基于动态界面挤出的可编码水凝胶微纤维制备装置及方法与流程

本发明涉及水凝胶微纤维领域，特别涉及一种基于动态界面挤出的可编码水凝胶微纤维制备装置及方法。

背景技术：

人造微纤维是指直径在微米尺度内的人工合成的一类纤维材料。凭借其内在的柔韧性和高比表面积等特性，人造微纤维在许多前沿领域具有巨大的应用潜力，如药物传输，柔性电子，组织工程等。水凝胶是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，在水中可以溶胀并保有大量的水，并且具有与人体组织相近的机械特性和高含水量。因此水凝胶材质的微纤维在医疗和生物领域具有重要意义。

水凝胶微纤维的结构是决定其性能的重要因素，比如，具有凹槽结构的水凝胶微纤维可以引导细胞的生长和排列，中空的水凝胶微纤维材料可以作为人造血管用于移植。然而，传统的纤维结构调控策略主要依靠定制的微流控芯片来实现，纤维生产成本较高，并且主要集中于对于径向结构(如壳核结构，三层结构等)及横截面形状(如平整形，沟槽形等)的操纵，针对水凝胶微纤维的轴向结构和形态的调控手段严重缺失，这极大的限制了水凝胶微纤维的结构复杂性，不利于水凝胶微纤维在生物医疗领域的进一步推广和应用。

为了拓展水凝胶微纤维轴向结构的复杂性和可控性，本发明提出了一种基于动态界面挤出的可编码水凝胶微纤维制备装置及方法，通过控制纤维挤出针头在气液界面的振动频率和振幅，制备了具有可编码结构的水凝胶微纤维，并且通过简化实验设备和实验步骤，降低了水凝胶微纤维的生产成本，适合进行工业化生产。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于动态界面挤出的可编码水凝胶微纤维制备装置及方法，以提高水凝胶微纤维轴向结构的复杂性和可控性。为了拓展水凝胶微纤维轴向结构的复杂性和可控性，本发明制备的一种可编码的水凝胶微纤维，包括外部的水凝胶纤维外壳和包裹在微纤维内部的纤维内液的液滴序列。所述的水凝胶外壳由水凝胶原液与交联液接触后交联固化而形成。所述液滴序列由纤维内液受剪切力作用破碎后形成。所述可编码水凝胶微纤维由纤维挤出针头产生，挤出到交联液中。微纤维挤出过程中，在所述纤维挤出针头上施加有可调节的振动。

本发明采用的技术方案为：基于动态界面挤出的可编码水凝胶微纤维制备装置，包括由任意波形信号发生器，功率放大器，电磁激振器，传动装置构成的振动发生部分，由第一挤出针头，第二挤出针头，第三挤出针头构成的纤维挤出部分，以及由交联液，交联液界面，交联液容器构成的纤维固化部分。所述装置可用于制备第一类可编码水凝胶微纤维，第二类可编码水凝胶微纤维和第三类可编码水凝胶微纤维。其中，任意波形信号发生器，功率放大器，和电磁激振器之间通过导线连接。传动装置固定在电磁激振器上，第一挤出针头，第二挤出针头，第三挤出针头固定在传动装置上。针头出口位于交联液中，交联液盛装于交联液容器中。

优选地，第一挤出针头包括一个外层针头和一个内层针头，内层针头同轴固定于外层针头内部。

优选地，第二挤出针头包括一个外层针头，一个中间针头，和一个内层针头，内层针头同轴固定于中间针头内部，中间针头同轴固定于外层针头内部。

优选地，第三挤出针头包括一个外层针头和两个内层针头，两个内层针头并排排列，外部套设外层针头。

优选地，传动装置上可固定多个挤出针头。

基于动态界面挤出的可编码水凝胶微纤维制备方法，包括以下步骤：

步骤1)、在纤维挤出针头的外通道和内通道中分别注入水凝胶原液和纤维内液，所述水凝胶原液和纤维内液通过所述纤维挤出针头的出口流入交联液中，使得所述水凝胶原液固化形成水凝胶纤维外壳；

步骤2)、在所述纤维挤出针头上施加振动，使纤维挤出针头的出口在交联液界面上下振动，对所述水凝胶纤维外壳和纤维内液产生剪切力作用；

步骤3)、在纤维挤出过程中，随时间变化调整所述纤维挤出针头上所施加的振动的振幅和频率，可使所述水凝胶外壳在纤维轴向上产生可控的形变，并使所述纤维内液破碎成体积可编码的轴向液滴序列。

优选地，步骤1)中的纤维挤出针头就数量而言可以为多个针头，就结构而言可为单轴针头，多层同轴针头以及多内通道复合针头。根据纤维挤出针头结构的不同，所述纤维内液的液滴序列的数量至少为一列，液滴结构分为单层和多层两类。

优选地，步骤2)中的振动信号可由任意波形信号发生器产生，经过功率放大器调制以后，输入电磁激振器中产生振动，所述振动通过传动装置传导至所述纤维挤出针头。

优选地，在步骤3)中，通过调整所述任意波形信号发生器产生的振动信号的波形，可以在水凝胶微纤维的挤出过程中，随时间变化调整施加在所述纤维挤出针头上的振动的振幅和频率。

优选地，在纤维挤出过程中，随时间变化调整施加在所述纤维挤出针头上的振动振幅，所述水凝胶外壳的轴向上会产生可控的形变，即所述水凝胶外壳轴向上任意区域的形变程度，由所述外壳区域形成时施加在所述纤维挤出针头上的振动振幅控制。由于水凝胶外壳特定区域的柔性随所述外壳区域的形变程度的增大而增大，因此能够实现对所述水凝胶外壳的柔性的精确调控。

优选地，在纤维挤出过程中，随时间变化调整施加在所述纤维挤出针头上的振动频率，可使水凝胶纤维内部形成体积可编码的轴向液滴序列，即所述液滴序列中任意位置的液滴体积，由所述液滴形成时施加在所述纤维挤出针头上的振动频率控制，不同体积的液滴作为编码单元按一定顺序排列形成体积可编码的轴向液滴序列。

本发明与现有技术相比的优点和积极效果为：

(1)本发明中制备的可编码水凝胶微纤维在轴向上具有可控的多层级结构。其外部水凝胶纤维外壳在轴向上具有可控的形变，内部为可编码的纤维内液的液滴序列。所述可编码水凝胶微纤维拓展了水凝胶微纤维轴向结构的复杂性和可控性，进而拓宽了水凝胶微纤维的应用范围。

(2)本发明提出的基于动态界面挤出的水凝胶微纤维制备方法步骤少，操作简单。并且所需装置成本低，所述纤维挤出针头易于集成化，因此适合工业化生产。

(3)本发明中可根据实际需求采用不同的水凝胶原液和纤维内液，制备的多组分的可编码水凝胶微纤维可用于信息加密，药物传输，组织工程和除湿集水等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明提供的第一类可编码水凝胶微纤维制备方法的整体流程示意图；

图2是本发明提供的多个纤维挤出针头同时制备可编码水凝胶微纤维的示意图；

图3是本发明提供的第二类可编码水凝胶微纤维的制备方法示意图；

图4是本发明提供的第三类可编码水凝胶微纤维的制备方法示意图。

附图标记如下：1为任意波形信号发生器，2为功率放大器，3为电磁激振器，4为传动装置，5为第一挤出针头，6为水凝胶原液入口，7为第一纤维内液入口，8为交联液，9为交联液界面，10为第一类可编码水凝胶微纤维，11-1为第一类水凝胶外壳，11-2为第二类水凝胶外壳，11-3为第三类水凝胶外壳，12为第一纤维内液液滴，13为交联液容器，14为第二挤出针头，15为第二纤维内液入口，16为第二类可编码水凝胶微纤维，17为第二纤维内液液滴，18为第三挤出针头，19为第三纤维内液入口，20为第三类可编码水凝胶微纤维，21为第三纤维内液液滴。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的核心是提供了一种基于动态界面挤出的可编码水凝胶微纤维制备装置，包括由任意波形信号发生器1，功率放大器2，电磁激振器3，传动装置4构成的振动发生部分，由第一挤出针头5，第二挤出针头14，第三挤出针头18构成的纤维挤出部分，以及由交联液8，交联液界面9，交联液容器13构成的纤维固化部分；所述装置可用于制备第一类可编码水凝胶微纤维10，第二类可编码水凝胶微纤维16和第三类可编码水凝胶微纤维20，其中，任意波形信号发生器1，功率放大器2，和电磁激振器3之间通过导线连接，传动装置4固定在电磁激振器3上，第一挤出针头5，第二挤出针头14，第三挤出针头18固定在传动装置4上，针头出口位于交联液8中，交联液8盛装于交联液容器13中。

优选地，第一挤出针头5包括一个外层针头和一个内层针头，内层针头同轴固定于外层针头内部。

优选地，第二挤出针头14包括一个外层针头，一个中间针头，和一个内层针头，内层针头同轴固定于中间针头内部，中间针头同轴固定于外层针头内部。

优选地，第三挤出针头18包括一个外层针头和两个内层针头，两个内层针头并排排列，外部套设外层针头。

优选地，传动装置4上可固定多个挤出针头。

所制备的可编码水凝胶微纤维包括外部的水凝胶纤维外壳和包裹在微纤维内部的纤维内液的液滴序列。其中，水凝胶外壳由水凝胶原液与交联液接触后交联固化而形成，液滴序列由纤维内液受剪切力作用破碎后形成。所述可编码水凝胶微纤维由纤维挤出针头产生，挤出到交联液中。微纤维挤出过程中，在所述纤维挤出针头上施加有可调节的振动作用。这些可编码水凝胶微纤维可应用于组织工程，药物传输，以及信息加密等领域。

本发明提出的基于动态界面挤出的可编码水凝胶微纤维制备方法，包括以下步骤：

1)在纤维挤出针头的外通道和内通道中分别注入水凝胶原液和纤维内液，所述水凝胶原液和纤维内液通过所述纤维挤出针头的出口流入交联液中，使得所述水凝胶原液固化形成水凝胶纤维外壳；

2)在所述纤维挤出针头上施加振动，使所述纤维挤出针头的出口在交联液界面上下振动，对所述水凝胶纤维外壳和纤维内液产生剪切力作用；

3)在纤维挤出过程中，随时间变化调整所述纤维挤出针头上所施加的振动的振幅和频率，可使所述水凝胶外壳在纤维轴向上产生可控的形变，并使所述纤维内液破碎成体积可编码的轴向液滴序列。

具体地，如图1所示，第一挤出针头5为同轴双层针头结构，水凝胶原液通过水凝胶原液入口6注入第一挤出针头5的外通道中，第一纤维内液通过第一纤维内液入口7注入第一挤出针头5的内通道中，在第一挤出针头5的出口处，水凝胶原液与交联液容器13中盛装的交联液8接触发生交联固化。同时，任意波形信号发生器1中产生振动信号，经过功率放大器2的调制后，输入电磁激振器3中产生振动作用。电磁激振器下连接着传动装置4，所述第一挤出针头5固定在传动装置4上。因此，电磁激振器3中产生的振动可通过传动装置4传导至第一挤出针头5，使第一挤出针头5的出口在交联液界面9上下振动。在第一挤出针头5的振动过程中，当针头出口上升脱离交联液界面9时，在第一挤出针头5的出口和交联液界面9之间会形成交联液液桥，交联液液桥的收缩和第一挤出针头的上升，会对交联液液桥中的半固化水凝胶外壳和第一纤维内液产生剪切力作用，使水凝胶外壳产生形变，并导致内部第一纤维内液破碎为第一纤维内液液滴12，第一纤维内液液滴12随着水凝胶微纤维的挤出在纤维轴向上排列，形成第一纤维内液的液滴序列。

通过调整任意波形信号发生器1产生的振动信号的波形，可以控制纤维挤出过程中任意时刻施加在第一挤出针头5上的振动的振幅和频率。随着振动振幅的增加，水凝胶外壳受到的剪切力相应增大，进而导致水凝胶外壳的形变程度增大。按照形变程度由小到大的顺序，水凝胶外壳依次呈现波动形，纺锤节点形，纺锤节点-连接线形三类几何形态，分别称为第一类水凝胶外壳11-1，第二类水凝胶外壳11-2和第三类水凝胶外壳11-3，上述三类水凝胶外壳的柔性依次增大。在水凝胶原液的流量保持不变的情况下，由于水凝胶纤维外壳在纤维轴向上的任意区域的形变程度，由该外壳区域挤出时施加在第一挤出针头5上的振动振幅决定，因此，在纤维挤出过程中，随时间变化调整施加在第一挤出针头5上的振动振幅，可以产生在纤维轴向上具有可控形变的水凝胶外壳。由于水凝胶外壳特定区域的柔性随所述外壳区域的形变程度的增大而增大，因此能够实现对水凝胶外壳的柔性的精确调控。同时，在第一纤维内液的流量保持不变的情况下，第一纤维内液液滴12的体积随施加在第一挤出针头5上的振动频率的增大而减小，因此，在纤维挤出过程中，随时间变化调整施加在第一挤出针头5上的振动频率，可以控制第一纤维内液的液滴序列中任意位置的液滴体积，不同体积的液滴作为编码单元按一定顺序排列，进而在水凝胶外壳内部产生一列体积可编码的轴向液滴序列。显而易见地，在纤维挤出过程中，随时间变化同时调整施加在第一挤出针头5上的振动的振幅和频率，则可以制备出第一类可编码水凝胶微纤维10。第一类可编码水凝胶微纤维10的外部为在纤维轴向上具有可控形变的水凝胶外壳，内部为一列体积可编码的轴向液滴序列。

如图2所示，传动装置4上可以固定多个第一挤出针头5，第一挤出针头5的出口处的高度保持一致。每个第一挤出针头5的外通道和内通道中分别注入水凝胶原液和第一纤维内液。通过集成多个纤维挤出针头，并且在纤维挤出过程中，随时间变化调整传动装置4上的振动的振幅和频率,可以同时产生多个第一类可编码水凝胶微纤维10，大大提高了可编码水凝胶微纤维的生产速度。

如图3所示，纤维挤出针头也可为三层同轴针头结构的第二挤出针头14。水凝胶原液，第一纤维内液，第二纤维内液分别通过水凝胶原液入口6，第一纤维内液入口7，第二纤维内液入口15流入第二挤出针头14的外通道，中间通道和内通道。在水凝胶微纤维的挤出过程中，水凝胶外壳内部会形成双层液滴17。双层液滴17的外层溶液为第一纤维内液，内层溶液为第二纤维内液。在纤维挤出过程中，随时间变化调整施加在第二挤出针头14上的振动的振幅和频率，可制备第二类可编码水凝胶微纤维16。第二类可编码水凝胶微纤维16的外部为在纤维轴向上具有可控形变的水凝胶外壳，内部为一列体积可编码的轴向双层液滴序列。显而易见地，纤维挤出针头可进一步拓展为含三个以上通道的多层同轴针头。

如图4所示，纤维挤出针头也可为含两个内通道的双内通道复合针头，称为第三挤出针头18。水凝胶原液通过水凝胶原液入口6注入第三挤出针头18的外通道，第一纤维内液，第三纤维内液分别通过第一纤维内液入口7，第二纤维内液入口19流入第三挤出针头18的两个内通道。在微纤维挤出过程中，第一纤维内液和第三纤维内液分别破碎为第一纤维内液液滴12和第三纤维内液液滴21，从而在水凝胶微纤维内部形成两列液滴序列。在纤维挤出过程中，随时间变化调整施加在第三挤出针头18上的振动的振幅和频率，可制备第三类可编码水凝胶微纤维20。第三类可编码水凝胶微纤维20的外部为在纤维轴向上具有可控形变的水凝胶外壳，内部为两列体积可编码的轴向液滴序列。显而易见地，纤维挤出针头可进一步拓展为含两个以上内通道的多内通道复合针头。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。