中科院苏州纳米所《自然·通讯》：铠装芳纶气凝胶纤维构筑可穿戴微反应器，实现高原极端环境按需供氧

可穿戴化学微反应器在按需供氧、精准医疗和连续生理监测等领域具有革命性的应用前景，但其发展长期受制于一个难以调和的材料悖论。传统微反应器的卓越效率依赖于刚性微通道（如玻璃、金属）维持稳定几何结构以保证可预测的流体动力学，但可穿戴操作要求材料能够持续承受人体运动中的弯曲、拉伸、压缩和冲击——刚性基材在动态条件下会断裂，而柔性聚合物替代品则会不可预测地变形，破坏关键的微流体模式和反应动力学。此外，无缝集成到纺织品中还需要材料轻质、柔性且与纺织制造工艺兼容。如何在保持纳米多孔功能结构的同时大幅提升气凝胶纤维的机械耐久性，成为可穿戴微反应器领域亟待破解的核心难题。

针对上述挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员团队成功研制出一种基于铠装芳纶气凝胶中空纤维的可穿戴化学微反应器。研究团队通过热缩管的非破坏性铠装策略，在保持气凝胶纤维纳米多孔结构的同时将其拉伸强度提升至17.6 MPa，断裂伸长率高达770%。进一步将全氟聚醚油限域注入气凝胶壁的介孔中，形成了纳米限域的润滑层，使微流体阻力相比固体壁通道降低高达68.1%。基于此构建的氧气生成可穿戴微反应器原型（总重268克）实现了26498 g·L⁻¹·h⁻¹的高时空产率和100%的氧气纯度，在海拔4998米的活体验证中可快速恢复血氧饱和度，有效缓解急性缺氧（图1）。相关论文以“Chemical O2-generated aerogel-structured wearable microreactors”为题，发表在Nature Communications上。

图1. 基于铠装芳纶气凝胶中空纤维的化学氧气生成可穿戴微型反应器示意图。该设计通过两种协同机制解决内部传输效率问题：（1）通过限域在气凝胶介孔壁内实现滑移流体的介观稳定化；（2）流体传输效率超越常规微管，实现显著的减阻效果。米级AAAHF@K101被集成到基于纺织品的可穿戴微型反应器中。该系统的氧气生成时空产率比传统反应器高出数个数量级。aq表示水溶液。

铠装策略的巧妙设计：从脆弱到强韧的转变

研究团队采用商用热缩管通过无溶剂制造方法构建了纳米多孔核心/致密韧壳结构的铠装芳纶气凝胶中空纤维（AAAHF）。制备过程首先通过动态双向溶胶-凝胶湿法纺丝技术合成芳纶气凝胶中空纤维，随后在氩气气氛下400℃热处理30分钟以优化网络交联，最后将聚乙烯热缩管套在热处理后的纤维上，在110℃加热15秒使其完全收缩贴合（图2a）。热缩管在热刺激下径向收缩，通过构型重构实现与气凝胶纤维的无缝界面贴合（图2b）。扫描电镜图像清晰展示了AAAHF的横截面结构，显示热缩管内壁与芳纶气凝胶中空纤维外表面之间实现了紧密贴合（图2c）。高倍率成像进一步揭示了气凝胶介孔结构与热缩管致密壳层之间的紧密键合，铠装层与气凝胶核心之间实现了无缝整合（图2d）。氮气吸附-脱附曲线分析表明，AAAHF内部气凝胶壁保留了完整的介孔结构，比表面积为183.8 m²/g，介孔体积为0.7 cm³/g，平均孔径为18.4 nm（图2e）。力学测试结果显示，AAAHF的拉伸强度从铠装前的6.0 MPa提升至17.6 MPa，断裂伸长率从20%实现了38.5倍的惊人增长，达到770%（图2f）。研究团队进一步验证了该方法的普适性，包括芳纶气凝胶纤维、纤维素气凝胶纤维、海藻酸钠气凝胶纤维、石墨烯气凝胶纤维、MXene气凝胶纤维、二氧化硅气凝胶纤维等多种体系均可成功铠装（图2g）。

图2. 铠装芳纶气凝胶中空纤维的制备与表征 (a) AAAHF制备过程示意图。(b) 在热刺激下，热收缩管径向收缩，使热处理后的芳纶气凝胶中空纤维结构重组为AAAHF，通过形态演化实现从有缝到自适应贴合的无缝界面结合。实验独立重复三次，结果相似。比例尺为6 mm。(c) AAAHF的横截面视图显示热收缩管内壁与芳纶气凝胶中空纤维外表面紧密贴合。实验独立重复三次，结果相似。比例尺为500 μm。(d) 高倍率成像揭示了气凝胶介孔结构与热收缩管致密壳层之间的紧密结合。实验独立重复三次，显示代表性图像。比例尺为5 μm。(e) AAAHF内部气凝胶壁的氮气吸附-脱附曲线（插图为孔径分布图）。(f) 芳纶气凝胶中空纤维、热处理芳纶气凝胶中空纤维、热收缩管（PE表示聚乙烯）和AAAHF的拉伸应力-应变曲线。(g) 各种气凝胶纤维与各种热收缩管之间的兼容性总结（气凝胶纤维包括芳纶气凝胶纤维（AAF）、纤维素气凝胶纤维（CAF）、海藻酸钠气凝胶纤维（SAAF）、石墨烯气凝胶纤维（GAF）、MXene气凝胶纤维（MAF）、二氧化硅气凝胶纤维（SAF）、石墨烯气凝胶中空纤维（GAHF）、纤维素气凝胶中空纤维（CAHF）和芳纶@MXene气凝胶同轴纤维（AMACF）。替代铠装材料包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）、硅橡胶（SR）、氟橡胶（FR）和三元乙丙橡胶（EPDM）。五角星和叉号分别表示气凝胶纤维与热收缩管之间的兼容和不兼容。

多功能特性的赋予：从单功能到全场景适应

AAAHF展现出显著提升的力学性能外，致密聚合物壳层还赋予了气凝胶纤维优异的防水防油性、可洗涤性、多色彩能力和阻燃性（图3）。研究团队可连续制备长达12米的AAAHF并卷绕于线辊上（图3a）。未铠装的芳纶气凝胶中空纤维在酒精灯外焰下极易被碳化（图3b），而AAAHF可承受相同火焰1-2秒的灼烧并在离焰后自熄，这一显著的阻燃增强主要归因于商用热缩管铠甲中的阻燃添加剂（图3c）。通过使用不同颜色的聚乙烯热缩管，单根连续气凝胶纤维上可以方便地制造出多色段，为传统复杂的纤维染色工艺提供了极为简化的替代方案（图3d）。凭借其高柔韧性（弯曲半径可达1 mm），AAAHF可以被编织成中国结等复杂形状（图3e），也可通过混纺技术与羊毛纺织品结合，展现出优异的可穿戴集成能力（图3f）。在抗污染性能方面，未铠装气凝胶纤维对水和油表现出超双亲性、易受污染，而AAAHF表面的水渍或油渍可通过简单冲洗轻松去除（图3g）。浸泡测试进一步证实，AAAHF在水中的吸水率从铠装前的1011%骤降至0.07%，油吸收率从2004%降至1.2%（图3h）。在抗重力水输运测试中，AAAHF凭借致密铠装层有效抑制蒸发，可持续供水超过10天，最终高度达到990 mm，而未铠装纤维因无法抑制蒸发而在1小时内达到平衡（图3i）。

图3. 铠装芳纶气凝胶中空纤维的柔韧性、可编织性和多功能性能 (a) AAAHF缠绕在卷轴上，表明气凝胶纤维可连续铠装长达12米。比例尺为2 cm。(b-c) 未铠装气凝胶纤维与AAAHF的点燃对比测试，表明AAAHF具有良好的阻燃性。(d) AAAHF可以使用不同颜色的热收缩管进行铠装，展示其多色彩特性。比例尺为1 cm。(e) 用AAAHF编织的中国结，表明其弯曲半径为1 mm的柔韧性。比例尺为1 cm。(f) AAAHF通过针织与羊毛纺织品结合，表明AAAHF的可穿戴性。比例尺为1 cm。(g) AAAHF表面的水渍或油渍可通过简单冲洗轻松去除，表明其防污性能。比例尺为1 cm。(h) 未铠装气凝胶纤维与AAAHF的吸油和吸水率对比。

减阻性能的突破：纳米限域润滑层的巧妙应用

受猪笼草光滑液体灌注多孔表面的启发，研究团队将全氟聚醚油注入AAAHF内层气凝胶的介孔壁中，形成了稳定的固液复合微通道（AAAHF@K101）（图4a）。通过系统比较三种全氟聚醚油变体（K101、GPL103、K105），K101因其优异的疏水性（AAAHF@K101内表面水接触角121.7°）和最高的水界面张力（57.2 mN/m）被选为最佳润滑剂（图4b、4c）。使用自制装置测量层流水流的压降发现，在350 μL/min的流速下，聚乙烯热缩管的压降为285 Pa，而AAAHF和AAAHF@K101的压降分别为173 Pa和129 Pa（图4d、4e）。表观达西摩擦因子计算显示，PE管、AAAHF和AAAHF@K101分别为10.90、6.09和4.54（图4f）。相比裸PE管，AAAHF@K101在输送水时的减阻率高达58.2%；在输送废水、海水甚至过氧化氢时，减阻率范围在47.3%至68.1%之间（图4g）。即使与未注入润滑剂的AAAHF相比，AAAHF@K101仍保持了4.4%至31.0%的减阻收益。与文献报道的混合欧拉-拉格朗日方法（26%减阻）、脉动管流（38.6%）、形状改性管道（4%-25%）和表面构型管道（23%）等方法相比，AAAHF@K101的减阻性能显著优于现有技术（图4h）。更重要的是，气凝胶基质提供的纳米限域效应确保了润滑剂层的优异长期稳定性——在21小时连续水循环测试中压降保持稳定，总质量损失小于1.5%；在静态水溶液中浸泡30天后总质量损失仍小于1.7%。

图4. 基于铠装芳纶气凝胶中空纤维的微通道减阻性能 (a) 基于AAAHF制备具有减阻效果微通道的示意图，其中全氟聚醚油被注入AAAHF内层的气凝胶介孔壁中。(b) AAAHF@K101、AAAHF@GPL103和AAAHF@K105内表面的水接触角。b中数值表示n=3个独立样本的均值±SD。(c) 不同类型PFPE油（品牌名：K101、GPL103、K105）与水的界面张力。c中数值表示n=3个独立样本的均值±SD。(d) 微通道管道压降测试装置示意图以及AAAHF中注入全氟聚醚油的介孔壁流体的减阻机制示意图。(e) PE热收缩管、AAAHF和AAAHF@K101输送水时的压降对比。(f) PE热收缩管、AAAHF和AAAHF@K101的表观达西摩擦因子对比。(g) PE热收缩管和AAAHF@K101输送废水、海水和过氧化氢时的压降对比。e、f、g中数值表示n=3次独立实验的均值±SD。每次实验中，在70秒内采集70个数据点，平均值作为单次测量值。柱高表示三次实验均值的平均值；误差线表示SD。(h) AAAHF@K101与文献中其他方法（混合欧拉-拉格朗日、机器学习、管道形状改性、管道内表面构型）的减阻率对比。

可穿戴氧气发生器的系统集成与性能验证

基于AAAHF@K101的微通道特性，研究团队成功开发了氧气生成可穿戴微反应器（OWM）原型。系统包含两个液体储液罐（30 wt%过氧化氢和0.3 mol/L三氯化铁溶液）、两个微型蠕动泵、1.5 V电池电源、T型接口、1.5米AAAHF@K101（反应区）、气液分离袋、气体过滤器和鼻导管（图5a）。AAAHF@K101通过平针针织与纺织品集成，从外观上看与普通针织衣物无异，白色虚线框内分别圈出了AAAHF@K101和气液分离装置（图5b）。红外热成像证实AAAHF@K101表面温度约25℃，气液界面温度约31.7℃，与人体条件良好匹配（图5c）。系统地参数研究表明，氧气生成速率与注射速率呈正比关系，可通过泵调节实现精确控制（图5d）。气液分离器处的温度随注射速率增加而升高，反映了反应动力学的增强（图5e）。实时压力监测显示，AAAHF@K101在25分钟连续流动中保持了优异的压力稳定性，标准差仅159 Pa（峰值0.11 MPa），相比PE@K101（σ=1606 Pa）、PE（σ=4898 Pa）和原始AAAHF（σ=18085 Pa）分别实现了10.1倍、30.8倍和113.8倍的标准差降低（图5f）。在800 mL/min注射速率下，系统连续运行100小时氧气生成率保持不变，累计氧气量稳步增加（图5g）。在3650米海拔的静态条件测试中，受试者基线血氧饱和度为84%，在佩戴OWM供氧60±3秒后血氧饱和度即升至96%（图5h）。多海拔分析进一步验证了系统在3650米、4280米和4998米海拔的性能表现——无论在哪个海拔梯度，200±3秒的氧气补充均能将血氧饱和度恢复至生理正常范围（图5i）。

图5. 氧气生成可穿戴微型反应器的组装与性能 (a) 氧气生成可穿戴微型反应器的组装示意图。主要配件包括针织面料、原料袋（过氧化氢作为氧源，氯化铁溶液作为催化剂）、蠕动泵、三通阀、AAAHF@K101、气液分离装置、气体净化装置和鼻吸管。(b) 氧气生成可穿戴微型反应器穿戴在人体上的照片。从外观上看，衣物与普通针织衣物相同。白色虚线圆圈分别标示AAAHF@K101和气液分离装置。AAAHF@K101通过编织与成衣结合，气液分离装置通过捆扎固定在衣物上。(c) 氧气生成可穿戴微型反应器穿戴在人体上的红外照片。(d) 不同原料进料速率对氧气生成速率和纯度的影响。(e) 不同原料进料速率下气液分离器处的温度变化。(f) 四种管道（PE、PE@K101、AAAHF和AAAHF@K101）在25分钟连续流过程中的实时压力分布对比。(g) 100小时运行期间氧气生成速率和累积氧气量的变化。(h) 在3650米海拔条件下，静息状态氧气补充过程中血氧饱和度的变化。(i) 在不同海拔高度（3650米、4280米和4998米）氧气补充前后血氧饱和度的对比。

总结与展望

这项研究成功实现了可穿戴化学微反应器的制备，解决了机械鲁棒性与超高孔隙率之间的根本性不兼容问题，同时赋予了纺织品兼容的弹性、阻燃性和环境耐受性。通过纳米限域润滑剂介导的流体滑移界面，实现了优异的微通道减阻效果。集成的可穿戴氧气发生器展现了100%的氧气纯度和超过100小时的总运行时间，在4998米海拔的活体验证中200±3秒内即可将血氧饱和度恢复至95%。这项研究建立了一个基础性材料范式，为将高性能气凝胶纤维集成到先进可穿戴技术中提供了通用策略，对急救医学和便携式化学合成系统具有深远意义。