安徽农业大学叶冬冬/中国药科大学周湘《AFM》：微流控纺丝技术助力扭曲纳米流体纤维制造及自供能尿液监测

生物质纳米流体材料由于其生物相容性和离子选择性传输行为，在健康监测和能量收集方面具有广泛的应用。特别是纤维作为一种连续且具有柔性的材料形式，在智能可穿戴传感织物中具有天然优势。近年来，纳米流体纤维在机械性能、取向排列、能量收集效率和结构稳定性方面取得了重大进展。然而，纤维自身的通道结构仍需通过湿加捻、压缩等后处理进行致密化。因此，如何通过一体化设计实现具有致密空间结构的纳米流体纤维仍需进一步探索。

安徽农业大学叶冬冬教授团队与南开大学刘遵峰教授和中国药科大学周湘教授合作，开发了一种创新且可扩展的流程。这一工艺结合微流控纺丝技术和不对称流场，控制带负电荷的海藻纤维素纳米纤维（CNFs）的组装，创造出新型扭转结构的海藻纤维。扭转纤维具有高堆积密度（1.47 g/cm³）、优异的力学强度（468.5 MPa）和高取向（fc = 0.89）。它们表现出卓越的选择性离子传输能力和渗透能量收集性能。研究表明，通过控制微流控纺丝系统中的不对称流体动力学，可以精确操纵CNFs的空间分布，从而设计出不同捻度结构的纤维。与传统湿纺纤维相比，这些扭转纤维具有更小的直径、更高的填充密度、更强的机械性能和取向，以及更优的离子传输和渗透能量收集能力。这种革命性的扭转纤维将引领可穿戴设备、功能性纺织品和智能医疗领域的新趋势。它们可集成到自供电的婴儿尿液监测装置中，准确检测排尿和运动，并在尿液饱和时发出警报，大大提高监测的准确性和实用性。

该研究以题为“Customizable Twisted Nanofluidic Cellulose Fibers by Asymmetric Microfluidics for Self-Powered Urine Monitoring”的论文发表在《Advanced Functional Materials》期刊。第一作者为硕士生林泽婉和博士后傅晓童。通讯作者为安徽农业大学叶冬冬教授和中国药科大学周湘教授。安徽农业大学为第一完成单位。

【自加捻纳米流体纤维的制备及表层扭转结构对纤维性能的贡献】

在这项研究工作中，通过空间高度不对称芯片在微流控纺丝过程中所形成的涡流，对芯层通道表层的海藻纤维素纳米纤维进行旋转加捻，从而纺制出了具有表层扭转内层轴向取向的海藻纤维素纳米流体纤维。值得注意的是，表面具有扭转结构的纤维展现出全面优于对称芯片获得的内外轴向取向的海藻纤维素纳米流体纤维，且扭转纤维高的离子电导率展现了其在传感监测上的应用前景。

图1. 自加捻纤维素纳米流体纤维的制备流程、结构及性能比较

【纳米流体纤维的制备机理、结构调控和性能】

此外，作者通过SEM对两种芯片纺制得到纤维的表面及截面形貌进行了表征，明确了扭转纤维和取向纤维的排列结构，这与后续的纺丝过程中纤维形成的有限元模拟结果一致。扭转纤维由于自加捻，其纤维素堆积密度更高，CNF排列更加紧密，从而展现出更高的取向度、断裂应力。分子动力学结果表明，扭转纤维表面的扭转角在受到外力时，起到连接作用，可以耗散外力，从而表现为更高的断裂应变。同时，在实验过程中，通过改变鞘层溶液的流速可以对扭转纤维表面的扭转角进行调控，纤维的机械性能也随着扭转角度的增大而增大。

图2. 扭转纤维和取向纤维的结构、性能、形成及形变机制探究

【表层扭转结构对纤维素纳米流体纤维的影响及机理】

纳米流体纤维包含高度定向和带电的纳米通道，可以将来自盐度梯度的吉布斯自由能转化为电能，从而在盐度环境中实现自供电传感。与取向纤维相比，扭转纤维的VOC和ISC普遍增强，表明离子导体中具有相同电荷的有序离子通道进一步提高了输出性能。不对称流动介导的扭转纤维显示出更紧密的堆叠纳米结构，与相同条件下的取向纤维相比，增强了能量收集（图3f）。为了进一步证明扭转纤维的自供电效果，设计了一个由多个基于扭转纤维的单元串联组成的渗透收获转换系统。结果表明，串联单元可以驱动计算器和LED灯(图3h)。

图3. 扭转纤维的离子运输性能及自供能行为探究

【基于扭转纤维的尿液传感系统的性能评价和应用展示】

最后作者利用扭转纤维在低浓度下仍具有的高的离子电导率以及自供电性能，搭建了一个小型电化学工作站，将其集成到纸尿裤上监测婴儿的排尿。经过测试观察，这种以扭转纤维为核心的传感装置可以辨别婴儿的排尿及运动行为引起的电流变化，且在纸尿裤饱和时，提示进行尿布更换。

图4. 以扭转纤维为核心的尿液传感监测系统在自供能传感方面的应用

总结：在这项研究中，作者开发了一种前所未有的具有表面扭曲和内部取向结构的扭转海藻纤维。通过将微流控技术与复杂的非对称流场相结合，不仅实现了对携带负电荷海藻纤维素纳米纤维（CNFs）组装过程的精细控制，且通过表层扭转结构，纤维直径显著减小（33.6至20.4 μm），堆积密度增加（0.87至1.47 g cm-3），断裂应力增强（468.5 MPa），赫尔曼定向参数增大（从0.77到0.89），结构和性能方面都取得了重大进展。此外，在50倍NaCl盐度梯度下，具有高性能选择性离子传输（7.8 mS cm-1）和能量收集特性（12.9 W m-2），这些优异的性能赋予了扭转纤维在自供电监测婴儿尿液上的检测灵敏度和准确性。这种扭转在离子信号传输和自供电传感系统中的巨大潜力表明，它们将在未来的智能技术和健康监测中发挥关键作用。

最后，因课题发展需要，叶冬冬教授团队招聘博士后1-2名，详情请浏览课题组官网。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202414365

生物质基可持续材料课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/ydd

来源：高分子科学前沿

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