旧文回顾《Science子刊》海南大学王东：通过流体和界面自适应的水凝胶辅助微流控纺丝制备可拉伸纤维

本质上可拉伸的聚合物纤维已得到广泛的应用。与不可拉伸的聚合物纤维相比，可拉伸聚合物纤维能够在机械动力学条件下保持其功能，并实现特定用途（例如，应变传感器和可拉伸基底）。随着生物材料和生物电子学的发展，可拉伸聚合物纤维因其能够与人体适形且舒适地结合而受到越来越多的关注。然而，它们的大规模生产和应用受限于可纺弹性聚合物，例如聚氨酯（PU）和聚苯乙烯-苯乙烯共聚物。此外，采用传统纺丝技术（例如熔融纺丝、湿纺和干纺）进行加工通常需要严格的环境控制（例如高温和外力）和大量的资源消耗（例如熔化或溶解聚合物所需的能量和有机溶剂）。这些挑战极大地阻碍了可拉伸聚合物纤维的发展。可纺性聚合物通常可以制备成熔体或溶液，然后将其成型为纤维状流体，再通过熔体冷却或溶剂萃取/挥发等方式对这些纺丝流体进行固化，使其固化时间短于其保持纤维状结构的时间，从而实现连续纤维的纺丝。然而，对于各种广泛使用的具有优异机械、生物和其他性能的弹性聚合物，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和Ecofle x等有机硅，由于难以获得其熔体或溶液以及其预聚物的缓慢固化过程（几分钟到几小时），大规模生产其纤维仍然具有挑战性。虽然它们可以通过在管中成型、在热浴中湿纺或拉伸预固化预聚物来加工成纤维，但这些方法不能同时实现高质量的纤维（例如，均匀性、圆形截面和光滑的表面）和大规模生产能力（例如，长长度和高效率）。这极大地影响了这些纤维的应用潜力以及这些聚合物作为纤维组分的选择偏好，因此迫切需要开发适用于这些聚合物的纺丝技术。

近日，海南大学王东教授团队提出了一种水凝胶辅助微流体纺丝（HAMS）方法，该方法通过将预聚物封装在任意长度、具有保护性和可牺牲性的水凝胶纤维中。通过设计简单的装置并控制油/水流的流体和界面自适应性，成功生产出具有广泛可控直径（0.04至3.70毫米）、显著长度、高质量（例如，表面光滑、全长均匀性和圆形截面）和显著拉伸性（高达1300%）的纤维，无论其可纺性如何。该方法的独特之处在于，它能够轻松、有效且可控地重塑生产具有卓越拉伸性和机械柔顺性的螺旋纤维。深入揭示了这些纤维的生产机制，并展示了它们作为纺织组件、光电器件和执行器的潜力。HAMS 方法将成为批量生产高质量可拉伸纤维的有力工具。相关成果以“Hydrogel-assistedmicrofluidic spinning of stretchable fibers viafluidic andinterfa cialself-adapta tions”为题，发表在《Science Advances》(期刊号：Sci. Adv. 9, eadj5407 (2023) IF=12.5)上。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5407

图文速递

图1. AMS方法。（A）水凝胶辅助微流体纺丝（HAMS）平台示意图。（B）该示意图展示了SOP/水凝胶核/壳纤维通过流体（流速均衡）和界面（界面变形和稳定）自适应形成的示意图。灰色箭头的宽度和方向分别表示SOP、海藻酸钠溶液和CaCl 2 溶液的流速。（C）该示意图展示了基于SOP的纤维的制造策略和一些应用演示。 (D 至 F) (D) 普通纺丝 SYLGARD 184PDMS/水凝胶纤维的照片、(E) 芯流固化后的芯/壳纤维的照片，以及 (F) 去除水凝胶壳后的 SYLGARD 184PDMS 纤维的照片（比例尺，1 毫米）。(G) 不同直径 (D) 和长度 (L) 的连续 SYLGARD 184PDMS 纤维的照片（比例尺，2 厘米）。(H) 这两根纤维的扫描电子显微镜 (SEM) 图像（比例尺，1 毫米）。(I) SYLGARD 184PDMS 纤维表面的高倍率 SEM 图像（比例尺，20μm）。(J) 这两根纤维的截面照片（比例尺，1 毫米）。

图2. 通过HAMS方法对不同粘度的SOP进行纤维纺丝。 (A) 不同流速下制备的PDMS封装芯/壳纤维织物的照片（比例尺，1mm）。(B) 不同PDMS液体/PDMS混合物体积比的PDMS纤维的照片（液体：液体；比例尺，1mm）。(C) PDMS液体/PDMS混合物的动态粘度（每组三个样品）。(D) μ C [从(C)中提取的PDMS为0.1s −1，二苯醚为3.86×10 −3 Pa·s，空气为1.85×10 −5 Pa·s] 对TD/C的影响。(E) μ C 对DCF下限和上限的影响，显示预测的DCF范围。(F) 由不同同轴针制成的PDMS纤维的照片（比例尺，1mm）。(G) 直径测量纤维和同轴针。G，规格。（H）由其他SOP制成的一些纤维的照片（比例尺，1毫米）。（I）这些SOP的动态粘度。（J和K）所有纤维的拉伸曲线、统计拉伸强度和断裂伸长率（带SD的点）。 (L) 加捻螺旋纤维和绳索，(M) 经编纺织品，以及 (N) 纬编纺织品的制造过程，它们均由一根连续的 PDMS 液体纤维制成（比例尺，5 毫米）。(O) 照片显示一根直径 2.8 毫米、长度 1.3 米的中性硅纤维被拉伸至 10 米。(P) 一根中性硅纤维在低倍（1；比例尺，2 厘米）和高倍（2；比例尺，200 微米）下穿针引线，可拉伸至~800% 应变（3；比例尺，2 厘米）。该纤维的长度已达到~15 米（4；比例尺，5 毫米）。(Q) 激光显微镜图像显示一根头发和一根超薄中性硅纤维的原始和~1300%应变拉伸状态（比例尺，10μm）。

图3. HAMS方法的纤维纺丝机制。（A至C）在不同Qcore/Qshell下PDMS液球的形成（比例尺，1mm）。（D）相场数值结果显示在开始挤出核流后的不同时间（t）下不同Qcore/Qshell下核（PDMS液球）和壳流的界面变形和流体流场（比例尺，1mm）。（E）示意图显示了纺制PDMS液/水凝胶纤维的潜在机制。（F和G）在不同Qcore/Qshell下纺制的PDMS核/壳纤维的照片，其中示意图显示了潜在的纺丝机制（比例尺，1mm）。

图4. 通过 HAMS 方法成型生产螺旋纤维。（A）示意图显示了螺旋纤维的成型生产。插图为钢棒上包裹的纤维（比例尺，1mm）。（B）由不同的纺丝纤维（内针：从上到下 12、16 和 24 号）和棒（直径：从上到下 4、2 和 0.5mm；比例尺，5mm）制成的三种螺旋 PDMS 细纤维。（C）照片显示了微尺度螺旋 PDMS 细纤维的优异拉伸性（内针为 27 号，棒直径为 0.5mm；比例尺，5mm）。（D 和 E）示意图和照片显示了 Tshell、Drod、H 和 Deg 对螺旋 PDMS 细纤维结构的影响（比例尺，1mm）。（F）四种具有不同纤维直径和螺旋直径的螺旋 PDMS 细纤维的照片（比例尺，1 毫米）。（G）使用不同棒制造的螺旋 PDMS 细纤维的拉伸曲线、统计拉伸强度和断裂伸长率（带有 SD 的点）。（H）(F) 中四种螺旋 PDMS 细纤维的拉伸曲线。（I）显示重塑螺旋结构的潜在机制的示意图。

图5. 通过 HAMS 方法制备的可拉伸纤维的应用演示。(A) 照片展示了磁性改性螺旋 PDMS 纤维在类似容器的通道（以聚氯乙烯 (PVC) 管为模型）内磁驱动伸长以到达目标（以磁铁为模型）以及在移除磁场后回弹的情况（比例尺，5 毫米）。(B) 1 米长的 PDMS 液体纤维传输红光、绿光和蓝光的照片（比例尺，2 厘米）。(C) 该 PDMS 液体纤维在弯曲状态下传输红光的照片（比例尺，2 厘米）。(D) PDMS 液体纤维长度对其传输红光、绿光和蓝光光传输的影响。(E) PDMS 液体纤维在 1000 次 100% 应变循环拉伸过程中的光传输。 (F 至 I) 基于 PDMS 液体纤维光传输监测 (F) 手指弯曲、(G) 手指按压、(H) 手指按压输入的莫尔斯信息和 (I) 腕脉搏。平均图样显示腕脉搏的收缩峰 (P S)、潮波 (P T) 和舒张峰 (P D)。(J) 直型和螺旋型 CNT/PDMS 液体纤维的 SEM 图像。(K) 直型和螺旋型 CNT/PDMS 液体纤维在拉伸至断裂过程中的电阻变化 (△R/R 0) 曲线和拉伸曲线。 （L）直CNT/PDMS液体纤维在不同应变的周期性拉伸过程中的△R/R0曲线。（M）使用直CNT/PDMS液体纤维监测手指弯曲。（N）通过将CNT/PDMS液体纤维与蓝牙装置和手机应用程序相结合来无线监测手指弯曲，以及（O）对手指弯曲的无线监测结果。