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海南大学赵国旭团队 Sci. Adv.：可拉伸纤维量产化纺丝新技术

高分子科技

2023-10-26

导读：解决了一大类不可纺聚合物的量产化纺丝难题，将极大地促进新型可拉伸纤维的研发和应用...

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近日，海南大学生物医学工程学院柔性电子材料与器件团队在国际期刊《Science Advances》（Science子刊，中科院一区Top期刊）发表题为“Hydrogel-Assisted Microfluidic Spinning of Stretchable Fibers via Fluidic and Interfacial Self-adaptations”的研究论文。

纤维在人体中广泛存在，如神经纤维、肌纤维、浦肯野纤维等。研发具有仿生性能的人工合成纤维，有望应用于组织功能修复、生理信号监测、光电刺激干预等场景，为解决众多生物医学问题提供有效工具。基于此，开发生物相容且与软组织力学性质（柔软且可拉伸）相仿的纤维成为关键。目前，研究者基于水凝胶开发了各种纤维以满足上述需求，然而较差的稳定性限制了其应用。因此，研发生物相容、柔软、可拉伸且性能稳定的人工合成纤维具有重要意义。

弹性体聚合物能够被用来制备柔软且稳定的可拉伸纤维，然而其制备过程依赖于聚合物的可纺性。对于一大类性能优异、应用广泛的弹性体聚合物，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和Ecoflex等，并不具有直接可纺性，使得现有技术仍无法量产其高品质纤维。因此，开发普适于该类不可纺弹性体聚合物的纺丝技术，成为促进其纤维态开发和应用的关键。

该研究以PDMS为主要对象，基于自主开发的微流控技术建立了一种弹性体纤维制备新策略（图1）：海藻酸水凝胶纤维充当保护性外壳，包裹PDMS的油相预聚物内核纤维，在内核交联固化后除去外壳，得到弹性体聚合物纤维。深入研究了高黏度油相内核与水凝胶前体溶液间的多相流与界面现象，以及黏度、挤出速度、纺丝头尺寸等因素对纤维形态的影响，并揭示了内压力与水凝胶外壳回缩力间抗衡作用所介导的均匀、光滑且圆柱形内核纤维的形成机制。基于此，成功制备了直径大范围可控（0.04-3.70 mm）、长度数十米且形态优良的可拉伸纤维。该工作不仅开发了一种全新的纺丝策略，还将为微流控与纺丝技术相结合提供理论指导。

图1. (a) 水凝胶辅助的纺丝技术示意图；(b) 多种弹性体纤维照片；(c) 微米级硅胶纤维照片。

同时，该技术也能够制备具有弹簧状结构的螺旋纤维。刚纺丝得到的纤维中的预聚物内核仍处于未交联状态，且受水凝胶外壳保护，因此通过一体化缠绕塑形能够制备弹性体螺旋纤维（图2）。受益于水凝胶外壳间的湿态附着现象，缠绕过程极为简便和可控，成功制备得到了尺寸大范围可控、可拉伸性优异（断裂伸长率数十至上百倍）且力学顺应的弹性体螺旋纤维，极大拓展了纤维材料的性能极限。

图2. (a) 弹性体螺旋纤维示意图及照片；(b-c) PDMS螺旋纤维的照片和应力-应变曲线。

基于该技术，团队成功制备了多种弹性体纤维并展示了其应用潜力：PDMS纤维可编织为不同结构的绳索和织物；导光性优异的PDMS纤维可用作可拉伸光纤，能够以可穿戴式监测多种人体力学信号；平直和螺旋结构碳纳米管（CNT）/PDMS导电纤维能够分别用作可穿戴力学传感器和力不敏感导体；磁性修饰的螺旋PDMS纤维能够磁控进入血管样管道内，有望用作血管内软体机器人。上述应用证明了该技术及所制得纤维的巨大潜力，尤其在生物医学领域中的独特优势。

图3. (a) PDMS织物；(b) PDMS光纤的可穿戴力学传感应用；(c) 平直和螺旋结构CNT/PDMS纤维的力电性质及可穿戴力学传感应用；(d) 磁性修饰的PDMS螺旋纤维进入血管样管道并磁控移动。

该研究解决了一大类不可纺聚合物的量产化纺丝难题，将极大地促进新型可拉伸纤维的研发和应用，有望作为一种基础性制备技术和材料类型，广泛应用于生物医学工程等多个行业领域。

研究得到了国家自然科学基金、海南省重点研发项目、海南大学协同创新中心项目等资助。海南大学为第一完成单位，生物医学工程学院赵国旭副教授为论文第一/通讯作者，生物医学工程学院王东教授和西安交通大学生命科学与技术学院徐峰教授为论文共同通讯作者。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5407

来源：海南大学生物医学工程学院

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