用于制造微纤维、线和丝的腔-微纤维、方法和装置与流程

本发明涉及新的微纤维、线和丝。更具体地，本发明涉及用于制造具有腔和非均匀结构的微纤维、线和丝的新装置和方法。

发明背景

微纤维可以是长、薄、柔性和中空的且可以包括腔。微纤维已经吸引在不同领域中广泛应用的关注，包括生物医学工程、组织工程、化学工程、信息技术、生物材料和传感器技术。因此，对新类型的微纤维，以及用于形成不同类型的微纤维的方法和装置，总是存在兴趣。

发明概述

本发明的实施方案包括新的微纤维、线和丝，以及用于制造这样的新微纤维、线和丝的方法和装置。更具体地，本发明的实施方案包括用于制造具有腔和非均匀质地的微纤维、线和丝(即，腔-微纤维)的装置和方法。

本发明的一个实施方案包括一种用于制造微纤维的方法，包括将分散相流体引入到连续相流体中以形成组合流体，其中所述组合流体包括在连续相流体中的分散相流体气泡或分散相流体液滴；和纺织所述组合流体以形成腔-微纤维。纺织可以包括迫使所述组合流体通过通道或孔，在通道中凝固所述组合流体，或湿纺方法。纤维可以通过在空气中干燥，通过浸没在固化浴中，通过uv固化，通过热固化或其它固化方法来固化。腔-微纤维然后可以在一个容器中收集或缠绕在杆或其它设备上。分散相流体可以使用在包含连续相流体的流的第二管内的具有孔的第一管(或注射器)引入到连续相流体。连续相流体流速可以为0.1ml/h至5.6ml/h、0.3ml/h至2.8ml/h或0.6ml/h至1.4ml/h。分散相流体可以是气体或液体，且其可在各种压力下提供以产生具有不同性质的腔-微纤维。例如，分散相流体的压力可以是0.0atm至0.7atm、0.1atm至0.6atm、0.2atm至0.5atm、0.0atm至0.1atm、0.1atm至0.2atm、0.2atm至0.3atm、0.3atm至0.4atm、0.4atm至0.5atm或0.6atm至0.7atm。

本发明的其它实施方案包括用于制造腔-微纤维的装置。根据本发明的一个实施方案的用于制造腔-微纤维的装置可包括连接到第一压力源并具有第一孔的第一管、在第一管内的具有第二孔的第二管和连接到所述第二管的第二压力源。该装置还可以包括适合于容纳固化流体以固化腔-微纤维的第一容器、适合于收集腔-微纤维的第二容器和适合于收集腔-微纤维的辊。

附图简述

图1是根据本发明的一个实施方案的用于腔-微纤维制造的微流体设备的图像。

图2是显示根据本发明的一个实施方案的腔-微纤维的制造的图像。

图3a、3c、3e和3g是通过本发明的实施方案产生的腔-微纤维的图像。图3b、3d、3f和3h是分别对应于图3a、3c、3e和3g的腔-微纤维的水合腔-微纤维的图像。图3i、3j和3k是在不同放大水平下的脱水腔-微纤维的图像。

图4a-f是腔-微纤维的sem图像。

图5是说明连续相流体流速对微纤维直径的影响的图。

图6是说明不同类型的腔-微纤维如何作为cao(连续相的毛细管数)和pr(分散相流体气体的压力除以标准大气压)的函数而形成的图。

图7显示由本发明的实施方案产生的不同类型的腔-微纤维。

图8是显示在0.6ml/h的连续相流体流速下分散相流体压力对气体气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结的体积的影响的图。

图9是显示在0.6ml/h的连续相流体流速下分散相流体压力对气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结之间的距离的影响的图。

图10是显示在1ml/h的连续相流速下分散相流体压力对气体气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结的体积的影响的图。

图11是显示在1ml/h的连续相流体流速下分散相流体压力对气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结之间的距离的影响的图。

图12是显示在1.4ml/h的连续相流体流速下分散相流体气体压力对气体气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结的体积的影响的图。

图13是显示在1.4ml/h的连续相流速下分散相流体的气体压力对气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结之间的距离的影响的图。

图14是显示干燥时间对腔-微纤维的接合部分的直径的影响的图。

图15是显示干燥时间对腔-微纤维的结的长轴和短轴的影响的图。

图16是显示干燥时间对腔-微纤维的结的体积的影响的图。

图17是显示对于脱水腔-微纤维的机械拉伸试验结果的图。

图18a是微小-腔-微纤维的图像，图18b是混合气泡腔-微纤维的图像，且图18c包括链式微纤维的图像。

图19是在单个脱水腔-微纤维上水收集的图像。

图20包括在单个纺锤结上的水收集作为收集时间的函数的图像。

图21是显示在单个纺锤结上的水收集体积作为收集时间的函数的图。

图22是显示腔-微纤维的交叉点具有比腔-微纤维的单个结更大的水收集能力的图像。

图23a-23f是蜘蛛网状腔-微纤维网及其水收集的图像。图23a是双束腔-微纤维网的图像。图23b是双束腔-微纤维网的水收集的图像。图23c是三束腔-微纤维网的图像。图23d是三束腔-微纤维网的水收集的图像。图23e是四束腔-微纤维网的图像。图23f是四束腔-微纤维网的水收集的图像。

图24是通过腔-微纤维构建的可用于细胞培养和组织工程的2d支架的图像。

图25是通过腔-微纤维构建的用于细胞培养和组织工程的3d支架的图像。

图26是显示在使用腔-微纤维构建的2d支架上骨组织形成的图像。

图27是显示对于形成骨组织的茜素红染色试验的图像。

图28是腔-微纤维的药物递送和药物释放的示意图。

图29是用于熔体纺织的装置的示意图。

图30是用于湿纺的装置的示意图。

图31是用于电纺的装置的示意图。

图32是根据本发明的一个实施方案的装置的图像。

图33包括显示气泡距离、水合结距离和脱水结距离的图像。

图34是根据本发明的装置的示意图。

图35是详细说明根据本发明的形成腔-微纤维的方法的流程图。

发明详述

本发明的实施方案包括用于制造微纤维、线和丝的方法和装置。更具体地，本发明的实施方案包括用于制造具有腔和非均匀结构的纤维、线和丝的装置和方法。本发明的实施方案可包括用于以可控的方式有效地且快速地制造具有腔结构的微纤维的连续微流体方法和装置。本发明的实施方案可包括与湿纺方法组合的液滴微流体技术。腔-微纤维可具有宽范围的应用，包括水收集、药物递送和释放、微反应器、微培养和用于细胞培养和组织工程的2d和3d支架。

已经开发用于微米级和纳米级的微纤维制造的方法，包括湿纺、熔体纺织、电纺、直接写图和电-水力共同喷射。然而，使用这些方法产生的微纤维一般只能生产均质结构，其中圆柱形微纤维是最普遍的。微纤维的功能、应用和性质可受微纤维的结构(包括其各向异性性质和表面-体积比)影响。

熔体纺织是制造聚合物纤维的常用方法。将聚合物熔化并泵送通过具有许多孔(一到几千)的喷丝头(冲模)。熔化的纤维被冷却，凝固，并收集在卷绕轮上。在熔化态和固态二者中拉伸纤维提供沿纤维轴的聚合物链的取向。聚合物例如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)和尼龙6,6能够以高体积熔体纺织。图29是用于熔体纺织的装置的示意图。

在溶液纺织(湿纺)中，将聚合物溶解在溶剂中且将溶液挤出到含有非溶剂的凝固浴中(浸喷湿纺)。当聚合物溶液挤出到空气中但最终使得其通向凝固浴中时，该过程被称为干喷湿纺。顾名思义，这是因为纺织喷嘴(喷丝头)是在干燥状态中，不像在所述纺织喷嘴被浸入凝固浴内部的湿纺(也被称为浸喷湿纺)中。图30是用于湿纺的装置的示意图。

电纺是用于制造微纤维的第三种方法。它涉及挤出聚合物或其它材料的带电射流以在旋转收集器上形成微纤维或线。一般在挤出机(如金属针)和旋转收集器之间产生高电压。图31是用于电纺的装置的示意图。

本发明的实施方案可包括与湿纺方法组合的液滴微流体技术。本发明的实施方案包括使用微流体设备组合两种流体以产生腔-微纤维。根据一个实施方案，用于形成腔-微纤维的方法包括提供可凝固的连续相流体和将气体或液体作为分散相流体掺入，使得所述分散相流体在连续相流体内形成气泡。分散相流体和连续相流体的混合物可以称为“组合流体”。泵(例如，注射泵)和/或气体压力控制器可用于通过迫使它们通过通道或孔来纺织腔-微纤维。分散相流体可经由在第一管内的具有孔的第二管引入到含有连续相流体的第一管。组合流体(或挤出的腔-微纤维)可以直接在通道(或第一管的孔)中凝固，组合流体可以通过在空气或气体中干燥来凝固，组合流体可以通过化学固化在固化流体的浴中凝固，组合流体可以通过光或uv固化来凝固，或组合流体可以通过热固化来凝固。腔-微纤维然后可以收集在容器中或收集在辊上。连续相流体可包括适合于微纤维纺织的本领域已知的一种或多种材料。连续相流体可以包括选自右旋糖、糖、淀粉、丙烯酸酯、聚乙烯醇、阿拉伯树胶、聚丙烯酰胺、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚(2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙磺酸)、聚(丙烯酰氨基-n-丙基三甲基氯化铵)、聚乳酸、聚己内酯、聚乙醇酸、聚乳酸-共-乙醇酸、1,3-丙二醇聚合物、胶原、明胶、纤维蛋白、丝心蛋白、弹性蛋白模拟肽聚合物、壳聚糖、改性的壳聚糖、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚碳酸酯聚氨酯、聚醚基聚氨酯、硅烷改性聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基戊酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基己酸酯)、聚磷酸酯、聚氨基甲酸酐、聚酯酰胺、聚(对-二氧杂环己酮)、聚碳酸酯、纤维素、硫酸软骨素、肝素、葡聚糖、海藻酸、藻酸盐、聚乙二醇、水及其组合的聚合物的材料。在一个实施方案中，所述材料中的每一种的量可通过本领域技术人员确定，只要其足以进行前述微纤维纺织。分散相流体可以是气体或液体，且也可以是可凝固的。所述气体可以是空气或惰性气体，如氢气、氮气、氦气、氩气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸汽及其混合物。分散相流体还可以含有用于固化的活性成分或用于药物递送的化合物。

本发明的实施方案可有效地控制分散相气体或液体以制造不同类型的腔-微纤维。本发明的实施方案也可以导致通过控制气体压力、组合流体流速、连续相流体流速和/或分散相流体流速来精确地控制制造的腔-微纤维的结构。因此，具有均匀的结和接合部分的腔-微纤维可以以受控的方式连续产生，或非均匀腔-微纤维可以以受控的方式连续产生。

本发明包括，但不限于，下面例示的实施方案。

实施方案1.一种用于制造微纤维的方法，包括：

将分散相流体引入到连续相流体中以形成组合流体，其中所述组合流体包括在连续相流体中的分散相流体气泡或分散相流体液滴；和

纺织所述组合流体以形成腔-微纤维。

实施方案2.实施方案1的方法，其中所述纺织包括迫使所述组合流体通过通道或孔。

实施方案3.实施方案1或2中任一个的方法，其中所述纺织包括在通道中凝固所述组合流体。

实施方案4.实施方案1或2的方法，其中所述纺织包括湿纺方法。

实施方案5.实施方案1-4中任一个的方法，还包括在容器中收集所述腔-微纤维。

实施方案6.实施方案1-5中任一个的方法，还包括在收集辊上收集所述腔-微纤维。

实施方案7.实施方案1-6中任一个的方法，其中所述腔-微纤维具有基本上均匀的结和接合点。

实施方案8.实施方案1-7中任一个的方法，其中所述腔-微纤维通过进料所述分散相流体通过第一孔来纺织，所述第一孔包封在递送连续相流体的第二管内。

实施方案9.实施方案1-8中任一个的方法，还包括提供泵以驱动所述连续相流体。

实施方案10.实施方案1-9中任一个的方法，还包括提供气体压力控制器以驱动所述分散相流体。

实施方案11.实施方案1-10中任一个的方法，其中所述分散相流体是气体。

实施方案12.实施方案1-10中任一个的方法，其中所述分散相流体是液体。

实施方案13.实施方案1-12中任一个的方法，其中所述连续相流体包括两种或更多种流体。

实施方案14.实施方案1-13中任一个的方法，其中所述纺织包括光固化或uv固化所述组合流体。

实施方案15.实施方案1-14中任一个的方法，其中所述纺织包括化学固化所述组合流体。

实施方案16.实施方案1-15中任一个的方法，其中所述纺织包括热固化所述组合流体。

实施方案17.实施方案1-16中任一个的方法，其中所述分散相流体包括多于一种类型的流体。

实施方案18.实施方案1-17中任一个的方法，其中所述分散相流体是在纺织期间挥发的液体。

实施方案19.实施方案1-18中任一个的方法，其中所述分散相流体是具有0.0atm至0.7atm的压力的气体。

实施方案20.实施方案1-18中任一个的方法，其中所述分散相流体是具有0.0atm至0.1atm的压力的气体。

实施方案21.实施方案1-18中任一个的方法，其中所述分散相流体是具有0.1atm至0.2atm的压力的气体。

实施方案22.实施方案1-18中任一个的方法，其中所述分散相流体是具有0.2atm至0.3atm的压力的气体。

实施方案23.实施方案1-18中任一个的方法，其中所述分散相流体是具有0.4atm至0.5atm的压力的气体。

实施方案24.实施方案1-18中任一个的方法，其中所述分散相流体是具有0.5atm至0.6atm的压力的气体。

实施方案25.实施方案1-18中任一个的方法，其中所述分散相流体是具有0.7atm至0.8atm的压力的气体。

实施方案26.实施方案1-25中任一个的方法，其中所述纺织用压力进行，使得所述分散相流体不被剪切成气泡，产生在形状上基本上为管状的腔。

实施方案27.实施方案1-26中任一个的方法，还包括提供基于毛细管的微流体设备以进行纺织。

实施方案28.实施方案1-27中任一个的方法，还包括提供基于pdms的微流体设备以进行纺织。

实施方案29.实施方案1-27中任一个的方法，还包括提供基于pmma的微流体设备以进行纺织。

实施方案30.实施方案1-27中任一个的方法，还包括爆裂所述腔-微纤维的气泡(或腔)。

实施方案31.实施方案30的方法，其中所述气泡通过将它们引入到固化流体中爆裂。

实施方案32.实施方案1-31中任一个的方法，还包括拉伸所述腔-微纤维。

实施方案33.实施方案31-32中任一个的方法，还包括在气泡已经爆裂之后拉伸所述腔-微纤维以形成链式微纤维。

实施方案34.实施方案1-33中任一个的方法，还包括聚流管。

实施方案35.实施方案1-34中任一个的方法，其中所述分散相流体是具有0.3atm至0.4atm的压力的气体。

实施方案36.实施方案2-35中任一个的方法，其中所述挤出孔具有约125微米的直径。

实施方案37.实施方案2-35中任一个的方法，其中所述挤出孔具有200至500微米的直径。

实施方案100.一种用于制造腔-微纤维的装置，包括：

连接到第一压力源并具有第一孔的第一管；

在第一管内的具有第二孔的第二管；和

连接到所述第二管的第二压力源。

实施方案101.实施方案100的装置，其还包括适合于容纳固化流体以固化腔-微纤维的第一容器。

实施方案102.实施方案100-101中任一个的装置，其还包括适合于收集腔-微纤维的第二容器。

实施方案103.实施方案100-102中任一个的装置，其还包括适合于收集腔-微纤维的收集辊。

实施方案104.实施方案100-103中任一个的装置，其中所述第二管是注射器。

实施方案105.实施方案100-104中任一个的装置，其中所述第一管是正方形。

实施方案106.实施方案100-105中任一个的装置，其中所述第二管由玻璃制成。

实施方案107.实施方案100-106中任一个的装置，其中所述第一压力源是注射泵。

实施方案108.实施方案100-107中任一个的装置，其中所述第二压力源是气体压力控制器。

实施方案108.实施方案100-108中任一个的装置，其中所述第二压力源是气体压力控制器。

实施方案109.实施方案100-108中任一个的装置，还包括在第一管内或连接到所述第一管，且具有第三孔的聚流管。

实施方案110.实施方案100-109中任一个的装置，还包括挤出孔。

实施方案111.实施方案100-110中任一个的装置，其中所述挤出孔具有约125微米的直径。

实施方案112.实施方案100-110中任一个的装置，其中所述挤出孔具有200至500微米的直径。

实施方案201.通过根据前述实施方案中任一个的方法制备的具有腔和非均匀结构的腔-微纤维。

实施方案202.具有腔和非均匀结构的腔-微纤维，其包括结和接合部分，其中所述结包括腔或气泡且所述接合部分包括腔或结之间的区域。

实施方案203.根据前述实施方案中任一个的腔-微纤维，其中所述气泡在尺寸上均匀，且气泡之间的距离是均匀的。

实施方案204.根据前述实施方案中任一个的腔-微纤维，其中将药物注入腔或气泡中。

实施例

本公开内容通过以下实施例与附图一起示出，它们仅仅是为了说明的目的，而不应被视为限制本公开内容的范围或其可以被实践的方式。在这些实施例中，包含3重量%的藻酸盐、5重量%的聚乙烯醇(pva)和5重量%的聚乙二醇(peg)的水溶液用作连续相流体，氮气用作分散相流体且氯化钙溶液用作固化流体。

图1是本发明的一个示例性实施方案，包括基于毛细管的微流体设备。图1的示例性实施方案通过同轴对准载玻片1、两个注射器针头2和两个圆柱形玻璃毛细管3(用ab胶(两部分环氧化物，或添加剂和基础胶)胶粘在一起)制造。在基于毛细管的微流体系统的输出通道的孔，可提供填充有固化流体的容器，以在挤出组合流体时将其固化。旋转收集辊也可以提供用于腔-微纤维收集和可定位在固化流体容器上或其附近(假设提供固化流体容器)。该系统可以通过调节连续相流体和分散相流体的流速和压力来调整。腔-微纤维可以具有均匀的结(其中腔或气泡所位于的腔-微纤维的区域)和均匀的接合部分(腔或结之间的区域)，或腔-微纤维可以在结构上非均匀。

图32是根据本发明的一个实施方案的装置的近视图。如在图32所示，提供第一管4，其包含流动的连续相流体，且提供第二管5，其包含流动的分散相流体。第二管5和第三管6(聚流管)位于第二管5内。因为第二管5和第三管6在第一管4内，因此第二管5和第三管6具有比第一管4的内径小的外径。第二管5可以是注射器或变尖的管状结构；然而，在其它实施方案中，第二管可具有均匀的外径和内径或其它形状。

在图32中，第二管5递送分散相流体且第一管4递送连续相流体。在第二管5的端部存在孔7，其是用于分散相流体的出口。当剪切力使分散相流体在连续相流体内分离时，可以看到形成气泡8。在图32的实施方案中，第二管5的孔7接近第三管6的入口孔或在与第三管6的入口孔相同的位置，但可供选择地，第二管5的孔7可以位于第三管6内或第三管6的孔的上游。第一管4、第二管5和第三管6可以由任何材料制成，包括但不限于玻璃、金属和塑料。此外，管不必是圆的，且可以是正方形或任何其它形状。

在另一个实施方案中(在图32中未示出)，第三管6不存在且该装置仅包括第一管4和第二管5。也就是说，第二管5在第一管4内递送分散相流体，第一管4提供连续相流体的流，且当分散相流体在第一管4的连续相流体的力下剪切时，气泡在第二管5的孔7处形成。在第二管5的孔7的下游，第一管4可以具有其中分散相流体气泡在连续相流体的流内流动以稳定的一段。然后，第一管可以以孔结束，在其中组合流体(包括分散相流体的气泡和连续相流体)被挤出以形成腔-微纤维。

图34是本发明的一个实施方案的示意图。在该实施方案中，第二内管包封在第一外管内且不存在聚流第三管。提供注射泵以控制流过所述第一外管的连续相流体的流，且提供气体压力控制器系统以控制分散流体的流(即，控制压力)。代替注射泵，可以提供另一种类型的泵以控制连续相流体的流。分散流体可以是气体或液体，且代替气体压力控制器，可提供注射泵或另一种类型的泵以控制分散相流体的流。在第二内管的端部存在孔，其中分散相流体被引入到第一外管内的连续相流体。当分散相流体进入连续相流体的流时，分散相流体被剪切以形成气泡，产生组合流体。在第一外管的端部存在挤出孔，通过该挤出孔，包括连续相流体和分散相流体的气泡的组合流体被挤出以纺织腔-微纤维。

图34还示出了使用具有固化流体的容器以在腔-微纤维被挤出后硬化它们。可替代地，腔-微纤维可以通过在空气中干燥固化，且在它们在固化流体中硬化后也可干燥。腔-微纤维然后可收集在辊上。图34示出具有计算机、照相机和显微镜的实验装置；然而，这些元件不直接影响腔-微纤维形成，而是可以用于更好地观察该过程并微调连续相和分散相流体压力和流速，以实现任何期望的腔-微纤维特征。

根据本发明的一个实施方案的用于形成腔-微纤维的方法可包括在连续相流体的流中引入分散相流体的流。分散相流体可被引入到通道内的连续相流体且被连续相流体剪切以形成气泡。然后可以将包括连续相流体和分散相流体的气泡的组合流体挤出通过孔并纺织成腔-微纤维。这样的一个实例可以在图32中看出，其中提供包含流动的连续相流体的第一管4且提供包含流动的分散相流体的第二管5。在一些实施方案中，可提供第三管6以集中组合流体的流。

图35提供根据本发明的一个实施方案的用于产生腔-微纤维的方法的流程图。根据图25，注射泵被提供为用于可凝固的连续相流体的驱动力且气体压力控制器被提供为用于分散相流体的驱动力。然后分散相流体的气泡被包裹在可凝固的连续相流体中，且然后将包括包裹在连续相流体中的分散相流体气泡的组合流体在通道中凝固或经由孔挤出并干燥以形成腔-微纤维。作为另一种选择，组合流体可以经由孔挤出，然后在固化流体的容器中凝固以形成腔-微纤维。

本申请的腔-微纤维技术可使用一系列挤出孔尺寸应用以制备不同尺寸的腔-微纤维。也就是说，根据本发明的一个实施方案(或根据本发明的方法)的装置可以具有例如大约下列任何值、至少下列任何值、不大于下列任何值、或具有下列任何值作为端点(在一个或两个端点的前面具有或不具有“约”)的任何范围内的直径(或如果不是圆形的，则为长轴)的挤出孔，尽管实施方案不限于此(所有数值以微米计)：1、5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、250、300、350、400、450、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800和2000。例如，本发明的挤出孔可具有约125微米，1至2000微米，200至500微米，或不超过500微米的直径。

在贯穿本申请讨论的实施方案的验证中，使用包括基于藻酸盐的连续相流体和分散相流体气体(空气或氮气)的组合流体。提供氯化钙溶液以凝固腔-微纤维。基于藻酸盐的组合流体经由纺织孔(即，挤出孔)连续挤出到氯化钙(cacl2)固化溶液中，其中它开始交联成凝胶化的腔-微纤维。新形成的腔-微纤维被允许在氯化钙溶液中浸泡几分钟。用于纺织腔-微纤维的孔的直径为125μm。在实验中使用的装置，在图1中所示，通过同轴对准载玻片、2个注射器针头和两个圆柱形玻璃毛细管(在正方形玻璃毛细管中，用ab胶胶粘在一起)制造。在基于毛细管的微流体系统的输出通道，提供含有氯化钙溶液的容器，如图2中所示。在收集后，将腔-微纤维在空气中干燥1小时或更久。

通过施加不同流速的连续相流体和调节分散相流体的压力，可以制造不同类型的具有不同特征的腔-微纤维，其适合于不同的应用。可以获得的不同类型的腔-微纤维的实例包括均匀腔-微纤维、微小腔-微纤维、混合气泡腔-微纤维和链式腔-微纤维。干燥时间也影响腔-微纤维的结构，包括接合部分的直径、结(或腔)的长轴和短轴以及结的体积。因此，腔-微纤维结和腔-微纤维的接合部分的尺寸可以通过改变干燥时间调节。

经由本发明的实施方案制造的新形成(水合)的微纤维的实例在图3a、3c、3e和3g中显示。具有纺锤腔-结结构的脱水微纤维通过在空气中干燥该水合腔-微纤维形成。根据本发明的实施方案形成的脱水腔-微纤维的实例可以在图3b、3d、3f、3h、3i、3j和3k中看到。根据本发明的实施方案形成且使用扫描电子显微术捕获的脱水腔-微纤维的另外的图像可以在图4中看到。

水合腔-微纤维的直径(y)高度取决于当微流体设备的挤出孔的直径保持恒定时组合流体的流速(x)。如图5中可见，当连续相流体的流速从0.4ml/h增加至1.6ml/h时，水合微纤维的直径从132.093μm几乎线性增加到155.768μm。

腔-微纤维的结构还受到分散相流体气体的压力影响。图6是说明不同类型的腔-微纤维如何作为cao(连续相的毛细管数)和pr(分散相气体的压力除以标准大气压)的函数形成的图。当气体压力在连续相流体的固定流速的情况下增加时，五个不同的相将出现在微流体设备的微通道中，如在图6和图7中可见。首先，因为分散相流体气体的压力比连续相流体压力小得多，不具有气泡的相出现在区域0中。然后，随着分散相流体气体的压力增加，达到临界值，且约10微米直径的微小气泡开始形成，如区域1可见。随着分散相流体气体的压力继续增加，系统达到其中在腔-微纤维中产生微小气泡和较大气泡的混合物的不稳定的过渡阶段。这种现象可以在图6的区域2中看出。如图6的区域3所示，随着分散相流体气体的压力继续增加，产生具有在尺寸上更大且均匀的气泡的腔-微纤维，气泡之间具有均匀的距离。随着气体压力进一步增加，气泡的直径继续增加且气泡之间的距离继续减小，直到它达到零，如在区域4可见。最后，当气体的压力达到某一点时，连续相流体不再剪切气体并出现气体射流，如在区域5中可见。特别重要的是区域3，其是用于可控地制造具有均匀尺寸的腔、腔之间的均匀距离和腔之间的均匀结(或接合点)的腔-微纤维的基础。图7显示在图6所示的压力下形成的不同类型的腔-微纤维的放大照片。

如在区域3中可见的腔-微纤维的结构上的分散相流体气体压力的影响被进一步研究。图8是显示在0.6ml/h的连续相流体流速下分散相流体气体压力对气体气泡、水合腔-微纤维的结(或腔)和脱水腔-微纤维的结的体积的影响的图。图9是显示在0.6ml/h的连续相流体流速下分散相流体压力对气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结之间的距离的影响的图。图10是显示在1ml/h的连续相流速下分散相流体压力对气体气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结的体积的影响的图。图11是显示在1ml/h的连续相流体流速下分散相流体压力对气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结之间的距离的影响的图。图12是显示在1.4ml/h的连续相流体流速下分散相气体压力对气体气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结的体积的影响的图。图13是显示在1.4ml/h的连续相流体流速下分散相流体气体压力对气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结之间的距离的影响的图。

图33包括说明气泡距离、水合结距离和脱水结距离的三个图像。气泡距离是在气泡仍然在微通道中时且在它们经由孔挤出(即，纺织成腔-微纤维)之前分散相气泡之间的距离。水合结距离是腔-微纤维被允许干燥之前结或气泡之间的距离。脱水结距离是腔-微纤维已有机会来固化或干燥后结或气泡之间的距离。

在分散相流体气体压力增加的情况下，气体气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结的体积以几乎线性方式增加。通常，水合腔-微纤维的结的体积比在组合流体被挤出之前通道中的气体气泡的体积更大。这是因为由于在微流体设备的微通道中发生粘合，气体气泡被在微流体设备的微通道中连续相流体的压力压缩。当携带分散相气体气泡的连续相流体的液体从孔挤出时，由于粘合不再存在且压力降低，液体射流和气体气泡的直径增加。另外，当分散相气体压力降低时，脱水腔-微纤维的结的体积大于气体气泡的体积，但小于水合腔-微纤维的结的体积。这因为在微流体微通道中的粘合不再存在后气体气泡的直径增加而发生。然后，当腔-微纤维干燥时，腔-微纤维的直径减小对气体气泡的体积几乎没有影响。在分散相流体气体压力增加的情况下，气体气泡的体积增加。因此，当微纤维的直径减小时，气体气泡被压缩且脱水腔-微纤维的结的体积小于气体气泡的体积。

分散相流体气体压力还对气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结之间的距离具有重要影响。在分散相气体压力增加的情况下，气泡、水合腔-微纤维的结和脱水腔-微纤维的结之间的距离逐渐减小。通常，气泡之间的距离小于水合腔-微纤维的结之间的距离。此外，水合腔-微纤维的结之间的距离通常小于脱水腔-微纤维的结之间的距离。这是因为当微纤维干燥时微纤维伸长，以使结之间的距离也变大。总之，分散相流体的气体压力对腔-微纤维的结构具有显著影响，所述结构包括腔-微纤维的结之间的距离和腔-微纤维的结体积。

腔-微纤维的干燥时间也在腔-微纤维的结构中具有重要作用。图14是显示干燥时间对腔-微纤维的接合部分的直径的影响的图。在干燥开始时，由于水分的迅速损失，水合腔-微纤维的接合部分的直径几乎线性地迅速减小。在腔-微纤维完全干燥后，腔-微纤维的接合部分的直径被固定。图15是显示干燥时间对腔-微纤维的结的长轴和短轴的影响的图。由于水分在腔-微纤维中的快速损失，腔-微纤维的结的长轴和短轴在干燥过程期间变化，如图15可见。

干燥过程可以使腔-微纤维纵向伸长，因此结的长轴连续变化直到干燥完成。然而，腔-微纤维的结的短轴(直径)在腔-微纤维干燥时一般不改变很多。图16是显示干燥时间对腔-微纤维的结的体积的影响的图。在干燥过程期间，腔-微纤维的结的体积也随腔-微纤维的结的长轴和短轴的变化而变化，如图16可见。首先，腔-微纤维的结的体积随干燥时间减少。在干燥开始时，在腔-微纤维中的水分丰富，且腔-微纤维中的直径变化大，和结中的气体被压缩。接下来，由于水分损失，腔-微纤维伸长(表示结的长轴增加)，但腔-微纤维的直径一般不改变很多(表示结的短轴变化不大)。因此，腔-微纤维的结的体积增加，直到腔-微纤维中的所有水分损失和腔-微纤维的结体积停止变化。

图17是显示脱水腔-微纤维的机械拉伸试验结果的图。在图17中显示的试验中使用的脱水腔-微纤维的等效直径为105.94μm且样品标距长度为24mm。截止屈服应力为3.709mpa，截止屈服应变为0.082mpa，且等效模量为0.582gpa。

如图18a至18c中可见，产生其它类型的腔-微纤维，包括具有微小气泡相、混合气泡相和相干气泡相的腔-微纤维。图18a是微小-腔-微纤维的图像，图18b是混合气泡腔-微纤维的图像，且图18c包括链式微纤维的图像。在图18a中，腔的尺寸是约10μm。类似地，在图18b中显示的混合气泡腔-微纤维和在图18c中显示的链式微纤维分别经由混合气泡相和相干气泡相产生。混合气泡腔-微纤维一般具有其中一个微小气泡跟随几个均匀尺寸的较大气泡的结构。因为相干气泡相中的气泡是大的，气泡不能封装到腔-微纤维中。也就是说，当将藻酸盐溶液挤出到cacl2溶液中时，气泡从微纤维爆裂且腔-微纤维的腔塌陷。在轻轻拉伸后，形成链式微纤维。

蜘蛛网具有收集水的优异能力。通过本发明的实施方案产生的腔-微纤维具有收集水的类似能力。为了研究腔-微纤维收集水的能力，单个脱水腔-微纤维和蜘蛛网状组装的腔-微纤维被放置在由超声增湿器产生的水雾中。该过程由ccd照相机记录，如图19和20中所示。

图19是在单个脱水腔-微纤维上水收集的图像。图20包括在腔-微纤维的单个纺锤结上的水收集作为收集时间的函数的图像。如在图19和20可见，单一脱水腔-微纤维从水雾吸收微小水滴，导致脱水腔-微纤维的少量膨胀和变形。水继续在腔-微纤维的纺锤状结部分和接合部分上冷凝，且水滴变得越来越大。由于腔-微纤维的各向异性表面性质，腔-微纤维的不同结具有不同的收集水的能力。如可在图20中可以看出，结之一似乎是水收集的震中。尽管结垂直定位，冷凝在结上的水可以克服重力且朝最有利于收集水的结移动。然后水滴可以聚结以形成较大的水滴。

为了评价脱水腔-微纤维的水收集能力，计算由域结收集的水滴的最大体积，其超过脱水腔-微纤维的域结的体积的400倍。结果显示脱水腔-微纤维对于水收集是优异的。还观察到腔-微纤维的腔(或结)之间的交叉点具有比结本身更大的收集水的能力。

还研究在单纺锤结上的水收集和收集时间之间的关系，如图20和图21可见。图21是显示在单纺锤结上的水收集体积作为收集时间的函数的图。实验显示脱水腔-微纤维的水收集是脱水腔-微纤维的结的约495倍。在图21中，水滴体积在90s-100s时间和150s-160s时间期间急剧增加，这是因为水滴随着时间推移而生长，然后相邻液滴快速聚结以形成较大液滴。

图22是显示腔-微纤维的交叉点具有比腔-微纤维结更大的水收集能力的图像。交叉结构增加整体复杂性，导致增加的laplace压力和机械强度，这允许在交叉点处更大的水收集。如还可见于图22中的，交叉腔-微纤维具有比平行腔-微纤维更大的水收集能力。

蜘蛛网状腔-微纤维结构用不同数量的束来制造。图23a是双束腔-微纤维网的图像。图23b是双束腔-微纤维网的水收集的图像。图23c是三束腔-微纤维网的图像。图23d是三束腔-微纤维网的水收集的图像。图23e是四束腔-微纤维网的图像。图23f是四束腔-微纤维网的水收集的图像。在图23a至23f中可见，在更多束的情况下，存在更多的交叉点和更大的水收集能力。结果证实生产具有多个交叉点的复杂结构的腔-微纤维用于水收集的潜力。

对于腔-微纤维的一种应用是药物递送，其中药物可以包含在腔中并通过腔释放。这种应用的一个实例是用药物浸渍的外科缝合线。该腔-微纤维也可以是可生物降解的，使得它不必被除去。腔-微纤维的另一个潜在应用是用于微培养和微反应器。在腔-微纤维的腔中，可以进行许多细胞培养或化学反应。另外，腔-微纤维可用于构建用于细胞培养和组织工程的2d和3d支架。

图24是使用腔-微纤维构造的可用于细胞培养和组织工程的2d支架的图像。图25是使用腔-微纤维构造的用于细胞培养和组织工程的3d支架的图像。图26是显示使用腔-微纤维构建的2d支架上骨组织形成的图像。图27是显示对于形成骨组织的茜素红染色试验的图像。结果表明腔-微纤维具有用于构建用于细胞培养和组织工程的2d和3d支架的所需特征。

图28是使用腔-微纤维的药物递送和药物释放的示意图。如图28中所示，药物可以作为分散相注入腔中，然后随着时间的推移缓慢释放。这样的腔-微纤维的应用可以包括外科缝合线，其可以是可生物降解的。这种外科缝合线可在伤口恢复中特别有用。

应当理解，本文所述的实施例和实施方案仅用于说明的目的，且根据其的各种修改或改变将被本领域的技术人员想到，和包括在本申请的精神和范围内以及在所附权利要求的范围内。此外，本文所公开的任何发明或其实施方案的任何要素或限制可以与本文所公开的任何和/或所有其它要素或限制(单独地或以任何组合)或任何其它发明或其实施方案组合，且所有这样的组合预期被本发明的范围所考虑，而不对其限制。

本文提及或引用的所有专利、专利申请、临时申请和出版物通过引用整体并入(包括所有图和表)，至它们不与本说明书的明确教导相矛盾的程度。

参考文献

[1]s.hirano.wet‐spinningandapplicationsoffunctionalfibersbasedonchitinandchitosan.macromolecularsymposia2001;168:21.

[2]k.d.nelson,a.romero,p.waggoner,b.crow,a.borneman,g.m.smith.techniquepaperforwet-spinningpoly(l-lacticacid)andpoly(dl-lactide-co-glycolide)monofilamentfibers.tissueengineering2003;9(6):1323-1330.

[3]w.g.qiu,w.b.teng,j.cappello,x.y.wu.wet-spinningofrecombinantsilk-elastin-likeproteinpolymerfiberswithhightensilestrengthandhighdeformability.biomacromolecules2009;10(3):602–608.

[4]s.j.zhang,k.k.k.koziol,i.a.kinloch,a.h.windle.macroscopicfibersofwell-alignedcarbonnanotubesbywetspinning.small2008;4(8):1217-1222.

[5]k.mezghani,j.e.spruiell.highspeedmeltspinningofpoly(l-lacticacid)filaments.journalofpolymersciencepartb:polymerphysics1998;36(6):1005–1012.

[6]l.fambri,a.pegoretti,r.fenner,s.d.incardona,c.migliaresi.biodegradablefibresofpoly(l-lacticacid)producedbymeltspinning.polymer1997;38(1):79-85.

[7]p.po¨tschke,h.bru¨nig,a.janke,d.fischer,d.jehnichen.orientationofmultiwalledcarbonnanotubesincompositeswithpolycarbonatebymeltspinning.polymer2005;46:10355–10363.

[8]a.greiner,j.h.wendorff.electrospinning:afascinatingmethodforthepreparationofultrathinfibers.angewandtechemie(internationaled.)2007;46(30):5670–5703.

[9]t.j.sill,h.a.vonrecum.electrospinning:applicationsindrugdeliveryandtissueengineering.biomaterials2008;29(13):1989–2006.

[10]s.m.berry,s.pabb,j.crest,s.d.cambron,g.h.mckinley,r.w.cohn,r.s.keynton.characterizationandmodelingofdirect-writefabricationofmicroscalepolymerfibers.polymer2011;52:1654-1661.

[11]j.lahann.recentprogressinnano‐biotechnology:compartmentalizedmicro‐andnanoparticlesviaelectrohydrodynamicco‐jetting.small2011;7(9):1149–1156.