電紡絲噴嘴的製作方法

2023-06-02 10:23:51

專利名稱：電紡絲噴嘴的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種諸如在製造纖維、微滴或顆粒中使用的用於電紡絲、電噴霧或電噴射的設備。具體地，本發明涉及製造具有單核-單殼結構或者單核-多殼結構的纖維。
背景技術：
電噴霧是一種用於分散液體以產生噴霧的技術。在該技術中，液體通過毛細管被供應，並且向毛細管的末端施加高電壓。還提供一板，該板在低電壓下(例如接地電壓)被偏壓，並且該板沿與毛細管垂直的方向與毛細管間隔開。毛細管的末端處的相對高的電勢導致形成泰勒錐(Taylor cone) 0液體射流通過所述錐的頂點被射出。所述射流由於射流中的庫侖斥力(Coulomb repulsion)而快速地形成為微滴，如圖1所示。圖2示出電紡絲的相關技術。與電噴霧相似，電壓源被連接在毛細管1的末端與收集器板2之間。同樣，由於庫侖力並且克服表面張力，因而形成泰勒錐。如果液體是聚合物或具有足夠高粘度(由於高的分子量)的其它液體，則從泰勒錐射出的液體射流不會散開。所述射流還因聚合物或液體中的靜電排斥力而更加細長，直到形成薄的纖維。纖維最終被沉積在收集器2上。液體射流的不穩定性和溶劑的蒸發會導致纖維不是筆直的而可能彎曲。通過謹慎地選擇與足夠高的電場相結合的聚合物和溶劑系統，可以形成具有納米級直徑的纖維。電紡絲工藝是一種用於製造納米纖維的特別通用的工藝。諸如聚合物、組合物、陶瓷和金屬納米纖維之類的材料已被直接製造或者通過紡絲後工藝被製造。已實現3至1000 納米的直徑。所製造的纖維能夠被使用在多種範圍的領域內，從用於臨床使用的骨架至用於次微米顆粒過濾的納米纖維墊。已試圖製造更為複雜的纖維(諸如具有不同於外殼的核材料的纖維)以及在外殼中結合藥物或在內核中結合細菌和病毒的纖維材料。然而，許多這樣的技術被停留在實驗室中，因為不曾進展到達至提高製造需要的高度。英國專利申請 No. 0813601. 2描述了一種在提高電紡絲中使用的設備，並且該專利申請的全部內容併入本文。另一個電流體動力學工藝是電噴射工藝，其中，圖1或2中所示的、從泰勒錐射出的射流被設置在基材的附近，並且該射流被用於在基材上進行書寫。該技術用於直接在基材上書寫電極圖案和結構。US 2004/0182818 (Advion Biosciences，Inc.)描述一種電紡絲噴嘴和單片基材。所述噴嘴包括矽基材，該矽基材具有在入口孔和噴嘴出口之間延伸的通道。所述噴嘴產生垂直於噴嘴表面的電紡絲。所形成的紡絲接合到質譜儀或液相層析系統。基於矽基材的噴嘴被用於將試樣可控制地分散為對於這些分析技術而言必要的納米電紡絲 (nanoelectrospray)。儘管所述的電紡絲噴嘴不用於纖維製造，但由矽基材製成的噴嘴的研究開啟了由微晶片領域應用的大量製造技術，這在能夠提高利用電紡絲的納米纖維生產中可能是有用的。
發明內容
本發明提供一種用於從泰勒錐形成流體射流中使用的電紡絲、電噴射或電噴霧裝置，該裝置具有多個導管，所述多個導管被布置成用於供應在形成所述流體射流中使用的多種流體。所述裝置可以是噴嘴。所述導管被布置成使所述流體射流包括流體中的至少一種，並且流體優選地為液體。每個導管均可以形成一個或更多個開口，所述流體從所述一個或更多個開口排出以形成所述錐或射流。對於諸如電紡絲、電噴射或電噴霧的電流體動力學工藝，在所述裝置或噴嘴附近應該存在電場。電紡絲、電噴射或電噴霧是在所形成的產品方面不同的相關工藝，所形成的產品因為所使用的流體的粘度和類型、所施加的電場、從噴嘴至收集表面的距離等的差異而不同。所述噴嘴可形成電紡絲、電噴射或電噴霧設備的一部分，該設備還包括電場裝置，該電場裝置被布置以形成液體錐和流體射流。所述電場裝置可以包括電場發生器和一對電極，該對電極用於在所述噴嘴和與該噴嘴間隔開的收集區之間施加電場。所述設備還可以包括收集裝置，該收集裝置用於收集所產生的纖維和顆粒。所述收集裝置可位於所述收集區中。對於電噴射，所述設備可包括用於使基材相對於所述噴嘴移動的平移臺。所述一個或更多個開口可以被布置成使得在所述射流中，第一流體至少部分地圍繞第二流體。這使得形成具有單核_單殼或者單核_多殼結構的複雜纖維或顆粒，或者使得使用氣體或液鞘來製造由從高揮發溶劑供應的材料形成的纖維或顆粒。另選地，所述開口可以被布置成使得一種流體與另一種流體相鄰或者由另一種流體包圍。所述一個或更多個開口被布置成使得在所述射流中，第一流體圍繞第二流體形成護套。也就是說，所述第二流體位於所述第一流體內。第一導管的所述一個或更多個開口可以與第二導管的所述一個或更多個開口同心。所述噴嘴可以形成在基材上，諸如矽基材上，以允許使用現成的矽處理工具。可以使用深矽蝕刻。所述導管或所述導管中的開口可以具有尺寸小於0.5mm的流動截面，諸如達至幾百微米。每個開口均可具有小於1. Omm2或者甚至為0. 5mm2的流動截面。所述噴嘴包括界定所述開口的壁，其中，所述壁可以從所述基材的第一表面突出。 所述導管可以延伸通到所述基材的與所述第一表面相反的第二表面。可以在所述基材的所述第二表面中設置與所述導管中的一個導管相接的通道。所述噴嘴還可以包括墊圈，該墊圈用於將相對於岐管密封所述噴嘴。所述噴嘴可以包括具有一個或更多個開口的第三導管。所述第三導管的所述一個或更多個開口可以與所述第一導管的所述一個或更多個開口同心。所述第三導管使得纖維或顆粒被製造成多達至三層，即，核、內殼和外殼。所述第一導管可以具有柱形開口。所述第二導管可以具有環形開口。所述柱形開口可以包括直徑小於所述開口的杆，該杆沿與所述導管相同的方向延伸並且結合到所述導
管的壁。所述噴嘴可以利用微加工來製造。抵靠所述基材的所述第二表面可以設置有板，以與歧管相接。所述板可以是玻璃。 在所述板和所述基材之間可以設置矽絕緣層。所述板、矽絕緣層和基材可以一起形成可拆卸源，其能夠從所述歧管拆下以進行清潔或維護或者用替換噴嘴進行更換。在一些實施方式中，所述板和矽絕緣層中的一者或多者可以被省除。所述導管的表面可以被塗覆有親水材料，以改善變溼。所述噴嘴的外表面可以被塗覆有疏水材料以防止變溼。

所述噴嘴可以形成在第一基材上，其中引出電極(extractor electrode)與所述基材間隔開，所述電極適於提供關於通過所述導管中的一個導管的中心的軸線對稱的電場。多個噴嘴可以設置在公共基材上。所述多個噴嘴可以形成陣列。所述陣列可以是線性的或二維的。本發明還提供一種被布置以形成流體射流的電紡絲、電噴射或電噴霧設備。該設備可以包括與流體輸送系統連接的多個流體儲器，所述流體輸送系統具有帶流體出口的歧管，所述流體出口布置成向所述噴嘴或噴嘴陣列供應流體，所述噴嘴或噴嘴陣列通過墊圈密封到所述歧管。所述噴嘴或噴嘴陣列適於從所述歧管拆下。本發明還提供一種電紡絲、電噴射或電噴霧的方法，該方法包括從多個導管供應多種流體，使得所述多種流體被用於從流體錐形成流體射流，所形成的射流包括所述流體中的至少一種。「形成」是指流體至少涉及允許形成流體錐(諸如泰勒錐)。因此，流體可以是氣體與一種或更多種液體，或者是多種液體。所述多種流體中的一種可以繞所述流體射流形成氣鞘。從每個導管供應的所述流體可以被引入一個或更多個開口中。所述射流可以包括至少部分地圍繞第二流體的第一流體。例如，所述第一流體可以形成圍繞第二流體的液體護套。從第一導管供應的所述流體可以引入通過與第二導管的所述一個或更多個開口同心的一個或更多個開口。本發明包括一種製造纖維、微滴或顆粒的方法，其中，所述纖維、微滴或顆粒由所述液體射流中的流體形成。所述纖維、顆粒或微滴可以具有由所述流體中的一種流體形成的核和由所述流體中的其它流體形成的殼。本發明還包括根據上述方法製造的纖維、顆粒或微滴。


現在將參照附圖與現有技術的方面一起描述本發明的實施方式，其中圖1是從毛細管進行電噴霧的示意圖；圖2是從毛細管進行電紡絲的示意圖；圖3a以截面的形式示出根據本發明的第一實施方式的電紡絲噴嘴；圖3b示出圖3a的噴嘴的剖切平面圖；圖4是根據本發明的第二實施方式的電紡絲噴嘴的剖視圖；圖5是根據本發明的第二實施方式的電紡絲噴嘴的剖視圖，其中外部環狀縫用於提供圍繞電紡絲流體的蒸汽鞘；圖6是示出用於電紡絲的噴嘴塗層和電連接的示意圖；圖7是示出如何能夠降低噴嘴孔中的表面張力的示意圖；圖8a至8d示出具有各種塗層的噴嘴的示意性剖視圖；圖9a是其上形成有多個單壁噴嘴的基材的電子顯微鏡圖像；
圖9b示出形成在三噴嘴的陣列上的泰勒錐；圖IOa和IOb是被封裝的噴嘴陣列的立體圖；圖11是根據第三實施方式的電紡絲噴嘴的剖視圖；以及圖12a至12d是形成在矽中的噴嘴和引出電極的電子顯微鏡圖像。
具體實施例方式圖3a以截面的形式示出電紡絲噴嘴100和歧管200的第一實施方式。噴嘴100 包括供流體流過的多個導管110、120。圖3中所示的導管包括柱狀孔110，該柱狀孔110由環狀縫120圍繞。孔110與環狀縫120的內緣由第一管狀壁130限定邊界。環狀縫120在其外緣處由第二管狀壁140限定邊界。如圖3a所示，管狀壁130、140從基材150突出。由孔110形成的空間提供供第一流體能夠流過的通道。孔110大體上為圓形孔，但也可以使用其它形狀。類似地，縫120也可以使用其它形狀。如果孔110和外部環狀縫120使用其它形狀，則表面張力將導致在噴嘴的端部形成的泰勒錐具有圓形截面。因此，為了形成更加可靠的錐，通常期望圓形和環形的縫。還期望環狀縫120與內部孔110同心。其它實施方式可以包括導管的其它布置。例如，圖3a示出均具有單個開口的一對導管一個導管是環狀縫120，另一個導管是柱狀孔110。環狀縫120同心地圍繞孔110。另選地，環狀縫能夠包括圍繞孔布置成圓形的多個開口。所述孔也可以包括一個或更多個開口。還存在來自兩個導管的開口不被布置成使所述開口彼此圍繞的其它實施方式。例如， 一對導管可以設置成彼此相鄰，並且具有三角形開口，其中每個開口的一側平行於另一個開口的一側。流出這些開口的流體將結合在一起而形成單一射流。儘管流體的表面張力不得不滿足形成穩定射流的某些要求，從而可能期望溶劑相似，但所形成的射流仍能夠具有朝向將來自第一導管的射流的一側的夾雜物以及朝向來自第二導管的射流的另一側的夾雜物。可以提供導管的許多其它可能的形狀，每個導管均具有一個或更多個開口，使得流體射流由多種流體形成。當然，流體射流將包括至少一種液體。參照圖3a，為了從噴嘴產生流體錐或泰勒錐，而以與圖2中所示相似的方式在噴嘴100和收集器(未示出)之間施加電場。泰勒錐是通過平衡錐中的靜電和表面張力而形成的。如圖3a和3b所示，孔110將由流過孔110的第一流體形成第一泰勒錐，並且外部環狀縫120將形成與第一錐體同心的第二錐體。外部錐體將由第二流體形成。第一流體和第二流體優選地不能混溶。如果使用能混溶的流體，則流體將趨於混合而防止形成兩個截然不同的同心錐。流體將通常是在溶劑中包括聚合物的溶液，但基於所形成的纖維的期望特徵和組分還可以使用其它混合物和溶液。至少一種流體將包含液體。溶液可以通過將天然或合成聚合物溶解於高揮發性溶劑中而形成，或者溶液可以是分散在高揮發性聚合物溶液中的絕緣或導電的納米顆粒的組合。聚合物可以製成為包含生長因子，例如用於組織、骨或者組織和骨的組合。所製成的納米纖維可以使用於繃帶和創傷敷料中，以幫助痊癒。這樣的纖維還可以被結合在合成骨架中以臨床使用。另選地，聚合物可包含防微生物顆粒(諸如銀納米顆粒)，以保持表面無菌。這樣的聚合物可以被使用於纖維的外部，並且因此通過環狀縫被輸送到噴嘴的末端。在圖3中，從錐體的末端所形成的射流將具有第二流體，該第二流體圍繞第一流體的內核形成流體鞘。當射流中的流體離開噴嘴100並且朝向收集器電極(未示出)移動時，流體將因溶劑的蒸發 而變幹。當變幹時，所形成的纖維將具有由存在於第一流體中的組分確定的核組分。外部組分將由存在於第二流體中的組分確定。圖3a和3b示出歧管200，該歧管200便於將第一流體和第二流體通過導管而輸送到噴嘴孔110和縫120。如上所述，噴嘴100從基材150的一個表面突出。在基材的第二表面上可以設置通道160以向噴嘴供應第一流體。在圖3a和3b所示的實施方式中，通道160 的截面小於孔110的截面，但是另選地該通道截面可以等於或者大於孔的截面。孔110延伸通過噴嘴100的突出部而進入基材150。通道160沿著基材的第二表面從孔110延伸，任選地偏離孔的中心徑向離開。通道160的該部分由包括基材150的第二表面和歧管200的邊界面組成。通道160繼續通過歧管200，從歧管的一側開通到另一側並且與流體入口 220 相接。如圖3a和3b所示，環狀縫120的徑向厚度比第二通道210的截面尺寸大。然而， 環狀縫120的徑向厚度可以小於或等於第二通道210的截面尺寸。第二通道210還可以呈錐形。整個環狀縫不延伸通到基材的第二側，但僅環狀縫的一部分繼續通過基材。第二通道210與環狀縫的延伸通過基材的部分(即導管)相接。通道210橫向延伸離開噴嘴。另選地，通道210可以以與第一通道160相似的方式位於基材的第二表面中。最後，通道210 通過歧管延伸到第二入口 230。該入口 230與入口 220分離，以允許向孔110和環狀縫120 提供不同的流體。通道160和210的路線允許入口 220和230比噴嘴孔110和120間隔得更遠。額外的間隔允許與兩種流體的儲器更方便的連接。然而，在一些實施方式中，多個噴嘴設置在單一基材上。如果這些噴嘴緊密地擠在一起，則流體入口可能需要被一起更近地間隔開，在每個噴嘴設置有兩個或更多個入口時尤其如此。在這樣的多噴嘴實施方式中，通道160和210可以被相反地布置成僅從兩個入口向基材上的所有噴嘴供應同樣的流體。另選地，兩個或更多個通道可以結合以在內置於基材150的表面和歧管200中的微流體結構中混合。微流體結構的出口可以聯接到噴嘴的孔或環狀縫。圖4示出噴嘴的第二實施方式，在該實施方式中設置用於供應不同流體的三個分離的導管。這三個導管包括中心孔110、第一環狀縫120和第二環狀縫310。所述孔和第一縫和第二縫具有位於孔110的中心處的公共中心。孔110和第一環狀縫120與圖3a的孔和環狀縫相同，因此使用相同的附圖標記。位於孔和縫的端部處的開口有時被稱為空隙。該實施方式允許製造甚至更為複雜的納米纖維。例如，每個空隙可用於供應不同流體，因此所形成的纖維可以具有核、內殼和外殼，該核、內殼和外殼的每個由不同的材料製成。圍繞一些噴嘴表面可以設置疏水傳導塗層320。如圖4所示。該塗層被設置在基材150的下側並且圍繞噴嘴的側面和端部設置，使得圓形壁130、140、330的邊緣被塗覆。第三管狀壁330的外側壁也被塗覆有疏水材料。該疏水傳導塗層320防止被塗覆的表面因通常用作溶劑的水或有機液體和溶液而變溼。擴大的變溼將導致形成不穩定的泰勒錐和不穩定的電紡絲過程。管狀壁130、140、330之間的空隙未被塗覆因為這些表面應完全變溼以形成流體通過導管的均勻流動。噴嘴通過有機或無機薄膜的傾斜蒸發(angled evaporation) 工藝或者通過氟富前體的傾斜注入(angled implantation)以形成氟化類金剛石(F-DLC) 來塗覆。塗層組分優選地具有低濺射量以及低化學反應性。圖4的實施方式還更加詳細地示出噴嘴100如何與歧管200接合。噴嘴從其突出的基材150優選地由矽製成。通道160能夠被蝕刻到基材的背面中，以將流體引到噴嘴。在矽基材的背面上，附接有玻璃或另外的矽層340。歧管200經由墊圈350附接到玻璃或矽層 340，墊圈350將玻璃或矽層340密封至歧管200。墊圈350允許噴嘴從歧管200拆下以進行更換或清潔。 圖4的布置還能夠用於更加可靠地並且在比圖3a的實施方式更大範圍的溶劑的情況下製造兩種材料的納米纖維。如在上述的實施方式中一樣，孔110供應第一流體，並且第一環狀縫120供應第二流體。這兩種流體形成所製造的納米纖維的核和殼。上述實施方式適於利用低蒸汽壓力溶劑從溶液電紡絲和電噴霧纖維和微滴。然而，對於包含納米顆粒和高蒸汽壓力溶劑的溶液，溶劑將太容易蒸發而潛在地導致固體纖維或顆粒太靠近噴嘴地形成，從而可能阻塞噴嘴。為了避免該情況，外環狀縫310能夠圍繞內部兩種流體中的揮發性高蒸發壓力溶劑提供流體鞘。該鞘可以是低蒸發壓力流體，該低蒸發壓力流體在揮發性溶劑離開噴嘴之前防止該揮發性溶劑的快速蒸發，由此防止噴嘴中發生阻塞。另選地，外空隙310供應更多的高蒸發壓力溶劑以使噴嘴表面飽含溶劑從而防止變幹。這在圖5中示出，在圖5中，外環狀縫310的空隙將飽和蒸汽攜帶至邊緣，以確保壁 130始終具有飽和蒸氣。關於可使用於噴嘴的基本電氣布置、材料和塗層的其它細節在圖6的簡圖中示出。噴嘴100由矽基材390製造。矽的一些表面或所有表面可被氧化為二氧化矽410。圖 6示出了噴嘴的所有表面都被氧化。二氧化矽410表面防止電紡絲流體440與矽作用或反應。具體地，二氧化矽層410防止緩衝溶液(諸如在生物科學中使用的那些溶液)影響矽。除了可用於防止噴嘴的外部變溼和導致形成不穩定的泰勒錐的疏水塗層之外，可以使用親水塗層。在圖6中，疏水塗層420覆蓋噴嘴的外表面。疏水塗層利用「瞄準線(line of sight) 」塗覆技術(諸如如上所述的傾斜熱蒸發)來沉積。親水塗層430覆蓋噴嘴的內表面，以幫助用流體440使噴嘴100的孔變溼。另外幫助沿噴嘴的長度向下用流體變溼是增加尖角凹面，以將流體沿噴嘴向下引導。例如，圖7示出放置在噴嘴100中的杆450。該杆截面比噴嘴的孔的截面小。可以使用孔和杆的其它形狀，但在圖7的實施例中，在杆的凸面與孔的凹面相接之處減小的表面張力將沿噴嘴向下引導流體。在圖6中，通過電極400與流體440直接接觸而與電紡絲流體形成電接觸。電極可被布置成浮在流體上，使得當流體液位改變時，電極400保持與流體接觸。另選地，電極 400可以形成在基材的第二表面上。第二電極450形成在與噴嘴間隔開的收集器處，也如圖 2所示。圖8a至8c示出用於噴嘴的電極和塗層的另選布置。圖8a示出與圖6的噴嘴類似的噴嘴，其中，在均位於噴嘴內的兩個表面上(諸如在孔中)以及還在電紡絲流體不在其上流動的外表面上，矽390的表面被氧化成二氧化矽410。這是為了保護整體的噴嘴不受反應性化學製品、溶劑或者細胞物質的影響。噴嘴的內表面(即，孔和流體保持腔)被塗覆有親水塗層431。優選地，親水塗層431是導電的，以允許與噴嘴中的並且儘可能靠近噴嘴的出口的流體形成電接觸。這作為如上所述的被形成在基材的第二表面上的電極的替代方式或除了該被形成在基材的第二表面上的電極以外。親水塗層431可以是生化惰性導電薄膜。這可以呈諸如鉬的薄膜金屬或諸如鉭氮化鋁的傳導陶瓷的形式。親水塗層不得延伸在噴嘴的外表面上，否則這些外表面將變溼並且泰勒錐將不會被限制，從而導致電短路等。如上所述，噴嘴的外表面塗覆有疏水塗層421以防止變溼。圖8b示出另選實施方式，其中，矽表面未被氧化並且導電親水塗層(諸如鉬或鉭氮化鋁)直接粘附到噴嘴的內表面上的矽390。疏水塗層421被施加至所述外表面。該實施方式提供用於電紡絲這樣的材料的更簡單的結構，該材料較少與矽反應並且不需要二氧化矽層來防止電紡絲流體以化學的方式影響矽。圖8c至8d示出安裝至封裝件460的噴嘴100。在這兩個圖的實施方式中，通過導體401與電紡絲流體形成電接觸。噴嘴100與封裝件460在封裝件中具有孔的地方相接， 以允許電紡絲流體流入噴嘴中。導體401繞封裝件中的孔的邊緣包覆。在圖8c中，矽噴嘴的表面已被氧化為二氧化矽，如圖8a中所示。在圖8c和8d中，疏水塗層被施塗至噴嘴的外表面，以防止變溼並幫助形成穩定的泰勒錐。圖9a示出已被蝕刻以形成大量噴嘴的基材。這些噴嘴是具有單個導管和單個開口的單壁噴嘴。它們通過等離子蝕刻被形成。單個噴嘴和同心的線性的和二維的噴嘴陣列或單壁噴嘴通過照相平版印刷、深反 應離子蝕刻、沉積和薄膜蝕刻的結合來微型製造。噴嘴的大部分材料是矽，以允許使用現成的深蝕刻工具。圖％示出三個噴嘴，該三個噴嘴形成有泰勒錐並且從該錐排出流體射流。圖IOa和IOb示出噴嘴100如何被封裝的更多細節。單獨噴嘴的封裝將需要每個噴嘴被分離地安裝到保持件內，使得每個噴嘴能夠被處理並且附接到電紡絲系統。由於噴嘴的尺寸因此這將是昂貴的。由於噴嘴趨於以陣列的方式被使用並且本文所述的噴嘴在矽基材上由矽製造，因此便於將噴嘴封裝成陣列。圖IOa示出由矽基材的帶連接的噴嘴陣列。 所述封裝件是注射成型塑料製品，在該注射成型塑料製品中形成凹部從而矽基材被部分地安置於凹部中。通過塑料製品向噴嘴設置有通孔，以用於流體供應。這可以對於所有噴嘴使用一個孔或者對於每個噴嘴使用單獨的孔來進行。在早前所述的實施方式中，其中，噴嘴具有用於製造複雜和/或成層的纖維的多個開口，每個噴嘴中的每個開口均通過單獨孔被供應諸如通向圖3a中的每個流體入口。注射成形封裝件與矽噴嘴陣列之間的密封優選地是不漏氣的。在封裝層的與陣列相反的側面上設置凹槽，該凹槽在陣列的外周周圍並且與陣列的邊緣間隔開。該凹槽提供流體密封。圖IOa示出十個噴嘴的陣列。這些噴嘴在圖IOb中以更詳細的視圖示出。位於該陣列的端部處的噴嘴是偽噴嘴，所述偽噴嘴不用於電紡絲，而是提供場的均勻性。也就是說，如果在電紡絲中使用位於陣列的端部處的真噴嘴，則它們將遭遇與其它噴嘴不同的場並且將導致從端部噴嘴形成的纖維與從其它噴嘴形成的纖維不同。為了避免該情況，端部噴嘴包括用於在噴嘴附近產生電場的電極，而流體不能穿過該噴嘴。因此，該偽噴嘴減小由位於噴嘴陣列的端部處的不同電場造成的所形成的纖維的差異。這些噴嘴陣列能夠被用於同時製造多個纖維。這些纖維能夠被平行地製造，並且任選地，能夠立即被編織在一起。另選地，纖維以相對於噴嘴而言隨機的取向被製造，並且稍後能夠被編織成紗線。圖11是與圖4和5的噴嘴相似的噴嘴的示意圖，但是包括已知為引出柵極 (extractor gate)的附加電極。噴嘴100包括三個導管中央孔110、第一環狀縫120和第二環狀縫310。每個導管均具有單個開口。與圖4和5類似，流體通過分離的微流體通道 500被供應到每個開口。噴嘴由矽150製造，矽之後的層為矽絕緣層。與圖4和5類似，下一層340是矽玻璃。與將玻璃和矽放在一起而不存在層510相比，矽絕緣層510提供與這些材料(玻璃和矽)更好的熱配合。再下一層是墊圈350。該墊圈允許噴嘴(包括層150、 510和340)被從歧管200移除，以進行更換或清潔。引出柵極520通過諸如玻璃微球體的絕緣間隔件530與噴嘴的基材150間隔開。然而，對於間隔件可以使用其它形狀和材料。引出柵極520是在其表面上已被氧化為二氧化矽的矽。引出柵極520的二氧化矽表面被印刷或塗覆有導體，從而圍繞圓形噴嘴提供均勻的電場。引出電極包圍噴嘴，使得電場線圍繞穿過噴嘴的中央的軸線呈圓形對稱。引出電極可以形成類似於通過基材的通路，並且塗覆有傳導材料。所述通路足夠大，從而流體通過通路而不與其接觸。弓丨出電極允許使用收集器電極和流體之間的較低電勢差來形成並保持泰勒錐。為了利用陣列中的多個噴嘴進行電紡絲，弓丨出電極能夠被連接使得所有引出電極供應相同的電場。另選地，每個引出電極均能被獨立地控制。通過獨立地控制每個引出電極，供不同流體從其穿過的不同噴嘴能夠接收不同的場，由此允許每個纖維的電紡絲被精細地控制。這允許陣列來電紡絲不同的纖維，以允許紡絲纖維與其它纖維結合而形成複雜的納米纖維和生物分子材料。圖11的實施方式還示出可以被 包含的詢問或監控系統。該系統包括透鏡610和光纖620。該系統還可以包括法布裡-珀羅(Fabry-Perot)微壓力傳感器630。例如，光纖和透鏡(諸如球透鏡)可以被使用於反射模式以檢查在微流通道500中存在流體。另選地， 傳感器630包括法布裡-珀羅腔，該腔在場的壓力下輕微地膨脹和收縮。腔的直徑的變化通過使用光纖結合幹涉計來檢測。詢問和監控系統能夠用於監控阻塞並且用於檢查流體流率。這種參數的監控對於具有一個陣列中的多個噴嘴或者多個陣列的規模可變的系統來說是重要的。圖12a至12d示出噴嘴100和引出電極520的一些尺寸。圖12a和12b示出多個噴嘴。每個噴嘴均包括多個導管。這些導管包括中央孔和兩個同心的環狀縫。引出電極與外環狀縫間隔開。圖12d示出在被裝配到噴嘴之前的引出電極。該引出電極包括單個基材， 該單個基材具有圓形孔或通路，噴嘴通過該圓形孔或通路可被看見。在圖12d中，單個的引出電極被用於布置成六角形圖案的十九個噴嘴。引出電極中的孔的直徑大約為1. Omm,並且孔中心之間的距離大約為1. 5mm。圖12c詳細地示出噴嘴的壁。每個壁高達至5μπι厚。中心內孔的直徑大約為 320 μ m。第一環狀縫的直徑大約為450 μ m,並且第二環狀縫的直徑大約為580 μ m。因此， 兩個環狀縫均具有大約130 μ m的徑向厚度。上述尺寸僅是示例，因此可以使用其它尺寸的噴嘴、電極、導管和開口。對於最佳電紡絲，導管的尺寸應該根據使用的實際流體的粘度決定。當對於電紡絲而言不同的材料時應該使用不同的噴嘴。孔或環狀縫的半徑或徑向厚度可能需要被基於所使用的流體的粘度進行調節，以對於納米纖維的每層提供正確的流率。因此，每種纖維類型或材料的混合物都可能需要使用不同的噴嘴。流率過高可能阻止形成泰勒錐或者可能導致沉積為納米纖維的材料厚度不對。本領域技術人員將容易理解，可以對上述噴嘴和電紡絲部件和系統進行各種修改和替換，而不脫離所附權利要求的範圍。例如，可以使用不同材料、尺寸和形狀的噴嘴。另外， 儘管上述實施方式主要涉及電紡絲，但這些技術和裝置還可以被使用於電噴霧和電噴射。
權利要求
1.一種電紡絲、電噴射或電噴霧噴嘴，該噴嘴用於從流體錐形成流體射流，該噴嘴具有多個導管，所述多個導管被布置成用於供應在形成所述流體射流中使用的多種流體。
2.根據權利要求1所述的噴嘴，其中，每個導管均形有成一個或更多個開口。
3.根據權利要求2所述的噴嘴，其中，所述一個或更多個開口被布置成使得在所述射流中，第一流體至少部分地圍繞第二流體。
4.根據權利要求3所述的噴嘴，其中，所述一個或更多個開口被布置成使得在所述射流中，第一流體形成圍繞第二流體的護套。
5.根據權利要求2至4中任一項所述的噴嘴，其中，第一導管的所述一個或更多個開口與第二導管的所述一個或更多個開口同心。
6.根據前述權利要求中任一項所述的噴嘴，其中，所述噴嘴位於基材上。
7.根據權利要求6所述的噴嘴，該噴嘴包括界定所述開口的壁，其中，所述壁從所述基材的第一表面突出。
8.根據權利要求7所述的噴嘴，其中，所述導管延伸通到所述基材的與所述第一表面相反的第二表面。
9.根據權利要求8所述的噴嘴，該噴嘴還包括位於所述基材的所述第二表面中的通道，該通道與所述導管中的一個導管相接。
10.根據權利要求8或9所述的噴嘴，該噴嘴還包括板，該板貫穿有孔，所述孔被布置成與所述通道相接。
11.根據權利要求10所述的噴嘴，該噴嘴還包括墊圈，該墊圈用於相對於岐管密封所述噴嘴。
12.根據權利要求9所述的噴嘴，該噴嘴還包括具有一個或更多個開口的第三導管。
13.根據權利要求12所述的噴嘴，其中，所述第三導管的所述一個或更多個開口與所述第一導管的所述一個或更多個開口同心。
14.根據前述權利要求中任一項所述的噴嘴，其中，所述第一導管具有柱形開口。
15.根據前述權利要求中任一項所述的噴嘴，其中，所述第二導管具有環形開口。
16.根據權利要求14所述的噴嘴，其中，所述柱形開口包括直徑小於所述開口的杆，該杆沿與所述導管相同的方向延伸並且結合到所述導管的壁。
17.根據前述權利要求中任一項所述的噴嘴，其中，所述噴嘴被微加工而成。
18.根據權利要求6至11中任一項所述的噴嘴，其中，所述基材是矽。
19.根據權利要求10或11所述的噴嘴，其中，所述板是玻璃。
20.根據權利要求10、11或19所述的噴嘴，其中，所述板和所述基材之間是矽絕緣層。
21.根據前述權利要求中任一項所述的噴嘴，其中，所述導管的表面被塗覆有親水材料。
22.根據前述權利要求中任一項所述的噴嘴，其中，所述噴嘴的外表面被塗覆有疏水材料。
23.根據前述權利要求中任一項所述的噴嘴，其中，所述噴嘴形成在第一基材上並且包括至少一個壁，該壁界定所述導管中的一個或更多個開口，所述壁從所述基材的第一表面突出，所述噴嘴還包括與所述基材間隔開的引出電極，所述電極適於提供關於一個所述導管的中心軸線對稱的電場。
24.根據權利要求23所述的噴嘴，其中，所述引出電極包括第二基材，該第二基材與所述第一基材間隔開並且具有通路，該通路穿過所述第二基材並且比所述導管的所述開口大，以允許來自所述噴嘴的流體從該通路通過。
25.根據權利要求24所述的噴嘴，其中，所述引出電極通過電絕緣材料形成的球與所述第一基材間隔開。
26.一種噴嘴陣列，該噴嘴陣列包括多個根據權利要求2所述的噴嘴，所述噴嘴設置在公共基材上。
27.根據權利要求26所述的噴嘴陣列，其中，所述陣列是線性陣列。
28.根據權利要求27所述的噴嘴陣列，其中，所述陣列是二維陣列。
29.根據權利要求27或28所述的噴嘴陣列，其中，該噴嘴陣列還包括位於所述陣列的周邊的突起，所述突起適於具有與所述噴嘴相同的外觀但不適於排出流體。
30.一種噴嘴陣列，該噴嘴陣列包括多個根據權利要求23至25中任一項所述的噴嘴， 其中，每個噴嘴均設置在公共基材上，並且公共引出電極向所述噴嘴提供電場。
31.一種設置成形成流體射流的電紡絲、電噴射或電噴霧設備，該設備包括權利要求1 至25中任一項所述的噴嘴，或者包括權利要求26至30中任一項所述的噴嘴陣列。
32.根據權利要求31所述的設備，該設備還包括與流體輸送系統連接的多個流體儲器，所述流體輸送系統具有帶流體出口的歧管，所述流體出口布置成向所述噴嘴或噴嘴陣列供應流體，所述噴嘴或噴嘴陣列通過墊圈相對於所述歧管密封。
33.根據權利要求32所述的設備，其中，所述噴嘴或噴嘴陣列適於從所述歧管拆下。
34.根據權利要求31至33中任一項所述的設備，該設備還包括光纖，所述光纖被布置成將光引向用於運送流體的導管或通道處；以及檢測器，該檢測器布置成監控從所述導管或通道接收到的光。
35.根據權利要求31至34中任一項所述的設備，該設備還包括法布裡_珀羅腔，該法布裡_珀羅腔用於監控所述設備中的流體壓力。
36.一種電紡絲、電噴射或電噴霧設備，該設備包括噴嘴，該噴嘴用於從流體錐形成流體射流，所述噴嘴具有至少一個導管，所述至少一個導管布置成用於供應在形成所述流體射流中使用的至少一種流體；以及歧管，該歧管用於從一個或更多個流體儲器向所述噴嘴供應流體，其中，所述噴嘴和所述歧管適於使得所述噴嘴能夠從所述歧管拆下。
37.根據權利要求36所述的設備，其中，所述歧管是注塑成型的。
38.根據權利要求36或37所述的設備，其中，所述歧管是塑性的。
39.根據權利要求36至38中任一項所述的設備，其中，所述噴嘴是權利要求1至25中任一項所述的噴嘴。
40.根據權利要求31至39中任一項所述的設備，該設備還包括電場裝置，該電場裝置被布置成形成所述流體錐和流體射流。
41.根據權利要求31至40中任一項所述的設備，該設備還包括收集部，該收集部用於收集通過電紡絲或電噴霧產生的纖維或顆粒。
42.一種電紡絲、電噴射或電噴霧的方法，該方法包括從多個導管供應多種流體，使得所述多種流體被用於從流體錐形成流體射流，所形成的射流包括所述流體中的至少一種流體。
43.根據權利要求42所述的方法，其中，所述流體射流包括所述多種流體中的兩種或更多種流體。
44.根據權利要求42所述的方法，其中，所述多種流體中的一種流體繞所述流體射流形成氣鞘。
45.根據權利要求42至44中任一項所述的方法，其中，從每個導管供應的所述流體被引入一個或更多個開口中。
46.根據權利要求42至45中任一項所述的方法，其中，所述射流包括至少部分地圍繞第二流體的第一流體。
47.根據權利要求46所述的方法，其中，所述第一流體形成圍繞第二流體的液體護套。
48.根據權利要求45至47中任一項所述的方法，其中，從第一導管供應的所述流體引入通過第二導管的與所述一個或更多個開口同心的一個或更多個開口。
49.根據權利要求42所述的方法，該方法包括供應三種或更多種流體，其中，所述流體中的兩種是液體，並且所述流體射流包括所述兩種液體，並且第三種流體形成圍繞所述流體射流的氣鞘。
50.根據權利要求43或49所述的方法，其中，位於所述射流的中心處的第一流體具有比第二流體更高的蒸汽壓力。
51.一種製造纖維、微滴或顆粒的方法，該方法包括權利要求42至50中任一項所述的方法，其中，所述纖維、微滴或顆粒由所述液體射流中的流體形成。
52.根據權利要求51所述的方法，其中，所述纖維、顆粒或微滴具有由所述流體中的一種流體形成的核和由所述流體中的另一種流體形成的殼。
53.根據權利要求51所述的方法，其中，所述纖維、顆粒或微滴具有由所述流體中的一種流體形成的核；由所述流體中的另一種流體形成的、至少部分地圍繞所述核的內殼； 以及由所述流體中的再一種流體形成的外殼。
54.一種根據權利要求51至53中任一項所述的方法製造的纖維、顆粒或微滴。
55.一種噴嘴，該噴嘴基本上如參照附圖中的圖3至圖12在本文中所述。
56.一種用於電紡絲、電噴射或電噴霧的設備，該設備基本上如參照附圖中的圖3至圖 12在本文中所述。
57.一種電紡絲、電噴霧或電噴射的方法，該方法基本上如參照附圖中的圖3至圖12在本文中所述。
58.一種製造纖維、顆粒或微滴的方法，該方法基本上如參照附圖中的圖3至圖12在本文中所述。
全文摘要
公開一種用於電紡絲、電噴射和/或電噴霧的設備和方法。所述設備包括用於從流體錐形成流體射流的噴嘴，該噴嘴具有多個導管，所述多個導管被布置成用於供應在形成所述流體射流中使用的多種流體。所述導管形成一個或更多個開口，例如，用於製造單核-單殼納米纖維和顆粒或者單核-多殼納米纖維和顆粒的同心開口。所述設備還可包括用於從一個或更多個流體儲器向所述噴嘴供應流體的歧管。
文檔編號D01D5/30GK102449210SQ201080023700
公開日2012年5月9日 申請日期2010年3月26日 優先權日2009年3月31日
發明者R·史蒂文斯 申請人:科學技術設備委員會