讓電流體動力學之“樹”開枝散葉

于曉杰

目前，在納米材料的“top-down”制備方法中，以“電場力”和其他能量方式為工具的方法極具價值，是當下的一個研究熱點。“我多年來始終致力于應用高壓靜電場實施微納米材料制備的相關技術拓展研究，尤其是高壓靜電紡絲技術和高壓靜電噴霧技術。高壓靜電紡絲技術、高壓靜電噴霧技術和噴射打印技術統稱電流體動力學技術。該技術目前在眾多領域都在廣泛開展潛在應用研究。”余燈廣說。

開創“理”與“據”

余燈廣是個“雜家”，他本科學習的是化學工程，博士時期學習的是生物醫學工程，而到了博士后，他則選擇了紡織科學與工程專業。這期間，余燈廣還在湖北雙環化工集團公司工作了10年，這段經歷讓他能從一個更寬廣的視角來看待科研。2011年，余燈廣幾經思索，決定踏入材料科學與工程研究領域，上海理工大學則是這段新旅途的起點。一上路，余燈廣就把關注點放在了微納米材料制造技術上。在他眼中，一種新型微納米材料制造技術，往往意味著能創造更多的新型結構微納米材料及實際應用。

極端條件（超高溫、高壓、超磁以及高電壓）下物質的相互作用與理化性能表現，和微觀層次物質之間的相互作用是目前人類認識世界、獲取知識的兩座富礦?！芭c此相應，在極端條件下制備功能物質、于微觀層次操控分子，及用微納米體系制備功能材料是人類改造世界、獲取新方法的先進技術。”在該思路的指引下，他主持了國家自然科學基金委員會與英國皇家學會合作交流項目——“三級同軸電紡制備零級藥物緩控釋給藥系統研究”，取得了新的突破。

雖然三級同軸電紡在基本原理上與單射流電紡沒有差別，也就是直接應用高壓靜電場力對流體進行單步拉伸固化，從而獲得納米纖維。但實際上其實施難度和涉及的經驗與知識大不相同。“在單射流電紡中，Taylor錐后的直線射流直接拉伸彎曲或者發生分裂，對其影響并不大。”余燈廣介紹道，而在同軸電紡和三級同軸電紡過程中，Taylor錐后的直線射流若是發生分裂，就無法獲得所需要的多層納米結構。此外，在溶劑環流三級同軸紡的實施過程中，如果外層環流溶劑發生分裂，將毀壞纖維收集板上的納米纖維氈。

“要想高效準確地調控三級同軸紡過程，需要對每種流體在高壓電場下的表現與行為，及它們在三級同軸紡的過程中具有的匹配性和協調性，有一個比較清晰的認識?！币虼耍酂魪V帶領團隊對這些流體的基本理化性能、以及這些理化性能與它們在高壓電場下行為之間的關系進行探究，最終發現了芯鞘納米纖維的三級同軸電紡成纖機理，使得制備結構特征明確、性能優良的三級芯鞘納米纖維“有理可循”。

通過研究，余燈廣還設計了多種應用三級同軸紡制備的多層次納米結構（藥物梯度分布、控釋材料梯度分布、芯鞘納米藥物儲庫、薄層包裹結腸靶向藥物儲庫等），將這些結構特征與納米纖維的理化性能和功能表現進行有效關聯，對穩定可靠地制備出功能高度重現的納米給藥系統尤為關鍵?！斑@些微觀結構主要特點包括：每層厚度以及彼此之間比率、藥物或材料梯度大小與方向、每層的成分與組成、包裹的厚薄以及致孔劑的用量等?！庇酂魪V介紹說，他將這些特點參數結合藥物和聚合物基材的理化性能（如極性、水溶性、溶蝕性能、降解性能）進行實驗分析，然后通過大量試驗數據對其進行總結歸納和分析演繹，建立了三級芯鞘納米纖維的“微觀結構特點—理化性能狀況—所需功能表現”之間的內在關聯、使得多層結構型納米纖維狀藥物零級控釋給藥系統的研究開發“有據可依”。聚焦“自組裝”

目前，余燈廣正在進行“基于電紡芯鞘納米纖維的分子自組裝原位協同調控研究”項目研究。在該項目中，他選用了一些藥物活性分子和藥用載體材料，并使用了一些藥學常規方法，分析表征自組裝納米體系的活性成分包裹率和對活性成分的緩控釋效果，這樣做的目的是應用它們作為自組裝基元物質模型，并通過它們來研究應用電紡芯鞘纖維為模板調控分子自組裝原位構建功能納米體系的可行性、有效性和實用性。

“我們的策略為先通過top-down同軸電紡制備聚合物基芯鞘納米纖維，再以纖維為模板、利用其直徑的納米尺度限定作用和芯鞘結構的模板作用、在一個微觀區域內調控自組裝基元分子的轉運與接觸，實現一個相對可控的bottom-up分子聚集組裝過程。”余燈廣介紹說，其具體的研究內容包括：發展同軸電紡工藝（溶劑環流三級同軸紡、稀溶液環流同軸紡、升溫同軸紡）；制備新型人工自組裝材料，即具有成分空間分布特征、多組分復合的水溶性聚合物基芯鞘纖維；通過“溶解—疏水”作用啟動分子自組裝構建納米體系；研究芯鞘結構纖維電紡成型機理及其對分子自組裝的調控機制；闡明復合纖維組成成分、結構特征和環境因素等對分子聚集組裝的原位協同調控機理。若是項目研究成功，將為建立多組分可控自組裝提供新方法，為構建新型人工自組裝功能納米材料開發新途徑，并會發展出功能導向的自組裝新體系和新技術。

至今為止，該在研項目已經發表SCI研究論文25篇，獲得中國發明專利授權8項。他說：“等這個項目完成后，我將在此基礎上開發一系列新型人工自組裝功能納米材料，和相關新型納米給藥系統，那時候將會進行相關對比研究以及動物試驗。”

當然，這只是他計劃的一部分，未來，余燈廣還計劃領導“電紡纖維與環境應用”團隊，圍繞“環境問題”功能材料的開發和應用開展研究。“具體來說，這項工作將主要聚焦在三個方面。在原材料的加工處理方面，我們計劃將各種常見的天然原材料、聚合物、碳材料、合成有機材料和無機納米粒子整合加工成纖維材料或纖維狀復合材料、混雜材料。”各種電紡技術（單紡、同軸紡、并列紡、融熔紡、無針頭電紡）以及它們與其它技術的聯用（如傳統紡絲技術、纖維改性技術、高壓靜電噴霧技術），在纖維材料制備以及功能化中的有效應用是余燈廣的第二個關注點?！白詈螅疫€打算研究可應用于環境檢測、保護和修復的各種先進功能材料。”他說。

身為一名師者，余燈廣很重視培育學生的創新能力。到今天，他已經指導了全國大學生創新實踐活動3個小組、上海市大學生創新實踐活動5個小組參加比賽，獲得了諸多獎項。在平日的授課中，余燈廣也很“考究”，他在全英文本科課程《現代材料分析方法》中，創新性地實施了一種嶄新的“三位一體”課程教學模式。在該模式中，余燈廣將工程課程（其中的專業基礎課程）教學、大學生創新實踐活動、全英語課程教學這“三位”，進行了系統化和有機化的整合，為“工程型、創新性、國際化”的綜合型人才培養提供了具體的貫徹實施途徑。同時，他還強調師生“互動共舞”的課程教學組織形式。余燈廣在專業基礎課程的課堂理論教學中采用全英文師生互動授課。而在大學生創新實踐活動中，他進一步要求學生與自己一起邊實驗、邊檢測、邊回顧一些課堂上講述的工程專業詞匯、專業術語和工程實踐方法。“課堂是老師的，更是學生的?！彼f。