靜電紡絲長絲的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于收集帶電纖維，特別是靜電紡絲纖維的方法和裝置。本發(fā)明可用于制備由靜電紡絲纖維制得的連續(xù)長絲。
【背景技術】
[0002]靜電紡絲纖維通常由將高電壓施加于從噴嘴排出的聚合物溶液而形成。聚合物溶液的粘度防止液體由于表面張力而斷開成液滴，反而使液體溶液保持為由于溶劑蒸發(fā)而固化成纖維中的射流。如果將平面固定板用作收集器，靜電紡絲自然地制備出非紡織纖維墊。這些可以是由靜電紡絲射流的“鯁動不穩(wěn)定流動區(qū)”造成的無規(guī)取向的非紡織纖維墊。可選地，一些靜電紡絲技術可通過采用不同形狀的收集器而制備出含有定向的、無規(guī)的或網格狀的纖維。然而，對制備編織的靜電紡絲材料僅有非常少的研究，這要求將靜電紡絲纖維在能夠使用它們之前以特定方式排列。
[0003]已經有各種建議來控制電場，或采用移動收集器或噴絲頭系統(tǒng)，從而收集纖維束而不是纖維墊。那些束可以以連續(xù)或不連續(xù)的方式來收集。靜電紡絲纖維的連續(xù)束可以從液體收集器中拉出或采用諸如圓柱形滾筒或錐形輪的動態(tài)機械收集器來收集。采用液體收集器的示例可以在Teo等人(Polymer 48(2007)3400-3405)中找到。然而，液體收集器因若干原因并不是便利的。所制備的纖維束僅具有纖維之間低水平的連接，其導致了出于水的表面張力而產生的纖維束直徑的差異和纖維束的斷裂。納米纖維的形態(tài)可受水蒸汽的影響，且除此之外，水的溶解度在聚合物的直接紡絲和將藥物摻入纖維中的兩方面均影響可被使用的材料。
[0004]US 1975504描述了一種由旋轉輪或無限鋼帶組成的可移動纖維收集設備。靜電紡絲纖維在收集設備上堆積為無規(guī)墊，然后可以被推到一起以形成纖維束。盡管該動態(tài)收集器可制備一些定向的纖維，其結果僅為可輕易散開的松散組裝的纖維束，因為纖維之間幾乎沒有相互作用以保持它們在一起。此外，許多在先的收集技術缺乏耐用性和可靠性。
[0005]非紡織的靜電紡絲墊所具有的較低機械強度和在剪裁纖維結構上的困難已經限制了它們的應用。隨著從靜電紡絲工藝獲得纖維束的技術，如此制備的纖維往往具有有限的長度和厚度。單單靜電紡絲纖維，特別是直徑小于Ιμπι的納米纖維，通常太薄且太脆弱以至于無法繞成紗線或編織成纖維結構。除了形成纖維束，在從靜電紡絲工藝中收集纖維的過程中，一些替代工藝將多組纖維扭轉成為紗線。采用旋轉漏斗收集器和兩個帶相反電荷的噴絲頭已經成功地將包括過氧?；跛狨?PAN)、聚己內酯(PCL)和酚醛(PF)的聚合物直接靜電紡絲成合股連續(xù)紗線。
[0006]與用于組織修復應用的傳統(tǒng)材料相比，靜電紡絲材料被發(fā)現(xiàn)可以促進激活傷口愈合。由靜電紡絲產生的纖維的尺寸可類似于在天然細胞外基質中發(fā)現(xiàn)的那些纖維的尺寸，并且這一特性可通過促進細胞粘附、增殖和侵襲而提高組織修復。還已經表明的是，與具有較大纖維直徑的支架或非纖維結構相比，小直徑的靜電紡絲纖維使得炎性反應降低。由于纖維的小直徑，纖維具有許多有用的特性，諸如高的表面積與體積之比以及高孔隙度。這些使得它們作為可植入材料是非?？扇〉摹Ｋ鼈円部梢杂糜谝胫T如抗菌或生長因子的活性劑，因為它們可以以可控的方式攜帶和釋放這些活性劑。用于從一些生物醫(yī)學感興趣的聚合物(例如聚對二氧環(huán)己酮(PDO))中制備纖維的單絲或合股紗線的現(xiàn)有技術由于在紗線直徑和扭轉數(shù)量與纖維間較少連接上的矛盾而具有有限的價值。這些問題減少了它們作為用于組織修復應用的材料的潛在用途。
[0007]目前的單絲和合股紗線的潛在問題是它們缺乏表面特征。由靜電紡絲制備的納米纖維天然地具有由于紡絲射流快速固化的非晶結構。這種多孔結構的高表面積和形態(tài)可以使它們高度生物相容，模仿機體組織和器官中細胞周圍的纖維基質。因此，已經對由靜電紡絲纖維組成的結構作為用于組織工程的支架材料進行了研究。非紡織靜電紡絲材料往往缺乏機械強度，阻礙了它們在承受大機械力的組織(諸如肌肉骨骼組織)中的應用。特別是，經過定向的靜電紡絲纖維已經顯示出其作為用于肌腱組織工程的支架材料的潛力。然而，通常將纖維拉伸以使其定向且進行退火以改善結晶結構和機械強度?？蛇x地，需要例如由編織或編結的結構或通過厚單絲來負載非紡織材料以增加它們的機械強度。
[0008]仍然需要制造具有足夠的機械特性的靜電紡絲纖維的連續(xù)長絲的具有耐用性和伸縮性的技術。

【發(fā)明內容】

[0009]根據本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于從靜電紡絲纖維中制備連續(xù)長絲的方法，該方法包括:提供導電凝聚槽，所述導電凝聚槽為細長的三維表面;在所述凝聚槽和帶電纖維的源之間形成有吸引力的電場梯度;在相對于所述帶電纖維的源的縱向方向上移動所述凝聚槽;和收集在所述凝聚槽上的所述纖維以形成連續(xù)長絲。
[0010]已有利地發(fā)現(xiàn)采用三維凝聚槽的該方法可制備高度紋理化的靜電紡絲纖維的連續(xù)長絲。由于對表面的纖維進行了隨機收集并且剩余溶劑蒸發(fā)，纖維趨向于相互連接。纖維不會均勻地分布在表面上。由于所述表面的三維形狀，可形成更多的相互連接，產生不平并因此更強的長絲。通過纖維的保持表面特征和非均勻結構，靜電紡絲長絲與在醫(yī)用紡織品中頻繁使用的單絲和紗線相比更加具有仿生性，從而提高了細胞粘附和細胞生長。此外，該工藝是完全可伸縮的且易于實現(xiàn)的。
[0011]如本發(fā)明所制備的長絲由于其機械完整性可從由現(xiàn)有技術的靜電紡絲技術所形成的靜電紡絲纖維的束或收集中區(qū)分開。因為長絲不平，纖維趨向于在三維結構中相互連接。在三維網絡中纖維之間的相互作用使得它們不可能以所收集纖維的無規(guī)墊的方式結合在一起。
[0012]在一組實施方案中，細長的三維表面由導電金屬絲提供。據推測三維凝聚槽(諸如具有小直徑的金屬絲的表面)可以使靜電紡絲纖維相互作用并形成交聯(lián)，該交聯(lián)使得無附著的成束收集的分開的靜電紡絲纖維中產生附著并因此比在成束收集中發(fā)現(xiàn)的具有更強的機械特性。此外，已經發(fā)現(xiàn)這些長絲比單絲更柔韌、易彎曲且更柔軟，這意味著它們不存在如單絲具有的形狀記憶的問題。這些特性使靜電紡絲長絲更適用于編織和碼布等等。
[0013]本申請人已經驚奇地發(fā)現(xiàn)，當在收集過程中對纖維進行無規(guī)布置且長絲隨后經受拉伸處理以便使其沿軸線定向時，由靜電紡絲纖維制成的連續(xù)長絲可以具有更理想的性質。因此該方法可以進一步包括隨后拉伸連續(xù)長絲以使所述纖維定向的步驟，優(yōu)選地在徑向方向上。經發(fā)現(xiàn)，拉伸長絲可以提高斷裂處強度。經過拉伸的長絲會比采用其它技術收集的靜電紡絲束更強，因為三維凝聚槽使得聚合物纖維間的連接隨著它們被沉積下來并且在被定向之前而形成。將纖維沿著用于組織工程應用的長絲的軸進行定向可能是重要的，由于經過定向的靜電紡絲纖維被已知為會引起細胞在纖維定向的方向上伸長。這可能對例如在肌腱修復的情況是至關重要的，因為原生肌腱細胞具有單向形狀。隨后的拉伸步驟可以將長絲的長度增加至長達約 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%。該拉伸步驟可以通過諸如拉伸過程中將長絲放置在熱浴中的常規(guī)后處理方法來協(xié)助。
[0014]該方法可包括將連續(xù)長絲從凝聚槽分離的步驟。由于凝聚槽的形狀，即與可以在其上收集纖維的長絲的尺寸相比具有較小表面積的小的三維表面，可輕易地將長絲從凝聚槽移除。這是因為長絲主要堆積在凝聚槽的一側，如朝向源，而不是散布在大的表面積上。纖維間的相互作用形成了當將長絲從凝聚槽移除時不會輕易斷裂的強長絲。優(yōu)選地，在對連續(xù)長絲進行拉伸以對纖維進行定向之前(當采用了該步驟時)，將連續(xù)長絲從凝聚槽分離。在已經進行了一個或多個可選的處理步驟后，可以將長絲從凝聚槽分離。例如，在將長絲分離前，可以用諸如非纖維聚合物層的材料對長絲進行涂覆。例如，通過采用切割或磨削工具(如刀片)來輔助分離，從而將連續(xù)長絲從凝聚槽分離。可選地，或除此之外，采用激光、熱、溶劑的一種或多種來將連續(xù)長絲從凝聚槽分離，例如從而有效地將長絲“融化”在凝聚槽的一側。可選地，或除此之外，分離可包括將連續(xù)長絲浸入液體從而將其從凝聚槽分離。例如，可以移動凝聚槽以將長絲傳遞至溶劑浴中以輔助分離。這也可作為洗滌過程，例如從而將任何過量溶劑(來自紡絲過程中)從制得的長絲中除去。
[0015]該方法可包括在將連續(xù)長絲從凝聚槽分離后對連續(xù)長絲進行拾取的步驟?？刹捎脵C械拾取技術和/或靜電拾取技術?？梢粤⒓磳﹂L絲進行后加工，例如立即對長絲進行拉伸，或后續(xù)處理步驟可在稍后和/或不同位置進行。該方法可包括將連續(xù)長絲收集到繃架上，例如用于在應用后加工步驟之前的儲存和/或運輸。
[0016]已經發(fā)現(xiàn)，當在細長的三維凝聚槽上沉積時，靜電紡絲纖維趨向于以改善的方式結合在一起。然而，一些纖維也有可能不會完全被吸引到凝聚槽，并且有可能會橋接到附近存在的一個或多個其它表面，包括