增强纤维螺旋梯度排列调控机制及微型聚合物医用导管的制备

Inspired by helical gradual alignment of reinforcing fibers in natural materials, this project will construct a gradual helical flow in the extrusion process of medical polymer micro-tube, and study the micro-rheology under micro-scale and unsteady flow conditions as well as the corresponding multi-level structure, especially the regulation mechanism of the gradient helically-aligned fibers along the thickness and axial direction; to combined with the material structure, microscopic failure and macroscopic destruction, the failure mechanism of the polymer micro-tubes will be revealed under the complex loads to establish the relationship among material composition, processing rheology, multilevel structure and macroscopic physical properties; Based on the application environments, different insertion miniature models of polymer micro-tubes will be fabricated and accordingly the gradient helical flow will be optimized to regulate precisely the alignment of reinforcing fibers and prepare a series of high-performance medical micro-tube, which can meet the needs of national economic and medical development; Finally, an innovative mimetic processing strategy based on gradient helical flow-driven alignment will be established, providing a controllable and simple new technology for the preparation of high-performance micro-polymer tubes and developing bionics and polymers processing rheology to improve our international competitiveness in the field; 2~3 Chinese patent will be applied and 8~10 SCI-level papers will be published.

本项目拟借鉴生物材料梯度排列的仿生设计理念，构建医用微型聚合物导管挤出加工过程中渐变螺旋流动，研究微尺度、非稳态流动条件下聚合物微流变学及多尺度结构特别是增强纤维沿厚度和轴向方向螺旋梯度排列调控机理，阐明相关影响因素，结合材料结构、微观破坏和宏观失效，揭示微型聚合物导管对复杂载荷的响应及失效机制，阐明材料组成—加工流变—多层次结构—宏观物性的关系；根据目标应用环境，构建不同的微导管插入模型，实现渐变螺旋流动的最优设计及纤维螺旋梯度排列的精准调控，制备系列满足国民经济和医疗术发展需要的综合性能优异的医用微型导管，建立创新的基于渐变螺旋流动驱动的增强纤维螺旋梯度排列的高分子材料仿生成型加工新理论，为高性能医用导管的制备开辟一条可控、简便的新途径，丰富和发展仿生学和聚合物加工流变学，申请中国发明专利2~3项，发表SCI论文8~10篇，提高我国在这一新的、快速发展领域的国际竞争力。

聚合物微导管是小截面中空制品，其特征尺寸小，在外加载荷作用下易扭结。直接在聚合物管中引入增强纤维可提高其强度，但在传统挤出过程中，聚合物熔体轴向挤出/拉伸，纤维沿轴向排列，微导管环向性能提升有限，易出现“竹子劈裂式”破坏，且纤维的加入会恶化其韧性，易发生脆性破坏。本项目借鉴生物材料增强相螺旋排列的仿生设计理念，在聚合物微导管加工中构建螺旋流动，根据导管的应用目标，优化增强纤维的螺旋梯度排列形式，发展了基于流场驱动的增强纤维螺旋梯度排列的高性能聚合物微导管仿生制备新方法，达到预期目标：（1）通过多级循环挤出、界面结晶和根须状界面拓扑结构的构建等方法，实现增强纤维在聚合物基体内良好分散，制备了纤维增强聚合物基复合材料，采用多种表征方法，研究复合材料的流变行为和结构，为后续聚合物微导管的制备提供基础材料；（2）通过理论计算和计算机模拟等方法建立了聚合物熔螺旋流动模型，结合在线示踪技术和离线纤维排列观察，实验研究纤维在管内排列，阐明了纤维运动性和螺旋梯度排列的调控机理；（3）通过自行研制的旋转挤出流变仪，实现芯棒和口模独立/组合旋转，与轴向可调的挤出/牵引运动组合，调控芯棒和口模旋转速度差，实时改变旋转速度，构建在挤管加工过程中聚合物熔体沿厚度和轴向方向的渐变螺旋流动，形成纤维螺旋梯度排列结构，研究在多向应力作用下微型聚合物导管的构效关系，阐明其破坏机制；根据目标应用途径，优化排列结构设计，制备常规方法不能得到的高性能医用微导管，如TiO2/POE介入微导管，CNF/PA11微导管，载银TiO2/PPR抗菌微管，PE/TiO2导尿管，PU/CF医用热疗管，POE/CF可穿戴传感指套，等；（4）形成自主知识产权，授权中国发明专利2项，发表标注期刊论文21篇、会议论文2篇；培养博、硕士研究生5人（获硕士学位2人）；项目成果作为“新型旋转挤出加工新技术及高性能塑料管的制备”重要组成部分，获中国轻工业联合会技术发明一等奖。