大規(guī)模制備高性能生物相容光纖的新方法

據(jù)報道，東華大學(xué)朱美芳院士課題組開發(fā)了可用于制備多種皮芯結(jié)構(gòu)水凝膠光纖的集成式光引發(fā)動態(tài)濕法紡絲工藝。該工藝可為多種水凝膠皮芯纖維體系提供對纖維直徑、機械性能、光學(xué)性能的精確控制。

皮芯結(jié)構(gòu)水凝膠光纖的皮層選用海藻酸鈉作為前驅(qū)液，芯層選用聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和丙烯酰胺（AAm）的水溶液作為前驅(qū)液。通過自制的同軸紡絲噴頭，在有牽伸的條件下將前驅(qū)液擠出至氯化鈣凝固浴中。鈣離子擴散進入海藻酸鈉中，并使其交聯(lián)固化，形成水凝膠皮層。同時在噴頭附近用紫外光照射光纖，使PEGDA和AAm發(fā)生自由基聚合，形成凝膠網(wǎng)絡(luò)。研究人員在實驗室條件下制備了10m 長的連續(xù)光纖，可以預(yù)見，該方法同樣適用于千米長度的光纖制備。此外，通過調(diào)節(jié)前驅(qū)液濃度、單體比例、拉伸速度、擠出速度和皮芯擠出速度比，可以很方便地改變光纖的光學(xué)、機械性能及尺寸。

研究人員分別對光纖長度、光波長、光纖粗細和光纖彎曲角度對光損耗的影響進行了探究，并選用沒有皮層的PEGDA/AAm 光纖作為對照。研究表明，沒有皮層的光纖無全反射現(xiàn)象，散射損耗嚴重；光纖越長，其傳播過程中的光損耗也越大。隨著光波長增長，光纖損耗逐漸降低，這主要是因為PEGDA/AAm 等高分子材料對長波長的光透過率較高。隨著光纖芯層直徑增大，損耗降低，這是由于粗光纖中光在界面的全反射次數(shù)降低，反射時的損耗降低。光纖彎曲會增加光損耗，在彎曲角度為180o時，光纖末端的光強僅為無彎曲時的50%。不過這一損耗并非永久性的，在回復(fù)至初始形狀后光纖的損耗也回復(fù)至初始水平。

對于可植入光纖來講，其在體內(nèi)的使用性與力學(xué)性能和生物相容性有關(guān)。本實驗中的皮芯水凝膠光纖的力學(xué)性能主要取決于強度較高的PEGDA/AAm 芯層，當(dāng)提高皮/芯擠出速度比時，芯層直徑迅速下降，而皮層先下降，后基本不變。因而光纖的總直徑會下降，并導(dǎo)致拉伸強度和模量下降、斷裂伸長率提升。在光纖材料上接種NIH-3T3細胞3天后，空白組和光纖材料上的細胞群落密度并無明顯不同，證明材料無細胞毒性。相比于傳統(tǒng)光熱治療或光遺傳學(xué)中使用的二氧化硅基和高分子基光纖，皮芯水凝膠光纖在保證良好的光傳導(dǎo)性能的同時還具有更優(yōu)異的生物相容性。