用于支化电纺丝纤维的受控取向和沉积的方法及装置与流程

本发明是在美国国立卫生研究院授予的8P20GM103447的政府支持下完成的。美国政府在本发明中享有一定的权利。

技术领域

本发明一般涉及聚合物纤维生产领域。更具体地，本发明涉及在电纺丝工艺期间，在不同形状的金属植入物和其它类型的基材上从支化聚合物沉积微米到纳米大小直径的取向纤维(aligned fiber)。

背景技术：

对聚合物进行静电纺丝(或电纺丝)以形成极小直径纤维的基本概念首次是由Anton Formhals(美国专利No.1975504)获得专利的。静电纺丝纤维和由其形成的非织造网，传统上用于过滤应用，但是已经开始在其它工业中获得关注，包括在非织造的纺织物应用中作为阻挡织物、擦拭物、医疗和制药用途等。

电纺丝是可以在基材上沉积具有微米至纳米大小直径的静电聚合物纤维的工艺。这种纤维具有高的表面积-体积比，这可以改善基材的结构和功能性质。通常，将聚合物溶液的射流从高度带正电荷的金属针头驱动到通常接地的基材。当聚合物溶液的固着和悬垂液滴通过在液滴和平板之间施加电位差而带电时，它们可以获取稳定的形状。在非粘性、牛顿和粘弹性液体的情况下，这些稳定的形状仅仅得自电力和表面张力的平衡。在具有非松弛弹性力的液体中，该力也影响形状。当已经到达临界电位并且任何进一步的增加将破坏平衡时，液体获取称为泰勒锥的圆锥形状。

天然衍生以及合成的聚合物，比如胶原、明胶、壳聚糖、聚(乳酸)(PLA)、聚(乙醇酸)(PGA)和聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLGA)，已经用于电纺丝。除了聚合物的化学结构以外，许多参数，诸如溶液性质(例如，粘度、导电性、表面张力、聚合物分子量、偶极矩和介电常数)、过程变量(例如，流速、电场强度、针头与收集器之间的距离、针头尖端设计和收集器几何形状)和周围条件(例如，温度，湿度和空气速度)，可被操控以生成具有期望的组成、形状、大小和厚度的纤维。聚合物溶液粘度和收集器几何形状是确定电纺丝纤维的大小和形态的重要因素。在临界溶液粘度以下，来自毛细管尖端的加速射流由于表面张力而断裂成液滴。在临界粘度以上，从诱发电荷在液滴上的分布得到的排斥力克服表面张力，加速射流不破裂，并得以在接地目标上收集纤维。虽然在射流离开针头尖端之后，纤维射流在其表面上分成许多分支(Yarin，K Yarin，A.L.，W.Kataphinan和D.H. Reneker(2005).“Branching in electrospinning of nanofibers.”Journal of Applied Physics 98(6)：-ataphinan等，2005)。如果不被控制，则纤维的分支在基材上创建非均匀的沉积。本发明的一个目的是，使得能够控制纤维分支的沉积，以提供纤维在基材上的均匀分布。

许多工程应用要求纤维在基材上均匀分布。例如，与组织工程相关联的最重要细胞形态之一是细长的、单向的细胞取向(alignment)。许多组织(诸如，神经、骨骼和心肌、腱、韧带以及血管)含有以高度取向(aligned)的布置来定向(oriented)的细胞，因此，期望为这些组织类型设计的支架能够诱导取向的细胞布置。有充足的文献记载，细胞在取向的基材(诸如槽和纤维)上采用线性定向。可通过使用电纺丝方法制造定向纳米纤维阵列[Li D，Xia Y.Electrospinning of nanofibers：reinventing the wheel？Adv Mater.2004；16： 1151-1170]，并且许多研究已经显示细胞按这些支架中的纤维方向取向。

除了对纤维布置的影响，细胞取向可对组织工程支架内的细胞生长具有积极的影响。在取向纳米纤维支架上形成的肌管的长度是在随机定向的纤维上生长的肌管的长度的两倍以上(p＜0.05)，并且，从高度取向支架上的DRG外植体延伸的神经突分别比在中等和随机取向的支架上生长的神经突长16％和20％[Choi JS，Lee SJ，Christ GJ， Atala A，Yoo JJ.The influence of electrospun aligned poly(epsilon-caprolactone)/collagen nanofiber meshes on the formation of self-aligned skeletal muscle myotubes.Biomaterials 2008 Jul；29(19)：2899-906]。

射流的电弯曲不稳定性(也称为鞭动不稳定性)的生长和进一步拉长可伴随着射流分支和/或分裂。对于很多聚合物，例如，聚己内酯 (PCL)(Yarin，Kataphinan等，2005)、聚乙烯氧化物(Reneker， D.H.，A.L.Yarin，H.Fong和S.Koombhongse(2000)，已经观察到在电纺丝工艺期间聚合物射流的分支(″Bending instability of electrically charged liquid jets of polymer solutions in electrospinning.″Journal of Applied physics 87(9)：4531-4547)。这种分支在电纺丝工艺期间在收集器上生成非均匀的纤维沉积。尚未解决从许多纤维分支分离出连续单纤维线的方法和装置。需要一种可以在电纺丝工艺期间在基材上沉积均匀分布的单线纤维的方法，用于要求基材上的均匀、受控的纤维沉积的各种工程应用，包括使能细长的单向细胞取向。

技术实现要素：

微米到纳米大小的纤维可以在一系列应用中被施加于各种基材以使能或增强期望的性能。例如，当纳米大小纤维与生物医学植入物融合时，在矫形和正畸中的植入物与宿主组织的骨整合得到改善。纤维对界面处具有和不具有纤维的植入物/结合剂试样的界面断裂韧性的影响还不为人所知。这种研究对于设计用于矫形应用的持久植入物是重要的。在一个方面，本发明的一个具体目标是通过取向的微米到纳米大小的纤维来涂覆不同的矫形和正畸植入物，用于改善植入物与周围生物材料在生理条件下的粘结。在另一方面，本发明还可以应用于催化、过滤介质、用于含纤维复合材料的填料以及用于组织工程的支架。电纺丝纤维的取向将增加纤维所适合的应用的数量，包括例如光学偏振器和骨骼支架基质。

与纤维的直线鞭动射流相比，本发明利用从聚合物的直线鞭动射流得来的纤维的横向分支，在收集器上生成直径减小并取向的纤维。与其他方法相比，本发明利用从分支的起点到收集器的更高的拉伸距离，生成直径减小的纤维。

根据本公开的某些实施例，提供了用于控制电纺丝纤维宽度沉积和取向的方法和装置。方法包括对用于将微米纤维和纳米纤维沉积到基材上的当前电纺丝方法的显著改动。如图1所示，用于电纺丝的当前方法和装置通常包括四个部分：用于控制流速的注射器泵、用于给聚合物溶液充电的具有充作电极之一的针头的注射器、用于产生电场的高压电源以及用于收集纤维的具有充作电极的基材的收集器 (Khandaker，M.，K.C.Utsaha和T.Morris(2014).″Interfacial fracture toughness of titanium-cement interfaces：Effects of fibers and loading angles.″International Journal of Nanomedicine .9(1))。将聚合物溶液、溶胶-凝胶、微粒悬浮液或熔体装载到注射器中，并且通过注射器泵以恒定速率从针头尖端挤出该液体。收集器通常是带电的平行板结构或在正交于注射器针头的纵向轴线的平面中旋转的某种形式的盘。不同于当前的方法，本发明不仅可用于非织造聚合物织物或将聚合物纤维织造到织物中，而且可用于圆形、扁平和不规则(如髋部植入物，矫形螺钉)形状收集器。本发明还可以用于利用在这些收集器上的受控取向纤维进行金属涂敷。本发明可配置有多个盘，这些盘提供调节施加到基材的纺丝纤维的长度的能力，从而使得能够在一定范围的基材物理尺寸上实现纤维的平行沉积。

在本发明中，如图2、图3和图4所示，使用注射器泵，具有针头的注射器和高功率电源，然而，没有使用单个旋转目标盘或一对带电的收集器条，而是将旋转辅助金属盘定位成与注射器针头成排(in line with)(如图2所示)，并配置成具有通过使用适于接合金属轴的金属紧固件(例如，螺栓)附接的两个绝缘垫圈。金属紧固件电接地。尖锐的注射器针头居中于金属盘的边缘，大致按盘旋转平面取向。针头带正电。由带电的针头和旋转的辅助金属盘之间的电位差产生的电磁场的路径被用于在主收集器形状上沉积和取向纤维。主收集器形状在大致与辅助金属盘的旋转轴线正交的轴线上旋转。本发明使用辅助金属盘，以通过施加相反的电荷从纤维流中拉出纤维，以生成细长的单向纤维。金属盘上的相反电荷和针头上的电荷可以由高功率电压源产生。

可以利用指向主收集器形状的圆周的纤维将纤维沉积在相对圆形基材上或沉积在扁平基材和可以安装在主收集器轴上的其它更不规则的形状(例如髋部植入物形状或电气基材)上(如图4所示)。主收集器轴(如图2所示)通过DC电动机设定成旋转，并且定位成拦截电磁场中的外部带状纤维分支，这些纤维分支用取向的纤维涂敷收集器。可以改变收集器形状的位置，以将旋转轴线朝着或远离与电磁场取向的纤维而移动。针头的位置可以通过使用与注射器的管附接的非导电支撑件(例如，木制或塑料棒)来调节，以增加或减小针头尖端和金属盘的边缘之间的距离(如图3所示)。针头、主盘和辅助盘部件可以安装在可密封的腔室中，以避免由于从房间到腔室的空气流动而干扰纤维流。通过使用本发明，取向纤维的不间断的直接施加可以应用于各种目标样品。目标样品可以是多种形状中的任何一种，包括生物医学植入物、生物材料界面和组织工程支架中的那些典型形状。本发明的绝缘垫圈、紧固件(例如，螺栓头)和主收集器形状(例如，试样保持器)适于实现目标(例如：植入物)表面上的不同涂层形貌 (纤维直径、两个纤维之间的距离、涂层厚度)。所述发明人的研究已经显示(在示例部分中讨论)，在植入物上施加的取向纤维的涂层可以诱导和改善取向的细胞布置，包括细长的单向细胞取向和植入物/ 生物材料界面之间的强度。此外，本发明被确认使得能够控制纤维分支的沉积，以提供纤维在基材上的均匀分布。

在另一实施例中，本发明提供了包含单盘方法的电场的优点的双盘方法。本发明可在单个盘和多个盘布置之间重新配置。二盘配置的显著好处是具有控制每根纤维的长度、快速收集具有相同长度的平行纤维的能力，以及单纤维收集的能力。与单盘收集方法类似地进行双盘方法，但是不是将纤维吸引到中心，而是迫使纤维到盘的尖锐边缘。这通过利用薄实心盘的靠近边缘的电磁场来实现。正负点电荷的场线生成最强吸引力的路径。两个旋转盘利用纳米纤维的自然振荡，并且以类似于平行板收集方法的方式。假定带负电的磁盘旋转和倾斜的能力分别生成交联(杂散纤维)和静电荷的电弧效应。允许纤维遵循随机轨迹，直到它们遇到第一盘的电磁场。在该点处，纤维沿着与第一盘和第二盘相交的平面往复取向。通过调节第一盘和第二盘的旋转速度来控制纤维线之间的间隔。当盘旋转速度增加时，附接的纤维之间的间隔减小。盘被镜像并调节到期望的长度，其中两个盘都带负电。由于纤维在盘上接地并且共享相同的电荷，连同电磁场的效应，所以存在电弧效应。通过在相反方向上向两个盘引入微小的角度来在形状上调节该效应，因此叶片的顶部更靠近在一起且盘的底部略微更远地分开。然后通过旋转叶片，纤维被拉紧，并且可以用更大的控制收集纤维。(参见图5A～5D)。

附图说明

图1是示出用于电纺丝工艺的典型实验室装置的示意视图的非限制性示图。

图2是示出本发明方法的示意视图的非限制性示图。

图3是示出本发明的装置的部件的非限制性示图。

图4是示出附接有主盘和辅助盘的本发明的装置的部件的非限制性示图。

图5A是示出本发明的双旋转盘配置的示意视图的非限制性示图，该双旋转盘配置可用于实现控制纤维取向和沉积的方法。

图5B是示出如何与单盘收集方法类似地实现纤维控制的非限制性示图，但是，不是将纤维吸引到单个盘的中心，而是迫使纤维到盘的锐利边缘。

图5C是示出在可用更大的控制收集纤维的盘的下侧处拉紧的纤维的非限制性示图。

图5D是示出本发明的平行旋转盘配置的示意视图的非限制性示图，其中，收集基材位于在旋转盘之间拉伸的纤维的路径中。

图5E是示出通过使用可从美国国家仪器公司(National Instruments Corporation)得到的Labview创建的转向程序的非限制性示图。

图6是示出允许单根、平行和双向(也称为支架)纤维收集的本发明的臂结构的非限制性示图。

图7是例示依据本发明生成的取向纤维在圆形植入物上的受控沉积的非限制性图像。(a)立体显微镜图像(8倍放大率)，(b)扫描电子显微镜图像(2000倍放大率)，(c)相邻纤维之间的宽度和间隙。

图8是示出细胞培养2周后Ti样品上的细胞密度的非限制性图。

图9是示出Ti/β-TCP样品的拉伸试验结果的非限制性图。

图10是示出两个平行板之间的取向纤维的非限制性图像。

具体实施方式

简单来说：

图1是示意性地例示典型电纺丝工艺的非限制性示图。典型的电纺丝装置由注射器泵、带针头的注射器、高压电源和收集器组成。当前，单个旋转或平坦的目标盘、一对带电的集电器条已经被用作纤维收集器。

图2是示意性地例示本发明的方法的非限制性示图。示图中所示的实施例使用通过使用高功率电压源得到的带电针头与旋转辅助金属盘之间的电位差所产生的电磁场的路径以在基材上捕获、沉积和取向纤维。所示的装置包括注射器针头、DC电动机、钝螺栓和前绝缘垫圈。使用线性台架以往复移动收集器。

图3是例示本发明的装置的部件的非限制性示图。图中所示的实施例包括可密封腔室、注射器泵，具有通过使用非导电支撑件而附接的管的注射器、在管的端部处的注射器针头、高压电源、旋转辅助金属盘和主集电器形状。金属盘被定位成与注射器针头成排。通过使用直流(DC)和速度受控的电动机，旋转金属辅助盘和主收集器形状。通过施加由电源生成的在5KVA～15KVA的范围中的高电压，给注射器针头充电。通过施加由电源产生的在5KVA～15KVA的范围中的高电压，将相反的电荷施加到旋转盘。

图4是示出附接有主盘和辅助盘的本发明的装置的部件的非限制性示图。图中所示的实施例包括注射器针头、电源、旋转辅助金属盘和主收集器形状。金属盘被定位为与注射器针头成排，并且被配置为具有通过使用适于与电动机轴接合(例如，螺纹拧入)的金属紧固件 (例如，螺栓)而附接的两个绝缘垫圈。金属螺栓接地。主收集器形状在大致正交于辅助金属盘的旋转轴线的轴线上旋转。主收集器形状接地。通过使用速度受控的直流(DC)电动机来旋转辅助金属盘和主收集器形状。

图5A是示出本发明的双旋转盘配置的示意视图的非限制性示图，该双旋转盘配置可用于实现控制纤维取向和沉积的方法。本发明提供了包含单盘方法的电场的优点的双盘方法。

图5B是示出如何与单盘收集方法类似地实现纤维控制的非限制性示图，但是，不是将纤维吸引到单个盘的中心，而是迫使纤维到盘的锐利边缘。允许纤维遵循随机轨迹，直到它们遇到盘的电磁场。

图5C是示出在可用更大的控制收集纤维的盘的下侧处拉紧的纤维的非限制性示图。可通过增加或减小旋转盘之间的间隔距离，调节纤维长度。

图5D是示出本发明的双旋转盘配置的示意视图的非限制性示图，其中，收集基材位于在旋转盘之间拉伸的纤维的路径中。一旦纤维已经被优化，就可以在拉伸的纤维的路径内操纵收集表面。

图5E是示出通过使用可从美国国家仪器公司(National Instruments Corporation)得到的Labview创建的转向程序的非限制性示图。为了控制线性致动器电动机，可以创建PWM(脉宽调制) 电路。在开发本发明时，用于创建PWM的工具是Labview。

图6是示出允许单根、平行和双向(也称为支架)纤维收集的本发明的臂结构的非限制性示图。致动控制可适于定位臂结构并控制运动以在将取向纤维沉积于基材上的期间，按精确的间隔捕获取向纤维。

详细地说：

现在参照图2，例示本发明的单盘方法的非限制性示图被示意性地示出。示图中所示的实施例使用通过使用高功率电压源13得到的带电针头12与旋转辅助金属盘15之间的电位差所产生的电磁场33的路径，以在基材40、50、60上捕获、沉积和取向纤维31。基材40、50、 60可包括相对圆形形状40或不规则形状50或扁平形状60。钝螺栓 21可用于将两个绝缘垫圈22和23与电动机的轴附接。辅助薄金属盘 15通过施加相反的电荷而拉离纤维。旋转的主收集器形状40、50、60 截取外部带状纤维分支并且用取向纤维涂敷安装的形状40、50、60。垫圈的直径可以改变，这可能影响内部分支的量。

现在参照图3，非限制性示图例示了用于本发明的装置的单盘配置的部件。电纺丝腔室20容纳具有注射器针头12的可调节非导电支撑件，以及主收集器17和辅助盘15。示图中所示的实施例包括输注泵10、注射器11、注射器针头12、电源13、旋转辅助金属盘15和主收集器形状17。金属盘15被定位成与注射器针头12成排，并且配置成具有通过使用适于接合(例如，螺纹拧入)金属轴(图2，24)的金属紧固件(图2，21)(例如，螺栓)而附接的两个绝缘垫圈(未示出后垫圈，在图2中示出前垫圈22)。金属紧固件电接地。主收集器形状17在大致与辅助金属盘15的旋转轴线正交的轴线上旋转。通过使用速度受控的直流(DC)电动机14和16，旋转金属盘15和主收集器形状17。注射器针头12通过施加由电源13生成的在 (5KVA～15KVA)的范围中的高电压而被充电。通过施加由电源13 产生的在(5KVA～15KVA)的范围中的高电压，向旋转盘15施加相反的电荷。通过移动调节器，可以重新定位针对收集器形状17的旋转轴线，其中通过使用由线性致动器19往复推动的线性台架18来移动调节器。

现在参照图4，非限制性示图以单盘配置示出了本发明方法的示意视图。辅助金属盘15配置成具有通过使用适于接合(例如，螺纹拧入)金属轴24的金属紧固件(例如，螺栓)21附接的两个绝缘垫圈 22和23(图2)。金属螺栓21电接地。主收集器形状40在大致与辅助金属盘15的旋转轴线194正交的旋转轴线196上旋转。本发明通过施加相反的电荷，使用辅助金属盘15从纤维流30(图2)和33(图2) 拉离纤维以生成细长的单向纤维31(图2)。金属盘15上的相反电荷和针头12上的电荷可以由电源13产生。可以利用指向主收集器形状 40或50或60的圆周的纤维31(图2)，在可安装在速度受控电动机 16(图3)的轴25上的相对圆形形状40或不规则形状50或扁平形状 60上沉积连续的单股纤维31(图2)。轴25电接地。主收集器形状 40与速度受控电动机(图3，16)的轴紧固并且定位成在电磁场(在图2中示为虚线)中截取外部带状单股纤维31(图2)，其用取向纤维涂覆形状。可以改变收集器形状40或50或60的位置，以通过使用由线性致动器19(图3)往复推动的线性台架18(图3)使旋转轴线 196朝向或远离电磁场(虚线)的平面移动。可以通过紧固于可密封腔室20(图3)的非导电支撑件(例如，木制或塑料棒)9(图3)来调节注射器针头12的位置以增加或减小针头尖端与金属盘15的边缘之间的距离。DC电动机(图3，14)可用于使金属盘15关于其旋转轴线194旋转。使用本发明，取向纤维的不间断的直接施加可以应用于安装在电动机轴25上的各种目标样品。目标样品可以是多种形状和结构中的任何一种，包括生物医学植入物、生物材料界面和组织工程支架中的典型的那些。本发明的绝缘垫圈22和23(图2)、紧固件 21(例如，螺栓头)和主收集器形状17(例如，试样保持器)可适于在安装于电动机轴25上的目标(例如，植入物)表面上实现不同的涂层形貌，以及控制纤维分支的沉积，以提供纤维31(图2)在收集器形状40或50或60上的均匀分布。在植入物上施加的取向纤维涂层可以诱导并改善取向细胞布置(包括细长的单向细胞取向)。

现在参照图5A，非限制示图示出了本发明的双旋转盘配置的示意视图，该双旋转盘配置可用于实现控制纤维取向和沉积的方法。本发明提供使用第一盘51和第二盘52的双盘方法，其包含单盘方法的电场的优点。第一盘51可以安装在第一盘速控制电动机58的旋转轴上，第二盘52可以安装在第二盘速控制电动机59的旋转轴上。如本发明中那样配置两个盘51和52的好处至少包括控制每个纤维的长度、快速收集相同长度的平行纤维的能力，以及单纤维收集的能力。

现在参照图5B，与单盘收集方法类似地实现纤维控制，但是，不是将纤维53吸引到单个盘的中心，而是迫使纤维53到盘(例如，盘 51)的锐利边缘。这通过利用薄实心盘的靠近边缘的电磁场来实现。正负点电荷的场线生成最强吸引力的路径。两个旋转盘51和52利用纳米纤维53的自然振动，并且以类似于平行板收集方法的方式。将旋转和倾斜的能力给予带负电荷的盘，分别生成交联(杂散纤维)和静电荷的电弧效应。允许纤维53遵循随机轨迹，直到它们撞到盘(例如，第一盘51)的电磁场。在该点处，纤维54沿着与两个盘相交的平面往复取向。盘51和52被镜像并被调节以捕获期望长度的纤维(图 5C-55)，其中盘51和52都带有负电荷。由于纤维53在第一盘51 上接地并且共享相同的电荷，连同电磁场的效应，所以存在导致纤维 54连接到第二盘52的电弧效应。通过沿相反方向对盘51和52引入微小的角度，使得盘51和52的顶部更靠近在一起且盘51和52的底部略微进一步分开，则该电弧效应在形状上被调节，拉伸每个连接的纤维(图5C-55)。

现在参照图5C，通过用盘速控制电动机58和59使盘51和52 同步旋转，纤维54在盘51和52的下侧处被拉紧，成为拉伸的纤维 55，其中，可用更大的控制收集纤维55。通过调节盘速控制电动机58 和59在基台50上的间隔位置，可以通过增加或减小第一盘51和第二盘52之间的线性间隔距离调节纤维长度。纤维55之间的间隔通过调节盘51和52的旋转速度来控制。随着盘51和52的旋转速度的增加，所附接的纤维55之间的间隔减小。

现在参照5D，收集基材56被示为位于在旋转盘51和52之间拉伸的纤维55的路径中。一旦纤维54已经通过在盘51和52的下部之间拉伸而被优化，收集形状56就可以在拉伸的纤维55的行动路线内被操纵。这可以以几种不同的方式进行。最可选的方法将是实现具有可变控制(角度、线性、以及延伸旋转能力)的臂结构57，如图6所示。所给出的臂结构57(参见图6)允许单根、平行和双向(也称为支架)纤维收集。如图5D所示，可以通过先将收集形状56以第一定向放置在纤维55的行动路线中来构造支架结构(非织造)。多个纤维可以随着盘51和52分别由盘速控制电动机58和59旋转而被收集，并且收集形状被致动控制(参见图6)相对于纤维55的路径递增地重新定位。随后，可以将收集形状56以第二定向(例如，旋转90度) 放置在纤维55的路径中。多个纤维可以随着盘51和52分别由盘速控制电动机58和59旋转而被收集，并且收集形状被致动控制(见图6) 递增地重新定位。可以通过在相同平面中将收集形状相对于第一定向大致旋转90度实现第二定向，从而在收集形状56上生成纤维的交叉图案。可以通过改变旋转角度实现不同的交叉图案。还可以收集多层纤维并控制收集形状56上的交叉图案。可以通过调节第一盘51和第二盘52的旋转速度来控制纤维55之间的间隔。当盘旋转速度增加时，附接的纤维之间的间隔减小。该方法可以用于调节在收集形状56上收集的纤维之间的间隔，并由此控制包括在收集形状56上双向收集的纤维的支架的孔隙率。

现在参照5E，给出使用Labview创建的转向程序590作为非限制性示例。为了控制线性致动器电动机，可以创建PWM(脉冲宽度调制)电路。然而，在开发用于本发明的致动器控制时，用于创建PWM 的工具是Labview。产生方形信号并将其传送到称为MyDAQ的美国国家仪器公司(NI)工具。MyDAQ将信号传送到使能电动机控制的 PWM电路。这与线性致动臂配对，在可以非常精确地控制的基材上，向取向纤维给出了路。NI myDAQ将硬件与八个准备运行的软件定义仪器(包括函数发生器、示波器和数字万用表(DMM))组合；这些软件仪器也用于NI教育实验室虚拟仪器套件II(NI ELVIS II)硬件平台。LabVIEW软件可与模块化的、可重新配置的硬件组合，以生成精确的致动器和电动机控制。其他工具可以代替上面列出的这些工具中的每个来实现相同的功能目的。

现在参照图6，非限制性附图示出允许单根、平行和双向(也称为支架)纤维收集的本发明的臂结构61。致动控制(62和63)可以适于定位臂结构61。臂结构61可以是固定臂，包括拱形支架，包括带架，并且包含有旋转结构部件。纤维收集表面64可如所示的那样或者在替代位置中旋转地安装在臂结构61上。臂结构61可以配置有至少一个致动控制62或63，以操纵用于收集纤维的结构的定位，包括旋转定位和线性定位。通过使用针对机器人仪器的计算机控制的工业标准运动控制方法和过程，致动控制62和63可适于定位各种结构和纤维收集基材。在非限制性示例中，运动可以由诸如可从Newport公司得到的线性致动器(型号#LTA-HS)的线性致动器控制，以在纤维收集表面64上生成取向单向纤维。收集表面64可被配置为中空框架或任何其它形状。所生成的纤维可以沉积在附接到臂结构61的收集表面64上。致动控制62和63在非常精确控制的基材收集表面64上将臂结构61定位到取向纤维上。

示例：

参考以下的非限制性示例，可以更好地理解本发明。

生物医学植入物上的取向纤维

在图2和图3中例示用于控制电纺丝工艺中的纤维分支的本发明的单盘配置的装置。如图2和图3所示的发明被用于配置电纺丝单元，以在圆形髋部植入物和扁平样品材料二者上沉积取向的单向聚合物纤维。选择可从西格玛奥德里奇(Sigma Aldrich)得到的聚己内酯(PCL) 作为纤维材料，因为其在电纺丝工艺期间生成分支。通过超声波 (Sonics&Materials有限公司，Vibra-cell VCX 130)混合7.69wt％的PCL珠粒和丙酮来制备PCL溶液。近似80℃下实施1小时超声处理。将溶液倒入输注泵(Harvard Ins.)中的玻璃注射器中。

将聚合物溶液倒入输注泵10(图3)中的玻璃注射器中，用于纤维生产。通过柔性管，经由充电的针头从玻璃注射器排出聚合物。针头12(图3)通过高压电源13(图3)充电。针头附接到木棒9(图3)。通过使用柔性调节夹，棒与可密封腔室附接。针头的高度可以通过木棒调节。金属锯条15(图3)(本文称为辅助金属盘)定位在两个绝缘垫圈22(图2)和23(图2)之间。ABS塑料是用于生成通过使用 3D打印机(Stratasys有限公司，型号-Dimension Elite)创建的两个绝缘盘的材料。然后，金属盘部件经由DC电动机在铝轴24(图3) 上旋转，并且通过接地螺栓被保持紧固。

DC电动机16(图3)被安装在精密线性台架(Newport公司，型号#426)上。台架的运动由线性致动器(Newport公司，型号# LTA-HS)19(图3)控制，以在紧固到电动机轴上的钛棒上生成取向单向纤维。所生成的纤维沉积在与轴紧固的收集器(未附接电动机) 上。辅助盘和植入物接地并被使用在用于生成在图7中给出的显微照片中所示的取向纤维的电纺丝工艺中。如在立体显微镜图像图7(a) 和扫描电子显微镜图像图7(b)所示，本发明使得能够在目标样品上相对精确地收集取向纤维。在非限制性示例中，在圆棒旋转时，精确地移动圆棒以拦截纤维路径。这种拦截和旋转导致纤维的剥离并引起在目标样品上的取向。根据随着运用的装备而变化的拦截方法，拦截点可以在具有可变距离的若干不同位置上(图7(c))。

本发明的电纺丝方法用于在不同形状的钛植入物上沉积取向纤维。植入物的形状是圆形、髋部和扁平形状的植入物。该工艺提供了高精度地控制纤维的沉积和生成纳米级纤维的能力。不同种类的植入物中的每个通过不同的方式固定到它们的保持器上。为了在圆形髋部植入物和扁平形状植入物上沉积取向纤维，使用3D打印机(Dimension elite 3D打印机)制作多个可变形的保持器。使用可从Titanium Metal Supply有限公司(波威，加州)得到的钛(Ti)圆形和扁平形状植入物(6Al-4V ELI，ASTM B 348标准，等级23，生物相容的)作为植入材料。使用BioMet有限公司的髋部植入物用作髋部形状植入物。使用锁紧螺母将圆形植入物固定在圆柱形保持器上。将髋部植入物放置在两片髋部植入物保持器之间的通道中并通过螺栓和螺母固定。将扁平植入物胶合在中空圆筒上。将圆筒压配在扁平形状植入物保持器上。所选择的植入物保持器被压配在电动机的轴上，以在这些植入物上沉积纤维。使用与可能积分微分(Probably Integral Derivative，PID) 控制系统结合使用的DC电动机，高速旋转植入物，以控制电动机在电纺丝装置下的旋转。

用于发现纤维对Ti的生物相容性的影响的细胞活力试验

检查Ti上的PCL和胶原(CG)-PCL涂层对Ti的生物相容性 (biocompatibility)性质的影响。制备三组Ti样品：(1)PCL涂覆的Ti，(2)CG涂覆的Ti(Ti/CG)，以及(3)CG和PCL涂覆的 Ti(Ti/CG/PCL)。Ti表面涂覆有CG的薄层。将电纺丝PCL纤维随机沉积在CG涂敷的Ti上以制备Ti/CG/PCL样品。使用定制的硅孔，在每组Ti表面上培养细胞。将小鼠成骨细胞(ATCC细胞系# MT3T3E1)以5000个细胞/ml的密度接种在Ti样品的每个孔上。根据ATCC协议，将细胞在孔中的Ti样品上培养2周。然后用中性缓冲福尔马林固定细胞并用DAPI染色以鉴定细胞核。用荧光显微镜察看所得的染色。从捕获的图像进行Ti表面上的细胞活性的定量和定性测量。研究发现只有PCL涂敷Ti上的细胞附着和增殖可以忽略不计。细胞在Ti/CG和Ti/CG/PCL样品的表面上成功增殖。细胞在 Ti/CG/PCL表面上沿纤维方向生长，其中增加的细胞沿着纤维聚集。与Ti/CG样品相比较，Ti/CG/PCL样品的细胞密度显著更高(图8)。这些结果表明，PCL纤维积极影响Ti表面的骨整合，这可能引起Ti/ 骨界面的体外和体内机械整合的增强。

用于评价PCL纤维对Ti/骨界面的影响的体外试验

检查由于Ti上的CG和CG/PCL纤维涂层导致的骨整合对Ti和骨支架之间的粘结强度σt的影响。使用β磷酸三钙(β-TCP)(3D Biotek，LLC，NJ)盘(9.5mm直径×1.6mm厚度)作为骨支架。细胞在Ti、Ti/CG、Ti/CG/PCL和β-TCP表面顶部上培养14天。β-TCP 放置于定制的丙烯酸孔中的Ti/CG和Ti/CG/PCL试样的顶部，以制作偶联的β-TCP-Ti/CG和β-TCP-Ti/CG/PCL试样。经由丙烯酸棒将一组配重放置在样品上，以避免样品在细胞培养2个月期间的任何位移。将偶联的样品胶合在Evex拉伸试验台架中的保持器上。在应变速率0.001mm/秒情况下进行拉伸试验以确定样品的σt值。我们发现， Ti和β-TCP之间没有粘结，而具有CG和CG-PCL的Ti/β-TCP样品显示出明显的粘结强度σt，尽管这些样品之间的σt的差异不显著。该结果表明，CG和CG-PCL都可以改善Ti/骨的粘结。通过使用PCL 纳米纤维和MgO纳米颗粒的Ti上的取向的、均匀的和小刚度的纤维， Ti/骨联合的进一步体外和体内改善是可能的。

使用本发明的取向纤维应用

如图10所示，本发明公开的单盘配置可用于在平行表面上精确沉积纤维。这通过使平行板带负电并将它们附接在线性台架上来进行。电纺丝纤维对电场作出反应并沿着两个板之间的场线取向。这种配置用于试验所生成的纤维的拉伸强度，该拉伸强度显示取向纤维条的超塑性行为。

使用本发明的双盘方法的取向纤维应用

本发明的双盘配置是从使用单盘设置演变成由试验和错误获得的知识提升的新概念。本发明从基本平行板前进到平行板和尖锐叶片的变化/混合，然后以用于实现电纺丝取向的全新技术结束。这种新技术是平行/鼓/和尖锐叶片设置或PRD(平行旋转盘)的组合。

双盘配置的具体设置取决于用于生成纤维的化学溶液。诸如粘度、化学组成和粘弹性条件的因素确定了有效地电纺丝纤维所要求的倾斜、速度和电压。使用溶液定制过程来优化取向纤维的收集。该过程是：

1.确定期望的纤维长度。

2.设置叶片架以适应来自编号1的长度。

3.了解与表面张力相关的粘弹性关系。

4.调节针头的高度，以便为泰勒锥和纤维铅垂的形成提供足够的空间。

5.电压应该开始低并缓慢地增加，直到铅垂足够宽到在叶片上完成纤维的期望长度。

6.一旦纤维开始在叶片上收集，就调节倾斜度以消除由于残余电荷导致的电弧。

7.根据应用，叶片的旋转可以被缓慢地增加到期望的速度。

一旦纤维已经被优化，收集表面就可以定位在纤维的路径中(参见图5d)。这可以通过几种不同的方式完成。发现具有最多选项的方法是具有可变控制(角度、线性、以及延伸旋转能力)的臂。图6给出的臂6允许单根、平行和双向(也称为支架)纤维收集，并且包括用于改变基材的位置的旋转部件。考虑和试验的其他方法包括固定臂、拱形支架和带架。

使用本发明的示例性应用

使用本发明的装置和方法生成的纳米纤维支架结构和取向纤维在医学中具有应用，包括人造器官组分、组织工程、植入材料、药物递送、伤口敷料、细胞培养平台和医用纺织物材料。纳米纤维支架结构可以用于对抗HIV-1病毒，并且能够用作避孕药。由本发明生成的支架结构可以用于将药物递送到伤口部位。在伤口愈合中，纳米纤维支架结构在损伤部位处组装并保持放置，从而将身体自身的生长因子吸引到损伤部位。这些生长因子包括天然存在的物质，诸如能够刺激细胞生长、增殖、愈合和细胞分化的蛋白质和类固醇激素。

生长因子对于调整各种细胞过程是重要的。发现通过本发明和方法生成的包含取向纳米纤维的纳米纤维涂层支持细胞生长。在我们在俄克拉荷马州立中央大学进行的针对植入物中的纳米纤维粘结(特别是成骨细胞对植入物表面的粘附)的研究期间，意外地发现纤维涂敷结构可以促进细胞生长，特别是沿着和在包含支架的纤维交叉处，在纤维交叉处，取向纤维的第一集合交叉于大致正交于第一集合的纤维第二集合并形成非织造平面。在钛平坦表面的顶部上的取向双向纤维涂层中观察到这一点。我们观察到，在纤维的交叉处的细胞生长显著大于其他地方。我们的观察指示，通过控制取向纤维之间的距离可以获取更均匀的细胞生长。一个预期的应用是在隔室阵列中布置双向纳米纤维支架，其中，细胞培养物可以生长以支持广泛的研究和反应试验。预期有可替换的布置和配置。

包含依据本发明生成的纳米纤维的保护性材料和方法可以包括吸声材料、针对化学和生物战剂的防护服以及用于检测化学制剂的传感器应用。包含通过本发明的装置和方法生成的取向纤维和支架结构的手套可被配置为提供持久的抗菌性质。纺织工业中的应用包括运动服、运动鞋、攀登器具、雨衣、外衣服装和婴儿尿布。具有纳米纤维的餐巾可以含有针对多种生物危害的抗体和通过改变颜色发出信号的化学品(可能用于识别厨房中的细菌)。

过滤系统应用包括HVAC系统过滤器、ULPA过滤器，用于汽车、卡车和飞机用途的空气、油、燃料过滤器以及用于饮料、药学、医疗应用的过滤器。应用包括用于新的空气和液体过滤应用的过滤介质，诸如真空吸尘器。由本发明的装置和方法生成的支架结构能够实现高效率的颗粒捕集或HEPA型空气过滤器，并且可以用于使得能够再循环空气的再呼吸设备中。符合HEPA标准的过滤器具有许多应用，包括在医疗设施、汽车、飞机和家庭中的使用。过滤器必须满足某些效率标准，诸如美国能源部(DOE)设定的标准。

使用本发明的装置和方法生成的取向纤维和支架结构的能量应用包括锂离子电池、光伏电池、膜燃料电池和染料敏化太阳能电池。其它应用包括经由织造成衣服的压电纳米纤维来运转个人电子设备的微型电源、用于各种催化剂的载体材料和光催化空气/水净化。

在一个方面，使用本发明的方法和装置，取向纤维可以被布置成按照与韧带相似的定向。可以在若干行中收集取向纤维，然后纺成线，其可用作韧带。针对本应用实现的本发明可以被配置为便携式设备，其中，医院环境中的临床医生可以使用取向纤维来制作皮肤状缝合线。

在另一方面，使用本发明的方法和装置，取向纤维可以施加到包括纸、织物或组织的条的基材上。可以施加进一步的热处理以熔化纤维，从而与基材生成非常强的粘结。然后，粘结的材料可以用作愈合的“急救绷带”以保护伤口并促进细胞生长。工程化的组织细胞或纳米药物将附接到垫子，被施加的“急救绷带”允许它在与白细胞反应以粘合和递送药物的同时进行保护。

在另一方面，使用本发明的方法和装置生成的取向纤维可作为涂层施加到静电聚合物上，以改善聚合物的电性质。然后被涂覆的聚合物可用于制作用于可携带电信号的人工耳蜗植入物的人工神经。取向纤维也可以用于包裹软水凝胶以制备椎间盘植入物。

在另一方面，使用本发明的方法和装置，取向纤维可以布置在支架状结构中，然后涂覆或覆盖有柔性粘结材料，其中，组合产品被层叠在损伤表面上，作为修复或其他目的，诸如当电流施加到纤维时使能加热层。

在另一方面，使用本发明的方法和装置，取向纤维可以布置在支架结构中，其中，纤维之间的间隔被调节以达到大致特定的数值，以创建具有限定孔隙率的过滤材料。

本发明的装置可以被配置为在用户位置之间可移动的便携式装置，以出于特定目的在基材上生成和取向纤维。

本发明的装置可以被配置为集成到实验室环境中的独立设备，以出于多个研究目的在基材上生成和取向纤维。

本发明的装置可以被配置为用于制成包含取向纤维的产品的独立加工装置。

本发明的装置可以配置有单个盘或多个盘，并且可以依据特定应用的要求从一个配置重新配置到另一个配置。本发明的装置可以在多个物理外壳配置中实现，以对于特定目的或各种应用在基材上生成和取向纤维。辅助功能可以加入到物理外壳中，并且包括通风、加热、冷却、照明、电源接口和计算机辅助控制及相关联的编程中的至少任何一个。外壳可以是可密封的。

本发明的装置可以被配置为加工工艺的一部分，该加工工艺被缩放以制成包含取向纤维的大量产品。扩充的加工工艺可以包括本发明的装置的多个实例。装置可以配置成多种大小，范围从适合于低产量生成包含纳米纤维的产品的较小规模的机器到适合于大产量生成包含纳米纤维的产品的较大的大小的机器。大小为任何规格的机器可以包含单盘或多盘配置、一个或多个收集器形状和支撑结构，并且所有这些都可以是可重新配置的。

通过本说明书，本发明的各个方面的进一步改动和替换实施例对于本领域技术人员来说将是明了的。因此，本说明书应被解释为仅仅是示例性的，并且是为了教导本领域技术人员实施本发明的一般方式。应当理解，本文例示和描述的本发明的形式被视为实施例的示例。元件和材料可以替代本文例示和描述的那些元件和材料，部分和过程可以颠倒，并且本发明的某些特征可以独立地使用，所有这些对于受益于本发明的本说明书的描述之后的本领域技术人员来说是明了的。在不背离如所附权利要求中所描述的本发明的精神和范围的情况下，可以对本文描述的元件进行改变。