基于层流与3D打印技术的凝胶纤维制备

发布时间：2020-05-23 16:42

【摘要】：纤维作为载体具有许多优点,纤维一般较为细长,容易弯曲,即使在折叠卷曲的情况下,也不会损坏其结构。利用这些材料特性,可以将纤维交错编织,捆绑折叠后以后形成更加复杂的纤维网络,这些复杂的纤维网络结构可用于体外的三维细胞培养或者是更加复杂的体外三维组织的构建。众所周知,生物体许多的组织结构都呈现层层叠叠的纤维状。正因如此,纤维材料作为载体在构建仿生血管以及组织工程等领域都受到了极大的关注。基于微流控技术制备的纤维已经被用于模拟管状,多层管状或其它纤维状组织结构。3D打印是一种广泛应用于制备管状结构的新兴技术,为构造复杂的仿生组织提供了一个崭新的平台。不过3D打印技术在制备具有微通道的装载细胞的水凝胶时,一般需要精确堆叠以及单独制备各个分层的精细过程,而且打印所需的生物油墨造价十分高昂。因此进一步完善凝胶纤维的制备方法十分必要。本研究通过两种技术方法设计了不同的装置并用于制备不同尺寸的凝胶纤维,进一步完善了凝胶纤维的制备方法,也为体外构建多层血管组织提供了一个新的思路。本研究所取得的结果如下:1.设计并制作了一种微流控芯片装置,进一步优化调整芯片微管道内流体的组成、速度以及浓度,从而完成了对层流流速的探索,为后续制备凝胶纤维的实验提供了关键参数。2.基于微流控层流技术设计并制作了一种毛细管套组装置,通过调整优化各相流体的流速与浓度,成功的制备了从100μm到1000μm的多种尺寸的凝胶纤维以及中空凝胶纤维,进一步完善了微流控层流技术对凝胶纤维的可控制备。3.基于3D打印技术,设置了一系列可重复利用的模具,该模具设计简单、无需亲疏水修饰且制作用时短。利用模具多次嵌套与剥离的方法,成功的制备了多层中空凝胶纤维。
【图文】：

图 1-2 (a) 中空凝胶纤维的形成。(b) 多相流体的分层。(c) 中空凝胶纤维的明场图像。(d, e) 特定的流速条件下制备的具有单孔的中空凝胶纤维的 SEM 图像。(f) 当液体模板流体流速改变时，内核区域尺寸的定量分析。比例尺：50 μm。(Choi et al. 2011）Figure 1-2 (a) Formation of hollow microfibers. (b) Layering of multiphase fluids. (c) Brightfield imageof hollow microfibers. (d, e) SEM images of single-hole hollow microfibers prepared at specific flowrates. (f) Quantitative analysis of the size of the core region when changing the fluid flow rate. Scale bars:50 μm.(Choi et al. 2011)Yu 等（2016）提出了一种用于连续制备中空凝胶纤维的便捷方法，该方法仍是基于层流技术的微流体控制，制备出一系列具有不均匀结构组成的凝胶纤维载体（图 1-4）。研究者利用微流体芯片调控多层流体的流动，使其处于一个稳定的层流状态，进一步制备了具有多个隔室或部件的多种中空凝胶纤维。如图 1-3 (a)所示，该芯片具有多层微通道结构，这种芯片设计是确保能够快速形成平稳多层流体流动的关键，并成为制备中空凝胶纤维的先决条件。该芯片具有多层微通道结构，包括核心流动通道（第一层），分支样本流动通道（第二层）和 Y 形鞘流通道（第三层），通过扫描电子显微镜（SEM）分别从横向和纵向观察了该芯片的多层结构（图 1-3 (b)）。

图 1-3 制备多种凝胶纤维的微流控芯片示意图。(a) 制备非均匀中空凝胶纤维的微流控芯片(b) (a) 中所出示的微流体芯片的 SEM 图像。(b1) 所得芯片的横截面。(b2) - (b4) (b1)中标出的芯纵向截面。（Yu et al. 2016）Figure 1-3 Microfluidic chip for preparing microfibers. (a) Microfluidic chip for the production of unevhollow microfibers. (b) SEM image of the microfluidic chip shown in (a). (b1) Cross-sectional image.(B2)-(b4) Longitudinal section image in (b1).(Yu et al. 2016)除了制备单个空腔结构的凝胶纤维之外，Yu 等（2016）还研究了如何制备具有个空腔和多个隔层的凝胶纤维。例如，，其尝试制备具有五个空腔和三个隔室的凝胶维。为了区分多个隔室，实验中选用与不同荧光颗粒混合的两种海藻酸钠溶液作为品流（图 1-4），为了得到多空腔多隔室的复杂结构，Yu 等（2016）设计了一种微流芯片用于制备具有五个空腔的凝胶纤维，将海藻酸钠溶液引入样品流通道后，预设其通过每个分支通道终端入口的顺序，待其相遇后不同相的流体会形成层流。随后溶液聚合生成一个整体的凝胶纤维。图 1-4 (a-c)显示了海藻酸钠溶液的多种灌注形式用于制备所需的多种凝胶纤维。凝胶纤维横向和纵向截面的表征图很好地展示了其有多个隔室的内部结构，纤维横截面的左右或上下分布了不同的隔室（图 1-4 (a, c)
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ342

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本文编号：2677652