一種集成微流體紡絲芯片及其制備再生絲素蛋白纖維的方法

專利名稱：一種集成微流體紡絲芯片及其制備再生絲素蛋白纖維的方法
技術領域：
本發明屬于仿生學、微流體紡絲領域，涉及一種集成微流體紡絲芯片及其制備再生絲素蛋白纖維的方法；特別是涉及一種在同一芯片中實現對紡絲液的剪切拉伸、組分調節、濃縮和紡絲等多種功能集成的微流體干法紡制再生絲素蛋白纖維方法。
背景技術：
蜘蛛或家蠶等生物體能夠在常溫常壓下以水為溶劑，制得力學性能優異的蛋白纖·維，整個過程耗能低，并且沒有有機溶劑的使用，對環境友好。所以仿生紡絲研究對工業纖維生產意義重大。雖然蜘蛛牽引絲的綜合力學性能最好，但由于蜘蛛及其產生的絲種類繁多、難以大量獲得，給蜘蛛絲的仿生研究帶來很大的限制。相比于蜘蛛絲的難以獲得，蠶絲在幾千年前就被人們所使用，并且其力學性能和氨基酸序列與蜘蛛牽引絲相近；而邵正中等的研究表明，優化蠶絲的紡絲工藝可以明顯改善其力學性能，所以，人們轉而對家蠶進行仿生研究。研究表明，生物體在紡絲過程中，紡絲液的金屬離子含量發生變化、pH降低、濃度逐漸增加；紡絲液在流經生物紡絲器的某些特殊區域時受到的拉伸剪切作用，使動物絲蛋白的構象由無規線團和/或α-螺旋構象向不溶于水的β-折疊轉變。所以，生物體的紡絲過程是一個集成了組分調節、拉伸剪切、PH降低及蛋白濃縮等多種功能的統一協調過程。而目前以蠶絲蛋白為原料的人工紡絲研究較多的是濕紡、干紡和靜電紡。這些紡絲方法雖然工藝成熟，但由于裝置簡單，仿生程度較低，制備出的蛋白纖維力學性能較天然絲差。微流體技術由于其特殊的性質，如溶液在通道中呈現層流特性、靈活可控的通道設計等，而引起人們的廣泛關注。將微流體技術應用在紡絲領域，可以實現傳統紡絲工藝難以達到的條件。例如，專利W02007/141131(A1)和US2010029553 (Al)利用層流擴散原理，設計了一種微流體芯片，實現了對再生絲素蛋白溶液的PH和金屬離子濃度的調節。專利申請號為201019063008.1和201010581835. 2的專利，將微流體芯片與靜電紡工藝結合，制備了再生絲素蛋白納米纖維。申請號為201110007230. 7的專利，將微流體芯片與濕紡、干紡和靜電紡相結合的紡絲方法，進一步應用在再生絲素蛋白溶液體系，制備出性能優異的再生動物絲。專利號為ZL201110007232. 6的專利，設計了具有剪切拉伸功能的微流體芯片，與干紡結合，應用在再生絲素蛋白溶液體系，實現了對紡絲液的剪切拉伸，但是與生物紡絲過程的多種作用相比，功能單一、仿生程度低。雖然，目前微流體技術在仿生紡絲領域已有一定的發展，但與生物紡絲過程相比，微流體紡絲芯片仍然過于簡單、功能單一，尚未在同一芯片中實現對紡絲液的剪切拉伸、組分調節、濃縮和紡絲等多種功能，與真正仿生紡絲還有很大的差距
發明內容
本發明以蜘蛛或家蠶的生物紡絲過程為出發點，設計了復雜的微流體通道，模擬生物體內紡絲液的復雜流場，并采用多層微流體技術和干法紡絲工藝，實現了芯片的多功能集成，仿生程度大大提高；室溫下以5 50%的再生絲素蛋白水溶液為紡絲原液，經過微流體芯片的離子調控、剪切拉伸和蛋白濃縮，得到性能優異的再生動物絲蛋白纖維。本發明的目的在于提供一種模擬生物紡絲過程的微流體紡絲芯片及其用于再生絲素蛋白溶液的紡絲方法。本發明的一種集成微流體紡絲芯片，所述的集成微流體紡絲芯片是一種三層結構，包含上、下兩層聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜片和介于上、下兩層PDMS膜片之間的透析膜；所述的上、下兩層PDMS膜片上有對應的凹槽，上層PDMS膜片的凹槽與所述透析膜的一個面貼合形成上層微流體通道，下層PDMS膜片的凹槽與所述透析膜的另一個面貼合形成下層微流體通道；上層PDMS膜片的凹槽開口和下層PDMS膜片的凹槽開口相對。所述的上層微流體通道，根據功能依次分為調節段、拉伸段和剪切段；所述的上層微流體通道的寬度從入口到出口變化，其中，調節段和剪切段的寬度不變，拉伸段的寬度逐漸變小；所述的下層微流體通道的調節段、拉伸段和剪切段的水平剖面形狀與上層微流體通道的水平剖面形狀呈鏡像關系；所述上下兩層微流體通道全程的深度相等；紡絲時溶液均是從通道的調節段流進，剪切段流出。作為優選的技術方案如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的微流體通道在PDMS膜片上呈縱向或橫向蛇形排布；所述的縱向蛇形排布是指通道的縱向豎直排列部分平行于PDMS膜片的短邊；所述的橫向蛇形排布是指通道的水平排列部分平行于PDMS膜片的長邊；如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的縱向蛇形排布的通道，其調節段和剪切段共有4 6個彎折，每個蛇形通道的豎直部分長為7 14_，每個豎直通道間通過半圓弧連接，半圓的直徑為3 10mm，剪切段的出口位于PDMS膜片短邊的中心位置；所述的微流體通道的拉伸段，其通道的對稱線與PDMS膜片的長邊夾角為20 60°，所述的拉伸段的長度為15 30_ ;所述的拉伸段通道的兩側面與水平面相交的跡線為指數函數、雙曲線函數或直線中的一種。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的橫向蛇形排布的通道，其調節段和剪切段共有I 3個彎折，每個蛇形通道的水平部分長為50 80mm，每個水平通道間通過半圓弧連接，半圓的直徑為4 12mm，剪切段的出口位置偏離PDMS膜片短邊的中心位置5 8mm ;所述的微流體通道的拉伸段，位于通道的水平部分，與PDMS膜片的長邊平行；所述的拉伸段的長度為15 30_ ;所述的拉伸段通道的兩側面與水平面相交的跡線為指數函數、雙曲線函數或直線中的一種。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的調節段是寬度最寬的一段通道，寬度為I 2. 5mm，長度為60 IOOmm ;所述的剪切段是寬度最窄的一段通道，寬度為100 500 u m,長度為 20 150mm。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的凹槽的橫截面形狀為矩形；所述的調節段、拉伸段和剪切段之間通過圓弧或直接連接。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的透析膜是截留分子量為5000 30000道爾頓的再生纖維素透析膜；所述的集成微流體紡絲芯片的上、下兩層PDMS膜片和介于上、下兩層PDMS膜片之間的透析膜通過粘合劑封裝貼合而成；所述的粘合劑是硅膠、環氧樹脂粘合劑或雙面膠中的一種或組合。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片制備再生絲素蛋白纖維的方法，以質量百分數為5% 50%的再生絲素蛋白水溶液為紡絲液，室溫下，上層微流體通道注入紡絲液，下層微流體通道注入吸水樹脂和離子調節液的混合液；紡絲液經過寬度逐漸變小的通道的拉伸剪切和下層通道溶液的濃縮和離子調節作用，經出口擠出后在空氣中固化成絲并卷繞上輥，制得再生絲素蛋白纖維，所制得的再生絲素蛋白纖維的斷裂強度為20 lOOMPa，斷裂伸長率為I 10% ;同時在出口對下層通道的溶液進行收集。如上所述的一種方法，所述的離子調節液是CaCl2A溶液；所述的吸水樹脂為分子量為10000 40000道爾頓的聚乙二醇，其中混合液中Ca2+的濃度為80 120g/L，聚乙二醇濃度為70 600g/L。如上所述的一種方法，所述的微流體芯片上層微流體通道的出口到卷輥的空氣間隙為5 30cm,卷繞速度為2 10cm/s。如上所述的一種方法，所述的紡絲液、離子調節液及吸水樹脂均由微量注射泵注入。如上所述的一種方法，所述的再生絲素蛋白纖維的直徑為7 30 y m ;所述的再生絲素蛋白纖維為長絲或短纖維。上述方法的操作步驟如下(I)本發明提出的微流體芯片的制備方法，以載玻片(75X25mm)為基片，將SU-8光刻膠涂層在印有微通道圖案的掩模下進行紫外曝光。顯影后就可得到有微通道圖案的陽模，然后在此模具上澆鑄PDMS預聚物及其固化劑，固化后就可得到印有微通道圖案的PDMS膜片。最后，將上下兩層的PDMS膜片與透析膜經等離子體處理后用粘合劑封裝貼合。(2)將蠶繭用0. 5% (質量體積比)Na2CO3脫膠后，溶解于9. OmoI/L BrLi溶液中，然后離心透析，并進行初步的濃縮后，得到最終紡絲液；(3)將聚乙二醇和CaCl2 2H20按所需的比例溶解在一定量的去離子水中，得到特定濃度的濃縮液和離子調節液的混合液；(4)以低濃度再生絲素蛋白水溶液為紡絲液，在室溫下內將紡絲液注入微流體芯片的上層通道中，下層通道則注入吸水樹脂和離子調節液的混合液，紡絲液流過上芯片的通道后經出口擠出，在空氣中固化成絲并卷繞上輥。有益效果(I)所制備的微流體芯片，根據蜘蛛或蠶腺體的形狀特性，模擬了生物體內紡絲液的復雜流場，實現了對紡絲液的組分調節、剪切拉伸和濃縮，實現了多功能集成，是一種三維多功能集成微流體芯片；(2)可以直接以低濃度再生絲素蛋白水溶液為紡絲原液，不需要前期的進一步濃縮、PH和金屬離子的調整等處理，而且避免了有機溶劑的使用，有效地簡化了操作步驟，降低了生產成本；(3)將微流體技術與干法紡絲工藝相結合，改善紡絲工藝，提高紡絲效果，進一步提高了仿生紡絲程度。


圖1是微流體芯片紡絲工藝2是微流體芯片橫截面不意3是橫向蛇形排布的上層微流體芯片通道結構示意4是橫向蛇形排布的下層微流體芯片通道結構示意5是縱向蛇形排布的上層微流體芯片通道結構示意6是縱向蛇形排布的下層微流體芯片通道結構示意圖1.通道的調節段2.通道的拉伸段3.通道的剪切段4.上層PDMS膜片5.透析膜6.下層PDMS膜片7. PEG水溶液及離子調節液的混合溶液8.再生絲素蛋白溶液9.微量注射泵10.卷輥11.溶液收集裝置12.上層微流體通道13.下層微流體通道
具體實施例方式下面結合具體實施方式
，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。本發明的一種集成微流體紡絲芯片，所述的集成微流體紡絲芯片是一種三層結構，包含上、下兩層PDMS膜片4、6和介于上、下兩層PDMS膜片4、6之間的透析膜5 ;所述的上、下兩層PDMS膜片上有對應的凹槽；上層PDMS膜片4的凹槽與所述透析膜5貼合形成上層微流體通道12，下層PDMS膜片6的凹槽與所述透析膜5貼合形成下層微流體通道13 ;上層PDMS膜片4的凹槽開口和下層PDMS膜片6的凹槽開口相對。所述的上層微流體通道12，根據功能依次分為調節段1、拉伸段2和剪切段3。所述的上層微流體通道12的寬度從入口到出口變化，其中，調節段I和剪切段3的寬度不變，拉伸段2的寬度逐漸變小；所述的下層微流體通道13的調節段1、拉伸段2和剪切段3的水平剖面形狀與上層微流體通道12的水平剖面形狀呈鏡像關系；所述上下兩層微流體通道12、13全程的深度相等；紡絲時溶液7、8均是由微量注射泵9從通道的調節段I流進，剪切段3流出。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的微流體通道在PDMS膜片上呈縱向或橫向蛇形排布；圖3、圖4所述的橫向蛇形排布是指通道的水平排列部分平行于PDMS膜片的長邊；圖5、圖6所述的縱向蛇形排布是指通道的縱向豎直排列部分平行于PDMS膜片的短邊。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，圖3、圖4所述的橫向蛇形排布的通道，其調節段I和剪切段3共有I 3個彎折，每個蛇形通道的水平部分長為50 80mm，每個水平通道間通過半圓弧連接，半圓的直徑為4 12_，剪切段3的出口位置偏離PDMS膜片短邊的中心位置5 8_ ;所述的微流體通道的拉伸段2，位于通道的水平部分，與PDMS膜片的長邊平行；所述的拉伸段2的長度為15 30_ ;所述的拉伸段2通道的兩側面與水平面相交的跡線為指數函數、雙曲線函數或直線中的一種。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，圖5、圖6所述的縱向蛇形排布的通道，其調節段I和剪切段3共有4 6個彎折，每個蛇形通道的豎直部分長為7 14mm，每個豎直通道間通過半圓弧連接，半圓的直徑為3 10_，剪切段3的出口位于PDMS膜片短邊的中心位置；所述的微流體通道的拉伸段2，其通道的對稱線與PDMS膜片的長邊夾角為20 60°，所述的拉伸段2的長度為15 30_ ;所述的拉伸段2通道的兩側面與水平面相交的跡線為指數函數、雙曲線函數或直線中的一種。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的調節段I是寬度最寬的一段通道，寬度為I 2. 5mm,長度為60 100mm。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的剪切段3是寬度最窄的一段通道，寬度為100 500 u m,長度為20 150mm。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的上層PDMS膜片4和下層PDMS膜片6的凹槽的橫截面形狀為矩形；所述的調節段1、拉伸段2和剪切段3之間是通過圓弧或直接連接。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的透析膜5是截留分子量為5000 30000道爾頓的再生纖維素透析膜。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片，所述的集成微流體紡絲芯片的上層PDMS膜片4、下層PDMS膜片6和介于上、下兩層PDMS膜片4、6之間的透析膜5通過粘合劑封裝貼合而成；所述的粘合劑是硅膠、環氧樹脂粘合劑或雙面膠中的一種或組合。如上所述的一種集成微流體紡絲芯片制備再生絲素蛋白纖維的方法，以質量百分數為5% 50%的再生絲素蛋白水溶液為紡絲液8，室溫下，上層微流體通道12注入紡絲液8，下層微流體通道13注入吸水樹脂水溶液和離子調節液的混合液7 ;紡絲液經過寬度逐漸變小的拉伸段2的拉伸剪切和下層通道溶液7的濃縮和離子調節作用，經出口擠出后在空氣中固化成絲并卷繞上輥11，制得再生絲素蛋白纖維，所制得的再生絲素蛋白纖維的斷裂強度為20 lOOMPa，斷裂伸長率為I 10%;同時在出口用收集裝置11對下層通道13流出的溶液7進行收集。如上所述的一種方法，所述下層通道13的離子調節液和吸水樹脂混合水溶液7的離子調節液是CaCl2,吸水樹脂是分子量為10000 40000道爾頓的聚乙二醇，其中混合液中Ca2+的濃度為80 120g/L，聚乙二醇濃度為70 600g/L。如上所述的一種方法，所述的微流體芯片上層微流體通道12的出口到卷輥10的空氣間隙為5 30cm，卷輥10卷繞速度為2 10cm/s。如上所述的一種方法，所述的紡絲液8、離子調節液和吸水樹脂的混合液7均由微量注射泵9注入。如上所述的一種方法，所述的再生絲素蛋白纖維的直徑為7 30 y m ;所述的再生絲素蛋白纖維為長絲或短纖維。實施例1本發明的微流體芯片是一種三層結構，包括上下層的PDMS膜片和中間的透析膜層，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面與透析膜貼合形成上下兩個微流體通道；通道的全程深度相等為50 ym。下層微流體通道的水平剖面形狀與上層通道的水平剖面形狀呈鏡像關系。通道在膜片上呈縱向蛇形排布調節段蛇形通道有3個彎折，寬度為2mm，其通道的豎直部分長7mm，彎曲部分的半圓的直徑為4mm ;剪切段有3個彎折，寬度為150 u m,蛇行通道的豎直部分長14_，彎曲部分的半圓的直徑為3_。微流體通道的拉伸段長度為15mm，與芯片的PDMS膜片的長邊夾角為20°，其兩側面與水平面相交的跡線為一階指數函數曲線，指數函數公式為R(X)=ea*lnW。連接各段通道的圓弧弧度為6。下層通道的出口位置偏離PDMS膜片短邊的中點8mm。芯片的上、下兩層PDMS膜片和介于上、下兩層PDMS膜片之間的透析膜通過環氧樹脂和硅膠粘合劑封裝貼合而成。本發明的一種再生絲素蛋白纖維的制備方法，在室溫下，以5%的再生絲素蛋白水溶液為紡絲液，離子調節液和吸水樹脂混合液中Ca2+濃度為80g/L，吸水樹脂濃度為600g/L，分子量為10000的聚乙二醇(PEG-10000)水溶液；透析膜的截留分子量為5000，紡絲液以
5u L/min的流速注入上通道，PEG-10000水溶液和離子調節液混合液以10 u L/min的速度注入下層通道；紡絲液由微通道的出口擠出后在空氣中固化成絲并卷繞上輥；從出口到卷棍的空氣隙為5cm,卷繞速度為2cm/s。本發明所制得的再生絲素蛋白纖維直徑為7 ym，所述的再生絲素蛋白纖維的強度為20MPa，斷裂伸長率為7%。所述的再生絲素蛋白纖維為短纖維。實施例2本發明的微流體芯片是一種三層結構，包括上下層的PDMS膜片和中間的透析膜層，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面與透析膜貼合形成上下兩個微流體通道；下層微流體通道的水平剖面形狀與上層通道的水平剖面形狀呈鏡像關系。微流體通道全程的深度相等為100 u m。微流體通道在膜片上呈縱向蛇形排布調節段蛇形通道有2個彎折，寬度相等為2. 5_，其通道的豎直部分長8_，彎曲部分的半圓的直徑為10_ ;剪切段有2個彎折，寬度為200 ym，蛇行通道的豎直部分長10mm，彎曲部分的半圓的直徑為4mm。拉伸段長度為30_，與芯片的長邊夾角為60°，其兩側面與水平面相交的跡線為二階指數函數曲線，指數函數公式為R(X)=aebx+Cedx。連接各段通道的圓弧弧度為6。下層通道的出口位置偏離PDMS膜片短邊的中點8mm。芯片的上、下兩層I3DMS膜片和介于上、下兩層PDMS膜片之間的透析膜通過雙面膠粘合劑封裝貼合而成。本發明的一種再生絲素蛋白纖維的制備方法，在室溫下，以40%的再生絲素蛋白水溶液為紡絲液，離子調節液和吸水樹脂混合液中Ca2+濃度為95g/L，吸水樹脂濃度為70g/L，分子量為20000的聚乙二醇(PEG-20000)水溶液；透析膜的截留分子量為14000，紡絲液以3 ii L/min的流速注入上通道，PEG-20000水溶液和離子調節液混合液以7 u L/min的速度注入下層通道；紡絲液由微通道的出口擠出后在空氣中固化成絲并卷繞上輥；從出口到卷棍的空氣隙為12cm,卷繞速度為6cm/s。
本發明所制得的再生絲素蛋白纖維直徑為20 ym，所述的再生絲素蛋白纖維的強度為50MPa，斷裂伸長率為8%。所述的再生絲素蛋白纖維為長絲。實施例3本發明的微流體芯片是一種三層結構，包括上下層的PDMS膜片和中間的透析膜層，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面與透析膜貼合形成上下兩個微流體通道；下層微流體通道的水平剖面形狀與上層通道的水平剖面形狀呈鏡像關系。微流體通道全程的深度相等為85 u m。微流體通道在膜片上呈縱向蛇形排布調節段蛇形通道有3個彎折，寬度相等為2. 5mm，其通道的豎直部分長7mm，彎曲部分的半圓的直徑為9mm ;剪切段有I個彎折，寬度為300 ym，蛇行通道的豎直部分長10mm，彎曲部分的半圓的直徑為4mm。拉伸段長度為25mm，與芯片的長邊夾角為45°，其兩側面與水平面相交的跡線為直線，直線的函數公式為R(x)=ax+b。連接各段通道的圓弧弧度為5。下層通道的出口位置偏離PDMS膜片短邊的中點6mm。芯片的上、下兩層PDMS膜片和介于上、下兩層PDMS膜片之間的透析膜通過硅膠粘合劑封裝貼合而成。本發明的一種再生絲素蛋白纖維的制備方法，在室溫下，以35%的再生絲素蛋白水溶液為紡絲液，離子調節液和吸水樹脂混合液中Ca2+濃度為90g/L，吸水樹脂濃度為200g/L，分量為20000的聚乙二醇(PEG-20000)水溶液；透析膜的截留分子量為10000，紡絲液以10 u L/min的流速注入上通道，PEG-20000水溶液和離子調節液混合液以5 u L/min的速度注入下層通道；紡絲液由微通道的出口擠出后在空氣中固化成絲并卷繞上輥；從出口到卷棍的空氣隙為IOcm,卷繞速度為5cm/s。本發明所制得的再生絲素蛋白纖維直徑為18 ym，所述的再生絲素蛋白纖維的強度為42MPa，斷裂伸長率為10%。所述的再生絲素蛋白纖維為短纖維。實施例4本發明的微流體芯片是一種三層結構，包括上下層的PDMS膜片和中間的透析膜層，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面與透析膜貼合形成上下兩個微流體通道；下層微流體通道的水平剖面形狀與上層通道的水平剖面形狀呈鏡像關系。微流體通道全程的深度相等為80 ym。微流體通道在膜片上呈橫向蛇形排布整個蛇形通道只有I個彎折，調節段寬度相等為2. 0_，其通道的水平部分長80_，彎曲部分的半圓的直徑為5_ ;剪切段寬度為100 iim，長度為20mm，彎曲部分的半圓的直徑為12mm。微流體通道的拉伸段水平排列，其兩側面與水平面相交的跡線為二階指數函數曲線且關于通道的中心軸線對稱，指數函數公式為R(X)=aebx+cedx ;拉伸段長20mm，下層通道的出口位置偏離PDMS膜片短邊的中點5mm。芯片的上、下兩層PDMS膜片和介于上、下兩層PDMS膜片之間的透析膜通過硅膠粘合劑封裝貼合而成。本發明的一種再生絲素蛋白纖維的制備方法，在室溫下，以35%的再生絲素蛋白水溶液為紡絲液，離子調節液和吸水樹脂混合液中Ca2+濃度為108g/L，吸水樹脂濃度為300g/L，分子量為30000的聚乙二醇(PEG-30000)水溶液；透析膜的截留分子量為14000，紡絲液以15 u L/min的流速注入上通道，PEG-30000水溶液和離子調節液混合液以15 u L/min的速度注入下層通道；紡絲液由微通道的出口擠出后在空氣中固化成絲并卷繞上輥；從出口到卷輥的空氣隙為16cm，卷繞速度為10cm/s。本發明所制得的再生絲素蛋白纖維直徑為20 ym，所述的再生絲素蛋白纖維的強度為lOOMPa，斷裂伸長率為1%。所述的再生絲素蛋白纖維為長絲。實施例5本發明的微流體芯片是一種三層結構，包括上下層的PDMS膜片和中間的透析膜層，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面與透析膜貼合形成上下兩個微流體通道；下層微流體通道的水平剖面形狀與上層通道的水平剖面形狀呈鏡像關系。所述的微流體通道全程的深度相等為80y m，微流體通道在膜片上呈橫向蛇形排布調節段蛇形通道有I個彎折，寬度相等為1. 0_，其通道的水平部分長60_，彎曲部分的半圓的直徑為6mm ;剪切段有2個彎折，寬度為500 iim，蛇行通道的水平部分長55mm，彎曲部分的半圓的直徑為4mm。微流體通道的拉伸段水平排列，其兩側面與水平面相交的跡線為雙曲線函數曲線，雙曲線函數公式為R(X)=l/2(ex-e_x)，拉伸段的長度為15_ ;下層通道的出口位置偏離PDMS膜片短邊中點8mm。芯片的上、下兩層PDMS膜片和介于上、下兩層PDMS膜片之間的透析膜通過環氧樹脂粘合劑封裝貼合而成。本發明的一種再生絲素蛋白纖維的制備方法，在室溫下，以50%的再生絲素蛋白水溶液為紡絲液，離子調節液和吸水樹脂混合液中Ca2+濃度為120g/L，分子量為40000的聚乙二醇(PEG-40000)吸水樹脂的濃度為100g/L ;透析膜的截留分子量為30000，紡絲液以
5u L/min的流速注入上通道的，PEG-40000水溶液和離子調節液混合液以10 u L/min的速度注入下層通道；紡絲液由微通道的出口擠出后在空氣中固化成絲并卷繞上輥；從出口到卷棍的空氣隙為30cm,卷繞速度為6cm/s。本發明所制得的再生絲素蛋白纖維直徑為30 ym，所述的再生絲素蛋白纖維的強度為60MPa，斷裂伸長率為8%。所述的再生絲素蛋白纖維為長絲。實施例6本發明的微流體芯片是一種三層結構，包括上下層的PDMS膜片和中間的透析膜層，PDMS膜片上有凹槽，上下膜片有凹槽的面與透析膜貼合形成上下兩個微流體通道；下層微流體通道的水平剖面形狀與上層通道的水平剖面形狀呈鏡像關系。所述的微流體通道全程的深度相等為100 ym，微流體通道在膜片上呈橫向蛇形排布調節段蛇形通道有I個彎折，寬度相等為1. 5mm，其通道的水平部分長50mm，彎曲部分的半圓的直徑為6mm ;剪切段有2個彎折，寬度為350 y m，蛇行通道的水平部分長66mm，彎曲部分的半圓的直徑為4mm。微流體通道的拉伸段水平排列，其兩側面與水平面相交的跡線為直線，直線的公式為R(x)=ax+b，拉伸段的長度為30mm ;下層通道的出口位置偏離PDMS膜片短邊中點6mm。芯片的上、下兩層PDMS膜片和介于上、下兩層PDMS膜片之間的透析膜通過環氧樹脂和雙面膠封裝貼合而成。本發明的一種再生絲素蛋白纖維的制備方法，在室溫下，以40%的再生絲素蛋白水溶液為紡絲液，離子調節液和吸水樹脂混合液中Ca2+濃度為105g/L，分子量為30000的聚乙二醇(PEG-30000)吸水樹脂的濃度為200g/L ;透析膜的截留分子量為20000，紡絲液以
6u L/min的流速注入上通道的，PEG-30000水溶液和離子調節液混合液以10 u L/min的速度注入下層通道；紡絲液由微通道的出口擠出后在空氣中固化成絲并卷繞上輥；從出口到卷棍的空氣隙為20cm,卷繞速度為6cm/s。本發明所制得的再生絲素蛋白纖維直徑為28 ym，所述的再生絲素蛋白纖維的強度為70MPa，斷裂伸長率為5%。所述的再生絲素蛋白纖維為短纖維。
權利要求
1.一種集成微流體紡絲芯片，其特征是所述的集成微流體紡絲芯片是一種三層結構，包含上、下兩層PDMS膜片和介于上、下兩層PDMS膜片之間的透析膜；所述的上、下兩層PDMS膜片上有對應的凹槽；上層PDMS膜片的凹槽與所述透析膜的一個面貼合形成上層微流體通道，下層PDMS膜片的凹槽與所述透析膜的另一面貼合形成下層微流體通道；上層PDMS膜片的凹槽開口和下層PDMS膜片的凹槽開口相對； 所述的上層微流體通道，根據功能依次分為調節段、拉伸段和剪切段；所述的上層微流體通道的寬度從入口到出口變化，其中，調節段和剪切段的寬度不變，拉伸段的寬度逐漸變小; 所述的下層微流體通道的調節段、拉伸段和剪切段的水平剖面形狀與上層微流體通道的水平剖面形狀呈鏡像關系； 所述上下兩層微流體通道全程的深度相等；紡絲時溶液均是從通道的調節段流進，剪切段流出。
2.根據權利要求1所述的一種集成微流體紡絲芯片，其特征在于，所述的微流體通道在PDMS膜片上呈縱向或橫向蛇形排布；所述的縱向蛇形排布是指通道的縱向豎直排列部分平行于PDMS膜片的短邊；所述的橫向蛇形排布是指通道的水平排列部分平行于PDMS膜片的長邊； 所述的縱向蛇形排布的通道，其調節段和剪切段共有4 6個彎折，每個蛇形通道的豎直部分長為7 14mm,每個豎直通道間通過半圓弧連接,半圓的直徑為3 IOmm,剪切段的出口位于PDMS膜片短邊的中心位置；所述的微流體通道的拉伸段，其通道的對稱線與PDMS膜片的長邊夾角為20 60°，所述的拉伸段的長度為15 30mm ;所述的拉伸段通道的兩側面與水平面相交的跡線為指數函數、雙曲線函數或直線中的一種。
所述的橫向蛇形排布的通道，其調節段和剪切段共有I 3個彎折，每個蛇形通道的水平部分長為50 80mm,每個水平通道間通過半圓弧連接,半圓的直徑為4 12mm,剪切段的出口位置偏離PDMS膜片短邊的中心位置5 8mm ;所述的微流體通道的拉伸段，位于通道的水平部分，與PDMS膜片的長邊平行；所述的拉伸段的長度為15 30mm ； 所述的拉伸段通道的兩側面與水平面相交的跡線為指數函數、雙曲線函數或直線中的一種。
3.根據權利要求1所述的一種集成微流體紡絲芯片，其特征在于，所述的調節段是寬度最寬的一段通道，寬度為I 2. 5mm，長度為60 IOOmm ;所述的剪切段是寬度最窄的一段通道，寬度為100 500 u m,長度為20 150謹。
4.根據權利要求1所述的一種集成微流體紡絲芯片,其特征在于,所述的凹槽的橫截面形狀為矩形，凹槽的深度為50 IOOym ;所述的調節段、拉伸段和剪切段之間通過圓弧或直接連接。
5.根據權利要求1所述的一種集成微流體紡絲芯片，其特征在于，所述的透析膜是截留分子量為5000 30000道爾頓的再生纖維素透析膜；所述的集成微流體紡絲芯片的上、下兩層PDMS膜片和介于上、下兩層PDMS膜片之間的透析膜通過粘合劑封裝貼合而成；所述的粘合劑是硅膠、環氧樹脂粘合劑或雙面膠中的一種或組合。
6.根據權利要求1 5所述的任一種集成微流體紡絲芯片制備再生絲素蛋白纖維的方法，其特征是以質量百分數為5% 50%的再生絲素蛋白水溶液為紡絲液，室溫下，上層微流體通道注入紡絲液，下層微流體通道注入吸水樹脂水溶液和離子調節液的混合液；紡絲液經過寬度逐漸變小的通道的拉伸剪切和下層通道溶液的濃縮和離子調節作用，經出口擠出后在空氣中固化成絲并卷繞上輥，制得再生絲素蛋白纖維，所制得的再生絲素蛋白纖維的斷裂強度為20 lOOMPa，斷裂伸長率為I 10% ;同時在出口對下層通道的溶液進行收集。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述的離子調節液是CaC12水溶液；所述的吸水樹脂為分子量為10000 40000道爾頓的聚乙二醇，其中混合液中Ca2+的濃度為80 120g/L，聚乙二醇濃度為70 600g/L。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述的微流體芯片上層微流體通道的出口到卷輥的空氣間隙為5 30cm，卷繞速度為2 10cm/s。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述的紡絲液、離子調節液及吸水樹脂均由微量注射泵注入。
10.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述的再生絲素蛋白纖維的直徑為7 ·30 u m ； 所述的再生絲素蛋白纖維為長絲或短纖維。
全文摘要
本發明屬于微流體紡絲技術領域，涉及一種集成微流體紡絲芯片及其制備再生絲素蛋白纖維的方法。所述的微流體芯片是一種三層結構，其中上下兩層有凹槽的聚二甲基硅氧烷膜片與中間透析膜貼合，形成上下兩個微流體通道。兩個微流體通道深度相等，寬度逐漸變小。本發明的一種再生絲素蛋白纖維的制備方法，室溫下上層通道注入紡絲液，下層通道注入吸水樹脂和離子調節液的混合溶液；紡絲液經離子調節、剪切拉伸和濃縮后，從出口擠出在空氣中固化成絲卷繞上輥。本發明的微流體芯片，模擬了生物紡絲過程中的復雜流場，實現了對紡絲液的剪切拉伸、組分調節和濃縮等，與干法紡絲工藝相結合，制得性能優良的再生絲素蛋白纖維。
文檔編號D01F1/10GK102995145SQ20121040242
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者張耀鵬, 張樂樂, 羅杰, 邵惠麗, 胡學超 申請人:東華大學