上海理?團(tuán)隊(duì)研究“豬??”背后的電紡仿?設(shè)計(jì)助推納?纖維應(yīng)?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(gè)‘豬鼻子’很有意思，它最初的構(gòu)想是由上海理工大學(xué)電流體動(dòng)力學(xué)新材料團(tuán)隊(duì)的本科生常淑月提出的。她看到自己的書(shū)包上有一個(gè)小豬掛件，便對(duì)這種豬鼻子的形態(tài)是否可以融入到紡絲頭的設(shè)計(jì)產(chǎn)生好奇。后來(lái)， 在我們團(tuán)隊(duì)余燈廣教授的指導(dǎo)下，這個(gè)設(shè)想成真了。”上海理工大學(xué)碩士生導(dǎo)師宋文良表示。

“豬鼻子”到底是什么？它又是怎么與機(jī)械設(shè)計(jì)、高分子材料等領(lǐng)域聯(lián)系在一起，并制備出具有一鞘雙芯且分離結(jié)構(gòu)的納米纖維呢？

為了進(jìn)一步解答上述問(wèn)題，上海理工大學(xué)余燈廣教授和宋文良博士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，對(duì)基于靜電紡絲頭的仿生設(shè)計(jì)，以及由此產(chǎn)生的潛在應(yīng)用進(jìn)行了研究與總結(jié)。

相關(guān)論文以《靜電紡絲頭：從宏觀世界到微觀納米結(jié)構(gòu)的橋梁》為題發(fā)表。

上海理工大學(xué)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(xué)廖耀祖教授、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院講席教授金文俊擔(dān)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(jìn)技術(shù)，在電場(chǎng)力的作用下，液滴在紡絲頭的頂端會(huì)形成泰勒錐并射出流體，而流體經(jīng)過(guò)拉伸和固化會(huì)形成納米纖維。

其中， 紡絲頭通常由特殊設(shè)計(jì)而成，可以制造出獨(dú)特的纖維結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)納米材料向更小、更有序、更復(fù)雜的方向發(fā)展。

有趣的是，對(duì)自然界某些動(dòng)植物的特征進(jìn)行模仿，有利于推動(dòng)紡絲頭設(shè)計(jì)實(shí)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(rèn)為是受到動(dòng)物膀胱和鵝羽毛的啟發(fā)才制造出來(lái)的。

設(shè)計(jì)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(jìn)料，能夠制造出蟶子狀形貌芯鞘分離的無(wú)機(jī)物或者有機(jī)復(fù)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(jié)構(gòu)。

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

值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)一張圖片，來(lái)說(shuō)明電紡設(shè)計(jì)能夠從大自然中汲取靈感，并表達(dá)基于此設(shè)計(jì)出的纖維可以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的觀點(diǎn)。

為了設(shè)計(jì)出能夠清晰傳達(dá)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(qǐng)了東華大學(xué)纖維改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室錢成老師為圖片出謀劃策。

“終版圖片突出表達(dá)了大自然啟發(fā)設(shè)計(jì)思路的想法，并通過(guò)較為夸張的圖片元素展示了‘豬鼻子’等多種電紡仿生設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)在內(nèi)的一致好評(píng)。”

從應(yīng)用上看，采用這種新技術(shù)制造的纖維具有廣泛的應(yīng)用前景。

首先，一般來(lái)說(shuō)，固體纖維中的封閉空間并不利于物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和運(yùn)輸，而通過(guò)此方案制造的、包含多個(gè)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(jí)電容器和電池上獲得應(yīng)用。

其次，一根纖維內(nèi)的多個(gè)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(shí)，利用該技術(shù)，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(jìn)納米纖維，從而推動(dòng)納米纖維的應(yīng)用拓展和效能提升。

接下來(lái)，他們將在已經(jīng)開(kāi)發(fā)的紡絲頭的基礎(chǔ)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(guān)應(yīng)用。

此外，需要說(shuō)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(xì)考慮溶劑的混溶性和相容性。同時(shí)，還需要對(duì)噴絲頭與其所得纖維形態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行更詳細(xì)的研究等。

“滬江大學(xué)（上海理工大學(xué)前身）創(chuàng)始人之一魏馥蘭曾說(shuō)過(guò)這樣一句話：每一艘開(kāi)往上海的輪船都必須在這所大學(xué)的視線內(nèi)經(jīng)過(guò)；在這樣一個(gè)校園里，任何有思想的學(xué)生都會(huì)感到自己生活在一個(gè)大的世界里。”這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)值得進(jìn)一步探索，同時(shí)，也歡迎更多有思想的學(xué)生加入我們的研究團(tuán)隊(duì)，用基于仿生設(shè)計(jì)的納米纖維實(shí)現(xiàn)更多前沿應(yīng)用。”