[发明专利]电纺纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电纺(electrospin)具有由外壳包围的内芯的纤维的方法。本发明还涉及一种用电喷射(electrospray)来产生填充有固体或流体的囊泡的方法。特别是，本发明涉及控制纤维和囊泡的纹理和结构的方法。

背景技术

电喷射是一种分散液体以产生气溶胶的技术。在该技术中，液体通过毛细管供给并且对该毛细管的尖端施加高电压。还提供一个偏置有低电压(如接地)的板，其沿与毛细管正交的方向与毛细管隔开放置。尖端处的较高电位引起泰勒锥体的形成。通过该锥体的顶端喷射出液体射流。如图1所示，由于射流中存在库伦排斥，该射流迅速形成液滴。

图2显示的是电纺的相关技术。与电喷射类似，在毛细管1的尖端与收集器板2之间连接有恒压源。同样，由于存在库伦排斥力和表面张力，形成了泰勒锥体。如果液体是粘度足够高(由于具有高分子量)的聚合物或其他液体，则从泰勒锥体发射出的液体射流不会散开。该射流因聚合物或液体中的静电排斥而进一步拉长，直至产生细纤维。纤维最终沉积在收集器2上。液体射流的不稳定性和溶剂的蒸发会导致纤维不直并可能卷曲。通过结合足够高的电场仔细选择聚合物和溶剂系统，可以形成具有纳米级直径的纤维。

对于制造微米级纤维和纳米纤维而言，电纺工艺是特别通用的工艺。已直接制造或通过纺后工序制造了诸如聚合物、复合材料、陶瓷和金属纳米纤维等材料。已实现了3nm～1000nm的直径。所制造的纤维可用于从临床用支架到亚微米颗粒过滤用纳米纤维垫的多种领域。已尝试制造更复杂的纤维，例如外壳材料与芯材料不同的纤维，以及将药物混入外壳或者将细菌和病毒混入内芯的纤维材料。该工艺被称为共轴电纺或共电纺。

在现有技术的共电纺技术中，例如如图3所示，用于形成芯的溶液10和用于形成壳的溶液20通过喷嘴40中的同心开口来递送。通过电压电源30对该喷嘴施加电场以将壳溶液拉至泰勒锥体50中，在该处壳溶液表面内的静电力克服了表面张力并从锥体发出射流60。芯溶液和壳溶液的相对粘度也将影响共轴射流的形成。摩擦力(例如芯溶液与壳溶液之间的粘性拖动)将导致芯溶液与壳溶液一起被拉至泰勒锥体和射流中。类似于单组分电纺，射流中的弯曲不稳定性将导致射流形成螺旋70。随着射流被拉向接收器80，壳液的外表面中的静电力将使射流变长变细。芯溶液和壳溶液中的溶剂会蒸发，因此，随着射流变细，射流将开始固化为芯-壳纤维。在连续操作下，可以快速地制造克级量的纤维。

现有技术已经提出，芯-壳纤维的结构受到电纺环境的湿度的影响。但是，期望的是提供一种可靠地电纺带纳米纹理的芯-壳纤维并控制所电纺的芯-壳纤维的纹理的方法。

发明内容

本发明提供电纺和电喷射芯-壳纤维和囊泡的方法，其中可混溶或半可混溶的溶液形成多孔的壳，不可混溶的溶液形成非多孔的壳。壳的孔隙率通过结合粘度和电导率调整芯液和壳液的可混溶性来控制。本发明还提供电纺和电喷射核-壳纤维和囊泡的方法，在所述核-壳纤维和囊泡中，芯溶液具有高电导率。

本发明提供一种制造纤维的方法，所述方法包括：对分别作为芯和壳的第一液体和第二液体进行共电纺，在从泰勒锥体发出的射流中，所述第二液体包围所述第一液体，其中，所述第一液体和第二液体彼此可混溶或半可混溶，从而推动孔在纤维的壳中的生成。

第一液体的电导率可以比第二液体的高，以使得电导率更高的第一液体推动孔在纤维的壳中的生成。

第一液体和第二液体各自可以是熔融材料或“熔体”，或者是由溶解在溶剂中的溶质构成的溶液。因此，本发明还提供一种制造纤维的方法，所述方法包括：对分别作为芯和壳的第一溶液和第二溶液进行共电纺，在从泰勒锥体发出的射流中，所述第二溶液包围所述第一溶液，其中，所述第一溶液的电导率高于所述第二溶液，并且所述第一溶液和第二溶液彼此可混溶或半可混溶，以使得芯的第一溶液的更高的电导率推动孔在纤维的壳中的生成。在这些溶液中产生了径向电场。芯的更高电导率的第一溶液推动溶液在径向电场中的混合，随之推动孔在纤维的壳中的生成。

共电纺或共轴电纺是这样一种工艺：通过该工艺，至少两种流体被用在芯-壳或芯-鞘构造中，其中壳或鞘形成包围圆形芯截面的圆环。电导率是指电解电导率，即液体(溶液或熔体)导电的能力。半可混溶是指可部分地相混但不完全溶解于彼此的液体。孔隙率涉及纤维的壳中的空隙空间，并且可以指总体积中由空隙形成的部分的比例。在本发明中，孔是具有以下尺寸的空隙：当形成芯-壳纤维时，其直径为约0.1～0.05μm至低至约0.01μm。壳的空隙部分的体积比例为至少5%。