[发明专利]一种集成微流体纺丝芯片及其制备再生丝素蛋白纤维的方法

说明书

技术领域

本发明属于仿生学、微流体纺丝领域，涉及一种集成微流体纺丝芯片及其制备再生丝素蛋白纤维的方法；特别是涉及一种在同一芯片中实现对纺丝液的剪切拉伸、组分调节、浓缩和纺丝等多种功能集成的微流体干法纺制再生丝素蛋白纤维方法。

背景技术

蜘蛛或家蚕等生物体能够在常温常压下以水为溶剂，制得力学性能优异的蛋白纤维，整个过程耗能低，并且没有有机溶剂的使用，对环境友好。所以仿生纺丝研究对工业纤维生产意义重大。

虽然蜘蛛牵引丝的综合力学性能最好，但由于蜘蛛及其产生的丝种类繁多、难以大量获得，给蜘蛛丝的仿生研究带来很大的限制。相比于蜘蛛丝的难以获得，蚕丝在几千年前就被人们所使用，并且其力学性能和氨基酸序列与蜘蛛牵引丝相近；而邵正中等的研究表明，优化蚕丝的纺丝工艺可以明显改善其力学性能，所以，人们转而对家蚕进行仿生研究。

研究表明，生物体在纺丝过程中，纺丝液的金属离子含量发生变化、pH降低、浓度逐渐增加；纺丝液在流经生物纺丝器的某些特殊区域时受到的拉伸剪切作用，使动物丝蛋白的构象由无规线团和/或α-螺旋构象向不溶于水的β-折叠转变。所以，生物体的纺丝过程是一个集成了组分调节、拉伸剪切、pH降低及蛋白浓缩等多种功能的统一协调过程。而目前以蚕丝蛋白为原料的人工纺丝研究较多的是湿纺、干纺和静电纺。这些纺丝方法虽然工艺成熟，但由于装置简单，仿生程度较低，制备出的蛋白纤维力学性能较天然丝差。微流体技术由于其特殊的性质，如溶液在通道中呈现层流特性、灵活可控的通道设计等，而引起人们的广泛关注。将微流体技术应用在纺丝领域，可以实现传统纺丝工艺难以达到的条件。例如，专利WO2007/141131(A1)和US2010029553(A1)利用层流扩散原理，设计了一种微流体芯片，实现了对再生丝素蛋白溶液的pH和金属离子浓度的调节。专利申请号为201019063008.1和201010581835.2的专利，将微流体芯片与静电纺工艺结合，制备了再生丝素蛋白纳米纤维。申请号为201110007230.7的专利，将微流体芯片与湿纺、干纺和静电纺相结合的纺丝方法，进一步应用在再生丝素蛋白溶液体系，制备出性能优异的再生动物丝。专利号为ZL201110007232.6的专利，设计了具有剪切拉伸功能的微流体芯片，与干纺结合，应用在再生丝素蛋白溶液体系，实现了对纺丝液的剪切拉伸，但是与生物纺丝过程的多种作用相比，功能单一、仿生程度低。

虽然，目前微流体技术在仿生纺丝领域已有一定的发展，但与生物纺丝过程相比，微流体纺丝芯片仍然过于简单、功能单一，尚未在同一芯片中实现对纺丝液的剪切拉伸、组分调节、浓缩和纺丝等多种功能，与真正仿生纺丝还有很大的差距。

发明内容

本发明以蜘蛛或家蚕的生物纺丝过程为出发点，设计了复杂的微流体通道，模拟生物体内纺丝液的复杂流场，并采用多层微流体技术和干法纺丝工艺，实现了芯片的多功能集成，仿生程度大大提高；室温下以5～50%的再生丝素蛋白水溶液为纺丝原液，经过微流体芯片的离子调控、剪切拉伸和蛋白浓缩，得到性能优异的再生动物丝蛋白纤维。

本发明的目的在于提供一种模拟生物纺丝过程的微流体纺丝芯片及其用于再生丝素蛋白溶液的纺丝方法。

本发明的一种集成微流体纺丝芯片，所述的集成微流体纺丝芯片是一种三层结构，包含上、下两层聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜片和介于上、下两层PDMS膜片之间的透析膜；所述的上、下两层PDMS膜片上有对应的凹槽，上层PDMS膜片的凹槽与所述透析膜的一个面贴合形成上层微流体通道，下层PDMS膜片的凹槽与所述透析膜的另一个面贴合形成下层微流体通道；上层PDMS膜片的凹槽开口和下层PDMS膜片的凹槽开口相对。

所述的上层微流体通道，根据功能依次分为调节段、拉伸段和剪切段；所述的上层微流体通道的宽度从入口到出口变化，其中，调节段和剪切段的宽度不变，拉伸段的宽度逐渐变小；所述的下层微流体通道的调节段、拉伸段和剪切段的水平剖面形状与上层微流体通道的水平剖面形状呈镜像关系；所述上下两层微流体通道全程的深度相等；纺丝时溶液均是从通道的调节段流进，剪切段流出。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种集成微流体纺丝芯片，所述的微流体通道在PDMS膜片上呈纵向或横向蛇形排布；所述的纵向蛇形排布是指通道的纵向竖直排列部分平行于PDMS膜片的短边；所述的横向蛇形排布是指通道的水平排列部分平行于PDMS膜片的长边；