3D打印微流控通道快速可控制備核殼微纖維

馬文峻，陳卓，凌斯達，張經(jīng)緯，徐建鴻

（清華大學化學工程系，化學工程聯(lián)合國家重點實驗室，北京 100084）

引 言

微纖維具有比表面積大、力學性能可調(diào)、可負載功能性物質(zhì)以及可以折疊、編織或組裝成三維的更加復雜結(jié)構(gòu)的特點，有望應(yīng)用于組織工程、生物醫(yī)學、可穿戴電子設(shè)備、光學器件、環(huán)境監(jiān)測等眾多領(lǐng)域，近年來受到研究人員的廣泛關(guān)注[1-5]。微纖維的制備方法包括靜電紡絲、熔融紡絲、微流控紡絲、拉伸紡絲、溶液擠出紡絲等多種方法[5-13]。其中，微流控方法由于制備過程簡單，對多相流的調(diào)控更加精準，且通常不涉及條件較為劇烈的相變過程，在涉及生物活性物質(zhì)或需要精準調(diào)控纖維尺寸的方向更加適用[2,14]。使用微流控方法能制備各種截面形狀的微纖維，包括圓形、溝槽、扁平、中空、核殼、非均勻等[15-22]。

目前，微流控紡絲領(lǐng)域中大量的研究都是基于海藻酸鈣的圓形或核殼形截面的纖維。海藻酸鹽是從褐藻中提取的天然、無毒、生物相容性好的線型多糖，自然界含量豐富，可與鈣離子等陽離子交聯(lián)形成水凝膠，廣泛應(yīng)用于組織工程、傷口敷料等生物醫(yī)學領(lǐng)域[23-30]。例如Cai 等[31]通過微流控紡絲和離心處理制備得到高吸水率的海藻酸鈣纖維支架，負載銀納米顆粒后廣譜抗菌活性高，可用作慢性創(chuàng)口敷料；Tian 等[32]使用氣-水微流控技術(shù)精確制備氣泡腔室距離與大小可控的微纖維，這種帶有空腔的纖維體現(xiàn)出獨特的表面性能，具有良好的除濕能力，在水收集領(lǐng)域潛力巨大；Yu 等[33]使用同軸毛細管紡制得到銅/鋅-維生素MOF 為核，海藻酸鈣為殼的核殼型水凝膠微纖維，核內(nèi)的銅離子/鋅離子可起抗菌作用，這種微纖維形貌高度可控，且釋放性能可調(diào)，在生物醫(yī)學工程中有較為重要的應(yīng)用。

盡管使用微流控通道制備圓形或核殼型纖維已經(jīng)有了大量的研究，也被應(yīng)用于多個方向，但通道的制作難度一定程度上限制了這一方法的批量化生產(chǎn)[34]。PDMS通道均一性高，但光刻模板價格高昂；PMMA 通道價格較低，但通常加工精度較低，重復性差，同軸環(huán)管微通道的同軸性較難保證。而且PDMS 和PMMA 通道的制作周期長，在幾個小時到幾天之間。相比之下，3D 打印方法快捷易用，誤差小，批次重復性高，所以可用于微通道的制作中。綜上，本文采用3D打印方法結(jié)合嵌入毛細管來快速制作三相同軸環(huán)管微流控通道，微通道加工過程時間短，平均可在1 h 內(nèi)完成，且可一次制作多個通道。這種微通道加工簡單，結(jié)構(gòu)可調(diào)，可以低成本、快速地制備各種尺寸的核殼型海藻酸鈣微纖維。本文探究了流速、黏度等多種因素對纖維形貌結(jié)構(gòu)的影響，對于海藻酸鈣微纖維的可控大規(guī)模批量生產(chǎn)具有重要意義。同時，這種纖維的核殼結(jié)構(gòu)使其能夠負載功能性物質(zhì)，在藥物緩釋領(lǐng)域有較好的應(yīng)用潛力。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

海藻酸鈉為分析純，由阿拉丁試劑(上海)有限公司提供；氯化鈣純度為95%，由天津市永大化學試劑有限公司提供；聚乙烯醇PVA(9002-89-5)，由國藥集團化學試劑有限公司提供；PEG 20000 由西隴化工股份有限公司提供；甲基橙(M101231)分析純，由阿拉丁試劑(上海)有限公司提供。

1.2 溶液的配制

纖維的制備過程中，使用海藻酸鈉和聚乙烯醇(PVA)混合溶液作為內(nèi)相溶液，使用海藻酸鈉和聚乙二醇(PEG)20000 混合溶液作為中間相，使用氯化鈣和聚乙烯醇的混合溶液作外相。承接浴溶液是固定5%(質(zhì)量)的氯化鈣溶液。此外，在內(nèi)相中加入甲基橙便于觀察。

不同黏度的溶液組成如表1所示。

表1 不同黏度的內(nèi)相與中間相溶液組成Table 1 Internal and mesophase solutions of different viscosities

1.3 微纖維制備裝置

微纖維的制備裝置如圖1 所示，主要包括泵和通道兩部分。三臺泵均為中低壓泵，內(nèi)相通道最為狹窄，最容易堵塞，所以內(nèi)相溶液使用玻璃注射器，其余兩相溶液使用塑料注射器。微通道由鐵架臺夾持固定，通道距承接浴(裝有氯化鈣溶液的培養(yǎng)皿)的高度可調(diào)。微通道與泵上的注射器通過四氟管連接，溶液流入通道后被固化成核殼型海藻酸鈣纖維，垂入承接浴進一步固化。從針尖到微通道出口的距離為L，纖維在通道內(nèi)部分固化后接觸空氣；從針尖到承接浴的距離為H，H越大，纖維所受重力的牽引越強。

圖1 核殼型纖維的制備裝置L—承接管長度;H—通道高度Fig.1 Apparatus for preparing core-shell type fibers

微通道通過3D 打印方法結(jié)合插毛細管的方法制作。首先使用AutoCAD 軟件繪制工程文件，如圖2(a)所示，通道包含橫向的主通道和縱向的旁路通道，整體的長寬均為15 mm。主通道分三段，各長5 mm。第一段是直徑為0.33 mm 的圓柱形孔，可插入30 G 針頭(外徑0.31 mm，內(nèi)徑0.16 mm，北京奧勝火不銹鋼加工廠)；中間段為直徑1.02 mm的圓柱形孔，可插入外徑1.00 mm、內(nèi)徑0.70 mm 的毛細管(華西醫(yī)科大學儀器廠)；第三段為直徑1.62 mm 的圓柱形孔，可插入外徑1.60 mm、內(nèi)徑1.30 mm 的石英管(華西醫(yī)科大學儀器廠)。旁路通道有兩支，分別通入中間相和外相溶液，均為直徑0.92 mm 的圓柱形孔，可插入外徑0.90 mm、內(nèi)徑0.58 mm 的四氟管(威宇氟塑制品有限公司)。在中間段還刻有一小段深槽，用于后續(xù)來滴膠固定中間段毛細管。

圖2 微通道的制作及反應(yīng)機理Fig.2 Microfluidic chip’s fabrication and mechanism

繪制好工程文件后導出成stl 格式，由3D 打印機(先臨三維科技股份有限公司)成型。除去支撐材料后即可插入對應(yīng)的針頭、毛細管、石英管，使用AB膠進行固定。由于3D打印技術(shù)的誤差較小，所以針頭和毛細管可保證較好的同軸性，如圖2(b)所示[拍攝的是針頭與管均插入后，針頭針尖處的位置，也即圖2(a)中紅圈內(nèi)的位置]。

整個通道的制備過程便捷，加工時間僅為1 h。此外，同一文件打印出的不同批次和同一批次的不同通道重復性好，所以這種微通道制作方法在微纖維的大批量制備中具有較大的應(yīng)用潛力。

1.4 微纖維的制備機理

如圖2(c)所示，當三相溶液從同軸環(huán)管中流出時，由于彼此互溶，所以表面張力很小，易于形成層流。在穩(wěn)定的層流下，鈣離子從外相向內(nèi)擴散，使中間相和內(nèi)相的海藻酸鈉固化成海藻酸鈣，從而形成核殼型的纖維。內(nèi)相與外相的PVA和中間相的PEG 20000 用于調(diào)節(jié)溶液黏度，同時減緩溶液的混合，防止在形成穩(wěn)定的海藻酸鈣界面前內(nèi)相與中間相溶液已經(jīng)混合到一起導致界面不清晰。

1.5 微纖維的制備流程

首先通入去離子水沖洗通道30 min，除去通道內(nèi)可能殘存的支撐材料。然后開始通入反應(yīng)溶液。首先通內(nèi)相和中間相溶液，外相通水，Qin、Qmid、Qout分別為50、100、400 μl/min，待內(nèi)相的橙色穩(wěn)定出現(xiàn)10 min 后，將外相的水更換為氯化鈣和PVA 的混合溶液，內(nèi)相和中間相的海藻酸鈣被固化，得到核殼型纖維，收集在通道下方的培養(yǎng)皿內(nèi)。

收集到的纖維在光學顯微鏡(日本Olympus 公司)下觀察和測量。更改實驗條件，包括各相流速，溶液黏度，通道距承接浴的高度，觀察各項因素對纖維形貌的影響。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 核殼型微纖維的可控制備與表征

Qin、Qmid、Qout分別為50、100、400 μl/min，L為5 cm，H為15 cm 的條件下，制備得到的纖維如圖3(a)、(b)所示。纖維的核是由甲基橙染色后的海藻酸鈉溶液固化而成，所以呈現(xiàn)橙色，殼層無色透明。核與殼層的邊界清晰，說明鈣離子的擴散速度遠快于甲基橙的擴散速度，甲基橙的分子量為327，屬于小分子范疇，擴散速度的差異得益于內(nèi)相的PVA與中間相PEG 20000同時起到了穩(wěn)定界面的作用。由圖3(a)也能看到纖維的制備過程連續(xù)可控，可以在短時間內(nèi)收集到大量均勻的纖維，進一步驗證了這種微通道應(yīng)用于功能性纖維批量制備的可行性。

圖3 海藻酸鈣核殼纖維的光學照片F(xiàn)ig.3 Optical image of calcium alginate core-shell fibers

2.2 L對纖維尺寸的影響

在流速、H不變的條件下，減小L為2 cm，所得纖維如圖4(b)所示。相較于L為5 cm 的核殼纖維[圖4(a)]，短管的纖維明顯存在粗細不均勻的問題。觀察可以發(fā)現(xiàn)不固化的外相溶液會在通道出口處匯聚形成液滴，如圖4(c)所示，當液滴足夠大時便會沿著纖維脫落，流入承接浴中，液滴脫落的過程中纖維會被拉動產(chǎn)生明顯的波動。當L足夠長時，纖維在接觸空氣前已經(jīng)得到了較為充分的固化，即使有拉力的波動也不會使纖維尺寸產(chǎn)生劇烈變化；而L不夠長時，纖維在流出通道時的固化不夠完全，在瞬時拉力的作用下局部變細，就體現(xiàn)為圖4(b)中的有粗有細的形貌。實驗中發(fā)現(xiàn)，當L在3～4 cm 時，液滴墜落的拉力變化可以忽略不計。

圖4 L對纖維形貌的影響Fig.4 Influence of length of receiving tube on fiber morphology

2.3 H對纖維尺寸的影響

固定L為5cm，Qin、Qmid、Qout分別為50、100、400 μl/min，改變H。 當H分別為10、15 和20 cm 時，拍攝得到的纖維圖片如圖5(a)～(c)所示，Dshell從380 下降到227 μm[圖5(d)]。纖維的制備過程中，拉力主要來自纖維自身的重力，H越大，懸空的纖維越多，針頭、毛細管出口處受到的拉力就越大，所以纖維整體就會變得更細。更細的纖維具有更大的比表面積，但相應(yīng)的機械強度也會更低，所以在之后的實驗中取適中的H(15 cm)來進行制備。

圖5 H對纖維形貌的影響Fig.5 Influence of the microfluidic device’s height on fiber morphology

2.4 流速對纖維尺寸的影響

固定L為5 cm，H為15 cm，改變Qin、Qmid、Qout。取Qt=600 μl/min，每相的流量從60 變化到480 μl/min，觀察Dcore、Dshell變化，結(jié)果如圖6 所示。由圖6(a)可以看出，Dcore主要受Qin和Qmid的影響。隨著Qin的增大，Dcore增大；而隨著Qmid的增大，Dcore減小，是因為內(nèi)相層流時所受剪切力更大，使得內(nèi)相尺寸收縮變細。Dshell受流量的影響如圖6(b)所示，主要受Qout的影響。Qout越高，Dshell越小。

圖6 流速對纖維形貌的影響(Qt=600 μl/min)Fig.6 Effect of flow rate on fiber morphology

通過流量的調(diào)節(jié)，Dcore可以在115～510 μm 可控，Dshell可從310～1 mm 可控變化，這也體現(xiàn)了微流控技術(shù)對纖維尺寸結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控能力。

2.5 溶液黏度對纖維形貌的影響

為了驗證溶液黏度對纖維形貌的影響，改變內(nèi)相與中間相溶液中海藻酸鈉的含量，具體組成如表1 所示。當內(nèi)相黏度等級為低，中間相黏度中等時，得到的典型纖維形貌如圖7(a)所示，內(nèi)相不含海藻酸鈉，所以并不會固化，纖維的核為液體，甲基橙略有團聚，核層與殼層之間有非常清晰的邊界。當內(nèi)相黏度等級為高，中間相黏度中等時，得到的典型纖維形貌如圖7(b)所示，與圖3(b)無明顯區(qū)別。當內(nèi)相的黏度中等，改變中間相的黏度等級為高時，得到的纖維形貌如圖7(c)所示，同樣無明顯變化。且這三種濃度搭配下，均能在不同流速下實現(xiàn)核殼纖維的穩(wěn)定制備。

圖7 改變內(nèi)相中間相溶液組成對纖維形貌的影響Fig.7 Effect of internal and mesophase solutions on fiber morphology

3 結(jié) 論

本文使用3D 打印技術(shù)快速加工出用于可控制備核殼結(jié)構(gòu)微纖維的微流控通道，相比于PDMS方法和PMMA 方法，3D 打印技術(shù)既加快了微流控通道的加工過程，也實現(xiàn)了微通道的均勻可重復性制備，在核殼微纖維的批量生產(chǎn)上具有較大應(yīng)用潛力。使用這種微通道，成功制備得到了形貌結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)的核殼微纖維。研究發(fā)現(xiàn)，通道離承接浴的高度越高，纖維整體尺寸越細；承接管長度不能過短，否則纖維會不均勻；核殼纖維核層尺寸主要受內(nèi)相和中間相流速影響，殼層尺寸主要受外相流速影響；溶液黏度對纖維的形貌基本沒有影響。

本工作實現(xiàn)了核殼結(jié)構(gòu)微纖維的批量穩(wěn)定制備，但在應(yīng)用方向上需要進一步探索，如利用核殼微纖維進行藥物負載、制備可穿戴織物等，下一步工作將在應(yīng)用方面進一步研究，探索合適的應(yīng)用場景。

符 號 說 明

Dcore——核殼纖維核的直徑，μm

Dshell——核殼纖維總的外徑，μm

Qin——內(nèi)相溶液的流量，μl/min

Qmid——中間相溶液的流量，μl/min

Qout——外相溶液的流量，μl/min

Qt——總流量，μl/min