天津大学 l 新型微纳增材制造技术，有望推动个性化医疗器械及自适应材料创新

三维纳米纤维结构因高比表面积、可调孔隙率和优异力学性能，在生物医学、过滤、能源存储和可穿戴电子领域具有广阔应用前景。然而，传统纳米制造技术如静电纺丝多为随机铺设，近场直写（NFDW）又受限于精度低、速度慢、材料单一等，难以兼顾精度、效率与多材料集成。如何实现纳米纤维的精准沉积、复杂结构构建及多功能集成，仍然是微纳制造领域的核心挑战。

本期谷·专栏所分享的论文中天津大学穆九柯教授团队提出动态图案化诱导多材料纳米纤维纺丝增材制造技术（DPMNE Tech），将可编程图案化电路收集器和多前驱体可切换供给相结合，实现了纳米纤维的精准沉积和多层多材料快速组装。

英文原题：Dynamic Electrospinning of Multimaterial Nanofiber Architectures for Programmable Metamaterials and Multifunctional Devices

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12262

通讯作者：Jiuke Mu (穆九柯)，天津大学

作者：Haoshi Ding (丁郝时), Lixue Yang (杨利雪), Shiju Yang (杨世举), Dechi Qi (齐德驰), Yiyao Zhang (张艺瑶), Xiaofei Song (宋晓菲), and Jiuke Mu (穆九柯)

结构的均匀性与可复制性

图1. DPMNE Tech技术路径与DPMNE-多功能膜结构

DPMNE Tech的核心在于微米级图案化收集器（如FPC、PCB电路板）的电场重分布，引导前驱体溶液拉伸为纳米纤维实现精准沉积定位，极大提升了图案化纳米纤维膜的制造效率与灵活度。与近场直写（NFDW）相比，DPMNE Tech的制造速度提升500-1100倍，且支持多材料无缝切换。图1展示了该技术的实现路径与其制造的多功能膜层结构，凸显其高效性和功能化特性。

图2. 图案化纳米纤维网络分布表征与静电场仿真优化

利用静电场仿真与扫描电镜形貌分析，优化接收装置结构（图2）。通过电纺参数寻优 ，实现了核心功能材料改性TPU纤维膜的梁宽度偏差＜3.4%，精度高达99.1%。不同材料（如PVDF、PVA、MWCNT@PVA等）的沉积行为通过灰度评估得到量化，确保了结构的均匀性和可重复性。这种高精度为多领域应用奠定了坚实基础。

可编程泊松比机械超材料

通过调控沉积时间与切换收集器模块，实现纳米纤维网络的泊松比可编程调控（从-0.0771到+0.0318）（图3）。电纺纤维膜负泊松比特性的构建增强了对曲面的贴合性，在可穿戴设备中能减少褶皱，提升舒适度。多层堆叠序列进一步实现了泊松比的按需定制。

图3. 具有可编程泊松比的图案化纳米纤维机械超材料

双梯度Janus液体传输膜

利用亲疏水材料和锥形孔结构梯度耦合，构建定制区域的定向液体传输（图4）。液滴在疏水孔区域可快速渗透至亲水层，而疏水无孔区则抑制渗透。这种双梯度设计可驱动液体定向传输，实现液体逆重力梯度运输。该设计为微流控和生物医疗器件提供了新方案。

图4. 双梯度Janus膜液体定向传输原理与功能演示

光热及液体管理多功能可穿戴贴片

基于多材料协同电纺，团队开发出集成四层功能结构的柔性贴片：负泊松比超材料基底（提供机械适应性）、MWCNT@PVA光热治疗层、定向输水层（液体管理）及疏水保护层（图5）。其中，通过掺杂多壁碳纳米管（MWCNT），贴片在808 nm近红外光照下能维持43-46.5°C的稳定温度，同时液体管理层可用于快速导流汗液，负泊松结构层增强与皮肤贴合与舒适性。该多功能可穿戴贴片展现了在智能医疗中的广阔前景。

图5. 多功能可穿戴贴片结构与功能性应用

总结/展望

DPMNE Tech以电场诱导、动态图案编程与多材料多层纳米纤维网络构建为核心，实现了纳米纤维架构在精度、效率与功能集成上的统一。其应用展示涵盖了机械超材料、定向液体运输和多功能医疗贴片，为软体机器人、生物医疗和智能织物提供了全新制造平台。未来，该技术有望推动个性化医疗器械和自适应材料系统的创新发展。

相关论文发表在期刊ACS Nano期刊上，天津大学硕士研究生丁郝时、博士研究生杨利雪和杨世举为共同第一作者，穆九柯教授为唯一通讯作者。该工作受到国家自然基金委（52175026, 52575343, 52525504）、京津冀基础研究合作专项（E2024202287）、中国科协青年人才托举工程等项目支撑以及天津大学宣怀学院的支持。

通讯作者信息

穆九柯课题组（软体智能驱动课题组）主要从事功能复合材料跨尺度成型加工方法及设备、微型-软体机器人、多功能执行器及人工肌肉纤维等领域的研究，成果以第一或通讯作者在Science正刊、Chemical Society Reviews、PNAS、The Innovation、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano等高影响力期刊上发表多篇学术论文，授权多项PCT国际专利及中国发明专利并部分完成产业化转让。长期欢迎机械、材料、纺织、自动化、力学等学科背景的副研究员、博士后、博士生、硕士生及本科生加入课题组。

联系邮箱：

jiukemu@tju.edu.cn

课题组网站：

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