(57)【要約】本発明は、概して、電界紡糸の分野に関する。特に、本発明は、導電性材料の対向要素の間に配置される伸長開口によって画定されるスリット治具を含む、電界紡糸デバイスに関する。これらの要素は、開口を通した流体の流動および開口を横断した電場に影響を及ぼす、様々なパターン／形状を含む。一側面では、本発明は、合致する波長および振幅を伴うＳ波パターンを有する２つの壁によって形成されるスリット表面に関する。一実施形態では、内壁および外壁は、相互を鏡映するＳ波パターンを有する。一実施形態では、内壁および外壁は、相互を鏡映するＳ波パターンを有し、内壁表面と外壁表面との間の距離は、その長さ全体を通して一定である。
2016529411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界紡糸装置であって、
対向要素の間に配置される伸長開口を有する容器であって、各要素は、第１のパターンを伴う内壁および第２のパターンを伴う外壁を有する、容器と、
前記容器と流体連通する、流体リザーバと、
電圧を前記容器に印加するように構成される、電圧源と、
前記伸長開口からある距離に位置付けられる、コレクタと、
を備え、
前記第１のパターンは、前記伸長開口の形状を画定し、前記第２のパターンは、前記伸長開口の電位を画定する、電界紡糸装置。
【請求項２】
前記第１のパターンは、向上された流体流動の領域を提供し、前記第２のパターンは、向上された電位の領域を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のパターンは、均一流体流動の領域を提供し、前記第２のパターンは、向上された電位の領域を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１のパターンは、向上された流体流動の領域を提供し、前記第２のパターンは、均一電位の領域を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記伸長容器は、導電性材料から形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記コレクタは、その上に少なくとも１つの電気的に接地された点を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
電界紡糸の方法であって、
対向要素の間に配置される伸長開口を有する容器であって、各要素は、第１のパターンを伴う内壁および第２のパターンを伴う外壁を有する、容器と、
前記容器と流体連通するポリマー溶液を含有する、流体リザーバと、
前記伸長開口からある距離に位置付けられる、コレクタと、
前記開口と前記コレクタとの間に電位を印加するように構成される、電圧源であって、前記第１のパターンは、前記伸長開口の形状を画定し、前記第２のパターンは、前記伸長開口の電位を画定する、電圧源と、
を提供するステップと、
前記開口を通して、前記ポリマー溶液を流動させるステップと、
前記開口と前記コレクタとの間に電位を印加し、少なくとも１つの電界紡糸ジェットを形成し、それによって、電界紡糸ファイバを形成するステップと、
前記電界紡糸ファイバを前記コレクタ上に収集するステップと、
を含む、方法。
【請求項８】
前記第１のパターンは、前記開口を通して向上された流体流動の領域を提供し、前記第２のパターンは、前記開口を横断して向上された電位の領域を提供する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１のパターンは、前記開口を通して均一流体流動の領域を提供し、前記第２のパターンは、前記開口を横断して向上された電位の領域を提供する、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１のパターンは、前記開口を通して向上された流体流動の領域を提供し、前記第２のパターンは、前記開口を横断して均一電位の領域を提供する、請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記伸長容器は、導電性材料から形成される、請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｓｌｉｔ  Ｆｉｘｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ  Ｓｐｌｉｔ−Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇと題され、２０１３年８月２日に出願された、米国仮出願第６１／８６１，６２４号に対する優先権およびその利益を主張するものであり、該仮出願の全体は、参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
本発明は、概して、電界紡糸の分野に関する。特に、本発明は、導電性材料の対向要素の間に配置される伸長開口を伴う治具を含む、電界紡糸デバイスに関する。これらの要素は、開口を通した流体流動および開口を横断した電場に影響を及ぼす、様々なパターンおよび／または形状を含んでもよい。
【背景技術】
【０００３】
電界紡糸は、多くの天然および合成ポリマーの小径ファイバの生産のための多用途技術である。これは、バイオポリマー（ＤＮＡ、ゼラチン）、液晶ポリマー（ポリアラミド）、織物ファイバポリマー（ナイロン）、および導電性ポリマー（ポリアニリン）等を含む（Ｊ．  ｏｆ  Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，３６（２）：１６９（１９９７）；Ｊ．  ｏｆ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ７２（１）：１５６（２０５０５）；Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ７（３）：２１６（１９９６）；Ｐｏｌｙｍｅｒ  ４３（３）：７７５  （２００２）；Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８３（２０）：４２４４（２００３））。電界紡糸は、イオンが液体リザーバ内におけるポリマー溶液への高電荷の印加によって気相に伝達される、プロセスである。電場への導電性液体の小容量の暴露は、液体を表面張力のみによって確立される形状から変形させる。電圧が増加するにつれて、電場力は、液体の表面張力に接近し、凸状側面および丸みを帯びた先端を伴うテイラーコーンの形成をもたらす。閾値電圧に達すると、円錐のわずかに丸みを帯びた先端が反転し、円錐ジェットまたはシースジェットと呼ばれる液体のジェットを放出する。
【０００４】
高電荷液体ジェットストリームが、電気的に接地されたコレクタに向かって空気中で進行するにつれて、電荷反発に起因する伸張および伸張効果を受け、プロセスにおいて、ますます細くなる。揮発性溶媒が蒸発するにつれて、非常に微細なポリマーファイバが、典型的には、マイクロまたはナノスケールで、接地されたコレクタ上で収集される。
【０００５】
現在のニードル電界紡糸技術は、典型的には、１〜１０ｍＬ／ｈの流率で動作し、低スループットおよび堆積（すなわち、ポリマー凝固）をもたらす。スリット表面電界紡糸が、この出力率を増加させる方法をもたらすが、この方法は、より長い時間周期にわたって不安定になる傾向があり、メニスカス成長を実証する。したがって、より長い実行時間をもたらし、メニスカス形成を低減させる、安定かつ高スループットスリット表面電界紡糸プロセスが必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一側面では、本発明は、合致する波長および振幅を伴うＳ波パターンを有する２つの壁によって形成されるスリット表面に関する。一実施形態では、内壁および外壁は、相互を鏡映するＳ波パターンを有する。一実施形態では、内壁および外壁は、相互を鏡映するＳ波パターンを有し、内壁表面と外壁表面との間の距離は、その長さ全体を通して一定である。
【０００７】
別の側面では、本発明は、全てではないが、壁の一部がＳ波パターンを有する、スリット表面に関する。一実施形態では、内壁は、Ｓ波パターンを有する一方、外壁は、実質的に直線である。別の実施形態では、外壁は、Ｓ波パターンを有する一方、内壁は、実質的に直線である。
【０００８】
別の側面では、本発明は、内壁および外壁が、相互の鏡像ではない、Ｓ波または正弦関数形状を有する、スリット表面に関する。一実施形態では、パターンは、内壁のＳ波パターンを上回る高周波数を有するＳ波パターンを伴う外壁を含む。一実施形態では、パターンは、外壁のＳ波パターンを上回る周波数を有するＳ波パターンを伴う内壁を含む。一実施形態では、内壁および外壁は、その波長および振幅が合致するように整合されるＳ波パターンを有する。
【０００９】
別の側面では、本発明は、非曲線（すなわち、非正弦関数）パターンを伴うスリット表面パターンに関する。一実施形態では、そのようなパターンは、限定ではないが、六角形パターン、菱形パターン、および同等物を含む。
【００１０】
別の側面では、本発明は、パターンがスリット治具の上部表面に適用される一方、内壁および外壁が、実質的に直線である、スリット表面に関する。一実施形態では、上部表面に適用されるパターンは、Ｓ波パターンである。一実施形態では、上部表面は、外向き傾斜頂点を有する。一実施形態では、上部表面は、内向き傾斜頂点を有する。一実施形態では、上部表面は、凹面である。一実施形態では、上部表面は、凸面である。一実施形態では、上部表面は、補助電極としての役割を果たす、または電場の強さを向上させる、突起またはギザギザでパターン化される。
【００１１】
一側面では、スリット表面パターンは、線形形状に限定されないが、円、正方形、三角形、または同等物等の閉ループを含むことができる。
【００１２】
一側面では、本発明は、一方のスリット治具（すなわち、コアスリット）が別のスリット治具（すなわち、シーススリット）内に位置付けられる、電界紡糸装置に関する。本明細書に説明される形状／パターンの任意の組み合わせは、これらの治具のいずれか（または、両方）のために使用され得ることを認識されるであろう。
【００１３】
一側面では、コアシース電界紡糸ファイバを発生させるために、コアスリットの存在を要求しない、２つまたはそれを上回る異なるポリマーとの併用のための電界紡糸デバイスに関する。一実施形態では、供給管／針は、コアポリマー溶液を放射シースジェットの中に直接送達する。一実施形態では、供給線／管は、コアポリマー溶液をシースジェットの下部の場所から放射シースジェットの中に直接送達する。一実施形態では、スリット表面のパターン化されるアレイは、コアポリマー溶液を直接各放射シースジェットの中に個別に供給する。
【００１４】
一側面では、様々な設計特徴が、スリット表面から離れるように空気流動を方向転換するために、利用可能であり、例えば、突起（すなわち、羽根）の導入および頂点の厚さの増加を含む。
【００１５】
一側面では、本発明は、メニスカス成長および／またはポリマー凝固に起因して、スリット表面において蓄積する、過度のポリマー溶液の除去のための治具（すなわち、ワイパー）に関する。
【００１６】
本発明の非限定実施形態は、本質的に概略図であり、縮尺通りに描かれることが意図されない付随の図を参照して、実施例として、説明されるであろう。図では、例証される各同一または略同一構成要素は、典型的には、単一番号によって表される。明確性の目的のために、全ての構成要素が、全ての図に標識化されるというわけではなく、また、例証が、当業者が本発明を理解することを可能にするために必要がない場合、本発明の各実施形態の全ての構成要素が、示されるわけでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】図１Ａ−Ｂは、本発明の実施形態による、スリット治具パターンを描写する。スリット治具は、内壁および外壁が相互の鏡映である、２つのＳ波のパターン化される壁によって形成される（１Ａ）。内部パターンは、より低い抵抗（すなわち、より大きい表面直径）の面積に向かって好ましい流動勾配をもたらす。パターンが凸面である外壁における局所電場の強さは、パターンが凹面であるときを下回る（２Ｂ）。
【図１Ｂ】図１Ａ−Ｂは、本発明の実施形態による、スリット治具パターンを描写する。スリット治具は、内壁および外壁が相互の鏡映である、２つのＳ波のパターン化される壁によって形成される（１Ａ）。内部パターンは、より低い抵抗（すなわち、より大きい表面直径）の面積に向かって好ましい流動勾配をもたらす。パターンが凸面である外壁における局所電場の強さは、パターンが凹面であるときを下回る（２Ｂ）。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、パターン化されるスリット表面の特徴を画定する、図１のスリット治具の関連寸法を例証する。
【図３Ａ】図３Ａ−Ｄは、本発明の実施形態による、付加的スリット治具パターンを描写する。１つのそのような設計は、図１のものに類似し、Ｓ波パターンが、治具の内壁のみに適用される一方、外壁は、直線である（３Ａ）。第２の設計では、Ｓ波パターンは、治具の外壁のみに適用される一方、内壁は、直線である（３Ｂ）。第３の設計では、Ｓ波パターンは、内壁と外壁との両方に適用され、内壁表面と外壁表面との間の距離は、治具の長さ全体を通して一定である（３Ｃ）。第４の設計は、内壁および外壁が合致する波長および振幅を有するように整合されることを除いて、図１のものに類似する（３Ｄ）。
【図３Ｂ】図３Ａ−Ｄは、本発明の実施形態による、付加的スリット治具パターンを描写する。１つのそのような設計は、図１のものに類似し、Ｓ波パターンが、治具の内壁のみに適用される一方、外壁は、直線である（３Ａ）。第２の設計では、Ｓ波パターンは、治具の外壁のみに適用される一方、内壁は、直線である（３Ｂ）。第３の設計では、Ｓ波パターンは、内壁と外壁との両方に適用され、内壁表面と外壁表面との間の距離は、治具の長さ全体を通して一定である（３Ｃ）。第４の設計は、内壁および外壁が合致する波長および振幅を有するように整合されることを除いて、図１のものに類似する（３Ｄ）。
【図３Ｃ】図３Ａ−Ｄは、本発明の実施形態による、付加的スリット治具パターンを描写する。１つのそのような設計は、図１のものに類似し、Ｓ波パターンが、治具の内壁のみに適用される一方、外壁は、直線である（３Ａ）。第２の設計では、Ｓ波パターンは、治具の外壁のみに適用される一方、内壁は、直線である（３Ｂ）。第３の設計では、Ｓ波パターンは、内壁と外壁との両方に適用され、内壁表面と外壁表面との間の距離は、治具の長さ全体を通して一定である（３Ｃ）。第４の設計は、内壁および外壁が合致する波長および振幅を有するように整合されることを除いて、図１のものに類似する（３Ｄ）。
【図３Ｄ】図３Ａ−Ｄは、本発明の実施形態による、付加的スリット治具パターンを描写する。１つのそのような設計は、図１のものに類似し、Ｓ波パターンが、治具の内壁のみに適用される一方、外壁は、直線である（３Ａ）。第２の設計では、Ｓ波パターンは、治具の外壁のみに適用される一方、内壁は、直線である（３Ｂ）。第３の設計では、Ｓ波パターンは、内壁と外壁との両方に適用され、内壁表面と外壁表面との間の距離は、治具の長さ全体を通して一定である（３Ｃ）。第４の設計は、内壁および外壁が合致する波長および振幅を有するように整合されることを除いて、図１のものに類似する（３Ｄ）。
【図４Ａ】図４Ａ−Ｂは、本発明の実施形態による、六角形（４Ａ）および菱形（４Ｂ）形状等の非曲線（すなわち、非正弦関数）パターンを伴うスリット治具パターンを描写する。
【図４Ｂ】図４Ａ−Ｂは、本発明の実施形態による、六角形（４Ａ）および菱形（４Ｂ）形状等の非曲線（すなわち、非正弦関数）パターンを伴うスリット治具パターンを描写する。
【図５】図５は、本発明の実施形態による、外壁のＳ波パターンが内壁のＳ波パターンを上回る高周波数を有する、スリット治具パターンを描写する。
【図６Ａ】図６Ａ−Ｆは、本発明の実施形態による、形状および深度が変動するパターン化される上部表面を伴うスリット治具を描写する。平坦水平表面（６Ａ）と比較して、一設計では、Ｓ波パターンは、治具の上部表面（すなわち、垂直方向に）に適用される一方、内壁および外壁は、平坦である（６Ｂ）。第２の設計では、上部表面のパターンは、外向き斜面頂点を有する（６Ｃ）。第３の設計では、上部表面のパターンは、内向き斜面頂点を有する（６Ｄ）。第４の設計では、上部表面のパターンは、凸面である（６Ｅ）。第５の設計では、上部表面のパターンは、凹面である（６Ｆ）。
【図６Ｂ】図６Ａ−Ｆは、本発明の実施形態による、形状および深度が変動するパターン化される上部表面を伴うスリット治具を描写する。平坦水平表面（６Ａ）と比較して、一設計では、Ｓ波パターンは、治具の上部表面（すなわち、垂直方向に）に適用される一方、内壁および外壁は、平坦である（６Ｂ）。第２の設計では、上部表面のパターンは、外向き斜面頂点を有する（６Ｃ）。第３の設計では、上部表面のパターンは、内向き斜面頂点を有する（６Ｄ）。第４の設計では、上部表面のパターンは、凸面である（６Ｅ）。第５の設計では、上部表面のパターンは、凹面である（６Ｆ）。
【図６Ｃ】図６Ａ−Ｆは、本発明の実施形態による、形状および深度が変動するパターン化される上部表面を伴うスリット治具を描写する。平坦水平表面（６Ａ）と比較して、一設計では、Ｓ波パターンは、治具の上部表面（すなわち、垂直方向に）に適用される一方、内壁および外壁は、平坦である（６Ｂ）。第２の設計では、上部表面のパターンは、外向き斜面頂点を有する（６Ｃ）。第３の設計では、上部表面のパターンは、内向き斜面頂点を有する（６Ｄ）。第４の設計では、上部表面のパターンは、凸面である（６Ｅ）。第５の設計では、上部表面のパターンは、凹面である（６Ｆ）。
【図６Ｄ】図６Ａ−Ｆは、本発明の実施形態による、形状および深度が変動するパターン化される上部表面を伴うスリット治具を描写する。平坦水平表面（６Ａ）と比較して、一設計では、Ｓ波パターンは、治具の上部表面（すなわち、垂直方向に）に適用される一方、内壁および外壁は、平坦である（６Ｂ）。第２の設計では、上部表面のパターンは、外向き斜面頂点を有する（６Ｃ）。第３の設計では、上部表面のパターンは、内向き斜面頂点を有する（６Ｄ）。第４の設計では、上部表面のパターンは、凸面である（６Ｅ）。第５の設計では、上部表面のパターンは、凹面である（６Ｆ）。
【図６Ｅ】図６Ａ−Ｆは、本発明の実施形態による、形状および深度が変動するパターン化される上部表面を伴うスリット治具を描写する。平坦水平表面（６Ａ）と比較して、一設計では、Ｓ波パターンは、治具の上部表面（すなわち、垂直方向に）に適用される一方、内壁および外壁は、平坦である（６Ｂ）。第２の設計では、上部表面のパターンは、外向き斜面頂点を有する（６Ｃ）。第３の設計では、上部表面のパターンは、内向き斜面頂点を有する（６Ｄ）。第４の設計では、上部表面のパターンは、凸面である（６Ｅ）。第５の設計では、上部表面のパターンは、凹面である（６Ｆ）。
【図６Ｆ】図６Ａ−Ｆは、本発明の実施形態による、形状および深度が変動するパターン化される上部表面を伴うスリット治具を描写する。平坦水平表面（６Ａ）と比較して、一設計では、Ｓ波パターンは、治具の上部表面（すなわち、垂直方向に）に適用される一方、内壁および外壁は、平坦である（６Ｂ）。第２の設計では、上部表面のパターンは、外向き斜面頂点を有する（６Ｃ）。第３の設計では、上部表面のパターンは、内向き斜面頂点を有する（６Ｄ）。第４の設計では、上部表面のパターンは、凸面である（６Ｅ）。第５の設計では、上部表面のパターンは、凹面である（６Ｆ）。
【図７】図７は、コアスリット治具がシーススリット治具内に位置付けられる、２つまたはそれを上回る異なるポリマーとの併用のためのスリット治具設計を描写する。
【図８Ａ】図８Ａ−Ｃは、本発明の実施形態による、コアスリットの存在を要求しない、２つまたはそれを上回る異なるポリマーとの併用のための電界紡糸デバイスを描写する。一設計では、エレクトロスピニングジェットの精密な局在化は、供給管／針が、コアポリマー溶液を放射シースジェットの中に直接送達することを可能にする（８Ａ）。別の設計では、供給線／管は、下部からシースジェットの中に突出し、コアポリマー溶液を放射シースジェットの中に直接送達する（８Ｂ）。別の設計では、スリット表面のパターン化されるアレイが、個別に、コアポリマー溶液を各放射シースジェットの中に直接供給する（８Ｃ）。
【図８Ｂ】図８Ａ−Ｃは、本発明の実施形態による、コアスリットの存在を要求しない、２つまたはそれを上回る異なるポリマーとの併用のための電界紡糸デバイスを描写する。一設計では、エレクトロスピニングジェットの精密な局在化は、供給管／針が、コアポリマー溶液を放射シースジェットの中に直接送達することを可能にする（８Ａ）。別の設計では、供給線／管は、下部からシースジェットの中に突出し、コアポリマー溶液を放射シースジェットの中に直接送達する（８Ｂ）。別の設計では、スリット表面のパターン化されるアレイが、個別に、コアポリマー溶液を各放射シースジェットの中に直接供給する（８Ｃ）。
【図８Ｃ】図８Ａ−Ｃは、本発明の実施形態による、コアスリットの存在を要求しない、２つまたはそれを上回る異なるポリマーとの併用のための電界紡糸デバイスを描写する。一設計では、エレクトロスピニングジェットの精密な局在化は、供給管／針が、コアポリマー溶液を放射シースジェットの中に直接送達することを可能にする（８Ａ）。別の設計では、供給線／管は、下部からシースジェットの中に突出し、コアポリマー溶液を放射シースジェットの中に直接送達する（８Ｂ）。別の設計では、スリット表面のパターン化されるアレイが、個別に、コアポリマー溶液を各放射シースジェットの中に直接供給する（８Ｃ）。
【図９】図９は、本発明の実施形態による、補助電極としての役割を果たす、突起またはギザギザを伴ってパターン化されるスリット治具を描写する。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態による、曲線状上部表面を伴うスリット治具を描写する。
【図１１】図１１は、異なるシースジェットパターンを作るために、スリット表面治具への二次要素の取着を描写する。
【図１２Ａ】図１２Ａ−Ｃは、本発明の実施形態による、スリット表面から離れるように、空気流動を方向転換するための設計を描写する。スリット表面の周囲にある標準的空気流動と比較して（１２Ａ）、一設計では、空気流動は、スリット表面から離れるように空気流動を方向転換する、要素（すなわち、羽根）を追加することによって、軽減される（１２Ｂ）。別の設計では、空気流動は、スリット表面の頂点の厚さを増加させることによって軽減される（１２Ｃ）。
【図１２Ｂ】図１２Ａ−Ｃは、本発明の実施形態による、スリット表面から離れるように、空気流動を方向転換するための設計を描写する。スリット表面の周囲にある標準的空気流動と比較して（１２Ａ）、一設計では、空気流動は、スリット表面から離れるように空気流動を方向転換する、要素（すなわち、羽根）を追加することによって、軽減される（１２Ｂ）。別の設計では、空気流動は、スリット表面の頂点の厚さを増加させることによって軽減される（１２Ｃ）。
【図１２Ｃ】図１２Ａ−Ｃは、本発明の実施形態による、スリット表面から離れるように、空気流動を方向転換するための設計を描写する。スリット表面の周囲にある標準的空気流動と比較して（１２Ａ）、一設計では、空気流動は、スリット表面から離れるように空気流動を方向転換する、要素（すなわち、羽根）を追加することによって、軽減される（１２Ｂ）。別の設計では、空気流動は、スリット表面の頂点の厚さを増加させることによって軽減される（１２Ｃ）。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態による、メニスカス成長および／またはポリマー凝固に起因して、スリット表面において蓄積する過度のポリマー溶液の除去のための治具（すなわち、ワイパー）を描写する。
【図１４Ａ】図１４Ａ−Ｂは、本発明の実施形態による、スリット表面の内壁上と外壁上との両方に波状パターンを伴うスリット治具と、直線コアスリットで組み立てられた波状パターン化スリット治具（１４Ｂ）の並列比較（１４Ａ）を描写する。
【図１４Ｂ】図１４Ａ−Ｂは、本発明の実施形態による、スリット表面の内壁上と外壁上との両方に波状パターンを伴うスリット治具と、直線コアスリットで組み立てられた波状パターン化スリット治具（１４Ｂ）の並列比較（１４Ａ）を描写する。
【図１５Ａ】図１５Ａ−Ｂは、図１４Ａおよび１４Ｂのスリット治具設計を使用して、シースおよびコア溶液の電界紡糸から結果として生じる、側方移動および溶液メニスカス成長を比較する。
【図１５Ｂ】図１５Ａ−Ｂは、図１４Ａおよび１４Ｂのスリット治具設計を使用して、シースおよびコア溶液の電界紡糸から結果として生じる、側方移動および溶液メニスカス成長を比較する。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、概して、電界紡糸の分野に関する。特に、本発明は、開口を通した流体の流動および開口を横断した電場を制御する様々なパターンおよび／または形状を有する、対向要素の間に配置される導電性容器を含む、電界紡糸デバイスに関する。
【００１９】
本発明の種々の側面および実施形態は、下記に説明されるが、限定ではなく、例証として提示されることを理解されたい。本発明の範疇および範囲は、以下の請求項およびその均等物の範囲内に入る全ての修正および変形例を網羅することが意図される。
【００２０】
本明細書に説明される発明は、スリット表面に沿って電界紡糸ジェットの空間的および時間的出現を制御するために、異なるタイプのパターン化されるスリット治具を開示する。本明細書に使用されるように、用語「ｓｌｉｔ−ｆｉｘｔｕｒｅ（スリット治具）」は、ポリマー流体が流出する電界紡糸デバイス上に位置付けられ、ファイバをもたらす、治具を指す。本明細書に使用されるように、用語「ｓｌｉｔ−ｓｕｒｆａｃｅ（スリット表面）」は、ポリマー流体が流出するスリット治具内の開口（すなわち、開口部または孔）を指す。本明細書に開示される本発明の実施形態は、スリット表面電界紡糸のために使用され得る、いくつかの異なる設計を開示する。機能の具体的な設計特徴および／または方法に限定することなく、本明細書に説明される実施形態は、概して、（１）流動パターンあるいは勾配および／または（２）非均一電場を確立するスリット表面を作るようにパターン化される治具の使用に関する。
【００２１】
本発明のパターン化される治具の主要な利点は、開口表面に沿って電界紡糸ジェットの空間的および時間的出現を制御することである。これは、電界紡糸プロセス自体に及ぼす少なくとも２つの留意すべき影響をもたらす。第１に、電界紡糸ジェットは、局所的に拘束され、典型的には、均一直線スリット表面を使用するとき観察されるように、側方移動を殆どまたは全く呈さない。第２に、溶液の非常にわずかなメニスカス成長が、開口自体に沿って／内に生じる。ポリマー凝固（すなわち、メニスカス成長）に起因する開口閉塞を最小限にしながら流体流動を指向する（例えば、制御する）能力は、向上された電界紡糸安定性を提供し、より長い連続実行時間を可能にする。結果として、スリット表面電界紡糸の効率性および生産性は、有意に増加される。
【００２２】
本発明の一実施形態では、スリット治具（１０）は、図１に例証されるように、相互の鏡像である２つの波パターンを形成する内壁（３０）および外壁（４０）によって画定される、スリット表面（２０）を含む。本明細書に使用されるように、内壁（３０）は、ポリマーファイバが形成されるポリマー流体（図示せず）と直接接触するスリット治具（１０）の部分を指す一方、外壁（４０）は、ポリマー溶液と直接接触しないスリット治具（１０）の部分を指す。複数のファイバが１度に生成される実施形態では、一方のスリット表面（２０）の内壁（３０）は、別のスリット表面（２０）の外壁（４０）であってもよい。本発明を任意の具体的な機構の性能に限定することを意図しないが、この設計は、内部パターンがより大きい開口部（２２）をもたらす、スリット表面（２０）に向かって好ましい流動勾配を作り（１）（すなわち、流動は、最小抵抗の面積に指向される）、パターンが内向きに凹面になり（２４）、ジェット移動を拘束または制御することに役立つ、外部壁においてより高い局所電場を作ること（２）によって、ジェット形成を局在化することが考えられる。加えて、図１Ｂに例証されるように、局所電場は、パターンが、パターンが凹面（Ｅ２）である場所よりも凸面（Ｅ１）である、外壁（４０）の場所においてより低い。
【００２３】
スリット治具（１０）は、当技術分野で既知である任意の好適な金属または導電性材料から作製されてもよく、他の実施形態では、流動抵抗を最小限にするように、テフロン（登録商標）の薄層、潤滑ポリマー、またはヒドロゲル等の別の非粘着性材料でコーティングされてもよい。本発明の他の実施形態では、スリット治具の表面は、平滑になるように研磨される、または粗面になるようにエッチングされる、あるいはテクスチャ加工されてもよい。
【００２４】
スリット表面（２０）のパターンおよび特徴に関する関連寸法は、図２に示される。「Ａ」は、好ましくは、０．５〜１００ｍｍ、より好ましくは、２〜１４ｍｍであり、「Ｂ」は、好ましくは、０．４〜４０ｍｍ、より好ましくは、２〜８ｍｍであり、「Ｃ」は、好ましくは、０．１〜１０ｍｍ、より好ましくは、０．５〜２ｍｍである。寸法「Ｄ」は、単位長あたりの周波数または波長を指す。一実施形態では、好ましい周波数は、２０〜２０００／ｍである一方、より好ましい周波数が、１００〜４００／ｍである。
【００２５】
上記に説明される波状パターンに加えて、３つの他の実施形態は、図３に示される。図３Ａに示されるような一実施形態は、スリット治具（１０）の外壁（４０）が波状ではなく直線であることを除いて、図１Ａの設計に類似する。この実施形態の設計は、均一電場が要求される状況において、有益となる。別の実施形態では、３Ｂに示されるように、スリット表面（２０）は、スリット治具（１０）の外壁（４０）上に波状パターンを保持する一方、内壁（３０）は、直線である。本実施形態は、電場がエレクトロスピニングジェットを制御する均一流動勾配を有することが望ましいとき、有益となり得る。別の実施形態では、３Ｃに示されるように、スリット治具（１０）の内壁（３０）および外壁（４０）は、波状パターンを有するが、内壁（３０）表面と外壁（４０）表面との間の距離は、スリット治具（１０）の長さ全体を通して一定である。さらなる別の実施形態では、３Ｄに示されるように、スリット表面（２０）のパターンは、合致する波長および振幅を有するように整合される内壁（３０）および外壁（４０）によって画定される。
【００２６】
本明細書に説明される発明は、任意の特定の形状に限定されない。上記に説明される波状パターンの他に、任意の幾何学形状が、複製ユニットとして使用されてもよい。したがって、スリット治具（１０）の内壁（３０）および外壁（４０）は、波状または正弦関数形状に限定されないことを認識されるであろう。本発明の他の実施形態では、内壁（３０）および／または外壁（４０）のパターンは、線形特徴を含む（すなわち、相互に対してある角度において交差する直線によって画定される）。例えば、図４Ａに示されるような一実施形態では、内壁（３０）および外壁（４０）は、六角形形状を形成するようにパターン化される一方、別の実施形態では、内壁（３０）および外壁（４０）は、（図４Ｂに示されるように）、菱形形状を形成するようにパターン化される。
【００２７】
他の実施形態では、内壁（３０）上と外壁上（４０）との両方の波パターンは、異なる。例えば、図５に例証されるように、外壁（４０）の波長パターンは、内壁（３０）の波長パターンを上回る周波数を有してもよい。
【００２８】
さらなる他の実施形態では、形成されるポリマーファイバの流動と同一の方向に対面するスリット治具（１０）の表面（以下、上部表面（５０）と称される）は、パターン化され、形状、深度、およびテクスチャが変動してもよい。例えば、一実施形態では、図６Ｂに例証されるように、内壁（３０）および外壁（４０）は、平坦であるが、上部表面（５０）の寸法は、深度および形状が変動する。他の実施形態では、上部表面（５０）は、それぞれ、図６Ｃおよび６Ｄに描写されるように、外向きまたは内向き角度に斜面状になる。他の実施形態は、本明細書に開示されるスリット表面（２０）の異なる配向の組み合わせおよび／またはスリット治具（１０）パターンを含んでもよい。さらに、他の実施形態では、上部表面（５０）は、図６Ｅおよび６Ｆに示されるように、凸面または凹面であってもよい。
【００２９】
本発明の他の実施形態では、本発明のスリット治具は、２つまたはそれを上回る異なるポリマーから成るファイバを作るために使用され、コアポリマーが、他のシースポリマー内に同心円状に含有される。これは、図７に示されるように、他方のものの中に一方のスリット治具を設置することによって、達成されることができる。本明細書に使用されるように、コアファイバを形成するスリット治具は、「コアスリット」（６０）と称され、シースファイバを形成するスリット治具は、「シーススリット」（７０）と称される。コアスリット（６０）は、直線である、または本明細書に説明される設計のいずれかにパターン化されてもよい。例えば、図７に示される実施形態では、コアスリット治具（６０）とシーススリット治具（７０）との両方は、それらのそれぞれの内壁上および外壁上にＳ状パターンを有する。
【００３０】
他の実施形態では、コアスリットは、同心の異なるポリマーから成るポリマーファイバを作るために必要とされない。例えば、いくつかの実施形態では、供給管またはニードル（８０）が、コアポリマー溶液を出現されたエレクトロスピニングジェットの内側に送達する。これは、図８Ａに示されるように、電界紡糸シースジェット（９０）の精密な局在化に起因して可能となる。供給管（８０）の任意の数が、結果として生じる電界紡糸ファイバが複数の異なるポリマー組成を組み込むように、ポリマー溶液の１つまたはそれを上回る流れをジェットの中に送達するために、シースジェット（９０）の中に挿入されることができる。例えば、供給管または管（８０）は、ある場合には、１つまたはそれを上回るコアポリマー溶液をシースジェット（９０）の中心に送達し、同心コア−シースファイバの形成をもたらすことができる。代替として、供給管（８０）は、非同心コアシースファイバを形成するように中心に対してオフセットされ、またはさらに、結果として生じるファイバの外部が２つの異なるポリマー組成を組み込むように、テイラーコーンの外部近傍にポリマー溶液を適用してもよい。管（８０）は、同一または異なるコア溶液のいずれかを送達することができる。別の実施形態では、コア溶液は、図８Ｂに描写されるように、下部からシースジェット（９０）の中に突出する、別々のニードル（８０）を介してシース溶液の中に供給されることができる。さらに、電界紡糸ジェット（９０）の精密な局在化に起因して、いくつかの実施形態では、スリット表面のパターン化されるアレイは、図８Ｃに示されるように、作られ、各１つは、個別に、コア溶液が供給されることができる。
【００３１】
さらなる別の実施形態では、スリット治具は、図９に描写されるように、突起（１００）またはギザギザ（図示せず）を伴ってパターン化される。これらの突起および／またはギザギザは、さらに、電場に影響を与える、補助電極としての役割を果たす。加えて、治具自体の一部として設計されない補助電極はまた、さらに、電界紡糸ジェットの出現および局在化に影響を与えるために、組み込まれることができる。本明細書に使用されるように、補助電極は、例えば、ワイヤを含む、導電性があり、成形され得る、任意の材料を含む。
【００３２】
本発明の他の実施形態では、パターン化されるスリット表面（２０）は、線形である必要はないが、円、正方形、三角形等の閉ループであることができる。同様に、スリット表面（２０）は、図１０に例証されるように、枝状、スパイラル状、または曲線状であることができる。
【００３３】
本発明の他の実施形態では、スリット表面（２０）は、電界紡糸プロセスの間、相互に対して摺動または振動することができる。これらの機械的移動はさらに、メニスカス形成に寄与する溶媒蒸発を防止することを補助し得る。代替として、スリット治具（１０）は、スリット表面（２０）を通して流動するポリマー溶液の温度を制御するために、加熱または冷却されることができる。
【００３４】
別の実施形態では、様々な異なる形状を有する二次要素が、スリット治具（１０）に取着され、したがって、二次要素を単に除去し、かつそれを置換することによって異なるパターンの作成を促進してもよい（図１１）。
【００３５】
他の実施形態では、溶媒蒸発を最小限にするためにスリット表面（２０）の開口への空気流動を軽減する、設計特徴が含まれてもよい。図１２Ｂに示されるように、これは、スリット表面（２０）から離れるように空気流動を方向転換する羽根状要素（１１０）を追加することによって、達成されることができる。代替として、スリット表面（２０）を作る頂点の壁厚は、図１２Ｃに示されるように、空気流動がさらにスリット表面から除去されるように、増加されることができる。
【００３６】
あるシステムでは、スリット表面からの電界紡糸は、テイラーコーン開始部の部位近傍にメニスカス成長の増大および／または固体材料の付着をもたらす。これらは、順に、影響を受けるテイラーコーンの形態を損なわせ、電界紡糸の効率性を減少させ得る。そのような電界紡糸プロセスの連続動作のために、自動治具が、メニスカス成長および／または凝固に起因して、スリットに蓄積する過度の溶液を払拭する、または別様に除去するために使用される。そのようなシステムの実施例は、図１３に示され、ワイパーブレードまたは類似する要素（１２０）が、ワイパーブレードを摺動または別様に移動させるようにプログラムされ得る、線形アクチュエータ（１３０）に取着される。この問題に対処する代替アプローチは、エアナイフまたは高速気体／流体を使用し、溶媒またはポリマーをワイパーヘッドの中に組み込み、メニスカスを洗浄および／またはリセットすることを促進し、テクスチャ加工またはパターン化されるワイパーユニット、複数のワイパーユニット、払拭器具としてストリングまたはワイヤ、あるいはエラストマーのスクイジを使用することを含む。
【００３７】
図１４Ａおよび１４Ｂは、シーススリット（７０）の内壁および外壁上に波状パターンを伴うスリット治具が、直線コアスリット（６０）を有するスリット治具と並列で比較された、本発明の実施形態の非限定実施例を描写する。両方のデバイスは、それぞれ、ポリマーに対して、ヘキサフルオロイソプロパノール中の５．５重量％８５１５ＰＤＬＧＡと、３０％デキサメタゾンを含有する、６：１（体積比）のクロロホルム：メタノール中の１２重量％ポリカプロラクトンとのシースおよびコア溶液を使用して、試験された。流率は、それぞれ、シースおよびコア溶液のために２００および２０ｍｌ／ｈに設定された。９０ｋＶの電圧が、印加された。
【００３８】
シーススリットがパターン化されないスリット表面電界紡糸と比較して、２つの有意な効果が、観察された。第１に、パターン化されたスリットが使用されたとき、エレクトロスピニングジェットの側方移動がなく、第２に、溶液メニスカス成長がなかった。側方移動とメニスカス成長との両方を排除する能力は、安定かつ連続電界紡糸が、１０分を上回る間、起こることを可能にし、これは、直線スリットシステム上で達成される現在の基準値の実行時間に対して少なくとも５倍の増加に匹敵する。図１５に示されるように、エレクトロスピニングジェットの数は、１０分の電界紡糸全体を通して、８（波数と一致する）で一定のままであり、メニスカス成長を呈さなかった。対照的に、同一の条件下で利用された直線コアスリットは、２分または３分だけ損なわれた状態になり、安定していない電界紡糸プロセスをもたらした。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態が、本明細書で説明および例証されているが、当業者であれば、機能を果たす、および／または本明細書で説明される結果および／または利点を得るための種々の他の手段および／または構造を容易に想定するであろう。そのような変形例および／または修正のそれぞれは、本発明の範囲内であると見なされる。より一般的には、当業者であれば、本明細書で説明される全てのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示的であるように意図されており、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、本発明の教示が使用される、１つまたは複数の具体的用途に依存するであろうことを容易に理解するであろう。当業者であれば、日常的にすぎない実験を使用して、本明細書で説明される本発明の具体的実施形態の多くの均等物を認識するか、または解明することができるであろう。したがって、先述の実施形態は一例のみとして提示され、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲内で、本発明が、具体的に説明および請求されるものとは別様に実践され得ることを理解されたい。本発明は、本明細書で説明される各個別の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、２つまたはそれを上回るそのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しなければ、本発明の範囲内に含まれる。
【００４０】
本明細書で使用されるような「ａおよびａｎ（１つの）」という不定冠詞は、それとは反対に明確に指示されない限り、「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ（少なくとも１つの）」を意味すると理解されたい。
【００４１】
本明細書で使用されるような「ａｎｄ／ｏｒ（および／または）」という語句は、そのように結合された要素、すなわち、いくつかの場合では接合的に存在し、他の場合では離接的に存在する要素の「ｅｉｔｈｅｒ  ｏｒ  ｂｏｔｈ（いずれか一方または両方）」を意味すると理解されたい。随意に、それとは反対に明確に指示されない限り、具体的に識別されるこれらの要素に関係付けられようと無関係であろうと、「ａｎｄ／ｏｒ（および／または）」という節によって具体的に識別される要素以外の他の要素が存在し得る。したがって、非限定的実施例として、「Ａ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｂ（Ａおよび／またはＢ）」という言及は、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」等の制約のない用語と併せて使用されるとき、一実施形態では、ＢがないＡ（随意に、Ｂ以外の要素を含む）、別の実施形態では、ＡがないＢ（随意に、Ａ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（随意に、他の要素を含む）等を指すことができる。
【００４２】
本明細書で使用されるように、「ｏｒ（または）」は、上記で定義されるような「ａｎｄ／ｏｒ（および／または）」と同一の意味を有すると理解されたい。例えば、リストの中の項目を分離するときに、「ｏｒ（または）」あるいは「ａｎｄ／ｏｒ（および／または）」は、包含的、すなわち、要素および随意に、付加的な記載されていない項目のうちの少なくとも１つを含むが、１つより多い、あるいはいくつかの要素または要素のリストも含むと解釈されるものとする。「ｏｎｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ（〜のうちの１つのみ）」または「ｅｘａｃｔｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ（〜のうちの正確に１つ）」等の反対に明確に指示される唯一の用語、または請求項で使用されるときに、「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ（〜から成る）」とは、いくつかの要素または要素のリストのうちの正確に１つの要素の包含を指すであろう。一般に、本明細書で使用されるような「ｏｒ（または）」という用語は、「ｅｉｔｈｅｒ（いずれか一方）」、「ｏｎｅ  ｏｆ（〜のうちの１つ）」、「ｏｎｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ（〜のうちの１つのみ）」、または「ｅｘａｃｔｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ（〜のうちの正確に１つ）」等の排他性の用語が先行するときに、排他的代替案（すなわち、「ｏｎｅ  ｏｒ  ｔｈｅ  ｏｔｈｅｒ  ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｂｏｔｈ（両方ではないが一方または他方）」）を示すと解釈されるのみとする。「Ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ（本質的に〜から成る）」は、請求項で使用されるときに、当分野で使用されるようなその通常の意味を有するものとする。
【００４３】
本明細書で使用されるように、１つまたはそれを上回る要素のリストを参照した「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ（少なくとも１つの）」という語句は、要素のリストの中のいずれか１つまたはそれを上回る要素から選択されるが、要素のリスト内に具体的に記載されるありとあらゆる要素のうちの少なくとも１つを必ずしも指示するわけではなく、要素のリストの中の要素のいかなる組み合わせも排除しない、少なくとも１つの要素を意味すると理解されたい。この定義はまた、随意に、具体的に識別されるこれらの要素に関係付けられようと無関係であろうと、「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ（少なくとも１つの）」という語句が指す要素のリスト内で具体的に識別される要素以外の要素が存在し得ることも可能にする。したがって、非限定的実施例として、「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ  Ａ  ａｎｄ  Ｂ（ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ）」（あるいは同等に「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ  Ａ  ｏｒ  Ｂ（ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ）」、あるいは同等に「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ  Ａ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｂ（Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ）」）とは、一実施形態では、Ｂが存在しない（随意に、Ｂ以外の要素を含む）、随意に１つより多くのＡを含む、少なくとも１つのＡ、別の実施形態では、Ａが存在しない（随意に、Ａ以外の要素を含む）、随意に１つより多くのＢを含む、少なくとも１つのＢ、さらに別の実施形態では、随意に１つより多くのＡを含む、少なくとも１つのＡ、および随意に１つより多くのＢを含む、少なくとも１つのＢ（随意に、他の要素を含む）等を指すことができる。
【００４４】
本明細書で使用されるように、「ｃｏｎｓｉｓｔｓ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ（本質的に〜から成る）」という用語は、本明細書で別様に定義されない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それでもなお、そのような他の材料が、集合的または個別に、微量で存在し得る。
【００４５】
本明細書の全体を通して「ｏｎｅ  ｅｘａｍｐｌｅ（一実施例）」、「ａｎ  ｅｘａｍｐｌｅ（実施例）」、「ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（一実施形態）」、または「（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）実施形態」という言及は、実施例と関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本技術の少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体を通した種々の場所での「ｉｎ  ｏｎｅ  ｅｘａｍｐｌｅ（一実施例では）」、「ｉｎ  ａｎ  ｅｘａｍｐｌｅ（実施例では）」、「ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（一実施形態）」、または「ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（実施形態）」という語句の発生は、必ずしも全て同一の実施例を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、ルーチン、ステップ、または特性は、本技術の１つまたはそれを上回る実施例において、任意の好適な様式で組み合わせられてもよい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図１２Ａ】
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【図１３】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【国際調査報告】
2016529411.tif 000034