Name: 预设计尺寸和形状的聚合物纤维和生物贿赂纤维的微流体制造 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-08T13:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 38 s
Description: 学习利用微流控通道和光引发聚合技术制造具有预定尺寸和形状的聚合物微纤维。该方法可在室温下连续生产中空微纤维，直径约200微米，适用于材料科学和生物医学工程应用。

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Darryl A. Boyd 和 Michael A. Daniele 为美国国家研究委员会博士后研究员。本工作由 ONR/NRL 项目编号 4286 和 9899 资助。文中观点仅为作者意见，不代表美国海军或国防部的立场或政策。&#160;

本方案描述了利用光引发的硫醇-炔点击化学反应制备中空纤维的方法。微通道的底部和顶部具有人字形凹槽或“条纹”作为成形结构（图1）。&#160;引入三种流体，并使其形成同心流；从内到外的流体流分别称为芯层流体、包层流体和鞘层流体。&#160;仅对包层流体进行聚合以形成中空纤维。所选材料如下：
<ol type="a">
	<li>核心流体：PEG（分子量 = 400），约 100 mPa.秒（20&#160;&#186;C)</li>
	<li>包层流体：硫醇-炔聚合物（PETMP + ODY），引发剂（DMPA）</li>
	<li>鞘液：PEG（分子量 = 400），约 100 mPa.秒（20 &#186;C)</li>
</ol>
微通道装置由通过数控铣削和聚二甲基硅氧烷（PDMS）浇铸制成的铝制和塑料部件组装而成。微通道内的流体由三台注射泵控制。
1. 微通道的设计与模拟
在计算微通道内的流体流速以及对流/扩散时，为每种输入流体分配合适的黏度至关重要。
<ol>
	<li>创建所需微通道的计算机模型，并导入计算流体动力学软件（COMSOL）中。示例见 图1 使用 Autodesk Inventor CAD 软件生成。&#160;以下步骤涉及使用 COMSOL Multiphysics 计算微通道内流体流动。</li>
	<li>将设计好的微通道导入 COMSOL 后，可将迭代的流体流速引入纳维-斯托克斯求解器。
	<ol>
		<li>初始化程序设置，选择三维层流+对流/扩散方程。微通道中产生的低雷诺数使得装置内形成完全的层流流动。</li>
		<li>设计用于数值计算的有限元网格。在属性变化剧烈的区域，网格应更精细（划分更小）。建议在成形特征和出口处均对网格进行细化。 &#60;1 &#956;m 边长。这有助于清晰地观察芯-鞘流体界面。</li>
		<li>输入流体流动的材料属性， 即 黏度、扩散常数和浓度。此时还需设定出口流动的边界条件。建议采用零黏性应力以模拟开放出口。</li>
		<li>通过迭代循环一系列输入流速来计算流体流动速度研究。例如，核心流体 = 7.5 &#956;升/分钟，鞘液 = 30 &#956;L/min</li>
		<li>将速度场解导入作为初始值，以求解微通道流动的对流/扩散特性。对流/扩散问题的解将揭示流体核心-鞘层界面，并有助于预测最终流体流动形态及所生成纤维的形状。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
根据计算结果，可以预测实现目标纤维形状所需的成形特征的数量和类型。流体流速的输入参数也将对应于生成纤维所需的流速条件。基于这些预测，可制备微通道装置用于聚合物纤维的挤出。
2. 鞘流装置组件的制备
可通过直接微铣削、热压印和/或聚合物浇铸的组合方法来制备鞘流装置的各个组件。具体策略应根据现有资源进行选择。文中示例为采用计算机数控（CNC）的直接铣削工艺。&#160;共需制备五层结构（从上至下），如图2所示：1. 进样夹具（铝），2. 固定板（铝），3. 微通道顶层（环烯烃共聚物，COC 或 PDMS），4. 微通道底层（COC 或聚醚醚酮，PEEK），5. 固定板（铝）。（直接铣削的示例文件以 *.stl 格式提供于支持信息中）
<ol>
	<li>根据与 COMSOL 仿真兼容的设计，通过计算机辅助制图（CAD）开发系统的三维模型。为设备的每一层分别创建独立的 CAD 文件。</li>
	<li>当某一层需通过直接微铣削制造时，将 CAD 模型导入计算机辅助加工软件，生成数控代码（NC），供计算机数控（CNC）铣床解读并用于制造设备。</li>
	<li>准备 5 张尺寸为 30.5 cm × 30.5 cm、厚度至少为 3.2 mm 的牺牲层材料板。</li>
	<li>分别准备一张尺寸为 30.5 cm × 30.5 cm、厚度为 3.2 mm 的环烯烃共聚物（COC）、聚醚醚酮（PEEK）、铝和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板材。</li>
	<li>准备一张尺寸为 30.5 cm × 30.5 cm、厚度为 9.5 mm 的铝板。</li>
	<li>使用双面胶带将步骤 2.4–2.5 中的每张板材固定到步骤 2.3 中的一张牺牲层基板上，确保未粘贴胶带的外边缘最大宽度为 2.5 cm。胶带的作用是在铣削过程中固定工件材料，并在铣削完成后将加工部件从基板材料上切割下来时提供保护。</li>
	<li>将 COC 与牺牲层基板组合体固定在 CNC 铣床的工作台上，装入数控代码（NC）中指定的刀具，并对刀具及基板（工件）材料在 x、y 和 z 方向上进行校准。</li>
	<li>加载 NC 代码并铣削 COC 层。</li>
	<li>将板材从铣床取下，小心地将加工好的部件从基底上分离。在此过程中，铣削冷却液会浸透部件和基板材料，因此在轻柔取下部件前应彻底冲洗。先用温和的洗涤剂清洗，再用 70% 异丙醇冲洗。温和的洗涤剂可去除油性残留物，异丙醇可去除残留的胶粘剂。若微结构中残留毛刺，可能需要通过超声处理将其清除。</li>
	<li>对用于制造鞘流装置的其他各层重复执行步骤 2.7 和 2.9。</li>
	<li>除 PMMA 层外，此前制备的所有层将直接用于装置中。PMMA 将用于制备 PDMS 层，方法是将 10 份 Sylgard 184 基体与 1 份固化剂充分搅拌混合。&#160;提供此信息是考虑到用户可能希望用类似垫圈的 PDMS 材料替代某一 COC 层。</li>
	<li>将 Sylgard 184 倒入先前制备的 PMMA 模具型腔中，确保排除气泡。&#160;如有必要，可在真空环境中去除气泡。PDMS 可在室温下固化 48 小时，或在 100 °C 下固化 45 分钟，或在 125 °C 下固化 20 分钟，或在 150 °C 下固化 10 分钟。</li>
</ol>
3. 鞘流装置组装
<ol>
	<li>从底部开始组装鞘流装置，先将一个固定板放在底部，然后依次放置COC层、另一COC层，最后放上剩余的固定板（图2）。确保通道边缘的成型凹槽彼此对齐，并且COC层中的流体成型结构完全重合。可使用解剖显微镜辅助对齐。</li>
	<li>将螺栓穿过装置中心，并用手拧紧螺母和螺栓，以夹紧整个装置。</li>
	<li>从中心开始，左右交替进行，重复步骤3.2，由中心向外逐步固定，以锁定对齐位置并防止泄漏。当安装到进样夹具的安装孔时，装上进样夹具，并继续以交替方式安装螺钉。</li>
	<li>使用标准HPLC接头将鞘流装置与装有鞘液和预聚物溶液的管路及注射器连接。所有连接处手动拧紧即可。</li>
	<li>使用铁架台和夹具将装置垂直固定。利用水平仪检测装置顶部区域，确保其处于垂直状态。若鞘流装置未保持垂直，纤维可能接触微通道壁，导致堵塞。</li>
	<li>将紫外光源垂直置于鞘流装置COC面约1 cm处，使微通道末端3–5 cm区域受到照射。紫外光源应校准至输出功率约为200 mW/cm2。</li>
</ol>
4. 溶液配制
如前所述，可使用类似方案和鞘流系统制备微纤维的材料有多种，但此处采用的是硫醇-炔化学。为避免储存过程中黏度随时间增加，应在开始纤维挤出过程前立即配制预聚物溶液。
<ol>
	<li>准备一份聚乙二醇400（PEG 400）作为鞘液。</li>
	<li>用 PEG 400 填充一支 1 ml 鲁尔接头注射器，作为不可聚合的芯流体，并填充一支 30 ml&#160;尖端为鲁尔接头的注射器，内含 PEG 400，用作鞘液。</li>
	<li>配制一种预聚物溶液，其中包含 0.01 mol 季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)（PETMP）和 0.01 mol 1,7-辛二炔（ODY）。确保在整个实验过程中两种组分充分混合，并尽量减少所有预聚物试剂暴露于紫外光源（包括环境光）的情况。例如 用铝箔包裹注射器。</li>
	<li>向 PETMP/ODY 溶液中补充 4 x&#160;10-4 mol 2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮（DMPA）光引发剂。持续确保溶液充分混合，并用铝箔包裹容器以避免暴露于紫外光下。</li>
	<li>加载5 ml&#160;铝箔包裹、带有鲁尔接头的注射器，内含预聚物溶液。</li>
</ol>
5. 微纤维制备（视频重点）
<ol>
	<li>确保微流控通道的出口与收集浴中的溶液接触（图3）。对于复杂结构，收集浴中的溶液应与芯层和包层流体的黏度相匹配；但对于简单的中空纤维，使用水即可。</li>
	<li>将芯层、包层和鞘层流体的注射泵流速分别设置为 1、30 和 120 µl/min。确保已将相应注射器的直径正确输入至注射泵中。</li>
	<li>将注射器安装至对应的注射泵上，并使用防紫外线的Tygon管路连接至鞘流装置。</li>
	<li>启动鞘层流体，以润洗鞘流装置并排除系统中的空气。目视检查微通道，确保进入下一步前微通道内无残留气泡。特别注意条纹区域。可使用解剖显微镜辅助观察微通道。若存在气泡，可在流体流动的同时轻轻旋转或轻敲装置，以排出气泡。</li>
	<li>接着启动包层流体，并等待流动稳定。确保进入下一步前微通道内无残留气泡。特别注意成形沟槽区域。若存在气泡，可在流动状态下轻轻振荡装置以排出气泡。</li>
	<li>最后启动芯层流体；同样需确保系统中无气泡存在。</li>
	<li>打开紫外光源，观察收集浴中随鞘层流体喷出的连续中空微纤维（图4A）。使用经改造的刮铲或接种环从收集浴中取出纤维，并将连续纤维缠绕收集于电动卷轴上（图3）。</li>
</ol>

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</ol>

参考文献中列出的专利可从美国海军部获得许可（<a href="http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/">http://www.nrl.navy.mil/doing-business/tech-transfer/</a>）。

与其它纤维制备技术相比，采用鞘流法制造聚合物纤维具有多种优势。其中之一是能够使用多种试剂组合来制备纤维。&#160;尽管本文展示了一种特定的硫醇-炔组合，但其他多种硫醇“点击”化学反应组合（包括硫醇-烯）同样适用。&#160;只要鞘层溶液与待聚合的芯层材料互溶，便可采用大量其他组合来制备纤维。此外，还可将纳米纤维、微粒和细胞等成分包埋于纤维中，前提是需考虑这些添加剂对预聚物溶液黏度的影响。
巯基点击化学是点击化学家族的一个分支，通过紫外光引发的光聚合反应，可将含有巯基的化合物与含有烯烃（双键）或炔烃（三键）官能团的化合物共价连接。&#160;涉及烯烃的反应称为巯基-烯反应，涉及炔烃的反应称为巯基-炔反应。&#160;在紫外光照射下，一个π键（来自烯烃或炔烃）将与一个巯基发生连接。&#160;该过程完全符合点击化学反应的特征，已成功应用于我们的微流控通道中，利用多种巯基点击起始组分制备出各种形状的纤维（e.g. 圆形、带状、双锚状）。
与大多数其他类似方法相比，本文所述方法的一个显著优势在于能够同时控制所生成纤维的形状和尺寸（图4A-H）。&#160;通过设计带有条纹、V形纹或鱼骨纹的微通道，可获得具有不同横截面形状的纤维。&#160;通常情况下，条纹结构适用于生成圆形截面，或用于引入额外的包层流体，以完全包裹已成型的流体并使其在聚合前远离通道壁。&#160;V形纹可减小成型流体中心区域的垂直尺寸，同时保持水平方向的对称性。&#160;鱼骨纹则减小成型流体一侧的垂直尺寸，从而产生不对称结构。这些成型工具可进行多种组合方式。等效结构特征的数量（即 7个V形纹与10个V形纹）也可用于制备具有不同横截面轮廓的纤维。
除了能够控制纤维形状外，本文所介绍的纤维制备方法还能够在使用单一包层流装置的情况下，实现对所制备纤维尺寸的调控。例如 图1).&#160;调节鞘流与芯流流速比是制备具有不同横截面积纤维的方法之一。&#160;还可以通过调整通道设计以增加额外的包被阶段来控制纤维的尺寸。&#160;无论成形过程是在一个或多个阶段中进行，均可使用一个简单的最终阶段来减小芯部尺寸而不改变其形状。
利用这种微流控通道设计，可通过多种试剂组合轻松制备出各种形状和尺寸的纤维，该特性将在组织工程、光通信和智能纺织品等多个领域中发挥重要作用。

组织支架1、复合材料2、光通信3和导电杂化材料4是利用特种聚合物纤维的研究领域。传统的纤维制备方法包括熔融挤出、纺丝、拉丝、浇铸和静电纺丝。这些方法制得的大多数聚合物纤维在制备过程中由于聚合物与空气之间的表面张力作用而呈现圆形截面。然而，非圆形截面的纤维可增强复合材料的力学性能5,6，提高表面积与体积比，调控润湿或毛细作用7，并可用作波导8或偏振器9。
利用微流控系统制备特殊聚合物纤维，通过一股流体（鞘流）包绕并塑形另一股流体（芯流），因其温和的条件以及能够连续生产高度可重复的纤维而具有吸引力。早期实验制备出圆形纤维，其尺寸取决于预聚体与鞘液流体的相对流速10-12。随后发现，微流控通道顶部和底部的凹槽可引导鞘流偏转，从而对芯流实现预设形状的成型13,14，这一发现推动了生成更复杂纤维结构的技术发展10-12,15-17。
NRL 研究人员已证明了以下关键性技术特征13-21：
<ol>
	<li>可采用多种成形结构来引导鞘流液塑造核心流道：&#160;沟槽或脊状结构可设计为条纹形、V字形或人字形。</li>
	<li>这些结构可组成工具箱，用于对应实现所需的流动效果。</li>
	<li>微通道可通过光刻、模塑、铣削或打印技术制备。&#160;基底材料不得在预聚物或鞘流液中溶解或腐蚀，且对于光引发聚合反应，外部层必须对紫外光透明。</li>
	<li>通过调节通道内的流速，可改变单组成形结构所形成的流道形状。&#160;COMSOL Multiphysics 对微通道内流体流动的模拟能够预测最终的流体和纤维形态。</li>
	<li>鞘流液与核心流体的黏度及相态（亲水性）匹配至关重要，以避免因流体界面剪切应变差异而引发屈曲型不稳定性。&#160;&#160;若黏度或相态存在显著失配，则可能发生黏性屈曲，导致最终纤维形状变形，甚至堵塞微通道。</li>
	<li>纤维可通过浇铸或聚合方式形成，但聚合方式对形状的控制更为精确。</li>
	<li>聚合反应（核心流体的固化）必须在流体离开微通道前完成。然而，通道内聚合反应过慢可能导致黏度升高，影响纤维形状，甚至堵塞通道。&#160;聚合反应发生的时间和位置必须被精确控制。</li>
	<li>由于反应动力学迅速，光引发自由基聚合反应（尤其是基于硫醇的点击化学反应）特别适用于纤维制备。</li>
	<li>在制备过程中可动态调节相对流速，以实现非均匀的纤维直径。</li>
	<li>多个成形结构组可集成于同一通道中，原因如下：
	<ol type="a">
		<li>将成形与定径功能分离</li>
		<li>制备多层或中空纤维</li>
		<li>从单个微流控通道中生成多根纤维</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在聚合物中以极低浓度掺入的液晶介晶分子在偏振光下表现出双折射现象，表明聚合物分子可沿纤维轴向排列。</li>
	<li>细胞可被包埋于生物相容性水凝胶预聚物中，并在制备过程中保持高存活率22。</li>
</ol>
在利用鞘流通过流体动力聚焦来塑造预聚物流以制备聚合物纤维时，选择合适的聚合物材料是首要的实用步骤。应根据以下指南确定适当的聚合物、相应的引发剂化学体系以及鞘液：
<ol>
	<li>聚合物和鞘液是可混溶的，且具有相似的黏度。例如，水性单体溶液可用水作为合适的鞘液，但不能使用己烷作为鞘液。</li>
	<li>聚合反应机理必须具备足够快的反应动力学，以在纤维成型后、且在即将离开通道前迅速固化芯层流体。</li>
</ol>
在选定材料后，必须设计用于生成目标纤维形状和尺寸的微通道。&#160;为确定所需的成形结构（条纹、人字形、V形槽），可利用计算流体动力学软件预测流体流动模式。这些成形结构可引导包层流体围绕核心流体流动。通常情况下，条纹结构使包层流体从通道一侧横向流经顶部和底部至另一侧，而人字形和V形槽结构则使流体从两侧向通道顶部和/或底部移动，随后再回流至结构顶点正下方的通道中心位置。&#160;通道顶部和底部重复沟槽的数量会影响包层流体的导向程度。&#160;核心流体与包层流体的流速比也会影响成形效果。&#160;使用COMSOL Multiphysics软件进行的模拟已被证实能够可靠地评估成形结构与流速比之间的相互作用，从而预测纤维的横截面形状。这些模拟还可提供有关在设定的通道尺寸、黏度和流速条件下，溶质在核心与包层之间扩散行为的有益信息。
如果需要制备复杂形状，例如 Boyd et al.23 中描述的“双锚”结构，则将成形与定径功能分开会更为有利。&#160;可先利用一组结构特征形成复杂形状，随后在第二包层流体入口处 strategically 放置一个单沟槽结构，以减小可聚合流体的横截面积，同时基本不改变其原有形状。
另一种复杂的微通道设计示例可生成多层纤维。&#160;在此设计中，引入了多组依次排列的成形结构以及额外的包层流体。这些同心流动可固化为具有实心芯-包层结构的纤维或中空管。下文将展示此类器件的一个示例。
一旦确定了微流控装置的设计，便可开始微通道的制备过程。&#160;可采用的制备工具包括软光刻、数控铣削、热压印和3D打印。&#160;无论使用何种工具，都必须意识到，微流控通道壁面中意外引入的结构特征同样会引导鞘流，可能导致使用该装置制备的所有纤维在横截面形状上出现高度可重复的偏差。微通道基底材料也应谨慎选择，需具备足够的机械强度、化学惰性以及抗紫外损伤能力。例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS）易于浇铸成型，可提供类似垫圈的密封效果，且对紫外光透明；因此PDMS适用于作为通道的透明上部，但不适用于需要更高刚性的通道侧壁和底部。
最终，通过以流体动力学模拟所预测的流速引入经过适当选择的芯层和鞘层流体，成形结构将生成相应的流体剖面，下游的紫外固化灯则会固化所设计的聚合物纤维。聚合物纤维从通道中连续挤出，可制备出长度仅受限于流体储液池体积的可重复性纤维。

<table><tbody><tr><td>季戊四醇四（3-巯基丙酸酯）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>381462</td><td>参见参考文献</td></tr><tr><td>1.7-辛二炔</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>161292</td><td>参见参考文献</td></tr><tr><td>2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>196118</td><td>参见参考文献</td></tr><tr><td>聚乙二醇 400</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>202398</td><td>可用聚乙二醇 200 或 600、葡萄糖或甘油替代</td></tr><tr><td>Sylgard 184&amp;nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>761036</td><td>可用 QSIL 216、OptiTec 7020 或 GS RTV 615 替代</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;专用设备清单&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MiniMill</td><td>Haas</td><td>MINIMILL</td><td>任何可解析 2.5 轴（或更高）数控代码的铣床均可替代</td></tr><tr><td>注射泵（3 台）</td><td>Harvard Apparatus</td><td>702212</td><td>可编程以提供所需体积流速的注射泵均可替代</td></tr><tr><td>Tygon 软管（3 米）</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-169-13A</td><td>NA</td></tr><tr><td>PEEK 软管</td><td>Upchurch Scientific</td><td>1435</td><td>NA</td></tr><tr><td>HPLC 接头</td><td>Upchurch Scientific</td><td>1457</td><td>NA</td></tr><tr><td>BlueWave 200 紫外灯（含支架和导光装置）</td><td>Dymax</td><td>38905; 38477; 39700</td><td>任何可提供 300–450 nm 波长、&gt;200 mW/cm&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt; 的导光式紫外光源均可替代</td></tr><tr><td>500 ml 烧杯</td><td>Fisher Scientific</td><td>FB-100-600</td><td>任何尺寸和形状大致相同的容器均可替代</td></tr><tr><td>铁架台</td><td>Fisher Scientific</td><td>S47807</td><td>任何可将夹持式鞘流装置固定在注射泵上方高度的铁架台均可替代</td></tr><tr><td>铁架台夹具架（2 个）</td><td>Fisher Scientific</td><td>S02625</td><td>任何可固定夹具的铁架台夹具架均可替代</td></tr><tr><td>铁架台夹具（2 个）</td><td>Fisher Scientific</td><td>02-216-352</td><td>任何可固定夹持式鞘流装置和导光装置的铁架台夹具均可替代</td></tr><tr><td>1、5 和 60 ml 注射器</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-823-16H; 14-823-16D; 14-820-11</td><td>任何已知内径且体积足够的注射器均可替代</td></tr><tr><td>聚甲基丙烯酸甲酯（3.2 mm）</td><td>McMaster-Carr</td><td>8560K239</td><td>可用聚碳酸酯或环烯烃共聚物替代</td></tr><tr><td>聚醚醚酮（3.2 mm）</td><td>McMaster-Carr</td><td>8504K25</td><td>可用耐溶剂的可加工材料替代</td></tr><tr><td>铝（3.2、9.5 mm）</td><td>McMaster-Carr</td><td>1651T41; 9246K23</td><td>可根据需要替换为其他材料</td></tr></tbody></table>

预设计尺寸与形状的聚合物及生物杂化纤维的微流控制备

Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape

在低雷诺数下，通过微流控通道的“鞘流”流体可被引导至另一“核心”流体的周围，并用于控制核心流体的形状及其直径。&#160;在微流控通道的顶部和底部设计凹槽，可引导鞘流流体并塑造核心流体的形态。&#160;通过匹配鞘流与核心流体的黏度和亲水性，可最小化界面效应，从而形成复杂的流体形状。&#160;调节鞘流与核心流体的相对流速，可决定核心流体的横截面积。&#160;已制备出尺寸范围从300 nm到约1 mm的纤维，纤维的横截面可呈圆形、扁平形、方形，或如双锚形纤维那样的复杂结构。在成形区域下游对核心流体进行聚合，可使纤维固化。&#160;光引发的点击化学反应非常适合通过紫外光照射实现核心流体的快速聚合。&#160;已使用多种聚合物成功制备出各种形状的纤维，这些聚合物包括液晶、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、硫醇-烯和硫醇-炔树脂、聚乙二醇以及水凝胶衍生物。成形过程中剪切力极小，且聚合条件温和，因此该制备工艺也适用于细胞及其他生物组分的包封。

采用一种简单的两步设计，通过成型凹槽和三种溶液输入来制备中空纤维（图1）。利用COMSOL模拟确定合适的流速比，以获得期望的横截面尺寸（图1，ESI视频）。通过铣削与模塑相结合的方法制备鞘流组件的各个部件用于纤维 fabrication（图2）。完整的装置包括鞘流器件、光纤耦合紫外激光器、三台注射泵、收集浴（烧杯）以及纤维收集卷筒（图3）。
包层材料的聚合反应由紫外光源引发，中空纤维从微通道挤出并进入收集浴中。纤维形成后被持续收集，直至关闭紫外灯为止。纤维的制备过程可持续数分钟，生成长度超过一米的单根纤维。在此条件下制备的纤维直径约为200 µm。通过光学显微镜和电子显微镜观察纤维结构，结果显示纤维呈椭圆形，具有中空内核。利用毛细作用将液体和气泡引入纤维内部，证实了中空结构在整根纤维长度方向上是连续的（图4A）。
<img alt="鞘流装置示意图；COMSOL 模拟数据；纤维制备；芯层:包层比例。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 1"> 
图 1. 鞘流装置设计及 COMSOL 模拟结果。 选用具有直槽的两段式制备装置来生产中空纤维（绕 x 轴旋转 45°）。左侧的 COMSOL 模拟结果显示了芯层:包层:鞘流流速比（每个模拟图下方的数字）对中空纤维最终尺寸的影响。微通道横截面为 1 mm × 0.75 mm，条纹宽 0.38 mm，深 250 µm。条纹相对于通道呈 ∠45° 排列。
<img alt="带孔板层叠光学装置的分解示意图，标注A-E，标示尺寸。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig2highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 2"> 
图2. 鞘流组件的分解示意图。 从上到下分别为：(A) 进样夹具，(B) 固定板，(C) 微通道盖板，(D) 微通道基板，(E) 固定板。各部件分别由铝、铝、环烯烃共聚物（COC）或聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环烯烃共聚物（COC）或聚醚醚酮（PEEK）以及铝制成。规则排列的孔位用于安装螺丝。
<img alt="静电纺丝装置示意图和照片、纤维生产、聚合物溶液、电压施加。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. 装置布局照片与示意图概述。装置包括垂直固定在盛有水浴的烧杯上方的鞘流组件、用于光聚合的光纤激光器、三台注射泵以及用于收集聚合物纤维的纺锤。插图显示在紫外光照下的制备组件。（A）鞘流和芯流入口，（B）微流控通道，（C）紫外光，（D）收集容器，（E）正在被收集的聚合纤维。
<img alt="显微镜下的纤维材料照片展示了其在微米尺度上的结构、纹理和形貌。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50958/50958fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50958/50958fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 
图 4. 采用流体动力聚焦法制备的纤维的光学显微镜与扫描电子显微镜图像。 使用流体动力聚焦技术制备出以下形状的纤维：（A）中空管状纤维，（B）矩形带状纤维，（C）薄而有弹性的带状纤维，（D）三角形纤维，（E）肾形纤维，（F）珍珠串状纤维，（G）嵌入碳纳米纤维的圆形纤维，以及（H）双锚状纤维。这些纤维由丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和硫醇-烯类等多种材料制成。
<a href="/files/ftp_upload/50958/ESI_Video.mp4" target="_blank">ESI 视频。</a> 在 COMSOL Multiphysics 中生成的切片图，显示微通道的一半，其中芯层、包层和鞘层流体进入装置并流经两级改变流动的对角条纹凹槽。模拟的芯层、包层和鞘层流速分别为 1、28 和 256 µl/min。该视频代表约 6 秒的实际时间，为便于说明，已放慢 6 倍。

当两种相邻的流体通过带有沟槽的微流控通道时，可被引导形成包裹预聚物核心的鞘层，从而&#160;决定微纤维的形状和横截面。光引发聚合反应（如硫醇点击化学反应）非常适合将核心流体快速固化为具有预定尺寸和形状的微纤维。

一种“鞘流”液体在低雷诺数下流经微流控通道时，可被引导至另一股“核心”液流周围，并……

以下实验的总体目标是通过微纤维的制备，展示复杂的流体塑形过程。该过程通过构建带有特定沟槽的微流控通道，从而生成具有预定横截面形状的可实现聚合物核心。第二步是制备预聚物溶液，该溶液在通过通道时将被塑形并发生聚合。接下来，通道底部的紫外光被打开，以使聚合物材料发生聚合。这些扫描电子显微镜图像显示了所制备的多种微纤维形状。与静电纺丝和熔融纺丝等现有方法相比，该技术的优势在于可在室温下进行，并且可与多种合理的聚合物材料结合使用。此外，该技术不需要高电压，不需要高温后快速冷却的过程，也不需要控制湿度等环境因素。对该技术进行可视化演示至关重要，因为微流控纤维制备技术不如其他一些方法常见，因此若未亲眼见过，可能难以理解其原理。从视觉上看，尽管该方法已用于聚合物微纤维的制备，但其相同原理在我们实验室正被应用于其他系统的开发，例如微小血管。这一设想最初源于我们对微混合器和微芯片流式细胞术系统的共聚焦观察。当我们观察到复杂且持久的横截面结构逐渐形成时，我们推测，通过引入聚合物溶液，可利用光聚合反应持续且相对容易地将这些形状固定下来。演示该实验操作的将是来自我实验室的博士后研究人员 Michael Danielle 和 Darrell Boyd。首先，从底部开始组装先前设计的鞘流装置，将一块紧固板置于底部，接着放置一层环烯烃共聚物（COC）层，最后放上另一块紧固板。确保通道边缘处的成型凹槽相互对齐，并且COC层中的流体成型结构完全重合。将螺栓穿过装置中心，使用电动螺丝刀交替从中心向左和向右拧紧螺母和螺栓，以将装置夹紧固定。从中心向外重复上一步骤，以固定对齐位置并防止泄漏。当安装孔到达时，安装进样夹具，并以交替方式继续安装螺钉。接下来，将鞘流装置连接到特氟龙管上。使用标准的高效液相色谱（HPLC）接头，手动拧紧所有连接处，利用铁架台和夹具将装置垂直固定，并使用水平仪检查装置顶部，确保其处于垂直状态。然后将紫外光源垂直放置于鞘流装置的环烯烃共聚物（COC）面约一厘米处，使微通道末端三至五厘米的区域受到照射。用1毫升鲁尔接头尖端注射器吸取PEG 400，作为非聚合物核心流体；另用30毫升鲁尔接头尖端注射器吸取PEG 400，作为鞘流流体。接下来，在一个小瓶中，向新配制的巯基线性溶液中加入 4 × 10⁻⁴ 摩尔的 DMPA 光引发剂。搅拌约两分钟后，用铝箔包裹的 5 毫升下端尖嘴注射器吸取预聚物溶液。随后，将微流控通道的出口置于盛有水的收集浴中。将芯层、包层和鞘液的注射泵流速分别设置为30和120微升每分钟。然后将相应注射器的直径输入到注射泵中。接着将注射器安装到对应的注射泵上，并将其连接至鞘流装置。使用具有紫外线防护功能的特戈管（tigon tubing），启动鞘液以润洗鞘流装置，并清除系统中的空气。目视检查微通道，特别注意成形槽区域，确保在进行下一步操作前微通道内无残留气泡。若存在气泡，可在液体流动状态下轻轻旋转或轻敲装置，以震出气泡并将其冲洗出装置。启动包层流体，同时让流动达到稳定状态。检查微通道并冲洗掉气泡后，启动芯层流体，并以与之前相同的方式确保系统中无气泡存在。最后，打开紫外光源，观察收集槽中空微纤维的连续生成过程，微纤维将随包层流体一同被挤出。从收集浴中取出纤维，采用一种简单的两级设计，利用成型凹槽和三个溶液输入口来制备中空纤维。通过Comsol模拟确定了获得目标横截面尺寸所需的适当流速比例。通过铣削与模塑相结合的方法制备了鞘流组件的各个部件，用于纤维的制造。包层材料的聚合由紫外光源引发，中空纤维从微通道挤出并进入收集浴中。纤维的制备持续数分钟，生成一根长度超过一米的单根纤维。在此条件下制备的纤维直径约为200微米。使用光学显微镜和电子显微镜观察了纤维的结构。这些纤维呈椭圆形，具有中空的内核。通过毛细作用将液体和气泡引入纤维内部，证实了中空结构在纤维长度方向上是连续的。一旦掌握，该过程最短可在45分钟内完成，包括通道搭建、溶液配制、纤维制备以及纤维收集等全部步骤。观看本视频后，您应能充分理解如何设计并组装用于制备中空微纤维的微流控通道。请务必注意，在处理危险化学品和进行紫外照射时，应始终佩戴个人防护装备。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

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