本發(fā)明屬于新型材料技術(shù)與微流控技術(shù)的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種基于微流控芯片制備多腔多分區(qū)雜化聚合物纖維的方法。

背景技術(shù)：

本發(fā)明以微流控技術(shù)為依托。微流控芯片(microfluidic chip)又稱芯片實(shí)驗(yàn)室(lab on a chip)，指的是把常規(guī)實(shí)驗(yàn)室基本操作單元集成到一塊幾平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng)，用以取代常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的各種功能的一種技術(shù)。

纖維材料在很多行業(yè)均得到了廣泛的應(yīng)用，我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常能接觸到的包括衣物紡織所需的人工合成化學(xué)纖維及天然纖維，電子通訊領(lǐng)域的光纖，制造業(yè)中為了改善材料機(jī)械性能所添加的玻璃纖維，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中所使用的手術(shù)縫合纖維等等。

微米尺度的聚合物纖維材料尤其適合生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，例如人造肌肉，人造血管等等。微米及纖維由于具有比表面積大，便于操作等特點(diǎn)，還被用于很多生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的科學(xué)研究中，例如活細(xì)胞包埋及體內(nèi)移植，功能分子的包埋及體內(nèi)緩釋，生理狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等等。

常規(guī)制備微米級(jí)聚合物纖維的方法包括濕法紡絲，干法紡絲，熱融法紡絲，電紡絲等，但目前對(duì)微米尺度的纖維的加工方法局限性很大，所制備的纖維種類及形貌非常有限，其中多為單一成分的聚合物纖維，并且截面形態(tài)以圓形為主。每種方法所能夠選擇的聚合物種類十分有限，并且這些方法很難加工制備具有多種材料復(fù)合成分的微米纖維，并且很難控制纖維的形貌，尤其是截面及內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)。利用微流控技術(shù)制備微米級(jí)聚合物纖維是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)方向。 借助微流控特有的能夠?qū)α黧w進(jìn)行精確操控的特點(diǎn)，能夠比較方便的形成具有復(fù)雜形態(tài)結(jié)構(gòu)的微米級(jí)聚合物纖維，是多功能聚合物纖維材料制備中最有發(fā)展前景的方法之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種能夠一步制備多腔多分區(qū)雜化聚合物纖維微流控芯片，這種微流控芯片是由兩塊擁有完全相同通道結(jié)構(gòu)的PDMS塊，以結(jié)構(gòu)區(qū)域面對(duì)面的方式封接而成的，同時(shí)提供了一種基于微流控芯片制備多腔多分區(qū)雜化聚合物纖維的方法。

一種微流控芯片，該微流控芯片是由三個(gè)立體高度層次的通道構(gòu)成，第一層次通道在芯片最上游，第二層次通道在芯片中游，第三層次通道在芯片最下游；第一層次通道與第二層次通道聯(lián)接，第二層次通道與第三層次通道聯(lián)接，從高度上看，第三層次通道高于第二層次通道，第二層次通道高于第三層次通道；

所述第一層次通道為一條至五條獨(dú)立的第一層次平行通道，每條通道有獨(dú)立的第一層次通道流體入口，所有通道末端出口均與中游的第二層次通道聯(lián)接，并且每條通道的兩側(cè)均有兩條中游的第二層次側(cè)通道相伴；

所述第二層次通道由兩部分構(gòu)成：相伴于第一層次通道兩側(cè)的第二層次側(cè)通道、與第一層次通道相連接的下游第二層次等腰梯形通，兩部分通道高度相同，共同構(gòu)成完整的第二層次通道，每一條相伴于第一層次通道兩側(cè)的第二層次側(cè)通道起始端均有一個(gè)第二層次通道流體入口，第二層次等腰梯形通道的梯形短底邊部分與第三層次通道相連接；

所述第三層次通道由兩部分構(gòu)成：平行于第二層次梯形通道兩斜邊的第三層次側(cè)通道、與第二層次梯形通道短底邊相連接的下游第三層次直通道，第三 層次側(cè)通道口設(shè)有第三層次液體入口，兩部分通道高度相同，共同構(gòu)成呈Y字型的完整的第三層次通道。

一種基于微流控芯片制備多腔多分區(qū)雜化聚合物纖維的方法，該方法采用上述芯片，具體為：向所述第一層次通道入口通入液體A，向所述第二層次通道入口通入液體B，向所述第三層次通道入口通入液體C；A，B，C三種液體在芯片內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程具體為：液體A流經(jīng)第一層次通道后流入到第二層次通道梯形通道內(nèi)，液體B流經(jīng)第二層次通道側(cè)通道后流入到第二層次通道梯形通道內(nèi)，在梯形通道內(nèi)，液體B將液體A包裹在其內(nèi)部，兩者共同流入到第三層次通道直通道內(nèi)，被流經(jīng)第三層次通道側(cè)通道后流入到直通道內(nèi)的液體C所包裹。纖維的生成發(fā)生在第三層次通道直通道內(nèi)部，由液體B經(jīng)物理或化學(xué)反應(yīng)生成固體聚合物纖維材料。

所述聚合物纖維材料為多腔聚合物纖維時(shí)，需選用具有多個(gè)第一層次通道的微流控芯片，液體B需為纖維材料的前體溶液，即液體B可通過(guò)物理或化學(xué)反應(yīng)生成固體聚合物纖維，液體A需為不參加液體B的反應(yīng)的惰性溶液，液體C需為為液體B的反應(yīng)提供所需的交聯(lián)劑或引發(fā)劑的溶液。

所述聚合物纖維材料為多分區(qū)聚合物纖維時(shí)，需配制不同種類的液體B溶液，并將它們分別通過(guò)多個(gè)獨(dú)立的第二層次通道入口引入到微流控芯片內(nèi)。

所述聚合物纖維材料為具有多腔和多分區(qū)特征的聚合物纖維時(shí)，需同時(shí)滿足上述多腔聚合物纖維制備和多分區(qū)聚合物纖維制備的條件。

所述聚合物纖維材料的生成是基于光敏材料在紫外光下發(fā)生的聚合反應(yīng)時(shí)，需在第三層次通道直通道上施加紫外光照，以起始光聚合反應(yīng)從而生成聚合物纖維；所述聚合物纖維材料的生成是基于熱敏材料在高溫下發(fā)生的聚合反應(yīng)時(shí)，需在第三層次通道直通道上施加熱源，起始光聚合反應(yīng)從而生成聚合物 纖維；

所述聚合物纖維材料為空腔內(nèi)包裹異種聚合物絲的雜化纖維材料時(shí)，流體A需為可發(fā)生固化反應(yīng)的溶液，其固化反應(yīng)可與流體B的固化反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，或發(fā)生在流體B的固化反應(yīng)之后，其固化原理可與流體B的固化反應(yīng)相同，亦可與流體B的固化反應(yīng)不同。

所述液體B為可以通過(guò)物理或化學(xué)反應(yīng)變成固態(tài)纖維的前體溶液，反應(yīng)原理可以是離子螯合誘發(fā)的聚電解質(zhì)材料固化，紫外光誘發(fā)的光敏材料固化，高溫導(dǎo)致的熱敏材料固化，容劑揮發(fā)導(dǎo)致的析出固化。

當(dāng)液體A為不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的惰性液體時(shí)，在液體B固化后，會(huì)生成內(nèi)部具有空腔結(jié)構(gòu)的聚合物纖維，空腔的產(chǎn)生是由于液體A的占位效應(yīng)，空腔的數(shù)量為獨(dú)立的第一層次結(jié)構(gòu)通道的數(shù)量；

當(dāng)液體A亦為可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但有別于液體B種類的液體時(shí)，在液體B固化后或固化中，液體A也可發(fā)生固化，最終生成內(nèi)部包裹有異種聚合物纖維材料的聚合物纖維，內(nèi)部包裹的聚合物纖維數(shù)量為獨(dú)立的第一層次結(jié)構(gòu)通道的數(shù)量。

當(dāng)液體A及B流入到第三層次通道時(shí)，固化反應(yīng)開(kāi)始發(fā)生，反應(yīng)條件為施加于第三層次通道區(qū)域的光或熱，或在流體C中添加的起到固化A或B作用的分子，流體C在固化過(guò)程中還起到保護(hù)流體A及B，是他們順利通過(guò)第三層次通道的作用。

當(dāng)向每個(gè)獨(dú)立的第一層次通道入口中通入不同種類的流體A，可生成包裹有不同種類聚合物纖維的聚合物纖維；當(dāng)向每個(gè)第二層次通道入口通入不同種類的流體B時(shí)，可生成具有各向異性的多分區(qū)聚合物纖維。

本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.一步法制備具有復(fù)雜形態(tài)結(jié)構(gòu)及組成的微米級(jí)聚合物纖維材料，纖維特征包括：平行多空腔、橫向及縱向多分區(qū)、包裹異種聚合物材料；

2.靈活可控，簡(jiǎn)單可靠的纖維制備方法，可十分方便的對(duì)所制備纖維的空腔數(shù)量、橫向及縱向的分區(qū)位置、包裹的聚合物的種類進(jìn)行控制；

3.形成纖維的可選材料廣泛，固化手段多樣：此微流控平臺(tái)能夠允許光固化，熱固化，容劑揮發(fā)固化，化學(xué)交聯(lián)固化等多種纖維形成手段的施加，因此所選材料更加廣泛，可以是光敏或熱敏材料，有機(jī)溶解或能夠發(fā)生常溫交聯(lián)反應(yīng)的材料等等；

4.此微流控平臺(tái)成本低，僅需一塊由PDMS作為材料的芯片及數(shù)個(gè)注射泵，四氟鏈接管即可實(shí)現(xiàn)纖維的制備，作為耗材的PDMS芯片造價(jià)極其低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)及封裝，運(yùn)輸。

附圖說(shuō)明

圖1為芯片通道立體示意圖，

圖2為芯片通道線圖示意圖；

圖3為各層次芯片通道分解圖，

其中：1第一層次平行通道，2第一層次通道液體入口，3第二層次側(cè)通道，4第二層次等腰梯形通道；5第二層次通道液體入口，6第三層次側(cè)通道，7第三層次直通道，8第三層次通道液體入口，9第一、第二層次通道連接處，10第二、第三層次通道連接處，

圖4為制備具有一，三，五個(gè)空腔纖維的芯片實(shí)物圖，

其中：圖a1)～a3)為各層次通道內(nèi)通入流體后纖維生成過(guò)程中的微流控芯片俯視圖，黑色箭頭為生成過(guò)程中的纖維及纖維內(nèi)空腔；圖b1)～b3)為通道橫切面的電鏡圖，顯示各層次通道的立體空間結(jié)構(gòu)，黑色箭頭標(biāo)出為各層次通道；

圖5為五空腔纖維產(chǎn)生圖及所制備的五空腔纖維圖，

其中：上圖為五空腔纖維在微流控芯片內(nèi)的生成過(guò)程，左下圖為所制備的五空腔纖維的明場(chǎng)圖，右下圖為所制備的五空腔纖維的熒光圖(纖維內(nèi)部添加熒光染料)；

圖6為多空腔纖維截面圖，

其中：左圖為三空腔纖維的截面共聚焦圖片，右圖為五空腔多分區(qū)纖維的截面共聚焦圖。

具體實(shí)施方式

一種微流控芯片，如圖1、圖2、圖3所示該微流控芯片是由三個(gè)立體高度層次的通道構(gòu)成，第一層次通道在芯片最上游，第二層次通道在芯片中游，第三層次通道在芯片最下游；第一層次通道與第二層次通道聯(lián)接，第二層次通道與第三層次通道聯(lián)接，從高度上看，第三層次通道高于第二層次通道，第二層次通道高于第三層次通道；

所述第一層次通道為一條至五條獨(dú)立的第一層次平行通道1，每條通道有獨(dú)立的第一層次通道流體入口2，所有通道末端出口均與中游的第二層次通道聯(lián)接，并且每條通道的兩側(cè)均有兩條中游的第二層次側(cè)通道相伴；

所述第二層次通道由兩部分構(gòu)成：相伴于第一層次通道兩側(cè)的第二層次側(cè)通道3、與第一層次通道相連接的下游第二層次等腰梯形通道4，兩部分通道高度相同，共同構(gòu)成完整的第二層次通道，每一條相伴于第一層次通道兩側(cè)的第二層次側(cè)通道3起始端均有一個(gè)第二層次通道流體入口5，第二層次等腰梯形通道4的梯形短底邊部分與第三層次通道相連接；

所述第三層次通道由兩部分構(gòu)成：平行于第二層次梯形通道兩斜邊的第三層次側(cè)通道6、與第二層次梯形通道短底邊相連接的下游第三層次直通道7，第 三層次側(cè)通道6口設(shè)有第三層次液體入口8，兩部分通道高度相同，共同構(gòu)成呈Y字型的完整的第三層次通道。

第一、第二層次通道連接處9以及第二、第三層次通道連接處10如圖1中方框所示。

實(shí)施例1

三空腔海藻酸鈣纖維的制備：

制備具有三個(gè)獨(dú)立第一層次通道的PDMS芯片如圖4中b2)所示，配制聚乙烯醇水溶液(10wt％)，海藻酸鈉水溶液(2wt％)，氯化鈣水溶液(2wt％)，利用注射泵及連接用四氟管，通過(guò)通道入口，分別將三種溶液通入到第一，第二及第三層次通道中，其中每個(gè)第一層次通道入口的流速為0.3uL/min，第二層次通道的總流速為10uL/min，第三層次通道的總流速為1mL/min。海藻酸鈉溶液在第三層次通道內(nèi)與氯化鈣溶液接觸，鈣離子使海藻酸鈉液流固化為海藻酸鈣纖維。固化的纖維通過(guò)第三層次通道出口排出到微流控芯片外部。固化過(guò)程如圖4中a2)所示。

實(shí)施例2

五空腔兩分區(qū)海藻酸鈣纖維的制備：

制備具有五個(gè)獨(dú)立第一層次通道的PDMS芯片如圖4中b3)所示。配制聚乙烯醇水溶液(10wt％)，海藻酸鈉水溶液(2wt％)，氯化鈣水溶液(2wt％)。將海藻酸鈉水溶液分為兩組，分別加入A熒光物質(zhì)和B熒光物質(zhì)。利用注射泵及連接用四氟管，通過(guò)通道入口，分別將四組溶液通入到微流控芯片內(nèi)，其中聚苯乙烯溶液通入到五個(gè)獨(dú)立第一層次通道內(nèi)，每個(gè)通道內(nèi)流體流速為0.3uL/min，添加A熒光物質(zhì)與B熒光物質(zhì)的海藻酸鈉溶液間隔通入到6個(gè)第二層次通道入口內(nèi)，總流速為20uL/min，氯化鈣溶液通入到第三層次通道內(nèi)，總流速為 1.5mL/min。海藻酸鈉溶液在第三層次通道內(nèi)與氯化鈣溶液接觸，鈣離子使海藻酸鈉液流固化為海藻酸鈣纖維。固化的纖維通過(guò)第三層次通道出口排出到微流控芯片外部。固化過(guò)程如圖4中a3)及圖5中上圖所示，固化后的成品纖維的俯視圖如圖5中下圖所示，將固化后的成品纖維切成小段，立起后進(jìn)行界面表征，如圖6所示，分區(qū)分為兩種，通過(guò)密度不同的熒光點(diǎn)可以明顯區(qū)分。其中圖4中a1)及b1)還顯示了單腔海藻酸鈣纖維的制備芯片及制備過(guò)程。