一种集成微流体纺丝芯片及其制备再生丝素蛋白纤维的方法

专利名称：一种集成微流体纺丝芯片及其制备再生丝素蛋白纤维的方法
技术领域：
本发明属于仿生学、微流体纺丝领域，涉及一种集成微流体纺丝芯片及其制备再生丝素蛋白纤维的方法；特别是涉及一种在同一芯片中实现对纺丝液的剪切拉伸、组分调节、浓缩和纺丝等多种功能集成的微流体干法纺制再生丝素蛋白纤维方法。
背景技术：
蜘蛛或家蚕等生物体能够在常温常压下以水为溶剂，制得力学性能优异的蛋白纤·维，整个过程耗能低，并且没有有机溶剂的使用，对环境友好。所以仿生纺丝研究对工业纤维生产意义重大。虽然蜘蛛牵引丝的综合力学性能最好，但由于蜘蛛及其产生的丝种类繁多、难以大量获得，给蜘蛛丝的仿生研究带来很大的限制。相比于蜘蛛丝的难以获得，蚕丝在几千年前就被人们所使用，并且其力学性能和氨基酸序列与蜘蛛牵引丝相近；而邵正中等的研究表明，优化蚕丝的纺丝工艺可以明显改善其力学性能，所以，人们转而对家蚕进行仿生研究。研究表明，生物体在纺丝过程中，纺丝液的金属离子含量发生变化、pH降低、浓度逐渐增加；纺丝液在流经生物纺丝器的某些特殊区域时受到的拉伸剪切作用，使动物丝蛋白的构象由无规线团和/或α-螺旋构象向不溶于水的β-折叠转变。所以，生物体的纺丝过程是一个集成了组分调节、拉伸剪切、PH降低及蛋白浓缩等多种功能的统一协调过程。而目前以蚕丝蛋白为原料的人工纺丝研究较多的是湿纺、干纺和静电纺。这些纺丝方法虽然工艺成熟，但由于装置简单，仿生程度较低，制备出的蛋白纤维力学性能较天然丝差。微流体技术由于其特殊的性质，如溶液在通道中呈现层流特性、灵活可控的通道设计等，而引起人们的广泛关注。将微流体技术应用在纺丝领域，可以实现传统纺丝工艺难以达到的条件。例如，专利W02007/141131(A1)和US2010029553 (Al)利用层流扩散原理，设计了一种微流体芯片，实现了对再生丝素蛋白溶液的PH和金属离子浓度的调节。专利申请号为201019063008.1和201010581835. 2的专利，将微流体芯片与静电纺工艺结合，制备了再生丝素蛋白纳米纤维。申请号为201110007230. 7的专利，将微流体芯片与湿纺、干纺和静电纺相结合的纺丝方法，进一步应用在再生丝素蛋白溶液体系，制备出性能优异的再生动物丝。专利号为ZL201110007232. 6的专利，设计了具有剪切拉伸功能的微流体芯片，与干纺结合，应用在再生丝素蛋白溶液体系，实现了对纺丝液的剪切拉伸，但是与生物纺丝过程的多种作用相比，功能单一、仿生程度低。虽然，目前微流体技术在仿生纺丝领域已有一定的发展，但与生物纺丝过程相比，微流体纺丝芯片仍然过于简单、功能单一，尚未在同一芯片中实现对纺丝液的剪切拉伸、组分调节、浓缩和纺丝等多种功能，与真正仿生纺丝还有很大的差距
发明内容
本发明以蜘蛛或家蚕的生物纺丝过程为出发点，设计了复杂的微流体通道，模拟生物体内纺丝液的复杂流场，并采用多层微流体技术和干法纺丝工艺，实现了芯片的多功能集成，仿生程度大大提高；室温下以5 50%的再生丝素蛋白水溶液为纺丝原液，经过微流体芯片的离子调控、剪切拉伸和蛋白浓缩，得到性能优异的再生动物丝蛋白纤维。本发明的目的在于提供一种模拟生物纺丝过程的微流体纺丝芯片及其用于再生丝素蛋白溶液的纺丝方法。本发明的一种集成微流体纺丝芯片，所述的集成微流体纺丝芯片是一种三层结构，包含上、下两层聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜片和介于上、下两层PDMS膜片之间的透析膜；所述的上、下两层PDMS膜片上有对应的凹槽，上层PDMS膜片的凹槽与所述透析膜的一个面贴合形成上层微流体通道，下层PDMS膜片的凹槽与所述透析膜的另一个面贴合形成下层微流体通道；上层PDMS膜片的凹槽开口和下层PDMS膜片的凹槽开口相对。所述的上层微流体通道，根据功能依次分为调节段、拉伸段和剪切段；所述的上层微流体通道的宽度从入口到出口变化，其中，调节段和剪切段的宽度不变，拉伸段的宽度逐渐变小；所述的下层微流体通道的调节段、拉伸段和剪切段的水平剖面形状与上层微流体通道的水平剖面形状呈镜像关系；所述上下两层微流体通道全程的深度相等；纺丝时溶液均是从通道的调节段流进，剪切段流出。作为优选的技术方案如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的微流体通道在PDMS膜片上呈纵向或横向蛇形排布；所述的纵向蛇形排布是指通道的纵向竖直排列部分平行于PDMS膜片的短边；所述的横向蛇形排布是指通道的水平排列部分平行于PDMS膜片的长边；如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的纵向蛇形排布的通道，其调节段和剪切段共有4 6个弯折，每个蛇形通道的竖直部分长为7 14_，每个竖直通道间通过半圆弧连接，半圆的直径为3 10mm，剪切段的出口位于PDMS膜片短边的中心位置；所述的微流体通道的拉伸段，其通道的对称线与PDMS膜片的长边夹角为20 60°，所述的拉伸段的长度为15 30_ ;所述的拉伸段通道的两侧面与水平面相交的迹线为指数函数、双曲线函数或直线中的一种。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的横向蛇形排布的通道，其调节段和剪切段共有I 3个弯折，每个蛇形通道的水平部分长为50 80mm，每个水平通道间通过半圆弧连接，半圆的直径为4 12mm，剪切段的出口位置偏离PDMS膜片短边的中心位置5 8mm ;所述的微流体通道的拉伸段，位于通道的水平部分，与PDMS膜片的长边平行；所述的拉伸段的长度为15 30_ ;所述的拉伸段通道的两侧面与水平面相交的迹线为指数函数、双曲线函数或直线中的一种。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的调节段是宽度最宽的一段通道，宽度为I 2. 5mm，长度为60 IOOmm ;所述的剪切段是宽度最窄的一段通道，宽度为100 500 u m,长度为 20 150mm。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的凹槽的横截面形状为矩形；所述的调节段、拉伸段和剪切段之间通过圆弧或直接连接。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的透析膜是截留分子量为5000 30000道尔顿的再生纤维素透析膜；所述的集成微流体纺丝芯片的上、下两层PDMS膜片和介于上、下两层PDMS膜片之间的透析膜通过粘合剂封装贴合而成；所述的粘合剂是硅胶、环氧树脂粘合剂或双面胶中的一种或组合。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片制备再生丝素蛋白纤维的方法，以质量百分数为5% 50%的再生丝素蛋白水溶液为纺丝液，室温下，上层微流体通道注入纺丝液，下层微流体通道注入吸水树脂和离子调节液的混合液；纺丝液经过宽度逐渐变小的通道的拉伸剪切和下层通道溶液的浓缩和离子调节作用，经出口挤出后在空气中固化成丝并卷绕上辊，制得再生丝素蛋白纤维，所制得的再生丝素蛋白纤维的断裂强度为20 lOOMPa，断裂伸长率为I 10% ;同时在出口对下层通道的溶液进行收集。如上所述的一种方法，所述的离子调节液是CaCl2A溶液；所述的吸水树脂为分子量为10000 40000道尔顿的聚乙二醇，其中混合液中Ca2+的浓度为80 120g/L，聚乙二醇浓度为70 600g/L。如上所述的一种方法，所述的微流体芯片上层微流体通道的出口到卷辊的空气间隙为5 30cm,卷绕速度为2 10cm/s。如上所述的一种方法，所述的纺丝液、离子调节液及吸水树脂均由微量注射泵注入。如上所述的一种方法，所述的再生丝素蛋白纤维的直径为7 30 y m ;所述的再生丝素蛋白纤维为长丝或短纤维。上述方法的操作步骤如下(I)本发明提出的微流体芯片的制备方法，以载玻片(75X25mm)为基片，将SU-8光刻胶涂层在印有微通道图案的掩模下进行紫外曝光。显影后就可得到有微通道图案的阳模，然后在此模具上浇铸PDMS预聚物及其固化剂，固化后就可得到印有微通道图案的PDMS膜片。最后，将上下两层的PDMS膜片与透析膜经等离子体处理后用粘合剂封装贴合。(2)将蚕茧用0. 5% (质量体积比)Na2CO3脱胶后，溶解于9. OmoI/L BrLi溶液中，然后离心透析，并进行初步的浓缩后，得到最终纺丝液；(3)将聚乙二醇和CaCl2 2H20按所需的比例溶解在一定量的去离子水中，得到特定浓度的浓缩液和离子调节液的混合液；(4)以低浓度再生丝素蛋白水溶液为纺丝液，在室温下内将纺丝液注入微流体芯片的上层通道中，下层通道则注入吸水树脂和离子调节液的混合液，纺丝液流过上芯片的通道后经出口挤出，在空气中固化成丝并卷绕上辊。有益效果(I)所制备的微流体芯片，根据蜘蛛或蚕腺体的形状特性，模拟了生物体内纺丝液的复杂流场，实现了对纺丝液的组分调节、剪切拉伸和浓缩，实现了多功能集成，是一种三维多功能集成微流体芯片；(2)可以直接以低浓度再生丝素蛋白水溶液为纺丝原液，不需要前期的进一步浓缩、PH和金属离子的调整等处理，而且避免了有机溶剂的使用，有效地简化了操作步骤，降低了生产成本；(3)将微流体技术与干法纺丝工艺相结合，改善纺丝工艺，提高纺丝效果，进一步提高了仿生纺丝程度。


图1是微流体芯片纺丝工艺2是微流体芯片横截面不意3是横向蛇形排布的上层微流体芯片通道结构示意4是横向蛇形排布的下层微流体芯片通道结构示意5是纵向蛇形排布的上层微流体芯片通道结构示意6是纵向蛇形排布的下层微流体芯片通道结构示意图1.通道的调节段2.通道的拉伸段3.通道的剪切段4.上层PDMS膜片5.透析膜6.下层PDMS膜片7. PEG水溶液及离子调节液的混合溶液8.再生丝素蛋白溶液9.微量注射泵10.卷辊11.溶液收集装置12.上层微流体通道13.下层微流体通道
具体实施例方式下面结合具体实施方式
，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明的一种集成微流体纺丝芯片，所述的集成微流体纺丝芯片是一种三层结构，包含上、下两层PDMS膜片4、6和介于上、下两层PDMS膜片4、6之间的透析膜5 ;所述的上、下两层PDMS膜片上有对应的凹槽；上层PDMS膜片4的凹槽与所述透析膜5贴合形成上层微流体通道12，下层PDMS膜片6的凹槽与所述透析膜5贴合形成下层微流体通道13 ;上层PDMS膜片4的凹槽开口和下层PDMS膜片6的凹槽开口相对。所述的上层微流体通道12，根据功能依次分为调节段1、拉伸段2和剪切段3。所述的上层微流体通道12的宽度从入口到出口变化，其中，调节段I和剪切段3的宽度不变，拉伸段2的宽度逐渐变小；所述的下层微流体通道13的调节段1、拉伸段2和剪切段3的水平剖面形状与上层微流体通道12的水平剖面形状呈镜像关系；所述上下两层微流体通道12、13全程的深度相等；纺丝时溶液7、8均是由微量注射泵9从通道的调节段I流进，剪切段3流出。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的微流体通道在PDMS膜片上呈纵向或横向蛇形排布；图3、图4所述的横向蛇形排布是指通道的水平排列部分平行于PDMS膜片的长边；图5、图6所述的纵向蛇形排布是指通道的纵向竖直排列部分平行于PDMS膜片的短边。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，图3、图4所述的横向蛇形排布的通道，其调节段I和剪切段3共有I 3个弯折，每个蛇形通道的水平部分长为50 80mm，每个水平通道间通过半圆弧连接，半圆的直径为4 12_，剪切段3的出口位置偏离PDMS膜片短边的中心位置5 8_ ;所述的微流体通道的拉伸段2，位于通道的水平部分，与PDMS膜片的长边平行；所述的拉伸段2的长度为15 30_ ;所述的拉伸段2通道的两侧面与水平面相交的迹线为指数函数、双曲线函数或直线中的一种。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，图5、图6所述的纵向蛇形排布的通道，其调节段I和剪切段3共有4 6个弯折，每个蛇形通道的竖直部分长为7 14mm，每个竖直通道间通过半圆弧连接，半圆的直径为3 10_，剪切段3的出口位于PDMS膜片短边的中心位置；所述的微流体通道的拉伸段2，其通道的对称线与PDMS膜片的长边夹角为20 60°，所述的拉伸段2的长度为15 30_ ;所述的拉伸段2通道的两侧面与水平面相交的迹线为指数函数、双曲线函数或直线中的一种。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的调节段I是宽度最宽的一段通道，宽度为I 2. 5mm,长度为60 100mm。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的剪切段3是宽度最窄的一段通道，宽度为100 500 u m,长度为20 150mm。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的上层PDMS膜片4和下层PDMS膜片6的凹槽的横截面形状为矩形；所述的调节段1、拉伸段2和剪切段3之间是通过圆弧或直接连接。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的透析膜5是截留分子量为5000 30000道尔顿的再生纤维素透析膜。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的集成微流体纺丝芯片的上层PDMS膜片4、下层PDMS膜片6和介于上、下两层PDMS膜片4、6之间的透析膜5通过粘合剂封装贴合而成；所述的粘合剂是硅胶、环氧树脂粘合剂或双面胶中的一种或组合。如上所述的一种集成微流体纺丝芯片制备再生丝素蛋白纤维的方法，以质量百分数为5% 50%的再生丝素蛋白水溶液为纺丝液8，室温下，上层微流体通道12注入纺丝液8，下层微流体通道13注入吸水树脂水溶液和离子调节液的混合液7 ;纺丝液经过宽度逐渐变小的拉伸段2的拉伸剪切和下层通道溶液7的浓缩和离子调节作用，经出口挤出后在空气中固化成丝并卷绕上辊11，制得再生丝素蛋白纤维，所制得的再生丝素蛋白纤维的断裂强度为20 lOOMPa，断裂伸长率为I 10%;同时在出口用收集装置11对下层通道13流出的溶液7进行收集。如上所述的一种方法，所述下层通道13的离子调节液和吸水树脂混合水溶液7的离子调节液是CaCl2,吸水树脂是分子量为10000 40000道尔顿的聚乙二醇，其中混合液中Ca2+的浓度为80 120g/L，聚乙二醇浓度为70 600g/L。如上所述的一种方法，所述的微流体芯片上层微流体通道12的出口到卷辊10的空气间隙为5 30cm，卷辊10卷绕速度为2 10cm/s。如上所述的一种方法，所述的纺丝液8、离子调节液和吸水树脂的混合液7均由微量注射泵9注入。如上所述的一种方法，所述的再生丝素蛋白纤维的直径为7 30 y m ;所述的再生丝素蛋白纤维为长丝或短纤维。实施例1本发明的微流体芯片是一种三层结构，包括上下层的PDMS膜片和中间的透析膜层，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面与透析膜贴合形成上下两个微流体通道；通道的全程深度相等为50 ym。下层微流体通道的水平剖面形状与上层通道的水平剖面形状呈镜像关系。通道在膜片上呈纵向蛇形排布调节段蛇形通道有3个弯折，宽度为2mm，其通道的竖直部分长7mm，弯曲部分的半圆的直径为4mm ;剪切段有3个弯折，宽度为150 u m,蛇行通道的竖直部分长14_，弯曲部分的半圆的直径为3_。微流体通道的拉伸段长度为15mm，与芯片的PDMS膜片的长边夹角为20°，其两侧面与水平面相交的迹线为一阶指数函数曲线，指数函数公式为R(X)=ea*lnW。连接各段通道的圆弧弧度为6。下层通道的出口位置偏离PDMS膜片短边的中点8mm。芯片的上、下两层PDMS膜片和介于上、下两层PDMS膜片之间的透析膜通过环氧树脂和硅胶粘合剂封装贴合而成。本发明的一种再生丝素蛋白纤维的制备方法，在室温下，以5%的再生丝素蛋白水溶液为纺丝液，离子调节液和吸水树脂混合液中Ca2+浓度为80g/L，吸水树脂浓度为600g/L，分子量为10000的聚乙二醇(PEG-10000)水溶液；透析膜的截留分子量为5000，纺丝液以
5u L/min的流速注入上通道，PEG-10000水溶液和离子调节液混合液以10 u L/min的速度注入下层通道；纺丝液由微通道的出口挤出后在空气中固化成丝并卷绕上辊；从出口到卷棍的空气隙为5cm,卷绕速度为2cm/s。本发明所制得的再生丝素蛋白纤维直径为7 ym，所述的再生丝素蛋白纤维的强度为20MPa，断裂伸长率为7%。所述的再生丝素蛋白纤维为短纤维。实施例2本发明的微流体芯片是一种三层结构，包括上下层的PDMS膜片和中间的透析膜层，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面与透析膜贴合形成上下两个微流体通道；下层微流体通道的水平剖面形状与上层通道的水平剖面形状呈镜像关系。微流体通道全程的深度相等为100 u m。微流体通道在膜片上呈纵向蛇形排布调节段蛇形通道有2个弯折，宽度相等为2. 5_，其通道的竖直部分长8_，弯曲部分的半圆的直径为10_ ;剪切段有2个弯折，宽度为200 ym，蛇行通道的竖直部分长10mm，弯曲部分的半圆的直径为4mm。拉伸段长度为30_，与芯片的长边夹角为60°，其两侧面与水平面相交的迹线为二阶指数函数曲线，指数函数公式为R(X)=aebx+Cedx。连接各段通道的圆弧弧度为6。下层通道的出口位置偏离PDMS膜片短边的中点8mm。芯片的上、下两层I3DMS膜片和介于上、下两层PDMS膜片之间的透析膜通过双面胶粘合剂封装贴合而成。本发明的一种再生丝素蛋白纤维的制备方法，在室温下，以40%的再生丝素蛋白水溶液为纺丝液，离子调节液和吸水树脂混合液中Ca2+浓度为95g/L，吸水树脂浓度为70g/L，分子量为20000的聚乙二醇(PEG-20000)水溶液；透析膜的截留分子量为14000，纺丝液以3 ii L/min的流速注入上通道，PEG-20000水溶液和离子调节液混合液以7 u L/min的速度注入下层通道；纺丝液由微通道的出口挤出后在空气中固化成丝并卷绕上辊；从出口到卷棍的空气隙为12cm,卷绕速度为6cm/s。
本发明所制得的再生丝素蛋白纤维直径为20 ym，所述的再生丝素蛋白纤维的强度为50MPa，断裂伸长率为8%。所述的再生丝素蛋白纤维为长丝。实施例3本发明的微流体芯片是一种三层结构，包括上下层的PDMS膜片和中间的透析膜层，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面与透析膜贴合形成上下两个微流体通道；下层微流体通道的水平剖面形状与上层通道的水平剖面形状呈镜像关系。微流体通道全程的深度相等为85 u m。微流体通道在膜片上呈纵向蛇形排布调节段蛇形通道有3个弯折，宽度相等为2. 5mm，其通道的竖直部分长7mm，弯曲部分的半圆的直径为9mm ;剪切段有I个弯折，宽度为300 ym，蛇行通道的竖直部分长10mm，弯曲部分的半圆的直径为4mm。拉伸段长度为25mm，与芯片的长边夹角为45°，其两侧面与水平面相交的迹线为直线，直线的函数公式为R(x)=ax+b。连接各段通道的圆弧弧度为5。下层通道的出口位置偏离PDMS膜片短边的中点6mm。芯片的上、下两层PDMS膜片和介于上、下两层PDMS膜片之间的透析膜通过硅胶粘合剂封装贴合而成。本发明的一种再生丝素蛋白纤维的制备方法，在室温下，以35%的再生丝素蛋白水溶液为纺丝液，离子调节液和吸水树脂混合液中Ca2+浓度为90g/L，吸水树脂浓度为200g/L，分量为20000的聚乙二醇(PEG-20000)水溶液；透析膜的截留分子量为10000，纺丝液以10 u L/min的流速注入上通道，PEG-20000水溶液和离子调节液混合液以5 u L/min的速度注入下层通道；纺丝液由微通道的出口挤出后在空气中固化成丝并卷绕上辊；从出口到卷棍的空气隙为IOcm,卷绕速度为5cm/s。本发明所制得的再生丝素蛋白纤维直径为18 ym，所述的再生丝素蛋白纤维的强度为42MPa，断裂伸长率为10%。所述的再生丝素蛋白纤维为短纤维。实施例4本发明的微流体芯片是一种三层结构，包括上下层的PDMS膜片和中间的透析膜层，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面与透析膜贴合形成上下两个微流体通道；下层微流体通道的水平剖面形状与上层通道的水平剖面形状呈镜像关系。微流体通道全程的深度相等为80 ym。微流体通道在膜片上呈横向蛇形排布整个蛇形通道只有I个弯折，调节段宽度相等为2. 0_，其通道的水平部分长80_，弯曲部分的半圆的直径为5_ ;剪切段宽度为100 iim，长度为20mm，弯曲部分的半圆的直径为12mm。微流体通道的拉伸段水平排列，其两侧面与水平面相交的迹线为二阶指数函数曲线且关于通道的中心轴线对称，指数函数公式为R(X)=aebx+cedx ;拉伸段长20mm，下层通道的出口位置偏离PDMS膜片短边的中点5mm。芯片的上、下两层PDMS膜片和介于上、下两层PDMS膜片之间的透析膜通过硅胶粘合剂封装贴合而成。本发明的一种再生丝素蛋白纤维的制备方法，在室温下，以35%的再生丝素蛋白水溶液为纺丝液，离子调节液和吸水树脂混合液中Ca2+浓度为108g/L，吸水树脂浓度为300g/L，分子量为30000的聚乙二醇(PEG-30000)水溶液；透析膜的截留分子量为14000，纺丝液以15 u L/min的流速注入上通道，PEG-30000水溶液和离子调节液混合液以15 u L/min的速度注入下层通道；纺丝液由微通道的出口挤出后在空气中固化成丝并卷绕上辊；从出口到卷辊的空气隙为16cm，卷绕速度为10cm/s。本发明所制得的再生丝素蛋白纤维直径为20 ym，所述的再生丝素蛋白纤维的强度为lOOMPa，断裂伸长率为1%。所述的再生丝素蛋白纤维为长丝。实施例5本发明的微流体芯片是一种三层结构，包括上下层的PDMS膜片和中间的透析膜层，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面与透析膜贴合形成上下两个微流体通道；下层微流体通道的水平剖面形状与上层通道的水平剖面形状呈镜像关系。所述的微流体通道全程的深度相等为80y m，微流体通道在膜片上呈横向蛇形排布调节段蛇形通道有I个弯折，宽度相等为1. 0_，其通道的水平部分长60_，弯曲部分的半圆的直径为6mm ;剪切段有2个弯折，宽度为500 iim，蛇行通道的水平部分长55mm，弯曲部分的半圆的直径为4mm。微流体通道的拉伸段水平排列，其两侧面与水平面相交的迹线为双曲线函数曲线，双曲线函数公式为R(X)=l/2(ex-e_x)，拉伸段的长度为15_ ;下层通道的出口位置偏离PDMS膜片短边中点8mm。芯片的上、下两层PDMS膜片和介于上、下两层PDMS膜片之间的透析膜通过环氧树脂粘合剂封装贴合而成。本发明的一种再生丝素蛋白纤维的制备方法，在室温下，以50%的再生丝素蛋白水溶液为纺丝液，离子调节液和吸水树脂混合液中Ca2+浓度为120g/L，分子量为40000的聚乙二醇(PEG-40000)吸水树脂的浓度为100g/L ;透析膜的截留分子量为30000，纺丝液以
5u L/min的流速注入上通道的，PEG-40000水溶液和离子调节液混合液以10 u L/min的速度注入下层通道；纺丝液由微通道的出口挤出后在空气中固化成丝并卷绕上辊；从出口到卷棍的空气隙为30cm,卷绕速度为6cm/s。本发明所制得的再生丝素蛋白纤维直径为30 ym，所述的再生丝素蛋白纤维的强度为60MPa，断裂伸长率为8%。所述的再生丝素蛋白纤维为长丝。实施例6本发明的微流体芯片是一种三层结构，包括上下层的PDMS膜片和中间的透析膜层，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面与透析膜贴合形成上下两个微流体通道；下层微流体通道的水平剖面形状与上层通道的水平剖面形状呈镜像关系。所述的微流体通道全程的深度相等为100 ym，微流体通道在膜片上呈横向蛇形排布调节段蛇形通道有I个弯折，宽度相等为1. 5mm，其通道的水平部分长50mm，弯曲部分的半圆的直径为6mm ;剪切段有2个弯折，宽度为350 y m，蛇行通道的水平部分长66mm，弯曲部分的半圆的直径为4mm。微流体通道的拉伸段水平排列，其两侧面与水平面相交的迹线为直线，直线的公式为R(x)=ax+b，拉伸段的长度为30mm ;下层通道的出口位置偏离PDMS膜片短边中点6mm。芯片的上、下两层PDMS膜片和介于上、下两层PDMS膜片之间的透析膜通过环氧树脂和双面胶封装贴合而成。本发明的一种再生丝素蛋白纤维的制备方法，在室温下，以40%的再生丝素蛋白水溶液为纺丝液，离子调节液和吸水树脂混合液中Ca2+浓度为105g/L，分子量为30000的聚乙二醇(PEG-30000)吸水树脂的浓度为200g/L ;透析膜的截留分子量为20000，纺丝液以
6u L/min的流速注入上通道的，PEG-30000水溶液和离子调节液混合液以10 u L/min的速度注入下层通道；纺丝液由微通道的出口挤出后在空气中固化成丝并卷绕上辊；从出口到卷棍的空气隙为20cm,卷绕速度为6cm/s。本发明所制得的再生丝素蛋白纤维直径为28 ym，所述的再生丝素蛋白纤维的强度为70MPa，断裂伸长率为5%。所述的再生丝素蛋白纤维为短纤维。
权利要求
1.一种集成微流体纺丝芯片，其特征是所述的集成微流体纺丝芯片是一种三层结构，包含上、下两层PDMS膜片和介于上、下两层PDMS膜片之间的透析膜；所述的上、下两层PDMS膜片上有对应的凹槽；上层PDMS膜片的凹槽与所述透析膜的一个面贴合形成上层微流体通道，下层PDMS膜片的凹槽与所述透析膜的另一面贴合形成下层微流体通道；上层PDMS膜片的凹槽开口和下层PDMS膜片的凹槽开口相对； 所述的上层微流体通道，根据功能依次分为调节段、拉伸段和剪切段；所述的上层微流体通道的宽度从入口到出口变化，其中，调节段和剪切段的宽度不变，拉伸段的宽度逐渐变小; 所述的下层微流体通道的调节段、拉伸段和剪切段的水平剖面形状与上层微流体通道的水平剖面形状呈镜像关系； 所述上下两层微流体通道全程的深度相等；纺丝时溶液均是从通道的调节段流进，剪切段流出。
2.根据权利要求1所述的一种集成微流体纺丝芯片，其特征在于，所述的微流体通道在PDMS膜片上呈纵向或横向蛇形排布；所述的纵向蛇形排布是指通道的纵向竖直排列部分平行于PDMS膜片的短边；所述的横向蛇形排布是指通道的水平排列部分平行于PDMS膜片的长边； 所述的纵向蛇形排布的通道，其调节段和剪切段共有4 6个弯折，每个蛇形通道的竖直部分长为7 14mm,每个竖直通道间通过半圆弧连接,半圆的直径为3 IOmm,剪切段的出口位于PDMS膜片短边的中心位置；所述的微流体通道的拉伸段，其通道的对称线与PDMS膜片的长边夹角为20 60°，所述的拉伸段的长度为15 30mm ;所述的拉伸段通道的两侧面与水平面相交的迹线为指数函数、双曲线函数或直线中的一种。
所述的横向蛇形排布的通道，其调节段和剪切段共有I 3个弯折，每个蛇形通道的水平部分长为50 80mm,每个水平通道间通过半圆弧连接,半圆的直径为4 12mm,剪切段的出口位置偏离PDMS膜片短边的中心位置5 8mm ;所述的微流体通道的拉伸段，位于通道的水平部分，与PDMS膜片的长边平行；所述的拉伸段的长度为15 30mm ； 所述的拉伸段通道的两侧面与水平面相交的迹线为指数函数、双曲线函数或直线中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种集成微流体纺丝芯片，其特征在于，所述的调节段是宽度最宽的一段通道，宽度为I 2. 5mm，长度为60 IOOmm ;所述的剪切段是宽度最窄的一段通道，宽度为100 500 u m,长度为20 150謹。
4.根据权利要求1所述的一种集成微流体纺丝芯片,其特征在于,所述的凹槽的横截面形状为矩形，凹槽的深度为50 IOOym ;所述的调节段、拉伸段和剪切段之间通过圆弧或直接连接。
5.根据权利要求1所述的一种集成微流体纺丝芯片，其特征在于，所述的透析膜是截留分子量为5000 30000道尔顿的再生纤维素透析膜；所述的集成微流体纺丝芯片的上、下两层PDMS膜片和介于上、下两层PDMS膜片之间的透析膜通过粘合剂封装贴合而成；所述的粘合剂是硅胶、环氧树脂粘合剂或双面胶中的一种或组合。
6.根据权利要求1 5所述的任一种集成微流体纺丝芯片制备再生丝素蛋白纤维的方法，其特征是以质量百分数为5% 50%的再生丝素蛋白水溶液为纺丝液，室温下，上层微流体通道注入纺丝液，下层微流体通道注入吸水树脂水溶液和离子调节液的混合液；纺丝液经过宽度逐渐变小的通道的拉伸剪切和下层通道溶液的浓缩和离子调节作用，经出口挤出后在空气中固化成丝并卷绕上辊，制得再生丝素蛋白纤维，所制得的再生丝素蛋白纤维的断裂强度为20 lOOMPa，断裂伸长率为I 10% ;同时在出口对下层通道的溶液进行收集。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的离子调节液是CaC12水溶液；所述的吸水树脂为分子量为10000 40000道尔顿的聚乙二醇，其中混合液中Ca2+的浓度为80 120g/L，聚乙二醇浓度为70 600g/L。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的微流体芯片上层微流体通道的出口到卷辊的空气间隙为5 30cm，卷绕速度为2 10cm/s。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的纺丝液、离子调节液及吸水树脂均由微量注射泵注入。
10.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的再生丝素蛋白纤维的直径为7 ·30 u m ； 所述的再生丝素蛋白纤维为长丝或短纤维。
全文摘要
本发明属于微流体纺丝技术领域，涉及一种集成微流体纺丝芯片及其制备再生丝素蛋白纤维的方法。所述的微流体芯片是一种三层结构，其中上下两层有凹槽的聚二甲基硅氧烷膜片与中间透析膜贴合，形成上下两个微流体通道。两个微流体通道深度相等，宽度逐渐变小。本发明的一种再生丝素蛋白纤维的制备方法，室温下上层通道注入纺丝液，下层通道注入吸水树脂和离子调节液的混合溶液；纺丝液经离子调节、剪切拉伸和浓缩后，从出口挤出在空气中固化成丝卷绕上辊。本发明的微流体芯片，模拟了生物纺丝过程中的复杂流场，实现了对纺丝液的剪切拉伸、组分调节和浓缩等，与干法纺丝工艺相结合，制得性能优良的再生丝素蛋白纤维。
文档编号D01F1/10GK102995145SQ20121040242
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者张耀鹏, 张乐乐, 罗杰, 邵惠丽, 胡学超 申请人:东华大学