科学家开发绿色制备聚乳酸纤维新方法，孔隙率超过80%

聚乳酸（polylactic acid，PLA）是一种常见的可降解高分子材料，目前已应用于诸多领域。例如，生物医学工程、包装、服装和纺织品、农业、汽车工业、3D 打印等。

其中，在生物医学工程领域，PLA 因本身及降解产物的良好生物相容性而备受青睐。它在手术缝合线、骨钉和骨板等新型医疗产品中发挥着重要作用，并被广泛地应用。

但是，PLA 纤维的加工成型通常依赖高温或有机溶剂（如熔融纺丝或湿法纺丝），这限制了它在负载生物活性物质（比如蛋白质）方面的应用。

在以往的研究中，科学家虽然通过微流纺丝或湿法纺丝等方法，也能在室温条件下实现 PLA 纺丝。

但是，需要了解的是，PLA 的纺丝过程通常受限于一系列问题。例如，挥发性溶剂的使用、生物不相容性，以及由不可控溶剂交换导致的复杂纤维形貌等。

近期，瑞士联邦材料科学与技术研究所的研究团队，发展出一种用水凝胶辅助微流体纺丝的新策略。该方法利用绿色溶剂，在室温条件下即可制备出可控的 PLA 纺丝。

该研究为解决在 PLA 纺丝过程中，经常出现的室温负载生物活性分子和避免有毒溶剂等问题，提供了新的解决方案。

“这是第一个在没有任何石油基溶剂或石油基聚合物辅料，而是完全基于生物基材料的条件下，实现 PLA 微流纺丝的例子。值得一提的是，纺丝后处理的过程也完全是绿色的。”该论文通讯作者、瑞士联邦材料科学与技术研究所韦孔昌博士说道。

图丨使用水凝胶辅助微流体湿纺法制备 PLA 纤维（来源：Chemical Engineering Journal）

基于 PLA 是一种生物基聚合物的考虑，他们使用从植物中提取的绿色溶剂 CyreneTM 来制备纺丝原液。“这种方法既不依赖石油基有机溶剂，也不依赖高温熔融纺丝，而是一种在室温下完全绿色的、生产 PLA 微丝的策略。”韦孔昌表示。

与用熔融纺丝制备的实心 PLA 纤维不同的是，用这种新方法生产的 PLA 微丝有一个显著的特点，即其拥有超过 80% 的孔隙率。

图丨聚乳酸-海藻酸混合纤维和聚乳酸纤维的光学图像和扫描电镜图像（来源：Chemical Engineering Journal）

基于高孔隙率的特性，未来可以继续探索这种 PLA 微丝在功能性材料设计方面的应用。

韦孔昌举例说道：“用高孔隙率的 PLA 纤维制备伤口敷料，可以在其孔隙中负载具有生物活性的药物、蛋白质、小分子药物等。”

另一方面，用新方法制备的 PLA 纤维，还有可能做成隔热性织物或保暖性织物。并且，该材料也可能与其他材料进行高效率复合，从而有望作为新型的支架材料，为组织工程、细胞培养、再生医学等领域提供了实现功能性的可能。

近日，相关论文以《用绿色和促晶纺丝混合液制备聚乳酸纤维的水凝胶辅助微流体湿法纺丝技术》（Hydrogel-assisted microfluidic wet spinning of poly(lactic acid) fibers from a green and pro-crystallization spinning dope）为题发表在 Chemical Engineering Journal 上[1]。

瑞士联邦材料科学与技术研究所博士研究生王吴超为第一作者，韦孔昌博士和雷恩·M·罗西（René M.Rossi）教授担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Chemical Engineering Journal）

有意思的是，研究人员还在机理研究中发现了一个“意外的收获”。

具体来说，PLA 这种生物基的聚酯高分子与绿色溶剂 CyreneTM 在室温条件下，可以通过大分子自组装形成一种特殊的混合晶体结构，这导致溶剂被包裹在 PLA 折叠而成的 3D 网络结构中，进而从溶液状态转变为绿色聚酯有机胶。

韦孔昌表示：“这种独特的现象，很有可能为绿色制造或绿色纺丝带来新的机会。”

图丨该论文第一作者、瑞士联邦材料科学与技术研究所博士研究生王吴超（来源：该团队）

韦孔昌在复旦大学获得本科和博士学位，在香港中文大学从事研究助理和进行博士后研究，之后在瑞士联邦材料科学与技术研究所从事博士后研究。

目前，他担任瑞士联邦材料科学与技术研究所“组织再生软材料”课题组组长，研究方向包括聚合物水凝胶、超分子生物材料、组织工程、微流体生物制造等。

下一步，该课题组计划通过扩展不同的绿色有机溶剂，来尝试获得一个相对完整的、描述 PLA 绿色溶液特性的图谱，并进一步改进高孔隙率 PLA 纤维的力学性能。

参考资料：

1.Wuchao Wang et al. Hydrogel-assisted microfluidic wet spinning of poly(lactic acid) fibers from a green and pro-crystallization spinning dope. Chemical Engineering Journal 481,148417(2024). https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148417

运营/排版：何晨龙

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