3D打印微流控通道快速可控制备核壳微纤维

马文峻，陈卓，凌斯达，张经纬，徐建鸿

（清华大学化学工程系，化学工程联合国家重点实验室，北京 100084）

引 言

微纤维具有比表面积大、力学性能可调、可负载功能性物质以及可以折叠、编织或组装成三维的更加复杂结构的特点，有望应用于组织工程、生物医学、可穿戴电子设备、光学器件、环境监测等众多领域，近年来受到研究人员的广泛关注[1-5]。微纤维的制备方法包括静电纺丝、熔融纺丝、微流控纺丝、拉伸纺丝、溶液挤出纺丝等多种方法[5-13]。其中，微流控方法由于制备过程简单，对多相流的调控更加精准，且通常不涉及条件较为剧烈的相变过程，在涉及生物活性物质或需要精准调控纤维尺寸的方向更加适用[2,14]。使用微流控方法能制备各种截面形状的微纤维，包括圆形、沟槽、扁平、中空、核壳、非均匀等[15-22]。

目前，微流控纺丝领域中大量的研究都是基于海藻酸钙的圆形或核壳形截面的纤维。海藻酸盐是从褐藻中提取的天然、无毒、生物相容性好的线型多糖，自然界含量丰富，可与钙离子等阳离子交联形成水凝胶，广泛应用于组织工程、伤口敷料等生物医学领域[23-30]。例如Cai 等[31]通过微流控纺丝和离心处理制备得到高吸水率的海藻酸钙纤维支架，负载银纳米颗粒后广谱抗菌活性高，可用作慢性创口敷料；Tian 等[32]使用气-水微流控技术精确制备气泡腔室距离与大小可控的微纤维，这种带有空腔的纤维体现出独特的表面性能，具有良好的除湿能力，在水收集领域潜力巨大；Yu 等[33]使用同轴毛细管纺制得到铜/锌-维生素MOF 为核，海藻酸钙为壳的核壳型水凝胶微纤维，核内的铜离子/锌离子可起抗菌作用，这种微纤维形貌高度可控，且释放性能可调，在生物医学工程中有较为重要的应用。

尽管使用微流控通道制备圆形或核壳型纤维已经有了大量的研究，也被应用于多个方向，但通道的制作难度一定程度上限制了这一方法的批量化生产[34]。PDMS通道均一性高，但光刻模板价格高昂；PMMA 通道价格较低，但通常加工精度较低，重复性差，同轴环管微通道的同轴性较难保证。而且PDMS 和PMMA 通道的制作周期长，在几个小时到几天之间。相比之下，3D 打印方法快捷易用，误差小，批次重复性高，所以可用于微通道的制作中。综上，本文采用3D打印方法结合嵌入毛细管来快速制作三相同轴环管微流控通道，微通道加工过程时间短，平均可在1 h 内完成，且可一次制作多个通道。这种微通道加工简单，结构可调，可以低成本、快速地制备各种尺寸的核壳型海藻酸钙微纤维。本文探究了流速、黏度等多种因素对纤维形貌结构的影响，对于海藻酸钙微纤维的可控大规模批量生产具有重要意义。同时，这种纤维的核壳结构使其能够负载功能性物质，在药物缓释领域有较好的应用潜力。

1 实验材料和方法

1.1 材料

海藻酸钠为分析纯，由阿拉丁试剂(上海)有限公司提供；氯化钙纯度为95%，由天津市永大化学试剂有限公司提供；聚乙烯醇PVA(9002-89-5)，由国药集团化学试剂有限公司提供；PEG 20000 由西陇化工股份有限公司提供；甲基橙(M101231)分析纯，由阿拉丁试剂(上海)有限公司提供。

1.2 溶液的配制

纤维的制备过程中，使用海藻酸钠和聚乙烯醇(PVA)混合溶液作为内相溶液，使用海藻酸钠和聚乙二醇(PEG)20000 混合溶液作为中间相，使用氯化钙和聚乙烯醇的混合溶液作外相。承接浴溶液是固定5%(质量)的氯化钙溶液。此外，在内相中加入甲基橙便于观察。

不同黏度的溶液组成如表1所示。

表1 不同黏度的内相与中间相溶液组成Table 1 Internal and mesophase solutions of different viscosities

1.3 微纤维制备装置

微纤维的制备装置如图1 所示，主要包括泵和通道两部分。三台泵均为中低压泵，内相通道最为狭窄，最容易堵塞，所以内相溶液使用玻璃注射器，其余两相溶液使用塑料注射器。微通道由铁架台夹持固定，通道距承接浴(装有氯化钙溶液的培养皿)的高度可调。微通道与泵上的注射器通过四氟管连接，溶液流入通道后被固化成核壳型海藻酸钙纤维，垂入承接浴进一步固化。从针尖到微通道出口的距离为L，纤维在通道内部分固化后接触空气；从针尖到承接浴的距离为H，H越大，纤维所受重力的牵引越强。

图1 核壳型纤维的制备装置L—承接管长度;H—通道高度Fig.1 Apparatus for preparing core-shell type fibers

微通道通过3D 打印方法结合插毛细管的方法制作。首先使用AutoCAD 软件绘制工程文件，如图2(a)所示，通道包含横向的主通道和纵向的旁路通道，整体的长宽均为15 mm。主通道分三段，各长5 mm。第一段是直径为0.33 mm 的圆柱形孔，可插入30 G 针头(外径0.31 mm，内径0.16 mm，北京奥胜火不锈钢加工厂)；中间段为直径1.02 mm的圆柱形孔，可插入外径1.00 mm、内径0.70 mm 的毛细管(华西医科大学仪器厂)；第三段为直径1.62 mm 的圆柱形孔，可插入外径1.60 mm、内径1.30 mm 的石英管(华西医科大学仪器厂)。旁路通道有两支，分别通入中间相和外相溶液，均为直径0.92 mm 的圆柱形孔，可插入外径0.90 mm、内径0.58 mm 的四氟管(威宇氟塑制品有限公司)。在中间段还刻有一小段深槽，用于后续来滴胶固定中间段毛细管。

图2 微通道的制作及反应机理Fig.2 Microfluidic chip’s fabrication and mechanism

绘制好工程文件后导出成stl 格式，由3D 打印机(先临三维科技股份有限公司)成型。除去支撑材料后即可插入对应的针头、毛细管、石英管，使用AB胶进行固定。由于3D打印技术的误差较小，所以针头和毛细管可保证较好的同轴性，如图2(b)所示[拍摄的是针头与管均插入后，针头针尖处的位置，也即图2(a)中红圈内的位置]。

整个通道的制备过程便捷，加工时间仅为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复性好，所以这种微通道制作方法在微纤维的大批量制备中具有较大的应用潜力。

1.4 微纤维的制备机理

如图2(c)所示，当三相溶液从同轴环管中流出时，由于彼此互溶，所以表面张力很小，易于形成层流。在稳定的层流下，钙离子从外相向内扩散，使中间相和内相的海藻酸钠固化成海藻酸钙，从而形成核壳型的纤维。内相与外相的PVA和中间相的PEG 20000 用于调节溶液黏度，同时减缓溶液的混合，防止在形成稳定的海藻酸钙界面前内相与中间相溶液已经混合到一起导致界面不清晰。

1.5 微纤维的制备流程

首先通入去离子水冲洗通道30 min，除去通道内可能残存的支撑材料。然后开始通入反应溶液。首先通内相和中间相溶液，外相通水，Qin、Qmid、Qout分别为50、100、400 μl/min，待内相的橙色稳定出现10 min 后，将外相的水更换为氯化钙和PVA 的混合溶液，内相和中间相的海藻酸钙被固化，得到核壳型纤维，收集在通道下方的培养皿内。

收集到的纤维在光学显微镜(日本Olympus 公司)下观察和测量。更改实验条件，包括各相流速，溶液黏度，通道距承接浴的高度，观察各项因素对纤维形貌的影响。

2 实验结果与讨论

2.1 核壳型微纤维的可控制备与表征

Qin、Qmid、Qout分别为50、100、400 μl/min，L为5 cm，H为15 cm 的条件下，制备得到的纤维如图3(a)、(b)所示。纤维的核是由甲基橙染色后的海藻酸钠溶液固化而成，所以呈现橙色，壳层无色透明。核与壳层的边界清晰，说明钙离子的扩散速度远快于甲基橙的扩散速度，甲基橙的分子量为327，属于小分子范畴，扩散速度的差异得益于内相的PVA与中间相PEG 20000同时起到了稳定界面的作用。由图3(a)也能看到纤维的制备过程连续可控，可以在短时间内收集到大量均匀的纤维，进一步验证了这种微通道应用于功能性纤维批量制备的可行性。

图3 海藻酸钙核壳纤维的光学照片Fig.3 Optical image of calcium alginate core-shell fibers

2.2 L对纤维尺寸的影响

在流速、H不变的条件下，减小L为2 cm，所得纤维如图4(b)所示。相较于L为5 cm 的核壳纤维[图4(a)]，短管的纤维明显存在粗细不均匀的问题。观察可以发现不固化的外相溶液会在通道出口处汇聚形成液滴，如图4(c)所示，当液滴足够大时便会沿着纤维脱落，流入承接浴中，液滴脱落的过程中纤维会被拉动产生明显的波动。当L足够长时，纤维在接触空气前已经得到了较为充分的固化，即使有拉力的波动也不会使纤维尺寸产生剧烈变化；而L不够长时，纤维在流出通道时的固化不够完全，在瞬时拉力的作用下局部变细，就体现为图4(b)中的有粗有细的形貌。实验中发现，当L在3～4 cm 时，液滴坠落的拉力变化可以忽略不计。

图4 L对纤维形貌的影响Fig.4 Influence of length of receiving tube on fiber morphology

2.3 H对纤维尺寸的影响

固定L为5cm，Qin、Qmid、Qout分别为50、100、400 μl/min，改变H。 当H分别为10、15 和20 cm 时，拍摄得到的纤维图片如图5(a)～(c)所示，Dshell从380 下降到227 μm[图5(d)]。纤维的制备过程中，拉力主要来自纤维自身的重力，H越大，悬空的纤维越多，针头、毛细管出口处受到的拉力就越大，所以纤维整体就会变得更细。更细的纤维具有更大的比表面积，但相应的机械强度也会更低，所以在之后的实验中取适中的H(15 cm)来进行制备。

图5 H对纤维形貌的影响Fig.5 Influence of the microfluidic device’s height on fiber morphology

2.4 流速对纤维尺寸的影响

固定L为5 cm，H为15 cm，改变Qin、Qmid、Qout。取Qt=600 μl/min，每相的流量从60 变化到480 μl/min，观察Dcore、Dshell变化，结果如图6 所示。由图6(a)可以看出，Dcore主要受Qin和Qmid的影响。随着Qin的增大，Dcore增大；而随着Qmid的增大，Dcore减小，是因为内相层流时所受剪切力更大，使得内相尺寸收缩变细。Dshell受流量的影响如图6(b)所示，主要受Qout的影响。Qout越高，Dshell越小。

图6 流速对纤维形貌的影响(Qt=600 μl/min)Fig.6 Effect of flow rate on fiber morphology

通过流量的调节，Dcore可以在115～510 μm 可控，Dshell可从310～1 mm 可控变化，这也体现了微流控技术对纤维尺寸结构的精准调控能力。

2.5 溶液黏度对纤维形貌的影响

为了验证溶液黏度对纤维形貌的影响，改变内相与中间相溶液中海藻酸钠的含量，具体组成如表1 所示。当内相黏度等级为低，中间相黏度中等时，得到的典型纤维形貌如图7(a)所示，内相不含海藻酸钠，所以并不会固化，纤维的核为液体，甲基橙略有团聚，核层与壳层之间有非常清晰的边界。当内相黏度等级为高，中间相黏度中等时，得到的典型纤维形貌如图7(b)所示，与图3(b)无明显区别。当内相的黏度中等，改变中间相的黏度等级为高时，得到的纤维形貌如图7(c)所示，同样无明显变化。且这三种浓度搭配下，均能在不同流速下实现核壳纤维的稳定制备。

图7 改变内相中间相溶液组成对纤维形貌的影响Fig.7 Effect of internal and mesophase solutions on fiber morphology

3 结 论

本文使用3D 打印技术快速加工出用于可控制备核壳结构微纤维的微流控通道，相比于PDMS方法和PMMA 方法，3D 打印技术既加快了微流控通道的加工过程，也实现了微通道的均匀可重复性制备，在核壳微纤维的批量生产上具有较大应用潜力。使用这种微通道，成功制备得到了形貌结构可调节的核壳微纤维。研究发现，通道离承接浴的高度越高，纤维整体尺寸越细；承接管长度不能过短，否则纤维会不均匀；核壳纤维核层尺寸主要受内相和中间相流速影响，壳层尺寸主要受外相流速影响；溶液黏度对纤维的形貌基本没有影响。

本工作实现了核壳结构微纤维的批量稳定制备，但在应用方向上需要进一步探索，如利用核壳微纤维进行药物负载、制备可穿戴织物等，下一步工作将在应用方面进一步研究，探索合适的应用场景。

符 号 说 明

Dcore——核壳纤维核的直径，μm

Dshell——核壳纤维总的外径，μm

Qin——内相溶液的流量，μl/min

Qmid——中间相溶液的流量，μl/min

Qout——外相溶液的流量，μl/min

Qt——总流量，μl/min