上海理?團隊研究“豬??”背后的電紡仿?設計助推納?纖維應?發(fā)展

2021年末，“上海一名大三女生用豬鼻子圈住兩篇SCI”的話題引發(fā)了諸多討論，并一度登上了微博熱搜。

“這個‘豬鼻子很有意思，它最初的構想是由上海理工大學電流體動力學新材料團隊的本科生常淑月提出的。她看到自己的書包上有一個小豬掛件，便對這種豬鼻子的形態(tài)是否可以融入到紡絲頭的設計產(chǎn)生好奇。后來， 在我們團隊余燈廣教授的指導下，這個設想成真了。”上海理工大學碩士生導師宋文良表示。

“豬鼻子”到底是什么？它又是怎么與機械設計、高分子材料等領域聯(lián)系在一起，并制備出具有一鞘雙芯且分離結構的納米纖維呢？

為了進一步解答上述問題，上海理工大學余燈廣教授和宋文良博士帶領團隊，對基于靜電紡絲頭的仿生設計，以及由此產(chǎn)生的潛在應用進行了研究與總結。

相關論文以《靜電紡絲頭：從宏觀世界到微觀納米結構的橋梁》為題發(fā)表。

上海理工大學青年教師宋文良為該論文的第一作者兼通訊作者，碩士研究生唐昀昕為該論文的共同第一作者，余燈廣教授、東華大學廖耀祖教授、韓國科學技術研究院講席教授金文俊擔任論文的共同通訊作者。

靜電紡絲是一種制備納米纖維材料的先進技術，在電場力的作用下，液滴在紡絲頭的頂端會形成泰勒錐并射出流體，而流體經(jīng)過拉伸和固化會形成納米纖維。

其中， 紡絲頭通常由特殊設計而成，可以制造出獨特的纖維結構，能夠促進納米材料向更小、更有序、更復雜的方向發(fā)展。

有趣的是，對自然界某些動植物的特征進行模仿，有利于推動紡絲頭設計實現(xiàn)意想不到的可能性。

比如，傳統(tǒng)的空心紡絲頭單軸靜電紡絲，使用的是注射器和針頭，其分別被認為是受到動物膀胱和鵝羽毛的啟發(fā)才制造出來的。

設計三根不同直徑的針管組成的紡絲頭，內(nèi)、中、外流體可以分別進料，能夠制造出蟶子狀形貌芯鞘分離的無機物或者有機復合材料； 根據(jù)蓮藕的截面，可以制備出內(nèi)部具有多通道的纖維結構。

這些精妙的電仿仿生設計，為非傳統(tǒng)功能纖維的制造帶來了廣闊的想象空間。

值得一提的是，該團隊希望通過一張圖片，來說明電紡設計能夠從大自然中汲取靈感，并表達基于此設計出的纖維可以實現(xiàn)廣泛應用的觀點。

為了設計出能夠清晰傳達上述思想的圖片，他們不僅找到了中央美院的老師為此專業(yè)繪圖，還邀請了東華大學纖維改性國家重點實驗室錢成老師為圖片出謀劃策。

“終版圖片突出表達了大自然啟發(fā)設計思路的想法，并通過較為夸張的圖片元素展示了‘豬鼻子等多種電紡仿生設計制造出的精妙纖維形態(tài)。”宋文良表示，“從圖片初稿到最終版本我們修改了10余次，最后也得到了包括編輯團隊在內(nèi)的一致好評。”

從應用上看，采用這種新技術制造的纖維具有廣泛的應用前景。

首先，一般來說，固體纖維中的封閉空間并不利于物質(zhì)的轉移和運輸，而通過此方案制造的、包含多個內(nèi)部腔室的多孔纖維可以很容易地在污染物吸收、催化、超級電容器和電池上獲得應用。

其次，一根纖維內(nèi)的多個腔室，能夠提供多藥物和功能的組合，將治療和診斷組件集成到一種材料中。

同時，利用該技術，也能將陶瓷、難溶交聯(lián)高分子等一些可加工性較差的材料同步組裝進納米纖維，從而推動納米纖維的應用拓展和效能提升。

接下來，他們將在已經(jīng)開發(fā)的紡絲頭的基礎上，研究包括藥物遞送、傷口敷料、傳感器、催化等在內(nèi)的相關應用。

此外，需要說明的是，現(xiàn)存的紡絲頭仍然存在一定的局限性。比如，在同軸靜電紡絲中，必須仔細考慮溶劑的混溶性和相容性。同時，還需要對噴絲頭與其所得纖維形態(tài)之間的關系進行更詳細的研究等。

“滬江大學（上海理工大學前身）創(chuàng)始人之一魏馥蘭曾說過這樣一句話：每一艘開往上海的輪船都必須在這所大學的視線內(nèi)經(jīng)過；在這樣一個校園里，任何有思想的學生都會感到自己生活在一個大的世界里。”這些創(chuàng)新設計值得進一步探索，同時，也歡迎更多有思想的學生加入我們的研究團隊，用基于仿生設計的納米纖維實現(xiàn)更多前沿應用。”