大規模制備高性能生物相容光纖的新方法

據報道，東華大學朱美芳院士課題組開發了可用于制備多種皮芯結構水凝膠光纖的集成式光引發動態濕法紡絲工藝。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、光學性能的精確控制。

皮芯結構水凝膠光纖的皮層選用海藻酸鈉作為前驅液，芯層選用聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和丙烯酰胺（AAm）的水溶液作為前驅液。通過自制的同軸紡絲噴頭，在有牽伸的條件下將前驅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發生自由基聚合，形成凝膠網絡。研究人員在實驗室條件下制備了10m 長的連續光纖，可以預見，該方法同樣適用于千米長度的光纖制備。此外，通過調節前驅液濃度、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、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，在回復至初始形狀后光纖的損耗也回復至初始水平。

對于可植入光纖來講，其在體內的使用性與力學性能和生物相容性有關。本實驗中的皮芯水凝膠光纖的力學性能主要取決于強度較高的PEGDA/AAm 芯層，當提高皮/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。相比于傳統光熱治療或光遺傳學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性能的同時還具有更優異的生物相容性。