浸没旋转喷射纺丝装置(IRJS)及其用途的制造方法

浸没旋转喷射纺丝装置(IRJS)及其用途相关申请本申请涉及2013年2月13日提交的美国临时申请号61/764349和2013年6月21日提交的美国临时申请号61/837779，其各自的全部内容通过引用在此并入。政府支持本发明全部或部分由国家科学基金会授予的DMR-0213805号拨款支持。美国政府对本发明享有一定权利。

背景技术：
电纺丝是制造聚合物纤维的常用的常规方法。电纺丝使用高压在针尖处的聚合物溶液液滴与收集装置之间产生电场。电源的一个电极置于溶液中，而另一个电极则连接到收集装置。这向聚合物溶液液滴施加静电力。电场随电压上升而增强，因而增大作用于针尖处聚合物溶液悬垂液滴上的力的大小。增加的静电力作用于与液滴表面张力相反的方向，导致液滴伸长，形成称为泰勒锥的锥形。当静电力克服液滴表面张力时，聚合物溶液的带电连续喷射流从该锥射出。聚合物溶液喷射流向着收集装置加速，混乱地抖动和弯曲(whippingandbendingwildly)。随着溶液离开针并向着收集装置移动，喷射流随溶剂蒸发而快速变薄和干燥。在接地的收集装置的表面上沉积了随机取向的固体聚合物纤维的无纺垫。Zufan(2005)FinalRETReport；Xie，J.W.等(2008)MacromolecularRapidCommunications29(22):1775-1792；Reneker，D.H.等，(2007)AdvancesinAppliedMechanics41:43-195；Dzenis，Y.(2004)Science304(5679):1917-1919；Rutledge，G.C.和Yu，J.H.(2007)“Electrospinning”InEncyclopediaofPolymerScienceandTechnology，JohnWiley&Sons:NewJersey；Krogman，K.C.等(2009)NatureMaterials8(6):512-518；Pham，Q.P.等(2006)TissueEngineering12(5):1197-1211；Boland，E.D.等(2001)JournalofMacromolecularScience-PureandAppliedChemistry38(12):1231-1243；Teo，W.E.和Ramakrishna，S.(2006)Nanotechnology17(14):R89-R106；Li，D.；Xia，Y.N.(2004)AdvancedMaterials16(14):1151-1170；Greiner，A.和Wendorff，J.H.(2007)AngewandteChemie-InternationalEdition46(30):5670-5703。存在多项与电纺丝有关的缺陷，例如，低生产速率、需要高压电场、要求精确的溶液电导率和需要用于产生对齐(aligned)的纤维结构的额外装置。Lia和Xia(2004)AdvancedMaterials16:1151-1170；Weitz等(2008)NanoLetters8:1187–1191；Arumuganathar，S.和Jayasinghe，S.N.(2008)Biomacromolecules9(3):759-766。克服与电纺丝有关的缺陷的装置及方法已经在例如美国专利公布号US2012/0135448和PCT公布号WO2012/068402中记载。这些装置被称为旋转喷射纺丝装置(RJS)，并允许容易地制造微米、亚微米和纳米尺度的聚合物纤维。RJS装置允许基本上通过将聚合物溶液经储室孔口喷射到空气中来形成聚合物纤维。随着材料溶液中的溶剂快速蒸发，空气阻力将喷射流延展并伸长为纤维。不管怎样，在缓慢蒸发溶剂例如水性溶剂的情况下和在储室以低旋转速度旋转的情况下，材料喷射流所经受的空气阻力可能不足以在它们到达收集装置前蒸发一定的溶剂。另外，单独的空气阻力不足以在聚合物需要接触交联(on-contactcrosslinking)、沉淀和/或空气中伸长与接触交联或沉淀的组合的情况下制备聚合物纤维。因此，使用水溶性聚合物和/或例如需要接触交联和/或沉淀的聚合物溶液制造聚合物纤维来形成物理和化学稳定的聚合物纤维仍然是具有挑战性的。因此，本领域需要用于制造聚合物纤维例如纳米纤维的改进系统、装置和方法。发明概述本发明提供用于制造具有微米、亚微米或纳米尺度的三维聚合物纤维的系统、装置和方法，以及所产生的聚合物纤维和使用该聚合物纤维的方法。根据一个示例性实施方式，提供用于形成一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的装置。装置包括容纳聚合物溶液的储室。储室包括具有一个或多个用于从储室喷射聚合物溶液以形成纤维的孔口的表面。装置还包括配置为赋予储室旋转运动以使得旋转运动导致聚合物溶液从储室经一个或多个孔口喷射的运动发生器。装置还包括容纳液体并被配置和安置为接收从储室喷射的聚合物液体的收集装置。储室和收集装置被安置以使得储室的一个或多个孔口浸没在收集装置中的液体中。聚合物溶液喷射到收集装置中的液体中导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的形成。根据另一个示例性实施方式，提供用于形成一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的装置。装置包括用于容纳聚合物及包括具有一个或多个用于喷射聚合物以形成纤维的孔口的外表面的储室。装置可进一步包括可与储室偶联的第一运动发生器，第一运动发生器被配置为赋予储室旋转运动以导致聚合物经一个或多个孔口喷射。装置可进一步包括容纳液体的收集装置(收集装置被配置和安置为接收从储室喷射的聚合物)，可与收集装置偶联的第二运动发生器(第二运动发生器被配置为赋予收集装置中的液体旋转运动以产生包括气隙的液体涡旋)，其中储室和收集装置被安置以使得储室的一个或多个孔口定位在收集装置中液体涡旋的气隙中；和其中聚合物喷射到气隙中和接着到收集装置中的液体涡旋的液体中导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的形成。气隙可位于收集装置中的液体涡旋的中心。第一和第二运动发生器可赋予相同或相反旋转方向的旋转运动。在一个实施方式中，储室的一个或多个孔口不与收集装置中的液体接触。在一个实施方式中，气隙沿着液体涡旋的中心轴形成并紧靠液体涡旋中液体的顶表面，和其中储室的一个或多个孔口被安置在收集装置中液体的顶表面的最高水平之下。在一个实施方式中，第一运动发生器是发动机。在一个实施方式中，第二运动发生器是搅拌棒。在一个实施方式中，搅拌棒具有约2英寸到约4英寸的长度。在一个实施方式中，收集装置中液体的旋转运动为约200到约1500rpm。在一个实施方式中，收集装置中液体的体积为约2升。在一个实施方式中，第二运动发生器是排水系统，其通过经排水系统排出液体来赋予液体旋转运动。一个或多个孔口可以以约0.01cm到约8.0cm的距离与液体涡旋中的液体水平隔开。在一个实施方式中，一个或多个孔口可以以约3.0cm到约6.0cm的距离与液体涡旋中的液体水平隔开。在一个实施方式中，聚合物喷射到气隙中和接着到液体涡旋的液体中导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的沉淀。在另一个实施方式中，聚合物喷射到气隙中和接着到液体涡旋的液体中导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的交联。在一个实施方式中，液体包含一种或多种细胞，和其中聚合物到喷射气隙中和接着到液体涡旋的液体中导致形成具有陷在其中的一种或多种细胞的一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维。在一个实施方式中，示例性纤维形成装置进一步包括第一控制机构，其被配置为控制由第一运动发生器赋予的旋转运动的速度，和第二控制机构，其被配置为控制由第二运动发生器赋予的旋转运动的速度。在一个实施方式中，第一运动发生器还被配置为赋予储室线性振荡运动。收集装置中的液体可以以约200rpm或以上，例如约200rpm到约1500rpm旋转。根据另一个示例性实施方式，提供使用示例性纤维形成装置制造一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的方法。该方法可包括提供所述装置，使用运动发生器来将储室围绕旋转轴旋转以导致聚合物溶液以一个或多个喷射流喷射，和在容纳在收集装置中的液体中收集聚合物的一个或多个喷射流以导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合纤维的形成。根据另一个示例性实施方式，提供用于制造一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的方法。该方法包括提供溶液中的聚合物，将溶液中的聚合物围绕旋转轴旋转以导致聚合物溶液以一个或多个喷射流喷射，和在液体中收集聚合物的一个或多个喷射流以导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的形成。本发明还提供用于制造一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的方法。该方法包括提供溶液中的聚合物，将溶液中的聚合物围绕旋转轴旋转以导致聚合物溶液以一个或多个喷射流喷射，在用于收集聚合物的一个或多个喷射流的收集装置中产生液体涡旋，液体涡旋包括中心气隙，和在收集装置中收集聚合物的一个或多个喷射流，其中一个或多个喷射流被喷射最初经过液体涡旋的气隙和接着经过收集装置的液体涡旋中的液体，其中聚合物喷射到气隙中和接着到收集装置中的液体中导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的形成。在另一方面，本发明提供用于制造一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的方法。该方法包括提供本发明的装置，使用第一运动发生器来将储室围绕旋转轴旋转以导致聚合物以一个或多个喷射流喷射，使用第二运动发生器来旋转收集装置中的液体以产生液体涡旋，和在液体涡旋的气隙中并接着在收集装置的液体涡旋的液体中收集聚合物的一个或多个喷射流以导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合纤维的形成。示例性实施方式中的储室的旋转速度的范围可以从约1,000rpm到约400,000rpm，例如，约1,000、3,000、5,000、10,000、50,000、55,000、60,000、65,000、70,000、75,000、80,000、85,000、90,000、95,000、100,000、105,000、110,000、115,000、120,000、125,000、130,000、135,000、140,000、145,000、150,000rpm、约200,000rpm、250,000rpm、300,000rpm、350,000rpm或约400,000rpm。上文记载的范围与值的中间范围和中间值也设想是本发明的部分。一些示例性实施方式中可以使用的示例性孔口长度范围在约0.001m和约0.1m之间，例如，约0.0015、0.002、0.0025、0.003、0.0035、0.004、0.0045、0.005、0.0055、0.006、0.0065、0.007、0.0075、0.008、0.0085、0.009、0.0095、0.01、0.015、0.02、0.025、0.03、0.035、0.04、0.045、0.05、0.055、0.06、0.065、0.07、0.075、0.08、0.085、0.09、0.095或约0.1m。上文记载的范围与值的中间范围和中间值也设想是本发明的部分。一些示例性实施方式中可以使用的示例性孔口直径范围在约0.05μm和约1000μm之间，例如，约0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.15、0.2、0.225、0.25、0.275、0.3、0.325、0.35、0.375、0.4、0.425、0.45、0.475、0.5、0.525、0.55、0.575、0.6、0.625、0.65、0.675、0.7、0.725、0.75、0.075、0.8、0.825、0.85、0.825、0.9、0.925、0.95、0.975、1.0、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950或约1000μm。上文记载的范围与值的中间范围和中间值也设想是本发明的部分。储室可进一步包括在储室的一个或多个孔口的第一孔口上提供的第一喷嘴。在一个实施方式中，第一喷嘴具有与第一孔口的截面构型不同的截面构型。在一个实施方式中，第一喷嘴增加所形成的纤维的表面积。在另一个实施方式中，第一喷嘴卷积所形成的纤维的表面形貌。在一个实施方式中，第一喷嘴在所形成的纤维的表面上产生一个或多个结构特征。在一个实施方式中，结构特征的大小范围从约1纳米到约500纳米，例如，约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、90、100、125、150、175、200、250、300、350、400、450或500纳米。在一个实施方式中，所形成的微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维例如使用扫描电子显微镜成像。在示例性装置及方法中使用的适合的聚合物包括水溶性聚合物(即，在缓慢蒸发的溶剂例如水性溶剂中溶解的聚合物)，需要接触交联的聚合物(例如，藻酸盐)，和/或不能容易地以足够高的浓度溶解而提供用于随机缠绕和溶剂蒸发的足够粘性以形成聚合物纤维的聚合物(例如，脱氧核糖核酸、聚氨酯-聚脲共聚物和聚丙烯腈)，和/或需要沉淀的聚合物(例如，脱氧核糖核酸)，和/或以低浓度(例如，低于2％)溶于水的聚合物，和/或同时需要空气中延伸和沉淀的聚合物(例如，聚酰胺，例如，液晶聚合物，例如，聚对苯二甲酰对苯二胺和聚(对亚苯基苯并双噁唑))。适合的聚合物可以是生物相容的或非生物相容的，合成的或天然的，例如生物生成的聚合物，例如，蛋白质、多糖、脂质、核酸或其组合。需要接触交联的示例性聚合物包括，例如，藻酸盐、明胶、胶原蛋白、脱乙酰壳多糖、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、淀粉和聚环氧乙烷、其共聚物和衍生物。需要沉淀的示例性聚合物包括，例如，脱氧核糖核酸、核糖核酸。需要空气中延伸和沉淀的示例性聚合物包括，例如，聚酰胺，例如，液晶聚合物，例如聚对苯二甲酰对苯二胺，例如，1,4-亚苯基-二胺(对苯二胺)和对苯二甲酰氯，和聚(对亚苯基苯并双噁唑)。在本文中提供的装置及方法中使用的适合的聚合物不包括那些可溶于高度挥发性溶剂(即，具有低沸点和高蒸汽压的液体)的聚合物，高度挥发性溶剂例如氯仿，约90、95或约100％的乙醇，DMF(例如，约60、65、70、75、80、85、90、95或100％DMF)、丙酮、二氯甲烷和乙醚。在一个实施方式中，用于本发明的装置及方法的聚合物可以是两种或更多种聚合物和/或两种或更多种共聚物的混合物。在一个实施方式中，用于本发明的装置及方法的聚合物可以是一种或多种聚合物和或多种共聚物的混合物。在另一个实施方式中，用于本发明的装置及方法的聚合物可以是一种或多种合成聚合物和一种或多种天然存在的聚合物的混合物。在一个实施方式中，聚合物作为聚合物溶液，即溶解在适当的溶液中的聚合物进料到储室中。在这个实施方式中，方法可进一步包括在将聚合物进料到储室中之前将聚合物溶解在溶剂中。或者，聚合物可以作为聚合物熔融物进料到储室中，且因而在一个实施方式中，储室被加热到适合于熔化聚合物的温度，例如，加热到约100℃-300℃、100℃-200℃、约150-300℃、约150-250℃、或约150-200℃、200℃-250℃、225℃-275℃、220℃-250℃，或约100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190、195、200、205、210、215、220、225、230、235、240、245、250、255、260、265、270、275、280、285、290、295或约300℃的温度。上文记载的温度范围的中间范围和中间温度也是本发明的部分。在这类实施方式中，储室可进一步包括加热元件。在本发明的一个实施方式中，形成多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维。该多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维可以具有相同直径或不同直径。在一个实施方式中，本发明的方法导致制造具有约15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、33、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740、750、760、770、780、790、800、810、820、830、840、850、860、870、880、890、900、910、920、930、940、950、960、970、980、990、1000纳米、10、20、30、40或约50微米的直径的微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维。在一个实施方式中，本发明的方法导致制造多种对齐的(例如，单轴对齐的)微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维。在本发明的其他实施方式中，多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维与另外的试剂接触，例如，多种活细胞，例如，肌肉细胞、神经元细胞、内皮细胞和上皮细胞；生物活性剂，例如，亲脂性肽、脂质、核苷酸；荧光粉子、金属、陶瓷、纳米颗粒和药学活性剂。在本发明的某些实施方式中，与活细胞接触的聚合物纤维在适合的培养基中培养一段时间直至例如产生活组织。在再其他的实施方式中，聚合物在制造方法过程中与活细胞接触使得产生细胞群居(populated)于其中的纤维或(部分或完全)被细胞包围的纤维。聚合物还可以在制造过程中与另外的试剂接触，例如蛋白质、核苷酸、脂质、药物、药学活性剂、杀生物剂和抗微生物剂，以使得产生包含这些试剂的功能性微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维。例如，可以通过在包含维持细胞存活力的浓度的氯化钙且足以交联藻酸盐聚合物的细胞培养基溶液中提供活细胞来制造包含活细胞的藻酸盐纤维。在其他方面，本发明提供使用本发明的方法及装置产生的聚合物纤维，以及包括本发明的聚合物纤维的组织、膜、滤器、生物保护织物、生物传感器装置、食品和药物递送装置。在另一方面，本发明提供用于识别调节组织功能的化合物的方法。该方法包括，提供根据本发明的方法产生的组织；将组织与测试化合物接触；和在存在与不存在测试化合物的情况下测定测试化合物对组织功能的影响，其中与在不存在测试化合物的情况下的组织功能相比较，在测试化合物存在的情况下的组织功能的调节指示测试化合物调节组织功能，由此识别调节组织功能的化合物。在又一个方面，本发明提供用于识别可用于治疗或预防组织疾病的化合物的方法。该方法包括，提供根据本发明的方法产生的组织；将组织与测试化合物接触；和在存在与不存在测试化合物的情况下测定测试化合物对组织功能的影响，其中与在不存在测试化合物的情况下的组织功能相比较，在所述测试化合物存在的情况下组织功能的调节指示测试化合物调节组织功能，由此识别可用于治疗或预防组织疾病的化合物。组织功能可以是任何适合的与特定组织类型相关的生理学活性，例如，生物力学活性，例如，收缩性、细胞应激、细胞胀胀和刚性，或电生理学活性。在一个实施方式中，方法包括向组织施加刺激。在一个实施方式中，多种活组织同时与测试化合物接触。在一个方面，本发明提供用于制造一种或多种微米、亚微米或纳米尺度的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的方法。该方法包括提供聚对苯二甲酰对苯二胺溶液；将聚对苯二甲酰对苯二胺溶液围绕旋转轴旋转以导致聚对苯二甲酰对苯二胺溶液以一个或多个喷射流喷射；和在水中收集聚对苯二甲酰对苯二胺的一个或多个喷射流以导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的形成。在另一个方面，本发明提供用于制造一种或多种微米、亚微米或纳米尺度的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的方法。该方法包括提供本发明的装置；使用运动发生器使储室围绕旋转轴旋转以导致聚对苯二甲酰对苯二胺以一个或多个喷射流喷射；和在容纳在收集装置中的液体中收集聚对苯二甲酰对苯二胺的一个或多个喷射流以导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的形成，其中液体是水。在另一个方面，本发明提供用于制造聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维的薄片的方法。该方法包括提供聚对苯二甲酰对苯二胺溶液；将聚对苯二甲酰对苯二胺溶液围绕旋转轴旋转以导致聚对苯二甲酰对苯二胺溶液以一个或多个喷射流喷射；和在水中收集聚对苯二甲酰对苯二胺的一个或多个喷射流以导致形成包含聚对苯二甲酰对苯二胺的微米、亚微米或纳米尺度纤维的薄片。在另一个方面，本发明提供用于制造聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维的薄片的方法。该方法包括提供本发明的装置；使用运动发生器使储室围绕旋转轴旋转以导致聚对苯二甲酰对苯二胺以一个或多个喷射流喷射；和在容纳在收集装置中的液体中收集聚对苯二甲酰对苯二胺的一个或多个喷射流以导致聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维的形成，其中液体是水。在一个方面，本发明提供用于制造一种或多种微米、亚微米或纳米尺度的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的方法。该方法包括提供聚对苯二甲酰对苯二胺溶液；将聚对苯二甲酰对苯二胺溶液围绕旋转轴旋转以导致聚对苯二甲酰对苯二胺溶液以一个或多个喷射流喷射；在用于收集聚对苯二甲酰对苯二胺的一个或多个喷射流的收集装置中产生液体涡旋，液体涡旋包括中心气隙；和在收集装置中收集聚对苯二甲酰对苯二胺的一个或多个喷射流，其中一个或多个喷射流被喷射最初经过液体涡旋的气隙和接着经过收集装置的液体涡旋中的液体；其中聚对苯二甲酰对苯二胺喷射到气隙中和接着到收集装置的液体中导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的形成，其中液体是水。在另一个方面，本发明提供用于制造一种或多种微米、亚微米或纳米尺度的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的方法。该方法包括提供本发明的装置；使用第一运动发生器使储室围绕旋转轴旋转以导致聚对苯二甲酰对苯二胺以一个或多个喷射流喷射；使用第二运动发生器来旋转收集装置中的液体以产生液体涡旋；和在液体涡旋的气隙中并接着在收集装置的液体涡旋的液体中收集聚对苯二甲酰对苯二胺的一个或多个喷射流以导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的形成，其中液体是水。在另一个方面，本发明提供用于制造聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维的薄片的方法。该方法包括提供聚对苯二甲酰对苯二胺溶液；将聚对苯二甲酰对苯二胺溶液围绕旋转轴旋转以导致聚对苯二甲酰对苯二胺溶液以一个或多个喷射流喷射；在用于收集聚对苯二甲酰对苯二胺的一个或多个喷射流的收集装置中产生液体涡旋，液体涡旋包括中心气隙；和在收集装置中收集聚对苯二甲酰对苯二胺的喷射流，其中一个或多个喷射流被喷射最初经过液体涡旋的气隙和接着经过收集装置的液体涡旋中的液体；其中聚对苯二甲酰对苯二胺喷射到气隙中和接着到收集装置的液体中导致形成微米、亚微米或纳米尺度的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的薄片，其中液体是水。在另一个方面，本发明提供用于制造聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维的薄片的方法。该方法包括提供本发明的装置；使用第一运动发生器使储室围绕旋转轴旋转以导致聚对苯二甲酰对苯二胺喷射为喷射流；使用第二运动发生器来旋转收集装置中的液体以产生液体涡旋；和在液体涡旋的气隙中并接着在收集装置的液体涡旋的液体中收集聚对苯二甲酰对苯二胺的喷射流以导致一种或多种微米、亚微米或纳米尺度的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的形成，其中液体是水。在一个方面，本发明提供根据本发明的方法制造的聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维和薄片。在一个方面，本发明提供使用本发明的装置制造的聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维和薄片。在一个方面，本发明提供包括根据本发明的方法制造的聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维或聚对苯二甲酰对苯二胺薄片的织物。在一个实施方式中，聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维的薄片在个体纤维之间具有约300到约1000nm的间距。在另一个实施方式中，聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维的薄片中包括的纳米纤维的平均直径具有约0.5到约5μm的平均直径。在另一个实施方式中，聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维的薄片具有约0.1到约100cm的厚度。在另一个方面，本发明提供个人保护装置(例如，防弹背心和/或防刺背心)，运动服(例如，手套、衬衫)，其使用前述聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维和薄片制成。附图简述通过参考与所附附图相结合的下列描述，示例性实施方式的前述和其他目的、方面、特征和优势将更明显和可以被更好地理解，其中：图1说明了用于形成微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的示例性纤维形成装置。图2是说明用于提供示例性纤维形成装置的示例性方法的流程图。图3是说明用于使用示例性纤维形成装置的示例性方法的流程图。图4A-4F说明了使用示例性纤维形成装置及方法制造的各向同性与各向异性的脱氧核糖核酸纤维。5％DNA溶液在30％乙醇溶液中制备，以16000rpm旋转到收集装置内的95％乙醇溶液中。图5A-5E说明了用于从脱氧核糖核酸(DNA)溶液制造聚合物纤维的示例性方法。溶于7:3的水:乙醇混合物中的5％DNA溶液以16000rpm旋转到收集装置内的95％乙醇溶液中。图6A与6B是通过示例性设备及方法产生的(a)DNA纳米纤维与(b)藻酸盐纳米纤维在对齐前的宏观图像。图7A与7B是(a)DNA纳米纤维与(b)藻酸盐纳米纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像。对于图6和7，DNA纳米纤维使用溶解于7:3的水:乙醇混合物中的5％DNA溶液并以16000rpm旋转到收集装置内的95％乙醇溶液中来制造，和藻酸盐纳米纤维使用在水中制备的5％藻酸盐溶液并以80000rpm下旋转到收集装置内的1％CaCl2溶液中来制备。图8说明了用于形成微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的示例性纤维形成装置。图9描述了在用于形成微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的图8中所示示例性纤维形成装置的收集装置中包括气隙的液体涡旋的产生。图10A-10E是通过本发明的示例性装置及方法产生的聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维的扫描电子显微镜(SEM)图像。图11A是来自DuPont的聚对苯二甲酰对苯二胺织物和通过本发明的示例性装置及方法产生的聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维薄片的图像。图11B-11D是来自DuPont的聚对苯二甲酰对苯二胺织物(11B，左，和11C)和通过本发明的示例性装置及方法产生的聚对苯二甲酰对苯二胺纳米纤维薄片(11B，右，和11D)在刺破试验后的图像。图11E与11F是描述了纤维编织的来自DuPont的聚对苯二甲酰对苯二胺织物的图像。发明详述虽然此前已经描述了采用旋转运动的用于生产聚合物纤维的装置及方法(参见例如美国专利公开号2012/0135448和PCT公开号WO2012/068402)，但使用水溶性聚合物和/或需要接触交联和/或沉淀的聚合物溶液制造聚合物纤维以形成物理和化学稳定的聚合物纤维仍然是具有挑战性的。例如，直到本发明，使用在缓慢蒸发的溶剂例如水性溶剂中溶解的聚合物，从需要接触交联的聚合物(例如，藻酸盐)和/或不能容易地以足够高的浓度溶解来提供用于随机缠绕和溶剂蒸发的足够粘性以形成聚合物纤维的聚合物(例如，脱氧核糖核酸、聚氨酯-聚脲共聚物和聚丙烯腈)，和/或需要沉淀的聚合物(例如，脱氧核糖核酸)，和/或以低浓度溶于水以形成聚合物纤维的聚合物，和/或同时需要在空气中延伸和沉淀的聚合物(例如，聚酰胺，例如，液晶聚合物，例如，聚对苯二甲酰对苯二胺和聚(对亚苯基苯并双噁唑))来形成聚合物纤维是挑战性的。因此，本发明通过提供一般包括经旋转储室的一个或多个孔口将聚合物溶液挤出到液体中以使得在与收集装置中的液体接触时固化并形成聚合物纤维的装置及方法解决了这些问题。在一些实施方式中，储室的孔口可以全部或部分浸没在收集装置中的液体中以将聚合物从储室直接喷射到液体中。在其他实施方式中，储室的孔口被安置在收集装置的孔口上方以使得从孔口挤出的聚合物在接触收集装置中的液体之前先接触空气。示例性实施方式提供了用于形成微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维而不使用电场例如高压电场来形成聚合物纤维的改进的系统、装置和方法。示例性实施方式利用赋予聚合物储室离心或旋转运动来将聚合物经储室中的一个或多个孔口喷射。在一些实施方式中，聚合物被直接喷射到容纳在收集装置中的液体中以用于固化和聚合物纤维的形成。在其他实施方式中，聚合物被喷射到通过在收集装置的液体中产生液体涡旋而产生的气隙中。在一些实施方式中，当聚合物与容纳在收集装置中的液体接触时，两种材料之间的相互作用导致聚合物的沉淀和/或交联。示例性实施方式还使得能够调节聚合物纤维的取向、对齐与直径。术语“纤维”和“聚合物纤维”在本文中可互换地使用，并且两个术语都是指具有微米、亚微米或纳米尺度的纤维。“化学和物理稳定的聚合物纤维”是基本上不表现出强度的损失(通过例如单轴拉伸强度实验测量的)和/或在具有培养基或细胞的培养物中的降解率的损失(通过例如纤维随时间的重量测量的)的迹象的纤维。示例性装置及方法可用于形成单一的连续聚合物纤维或具有相同或不同直径的多个聚合物纤维，例如，约25纳米到约50微米，约100纳米到约1微米，约500纳米到约100微米，25微米到约100微米，或约5、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、33、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680、690、700、710、720、730、740、750、760、770、780、790、800、810、820、830、840、850、860、870、880、890、900、910、920、930、940、950、960、970、980、990、1000纳米、10、20、30、40或约50微米的直径。所述的直径中间的大小与范围也是本发明的部分。使用本发明的方法及装置形成的聚合物纤维可以是任意长度。在一个实施方式中，聚合物纤维的长度取决于装置在运动中的时间长度和/或进料到系统中的聚合物的量。例如，聚合物纤维可以为约1纳米、约10英尺或约500码。另外，可以使用任意适合的工具将聚合物纤维切割为期望的长度。在一个实施方式中，本发明的方法及装置每小时产出约0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或约15克的聚合物纤维。在本发明的一个实施方式中，形成多种微米、亚微米或纳米尺度的聚合物纤维。该多种微米、亚微米或纳米尺度的聚合物纤维可以具有相同直径或不同直径。在一个实施方式中，本发明的方法导致制造多种对齐的(例如，单轴对齐的)微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维，例如聚合物纤维的薄片。根据本文所公开的方法生产的纤维可以例如用作细胞外基质使，并且与细胞一起还可用于形成工程化组织。这种组织不仅可用于生产假体装置和再生医药，还可用于研究组织发育生理学和疾病病理学，以及用于药物开发和毒性测试。本发明的聚合物纤维还可与其他物质例如治疗剂结合，以将这种物质递送到聚合物纤维应用或植入的位点。根据本文所公开的方法生产的聚合物纤维还可用于生产食品、线、织物、膜和过滤器。A.示例性纤维形成装置示例性实施方式提供了用于通过赋予材料溶液旋转和/或线性运动从材料溶液形成三维微米、亚微米或纳米尺度纤维的系统、装置和方法。在示例性实施方式中，装置基本上没有电场，并且不需要电场来生成聚合物纤维。在一些实施方式中，装置没有针。示例性纤维形成装置及方法可用于从一系列材料制造纤维。示例性材料包括需要接触交联的聚合物(例如，藻酸盐)和/或来自不能容易地以足够高的浓度溶解来为随机缠绕和溶剂蒸发提供足够粘性以形成聚合物纤维的聚合物(例如，脱氧核糖核酸、聚氨酯-聚脲共聚物和聚丙烯腈)，和/或需要沉淀的聚合物(例如，脱氧核糖核酸)，和/或以低浓度溶于水以形成聚合物纤维的聚合物，和/或同时需要空气中延伸和沉淀的聚合物(例如，聚酰胺，例如，液晶聚合物，例如，聚对苯二甲酰对苯二胺和聚(对亚苯基苯并双噁唑))。示例性纤维形成装置可以具有许多应用，包括，但不限于，聚合物纤维大规模生产、超对齐(ultra-aligned)支架的生产、用于体外组织工程应用的生物功能性支架、用于体内组织工程应用的生物功能性支架、生物功能性缝合线、超强纤维和织物的生产、生物功能性蛋白质或聚合物纤维、保护性服装或覆盖物等。在图1所说明的示例性纤维形成装置100中，提供一个或多个储室102以容纳用于形成聚合物纤维的一种或多种材料溶液(例如，溶液中的聚合物)。储室102可包括用于为材料溶液提供到达储室102外部的出口的一个或多个孔口或开口104。纤维形成装置100包括用于收集经储室102的孔口104喷射的纤维的一个或多个收集装置106，例如，烧杯、桶、盘、筒、鼓等。收集装置106可容纳使得聚合物纤维在材料溶液与液体例如水、乙醇(例如，约30、35、40、45、50、55、60、65或约70％乙醇)、DMF(例如，约20、25、30、35、40、45或50％DMF)氯化钙、N-甲基-吡咯烷酮和氯化钙、硫酸等接触时能够沉淀和/或接触交联的液体。在图1所说明的示例性实施方式中，收集装置106和储室102被配置和安置以使得储室102的孔口104至少部分浸没在收集装置106中的液体中。孔口104可部分或完全浸没在收集装置106中的液体中。在示例性实施方式中，收集装置106被垂直布置在储室102下方。示例性纤维形成装置100的配置在孔口104处产生储室102中的材料溶液与收集装置106中的液体之间的液-液界面。液-液界面在一些实施方式中可以没有环境空气。孔口104处的液-液界面导致材料溶液从孔口104喷射以直接进入容纳在收集装置106中的液体，这导致固化和一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的形成。虽然图1所说明的示例性收集装置106表示为静止，其他示例性收集装置可以是移动的，例如旋转和/或振荡。在一些示例性实施方式中，收集装置106的线性或旋转速率可以在纤维形成期间保持为基本上恒定，或者可以在纤维形成期间提高或降低。收集装置106的示例性线性速率在一些实施方式中可以是从约5m/s到约40m/s的范围，但不限于该示例性范围。储室102可以直接或间接与赋予储室102运动的一个或多个运动发生器偶联，例如，旋转发动机等。赋予储室102的运动可以被配置为在中部时间内赋予储室102中的材料溶液充分的剪切力，使得材料溶液从储室102喷射或挤出，由此形成一种或多种微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维。示例性实施方式可以使用不同的运动发生器组合以产生和控制通过储室102的运动形成的纤维的所期望的编织和/或对齐。在一个实施方式中，可以使用运动发生器以赋予储室102旋转运动，以使得储室102围绕旋转中心轴R旋转。可以根据美国专利公开号US2012/0135448和PCT公开号WO2012/068402中的旋转运动发生器的公开内容来提供示例性旋转运动发生器，其各自全部内容通过引用在此并入。在另一个实施方式中，可以使用运动发生器以赋予储室102线性运动以使得储室102沿中心轴R来回移动。在另一个实施方式中，运动发生器可以赋予储室102旋转运动和线性运动二者。在其他示例性实施方式中，运动发生器110可以赋予储室102其他类型的运动，例如，不规则运动、复杂运动模式、沿不同轴的线性运动，围绕不同轴的旋转运动，在线性和旋转之间变化的运动等。可以使用可靠并有效地将发生器产生的运动传递到储室102的一种或多种机械偶联构件，例如杆、活塞等，将储室102与运动发生器偶联。运动发生器可以与供应电力以为发生器提供动力的电源(未示出)偶联，例如，电源干线或一个或多个电池。在运行中，随着动力发生器以旋转方式移动或以线性方式来回移动储室102，储室102中的材料溶液的惯性对抗运动发生器和储室102的运动。这导致材料溶液相逆于储室102的一个或多个壁拉动和经存在于壁上的一个或多个孔口104喷射或挤出。材料溶液在其经孔口104拉动时形成一个或多个喷射流。喷射流经孔口104离开储室102并进入容纳在收集装置106中的液体中。材料喷射流与液体的相互作用导致微米、亚微米或纳米尺度聚合物纤维的形成和固化。在一些情况下，材料喷射流与液体的相互作用导致聚合物纤维的沉淀和/或接触交联。在替代性实施方式中，可以加压储室102以从储室经一个或多个孔口104喷射聚合物材料。例如，可以将机械加压器应用于储室的一个或多个表面以减小储室的体积，并由此从储室喷射出材料。在另一个示例性实施方式中，可以将流体压力引入到储室中以加压储室的内部体积，并由此从储室喷射出材料。在使用运动的示例性实施方式中，储室102的线性或旋转速率可以在纤维形成期间保持为基本上恒定，或者可以在纤维形成期间提高或降低。示例性实施方式中储室102的旋转速度范围可以从约1,000rpm-40,000rpm，例如，约1,000rpm到约40,000rpm，约1,000rpm到约20,000rpm，约3,000rpm-90,000rpm，约3,000rpm-50,000rpm，约3,000rpm-25,000rpm，约5,000rpm-20,000rpm，约5,000rpm到约15,000rpm，约50,000rpm到约100,000rpm，或约50,000rpm到约400,000rpm，例如约1,000、1,500、2,000、2,500、3,000、3,500、4,000、4,500、5,000、5,500、6,000、6,500、7,000、7,500、8,000、8,500、9,000、9,500、10,000、10,500、11,000、11,500、12,000、12,500、13,000、13,500、14,000、14,500、15,000、15,500、16,000、16,500、17,000、17,500、18,000、18,500、19,000、19,500、20,000、20,500、21,000、21,500、22,000、22,500、23,000、23,500、24,000、32,000、50,000、55,000、60,000、65,000、70,000、75,000、80,000、85,000、90,000、95,000、100,000、105,000、110,000、115,000、120,000、125,000、130,000、135,000、140,000、145,000、150,000rpm、约200,000rpm、250,000rpm、300,000rpm、350,000rpm或400,000rpm。上文记载的范围与值的中间范围和中间值也设想是本发明的部分。在某些实施方式中，约50,000rpm～400,000rpm的旋转速度旨在被包括在本发明的方法中。在一个实施方式中，使用旋转运动的装置可以以大于约50,000rpm，大于约55,000rpm，大于约60,000rpm，大于约65,000rpm，大于约70,000rpm，大于约75,000rpm，大于约80,000rpm，大于约85,000rpm，大于约90,000rpm，大于约95,000rpm，大于约100,000rpm，大于约105,000rpm，大于约110,000rpm，大于约115,000rpm，大于约120,000rpm，大于约125,000rpm，大于约130,000rpm，大于约135,000rpm，大于约140,000rpm，大于约145,000rpm，大于约150,000rpm，大于约160,000rpm，大于约165,000rpm，大于约170,000rpm，大于约175,000rpm，大于约180,000rpm，大于约185,000rpm，大于约190,000rpm，大于约195,000rpm，大于约200,000rpm，大于约250,000rpm，大于约300,000rpm，大于约350,000rpm或大于约400,000rpm的速度旋转。使用旋转运动的示例性装置可以旋转足够形成期望的聚合物纤维的时间，例如，约1分钟到约100分钟，约1分钟到约60分钟，约10分钟到约60分钟，约30分钟到约60分钟，约1分钟到约30分钟，约20分钟到约50分钟，约5分钟到约20分钟，约5分钟到约30分钟或约15分钟到约30分钟，约5-100分钟，约10-100分钟，约20-100分钟，约30-100分钟，或约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100分钟或更多。上文记载的值的中间时间和范围也旨在为本发明的部分。在使用线性运动的实施方式中，储室102的线性速度范围可以从约0.0001m/s到约4.2m/s，但不限于该示例性范围。比较一些纯粹使用线性运动以形成纤维的示例性装置与一些纯粹使用旋转运动以形成纤维的示例性装置，约10.8m/s的线性速率对应于约8,000rpm的旋转速率，约16.2m/s的线性速率对应于约12,000rpm的旋转速率，和约27.1m/s的线性速率对应于约20,000rpm的旋转速率。示例性储室102可以具有范围从约一纳升到约1毫升，约一纳升到约5毫升，约1纳升到约100毫升，或约1微升到约100毫升的体积以容纳液体材料。一些示例性体积包括，但不限于，约一纳升到约1毫升，约一纳升到约5毫升，约1纳升到约100毫升，1微升到约100微升，约1毫升到约20毫升，约20毫升到约40毫升，约40毫升到约60毫升，约60毫升到约80毫升，约80毫升到约100毫升，但不限于这些示例性范围。上文记载的体积中间的示例性体积也是本发明的部分。在某些实施方式中，储室体积小于约5，小于约4，小于约3，小于约2，或小于约1毫升。在其他实施方式中，展开的聚合物的物理大小和将形成纤维的聚合物的期望数量决定储室的最小体积。在一些实施方式中，储室102可包括各自与用于将一种或多种材料溶液和/或一种或多种其他流体(例如，气压)引入到储室102中的一个或多个入口管偶联的一个或多个入口端口。示例性入口管可以与储藏材料溶液的一个或多个储藏装置或与产生材料溶液的一个或多个装置偶联。一种或多种材料溶液可以经入口端口以恒定流速或可变流速进料到储室102中。在示例性实施方式中，可以在注满储室102后和形成纤维前临时或永久关闭入口端口。在另一个示例性实施方式中，可以在纤维形成过程中保持入口端口打开以连续或间歇地填充储室102。在示例性实施方式中，可以预填充储室102，并且填充的储室102可以不包括入口管和可以具有一个或多个临时或永久密封的入口端口。在另一个示例性实施方式中，可以保持入口端口与入口管偶联，并且可以在纤维形成过程中连续地或在一个或多个时期中填充储室102。示例性孔口104可以具有任意适合的截面几何形状，包括，但不限于，圆形(如图1的示例性实施方式所说明的)、椭圆形、正方形、矩形等。在示例性实施方式中，可以提供与示例性孔口104相关联的一个或多个喷嘴，以提供对经孔口离开储室102的材料溶液的一种或多种特...