阅读说明：本技术 一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术 (Microfluidic biological spinning technology suitable for chemical crosslinking forming ) 是由 刘凯 何浩男 张磊 张洪杰 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术,包括：将生物基溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第一微管；将交联剂溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第二微管；第一微管的生物基溶液和第二微管的交联剂溶液混合交联,得到纺丝液；将纺丝液经第一微管出口挤出进入凝固浴中,通过转筒收集器收集得到纤维。本发明提供了选取生物基材料作为纺丝原料,同时结合特定的新型微流控芯片,通过调节上述微流控芯片的参数及纺丝参数,可制备具有需要尺寸和优异力学性能参数的生物纤维材料。本发明所制备的化学交联生物纤维材料的力学性能明显优于纯生物纤维。(The invention provides a microfluidic biological spinning technology suitable for chemical crosslinking forming, which comprises the following steps: introducing the bio-based solution into a first micro-tube of the coaxial two-channel micro-fluidic chip through a guide tube and an injector; introducing the cross-linking agent solution into a second micro-tube of the coaxial two-channel micro-fluidic chip through a guide tube and an injector; mixing and crosslinking the bio-based solution of the first microtube and the crosslinking agent solution of the second microtube to obtain a spinning solution; and extruding the spinning solution into a coagulating bath through a first micro-pipe outlet, and collecting the spinning solution by a rotary drum collector to obtain the fibers. The invention provides a method for preparing a biological fiber material with required size and excellent mechanical property parameters by selecting a biological base material as a spinning raw material, simultaneously combining a specific novel micro-fluidic chip and adjusting the parameters and spinning parameters of the micro-fluidic chip. The mechanical property of the chemical crosslinking biological fiber material prepared by the invention is obviously superior to that of pure biological fiber.)

一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术

技术领域

本发明涉及生物纤维制备技术领域，尤其是涉及一种化学交联成型的生物纤维材料及其制备方法。

背景技术

人造生物纤维材料是人们将提取自植物或者动物的生物基材料进行二次纺丝形成的一类纤维材料，这类纤维材料往往具有低密度、高力学强度、优异的延展性、可降解和良好的生物相容性。但是，目前这类纤维材料还未能达到有些天然纤维材料的优异性能，例如蜘蛛丝纤维。因此，在制备生物纤维的过程中，需要对原生物纤维进行改性。化学交联是一种常见的生物材料修饰方法，通过化学交联试剂形成稳定的共价键，常见的生物材料化学交联试剂有戊二醛、京尼平、己异二氰酸酯、EDC/NHS等，这些交联试剂可以使的生物材料获得更加稳定的结构，从而增加相应的应用。但目前，这些交联试剂的交联效果大同小异，以最常见的EDC/NHS为例，该交联试剂交联速度较慢，处理程序较多，难以在短时间内获得所需的交联产物，因此，大大限制了其在纤维交联方面的应用。

微流控纺丝技术是一种在微尺度控制纤维形成的技术，这种技术是近几年发展起来的新兴技术，主要依托于一块微米尺度的芯片。通过控制外部条件例如流体流速、浓度、粘度等相关参数，微流控芯片可以实现溶液在微尺度下的高效快速反应，进一步控制纤维的生成。该类技术由于其具有巨大的优势，已经成功发展为一个融合生物、化学、电子、材料、机械电气等学科的热门研究领域。

传统生物材料的交联产物多为凝胶物质，用于药物缓释或者生物粘合剂等领域，应用的潜能并未得到进一步开发。目前来说还没有一种能够实现生物纤维材料的快速交联和大量制备、获取性能更佳和应用范围更广纤维材料的技术。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术，本发明制备得到的化学交联生物纤维具有良好的力学性能。

本发明提供了一种交联剂偶联蛋白纤维的制备方法，包括：

A)将生物基溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第一微管；将交联剂溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第二微管；

B)第一微管的生物基溶液和第二微管的交联剂溶液混合交联，得到纺丝液；

C)将纺丝液经第一微管出口挤出进入凝固浴中，通过转筒收集器收集得到纤维。

优选的，所述同轴双通道微流控芯片包括同轴摆放的第二微管与第一微管，所述第一微管为方形玻璃微管；所述第二微管为圆柱形玻璃微管；其中，圆柱形玻璃微管置于方形玻璃微管内部，方形玻璃微管出口为管径逐渐变细的锥形；所述锥形出口内径为0.05～0.0.50mm。

优选的，所述生物基溶液为将生物基材料固体粉末溶于缓冲溶液中，所述生物基溶液的浓度为50～800mg/mL。

优选的，所述缓冲溶液为PBS缓冲溶液，所述缓冲溶液的pH值为8。

优选的，所述交联剂溶液质量浓度为0.1％～10.0％。

优选的，所述凝固浴中为50％～100％wt的甲醇水溶液。

优选的，所述生物基溶液的流速为2～20μL/min，

优选的，所述交联剂溶液流速为2～15μL/min。

本发明提供了一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术，由上述技术方案任意一项所述的制备方法制备得到。

与现有技术相比，本发明提供了一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术，包括：A)将生物基溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第一微管；将交联剂溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第二微管；B)第一微管的生物基溶液和第二微管的交联剂溶液混合交联，得到纺丝液；C)将纺丝液经第一微管出口挤出进入凝固浴中，通过转筒收集器收集得到纤维。本发明提供了选取生物材料作为纺丝原料，同时结合特定的新型微流控芯片，通过调节上述微流控芯片的参数及纺丝参数，可制备具有需要尺寸和优异力学性能参数的生物纤维。本发明所制备的化学交联纤维材料的力学性能明显优于纯生物纤维，开拓了交联型生物纤维材料在生物、材料以及医用方面的应用；本发明的化学交联生物纤维可应用于人工韧带、运动绷带、手术缝合线、医用生物支架等领域。

附图说明

图1为本发明实施例中的微流控纺丝整体流程示意图；

图2为本发明实施例中的微流控芯片示意图；

图3为本发明实施例1的纤维拉伸测试曲线图；

图4为本发明实施例2的纤维拉伸测试曲线图；

图5为本发明实施例3的纤维拉伸测试曲线图；

图6为本发明实施例4的纤维拉伸测试曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

本发明提供了一种交联剂偶联蛋白纤维的制备方法，包括：

A)将生物基溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第一微管；将交联剂溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第二微管；

B)第一微管的生物基溶液和第二微管的交联剂溶液混合交联，得到纺丝液；

C)将纺丝液经第一微管出口挤出进入凝固浴中，通过转筒收集器收集得到纤维。

本发明提供了一种微流控纺丝装置，包括注射泵，注射泵通过内相注射器、导管与微流控芯片第二微管相连；注射泵通过外相注射器、导管与微流控芯片第一微管相连，设置于微流控芯片下方的凝固浴以及与凝固浴相连的转筒收集器，以及用于驱动所述转筒收集器的电机。

本发明图1为本发明实施例中的微流控纺丝整体流程示意图。

其中，1为注射泵；2为内相注射器；3为外相注射器；4为微流控芯片；5为凝固浴；6为转筒收集器；7为电机。

本发明对于上述各部分来源以及具体设置不进行限定，本领域技术人员熟知的即可。

按照本发明，所述第一微管为方形玻璃微管；所述方形玻璃微管内径为1.00mm，长度为5.00cm，所述第二微管为圆柱形玻璃微管；所述圆柱形玻璃微管内孔径为0.400～0.600mm，外径为0.900mm，长为5.00cm。

其中，所述同轴双通道微流控芯片包括同轴摆放的圆柱形玻璃微管与方形玻璃微管，其中，圆柱形玻璃微管置于方形玻璃微管内部。

本发明方形玻璃微管出口为管径逐渐变细的锥形；所述锥形出口内径为0.05～0.50mm。本发明这种特殊处理可以增加剪切力和挤压力，提高分子间有序排列以及纺丝的力学性能。具体如图2所示，其中8为第二微管，9为第一微管，10为锥形头。

本发明将生物基溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第一微管。优选具体为将生物材料固体粉末置于离心管，加入缓冲溶液，震荡离心除去泡沫，得到生物基溶液。

按照本发明，所述生物基溶液优选为将生物材料固体粉末溶于缓冲溶液中，所述生物基溶液的浓度优选为50～800mg/mL。所述缓冲溶液为PBS缓冲溶液，所述缓冲溶液的pH值为8。

将交联剂溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第二微管；

本发明所述交联剂溶液质量浓度优选为0.1％～10.0％。

第一微管的生物基溶液和第二微管的交联剂溶液混合交联，得到纺丝液；

优选具体为：将生物基溶液和交联剂溶液经注射器与导管分别通入微流控芯片的方形微管和圆柱形微管，混合交联，通过注射泵控制注射器调节双相溶液挤出速度。

本发明所述生物基溶液为外相经注射泵、注射器以及导管通入方形玻璃微管，交联剂溶液为内相通入圆柱形玻璃微管，两相溶液在接触后开始混合，交联反应发生。

本发明所述生物基溶液的流速优选为2～20μL/min，更优选为3～15μL/min，最优选为4～13μL/min，所述交联剂溶液流速优选为2～15μL/min；更优选为3～12μL/min；更优选为4～10μL/min。

将纺丝液经第一微管出口挤出进入凝固浴中，所述混合溶液经锥形出口通入凝固浴，交联生物基溶液脱水和生物材料变性反应发生。而后通过转筒收集器收集得到纤维。将纺丝液通入甲醇/水体系凝聚池，并通过转筒收集器进行纤维收集。

本发明所述挤出速度优选为10～30μL/min.

其中，所述凝固浴中为60％～100％wt的甲醇水溶液。

本发明所述转筒收集器的速度优选为2～10cm/s.

本发明所述生物材料交联反应程度由上述特定的交联剂溶液浓度和泵入速度决定。进一步地，所述生物纤维尺寸参数由锥形出口内径及挤出速度决定。进一步地，所述生物纤维表面光滑程度及力学性能参数可由转筒收集器的拉伸作用决定。

本发明拓展了微流控技术在生物材料纺丝领域的应用。选取廉价易得的再生生物材料作为纺丝原料，同时设计制备了一种简单的新型微流控芯片，通过调节微流控芯片的设计参数及实验参数，可制备具有不同尺寸和力学性能参数的生物纤维。所制备的化学交联生物纤维材料性能明显优于纯生物纤维，开拓了生物纤维材料在生物、材料以及医用方面的应用。

本发明提供了一种化学交联生物纤维，由上述技术方案任意一项所述的制备方法制备得到。

本发明提供了适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术，包括：A)将生物基溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第一微管；将交联剂溶液经导管和注射器通入到同轴双通道微流控芯片的第二微管；B)第一微管的生物基溶液和第二微管的交联剂溶液混合交联，得到纺丝液；C)将纺丝液经第一微管出口挤出进入凝固浴中，通过转筒收集器收集得到纤维。本发明提供了选取再生生物材料作为纺丝原料，同时结合特定的新型微流控芯片，通过调节上述微流控芯片的参数及纺丝参数，可制备具有需要尺寸和优异力学性能参数的生物纤维。本发明所制备的交联剂偶联生物纤维材料的力学性能明显优于纯设为生物纤维，开拓了生物纤维材料在生物、材料以及医用方面的应用；本发明的交联生物纤维可应用于人工韧带、运动绷带、手术缝合线、医用生物支架等领域。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种化学交联生物纤维及其制备方法进行详细描述。

实施例1

参见示意图1，本发明提供了一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术，包括高浓度再生牛血清蛋白溶液、戊二醛溶液、同轴双通道微流控芯片、导管、注射器、注射泵、甲醇/水体系凝固浴及转筒收集器。

本发明具体实验工艺如下：

(1)称量牛血清蛋白固体粉末放入离心管，加入20mM，pH为8.0的PBS缓冲溶液，振荡离心除去泡沫，得到100mg/ml牛血清蛋白溶液。

(2)将50％质量浓度的戊二醛溶液取出一定体积后稀释至浓度为1.0％。

(3)配制甲醇/水混合溶液体积百分数为80％。

(4)自制的微流控芯片由5.00cm长，内径为0.700mm，外径0.900mm的圆柱形玻璃微管和5.00cm长，内径为1.00mm的方形玻璃微管以及长10.00cm，宽2.00cm的玻璃片组成，其中圆形微管和方形微管同轴置于玻片上，方形微管出口处理为锥形，内径为0.400mm。

(5)将蛋白溶液和戊二醛溶液分别装入注射器，通过注射泵和导管分别通入玻璃方管(外相)和圆形微管内(内相)，控制内相流速为10.0μL/min，外相流速为8.0μL/min。两相溶液接触后快速发生交联反应，混合作用时间由两相流速控制。

(6)经过短暂的混合交联后，混合溶液经过方管锥形尾部被挤入80％的甲醇/水溶液中，该过程锥形口对溶液剪切挤压使其浓度进一步增高，之后进入凝聚池后甲醇可以快速脱水，同时使得蛋白变性析出，纤维产生，之后经转筒收集器收集。

(7)产生的蛋白纤维因为凝固浴中水分的存在，依旧保有少量水分，使其具有比干纤维更好的力学性能。转筒收集器收集过程能够使得纤维再拉升，形成表面更加光滑、尺寸更加均一的纤维。

纤维力学拉伸测试结果如附图3。结果显示，所得纤维因为存在后拉伸收集，纤维表面光滑，外观显示为灰白色，纤维平均直径为30.5μm，断裂伸长率为3.1％，韧性为1.6MJ/m³,强度为68.2MPa,模量为3.3GPa。因此可判断该批纤维交联效果不理想，可能是因为锥形出口内径为0.400mm,略大，使得戊二醛/蛋白混合相得不到足够的剪切力和挤压力，交联程度较低。

实施例2

按照图1，本发明提供了一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术，包括高浓度再生牛血清蛋白溶液、戊二醛溶液、同轴双通道微流控芯片、导管、注射器、注射泵、甲醇/水体系凝固浴及转筒收集器。

本发明具体实验工艺如下：

(1)称量牛血清蛋白固体粉末放入离心管，加入20mM，pH为8.0的PBS缓冲溶液，振荡离心除去泡沫，得到100mg/ml牛血清蛋白溶液。

(2)将50％质量浓度的戊二醛溶液取出一定体积后稀释至浓度为1.0％。

(3)配制甲醇/水混合溶液体积百分数为80％。

(4)自制的微流控芯片由5.00cm长，内径为0.700mm，外径0.900mm的圆柱形玻璃微管和5.00cm长，内径为1.00mm的方形玻璃微管以及长10.00cm，宽2.00cm的玻璃片组成，其中圆形微管和方形微管同轴置于玻片上，方形微管出口处理为锥形，内径为0.300mm。

(5)将蛋白溶液和戊二醛溶液分别装入注射器，通过注射泵和导管分别通入玻璃方管(外相)和圆形微管内(内相)，控制内相流速为10.0μL/min，外相流速为8.0μL/min。两相溶液接触后快速发生交联反应，混合作用时间由两相流速控制。

(6)经过短暂的混合交联后，混合溶液经过方管锥形尾部被挤入80％的甲醇/水溶液中，该过程锥形口对溶液剪切挤压使其浓度进一步增高，之后进入凝聚池后甲醇可以快速脱水，同时使得蛋白变性析出，纤维产生，之后经转筒收集器收集。

(7)产生的蛋白纤维因为凝固浴中水分的存在，依旧保有少量水分，使其具有比干纤维更好的力学性能。转筒收集器收集过程能够使得纤维再拉升，形成表面更加光滑、尺寸更加均一的纤维。

纤维力学拉伸测试结果如附图4,结果显示，所得纤维外表光滑均一，呈现淡黄色，纤维平均直径为25.5μm，断裂伸长率为2.9％，韧性为1.9MJ/m³，强度为100.0MPa，模量为5.7GPa。该批纤维交联程度较好，说明0.300mm锥形出口给予了蛋白混合液足够的剪切挤压力使其交联程度提升，最终获得的纤维强度和模量都有所提升。

经过上述两个实施例数据汇总对比可知(附表1)，表1为本发明实施例1、2的数据汇总对比；通过控制微流控芯片出口的内径大小，本发明能够充分控制纺丝液获得的剪切力和挤压力，从而很好的控制所得纤维的尺寸、形貌和力学性能，达到条件优化的目标。

表1

实施例3

按照图1，本发明提供了一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术，包括高浓度牛再生血清蛋白溶液、戊二醛溶液、同轴双通道微流控芯片、导管、注射器、注射泵、甲醇/水体系凝固浴及转筒收集器。

本发明具体实验工艺同实施例1，其中锥形出口内径为0.300mm，牛血清蛋白浓度为100mg/ml，戊二醛浓度配制为2.0wt％,其他条件同实施例1，测试数据结果如附图5，结果显示，所得纤维表面光滑，呈淡黄色，平均尺寸为24.0μm，断裂强度195.5MPa，，断裂伸长率为35.4％，韧性为40.3MJ/m³，模量为3.5GPa。

实施例4

按照图1，本发明提供了一种适用于化学交联成型的微流控生物纺丝技术，包括高浓度再生牛血清蛋白溶液、戊二醛溶液、同轴双通道微流控芯片、导管、注射器、注射泵、甲醇/水体系凝固浴及转筒收集器。

本发明具体实验工艺同实施例1，其中锥形出口内径为0.300mm，牛血清蛋白浓度为300mg/ml，戊二醛浓度配制为3.0wt％,其他条件同实施例1，测试数据结果如附图，结果显示，所得纤维表面光滑，呈淡黄色，平均尺寸为24.8μm，断裂强度为420.3MPa，断裂伸长率为30.5％，韧性为47.6MJ/m³，模量为4.0GPa。

经过上述两个实施例数据汇总对比可知(附表2)，表2为本发明实施例2、3、4的数据汇总对比。通过改变戊二醛戊二醛浓度大小，本发明能够充分控制蛋白交联程度，戊二醛浓度增加能提高交联程度，能够较大程度的提高交联纤维的去强度、延展性以及韧性。

表2

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。