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全球快消息！上海理工团队研究“猪鼻子”背后的电纺仿生设计，助推纳米纤维应用发展
来源: DeepTech深科技      时间：2023-05-09 12:57:42


(资料图片仅供参考)

2021年末，“上海一名大三女生用猪鼻子圈住两篇 SCI”的话题引发了诸多讨论，并一度登上了微博热搜。
“这个‘猪鼻子’很有意思，它最初的构想是由上海理工大学电流体动力学新材料团队的本科生常淑月提出的。她看到自己的书包上有一个小猪挂件，便对这种猪鼻子的形态是否可以融入到纺丝头的设计产生好奇。后来，在我们团队教授的指导下，这个设想成真了。”上海理工大学硕士生导师表示。
图丨宋文良（来源：）
“猪鼻子”到底是什么？它又是怎么与机械设计、高分子材料等领域联系在一起，并制备出具有一鞘双芯且分离结构的纳米纤维呢？
为了进一步解答上述问题，上海理工大学教授和博士带领团队，对基于静电纺丝纺丝头的仿生设计，以及由此产生的潜在应用进行了研究与总结。
2023 年 3 月 13 日，相关论文以《静电纺丝头:从宏观世界到微观纳米结构的桥梁》（）为题在Cell旗下的The Innovation上发表[1]。
图丨相关论文（来源：The Innovation）
上海理工大学青年教师为该论文的第一作者兼通讯作者，硕士研究生唐昀昕为该论文的共同第一作者，教授、东华大学教授、韩国科学技术研究院讲席教授金文俊（）担任论文的共同通讯作者。
静电纺丝是一种制备纳米纤维材料的先进技术，在电场力的作用下，液滴在纺丝头的顶端会形成泰勒锥并射出流体，而流体经过拉伸和固化会形成纳米纤维。
其中，纺丝头通常由特殊设计而成，可以制备出独特的纤维结构，能够促进纳米材料向更小、更有序、更复杂的方向发展。
有趣的是，对自然界某些动植物的特征进行模仿，有利于推动纺丝头设计实现意想不到的可能性。
比如，传统的空心纺丝头单轴静电纺丝，使用的是注射器和针头，其分别被认为是受到动物膀胱和鹅羽毛的启发才制备出来的。
设计三根不同直径的针管组成的纺丝头，内、中、外流体可以分别进料，能够制备出蛏子状形貌芯鞘分离的无机物或者有机复合材料；根据莲藕的截面，可以制备出内部具有多通道的纤维结构。
这些精妙的电仿仿生设计，为非传统功能纤维的制备带来了广阔的想象空间。
值得一提的是，该团队希望通过一张图片，来说明电纺设计能够从大自然中汲取灵感，并表达基于此设计出的纤维可以实现广泛应用的观点。
图丨静电纺丝喷丝器的仿生设计（来源：The Innovation）
为了设计出能够清晰传达上述思想的图片，他们不仅找到了中央美院的老师为此专业绘图，还邀请了东华大学纤维改性国家重点实验室钱成老师为图片出谋划策。
“终版图片突出表达了大自然启发设计思路的想法，并通过较为夸张的图片元素展示了‘猪鼻子’等多种电纺仿生设计制备出的精妙纤维形态。”表示，“从图片初稿到最终版本我们修改了 10 余次，最后也得到了包括编辑团队在内的一致好评。”
从应用上看，采用这种新技术制备的纤维具有广泛的应用前景。
首先，一般来说，固体纤维中的封闭空间并不利于物质的转移和运输，而通过此方案制备的、包含多个内部腔室的多孔纤维可以很容易地在污染物吸收、催化、超级电容器和电池上获得应用。
其次，一根纤维内的多个腔室，能够提供多药物和功能的组合，将治疗和诊断组件集成到一种材料中。
同时，利用该技术，也能将陶瓷、难溶交联高分子等一些可加工性较差的材料同步组装进纳米纤维，从而推动纳米纤维的应用拓展和效能提升。
接下来，他们将在已经开发的纺丝头的基础上，研究包括药物递送、伤口敷料、传感器、催化等在内的相关应用。
此外，需要说明的是，现存的纺丝头仍然存在一定的局限性。比如，在同轴静电纺丝中，必须仔细考虑溶剂的混溶性和相容性。同时，还需要对喷丝头与其所得纤维形态之间的关系进行更详细的研究等。
“沪江大学(上海理工大学前身)创始人之一魏馥兰曾说过这样一句话:每一艘开往上海的轮船都必须在这所大学的视线内经过；在这样一个校园里，任何有思想的学生都不能不感到自己生活在一个大的世界里。”说，“今年团队的成果还分别在催化和高分子领域顶尖期刊Applied Catalysis B[2]和 Progress in Polymer Science[3]上得到了发表。这些创新设计值得进一步探索，同时，也欢迎更多有思想的学生加入我们的研究团队，用基于仿生设计的纳米纤维实现更多前沿应用。”

参考资料：

1.Song, W., Tang, Y., Qian, C., Kim, B. J., Liao, Y.,Yu, D. G. Electrospinning spinneret: A bridge between the visible world and the invisible nanostructures.The Innovation4(2), 100381 (2023). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36820003/

2.Lv, H., Liu, Y., Zhao, P., Bai, Y., Cui, W., Shen, S., Yu, D. G.. Insight into the superior piezophotocatalytic performance of BaTiO3//ZnO Janus nanofibrous heterostructures in the treatment of multi-pollutants from water. Applied CatalysisB: Environmental, 330, 122623(2023) https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122623

3.Song, W., Zhang, Y.,Tran,C.H.,Choi H.K., Yu, D. G., KiM, I. Porous organic polymers with defined morphologies: Synthesis, assembly, and emerging applications.Progress in Polymer Science. 101691 (2023) https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2023.101691

运营/排版：何晨龙

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