) can be stretched and assembled into a yarn like structure of a tissue mimicking structure such as a tendon and ligament.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于收集带电纤维,特别是静电纺丝纤维的方法和装置。本专利技术可用于制备由静电纺丝纤维制得的连续长丝。
技术介绍
静电纺丝纤维通常由将高电压施加于从喷嘴排出的聚合物溶液而形成。聚合物溶液的粘度防止液体由于表面张力而断开成液滴,反而使液体溶液保持为由于溶剂蒸发而固化成纤维中的射流。如果将平面固定板用作收集器,静电纺丝自然地制备出非纺织纤维垫。这些可以是由静电纺丝射流的“鞕动不稳定流动区”造成的无规取向的非纺织纤维垫。可选地,一些静电纺丝技术可通过采用不同形状的收集器而制备出含有定向的、无规的或网格状的纤维。然而,对制备编织的静电纺丝材料仅有非常少的研究,这要求将静电纺丝纤维在能够使用它们之前以特定方式排列。已经有各种建议来控制电场,或采用移动收集器或喷丝头系统,从而收集纤维束而不是纤维垫。那些束可以以连续或不连续的方式来收集。静电纺丝纤维的连续束可以从液体收集器中拉出或采用诸如圆柱形滚筒或锥形轮的动态机械收集器来收集。采用液体收集器的示例可以在Teo等人(Polymer48(2007)3400-3405)中找到。然而,液体收集器因若干原因并不是便利的。所制备的纤维束仅具有纤维之间低水平的连接,其导致了出于水的表面张力而产生的纤维束直径的差异和纤维束的断裂。纳米纤维的形态可受水蒸汽的影响,且除此之外,水的溶解度在聚合物的直接纺丝和将药物掺入纤维中的两方面均影响可被使用的材料。US1975504描述了一种由旋转轮或无限钢带组成的可移动纤维收集设备。静电纺丝纤维在收集设备上堆积为无规垫,然后可以被推到一起以形成纤维束。尽管该动态收集器可制备一些定向的纤维,其结果仅为可轻易散开的松散组装的纤维束,因为纤维之间几乎没有相互作用以保持它们在一起。此外,许多在先的收集技术缺乏耐用性和可靠性。非纺织的静电纺丝垫所具有的较低机械强度和在剪裁纤维结构上的困难已经限制了它们的应用。随着从静电纺丝工艺获得纤维束的技术,如此制备的纤维往往具有有限的长度和厚度。单单静电纺丝纤维,特别是直径小于1μm的纳米纤维,通常太薄且太脆弱以至于无法绕成纱线或编织成纤维结构。除了形成纤维束,在从静电纺丝工艺中收集纤维的过程中,一些替代工艺将多组纤维扭转成为纱线。采用旋转漏斗收集器和两个带相反电荷的喷丝头已经成功地将包括过氧酰基硝酸酯(PAN)、聚己内酯(PCL)和酚醛(PF)的聚合物直接静电纺丝成合股连续纱线。与用于组织修复应用的传统材料相比,静电纺丝材料被发现可以促进激活伤口愈合。由静电纺丝产生的纤维的尺寸可类似于在天然细胞外基质中发现的那些纤维的尺寸,并且这一特性可通过促进细胞粘附、增殖和侵袭而提高组织修复。还已经表明的是,与具有较大纤维直径的支架或非纤维结构相比,小直径的静电纺丝纤维使得炎性反应降低。由于纤维的小直径,纤维具有许多有用的特性,诸如高的表面积与体积之比以及高孔隙度。这些使得它们作为可植入材料是非常可取的。它们也可以用于引入诸如抗菌或生长因子的活性剂,因为它们可以以可控的方式携带和释放这些活性剂。用于从一些生物医学感兴趣的聚合物(例如聚对二氧环己酮(PDO))中制备纤维的单丝或合股纱线的现有技术由于在纱线直径和扭转数量与纤维间较少连接上的矛盾而具有有限的价值。这些问题减少了它们作为用于组织修复应用的材料的潜在用途。目前的单丝和合股纱线的潜在问题是它们缺乏表面特征。由静电纺丝制备的纳米纤维天然地具有由于纺丝射流快速固化的非晶结构。这种多孔结构的高表面积和形态可以使它们高度生物相容,模仿机体组织和器官中细胞周围的纤维基质。因此,已经对由静电纺丝纤维组成的结构作为用于组织工程的支架材料进行了研究。非纺织静电纺丝材料往往缺乏机械强度,阻碍了它们在承受大机械力的组织(诸如肌肉骨骼组织)中的应用。特别是,经过定向的静电纺丝纤维已经显示出其作为用于肌腱组织工程的支架材料的潜力。然而,通常将纤维拉伸以使其定向且进行退火以改善结晶结构和机械强度。可选地,需要例如由编织或编结的结构或通过厚单丝来负载非纺织材料以增加它们的机械强度。仍然需要制造具有足够的机械特性的静电纺丝纤维的连续长丝的具有耐用性和伸缩性的技术。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面,提供了一种用于从静电纺丝纤维中制备连续长丝的方法,该方法包括:提供导电凝聚槽,所述导电凝聚槽为细长的三维表面;在所述凝聚槽和带电纤维的源之间形成有吸引力的电场梯度;在相对于所述带电纤维的源的纵向方向上移动所述凝聚槽;和收集在所述凝聚槽上的所述纤维以形成连续长丝。已有利地发现采用三维凝聚槽的该方法可制备高度纹理化的静电纺丝纤维的连续长丝。由于对表面的纤维进行了随机收集并且剩余溶剂蒸发,纤维趋向于相互连接。纤维不会均匀地分布在表面上。由于所述表面的三维形状,可形成更多的相互连接,产生不平并因此更强的长丝。通过纤维的保持表面特征和非均匀结构,静电纺丝长丝与在医用纺织品中频繁使用的单丝和纱线相比更加具有仿生性,从而提高了细胞粘附和细胞生长。此外,该工艺是完全可伸缩的且易于实现的。如本专利技术所制备的长丝由于其机械完整性可从由现有技术的静电纺丝技术所形成的静电纺丝纤维的束或收集中区分开。因为长丝不平,纤维趋向于在三维结构中相互连接。在三维网络中纤维之间的相互作用使得它们不可能以所收集纤维的无规垫的方式结合在一起。在一组实施方案中,细长的三维表面由导电金属丝提供。据推测三维凝聚槽(诸如具有小直径的金属丝的表面)可以使静电纺丝纤维相互作用并形成交联,该交联使得无附着的成束收集的分开的静电纺丝纤维中产生附着并因此比在成束收集中发现的具有更强的机械特性。此外,已经发现这些长丝比单丝更柔韧、易弯曲且更柔软,这意味着它们不存在如单丝具有的形状记忆的问题。这些特性使静电纺丝长丝更适用于编织和码布等等。本申请人已经惊奇地发现,当在收集过程中对纤维进行无规布置且长丝随后经受拉伸处理以便使其沿轴线定向时,由静电纺丝纤维制成的连续长丝可以具有更理想的性质。因此该方法可以进一步包括随后拉伸连续长丝以使所述纤维定向的步骤,优选地在径向方向上。经发现,拉伸长丝可以提高断裂处强度。经过拉伸的长丝会比采用其它技术收集的静电纺丝束更强,因为三维凝聚槽使得聚合物纤维间的连接随着它们被沉积下来并且在被定向之前而形成。将纤维沿着用于组织工程应用的长丝的轴进行定向可能是重要的,由于经过定向的静电纺丝纤维被已知为会引起细胞在纤维定向的方向上伸长。这可能对例如在肌腱修复的情况是至关重要的,因为原生肌腱细胞具有单向形状。随后的拉伸步骤可以将长丝的长度增加至长达约120%、130%、140%、150%、160%、170%、180%、190%、200%、210%、220%、230%、240%、250%、260%、270%、280%、290%、300%、310%、320%、330%、340%、350%、360%、370%、380%、390%或400%。该拉伸步骤可以通过诸如拉伸过程中将长丝放置在热浴中的常规后处理方法来协助。该方法可包括将连续长丝从凝聚槽分离的步骤。由于凝聚槽的形状,即与可以在其上收集纤维的长丝的尺寸相比具有较小本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种用于从静电纺丝纤维制备连续长丝的方法,包括:提供导电凝聚槽,所述导电凝聚槽为细长的三维表面;在所述凝聚槽和带电纤维的源之间形成有吸引力的电场梯度;在相对于所述带电纤维的源的纵向方向上移动所述凝聚槽;和收集所述凝聚槽上的所述纤维以形成连续长丝。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.18 GB 1316577.41.一种用于从静电纺丝纤维制备连续长丝的方法,包括:
提供导电凝聚槽,所述导电凝聚槽为细长的三维表面;
在所述凝聚槽和带电纤维的源之间形成有吸引力的电场梯度;
在相对于所述带电纤维的源的纵向方向上移动所述凝聚槽;和
收集所述凝聚槽上的所述纤维以形成连续长丝。
2.根据权利要求1所述的方法,进一步包括:
随后对所述连续长丝进行拉伸以使所述纤维定向。
3.根据权利要求1或2所述的方法,包括:
将所述连续长丝从所述凝聚槽分离。
4.根据权利要求3所述的方法,包括采用刀片将所述连续长丝从所述凝聚槽分离。
5.根据权利要求3或4所述的方法,包括将所述连续长丝浸入液体从而将其从所述凝
聚槽分离。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法,包括:
在将所述连续长丝从所述凝聚槽分离后对所述连续长丝进行拾取。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括:
将所述连续长丝缠绕至绷架上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括:
使所述凝聚槽与从所述凝聚槽径向上隔开的非导电设备一起移动或相对于从所述凝聚
槽径向上隔开的非导电设备移动,以中断拖尾纤维。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述非导电设备包括刀片。
10.根据权利要求8或9所述的方法,包括使所述非导电设备连同所述凝聚槽一起移动。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括:
重复利用所述凝聚槽。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括:
对移动所述凝聚槽的速度进行选择。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括:
收集所述凝聚槽上的多于一种不同种类的纤维。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括:
将所述连续长丝与一根或多根其它这种长丝扭转在一起以制备纱线。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括:
提供多个平行的这种凝聚槽以形成多根长丝。
16.根据权利要求15所述的方法,包括将所述长丝扭转在一起以制备纱线。
17.根据权利要求14或15所述的方法,包括将M根长丝以第一方向扭转在一起以形
成丝线,然后将N个丝线以与第一方向相反的第二方向扭转在一起。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述纤维具有至少1nm且高达10μm
的直径。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述有吸引力的电场梯度为负电场梯
度。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括采用由导电金属丝提供的凝聚槽。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括:
提供多于一个的带电纤维的源。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法,包括:
收集相同凝聚槽上的不同纤维。
23.一种根据前述权利要求中任一项所述的方法制备的长丝。
24.根据权利要求23所述的长丝,具有小于1mm的直径。
25.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员:皮埃尔亚历克西斯·穆蒂
申请(专利权)人:ISIS创新有限公司
类型:发明
国别省市:英国;GB

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