ACS Nano专题综述：仿生纤维系统的设计与应用

纺丝是一种高效的纤维制备方式。天然的纺丝系统在多种节肢动物谱系中已存在了数亿年之久，其中最广为人知的例子是蜘蛛和家蚕。天然的蛛丝和蚕丝纤维显示出人造材料难以企及的功能，如良好的机械性能和生物相容性等，因此可以直接在日常生产和生活中使用。除了蛛丝和蚕丝，许多其它生物合成的纤维也具备特定的形貌和功能。这些天然的纤维材料为人工纺丝系统的设计提供了灵感。近年来，研究人员对天然纤维材料的合成细节进行了深入探索，尤其是对其材料学特性和涉及到的物理化学过程得到了深入理解。这些研究助力人工纺丝系统的设计，使得人造纤维材料显示出前所未有的形貌特征和仿生学功能。

近日，东南大学赵远锦教授和深圳大学孔湉湉教授在材料学权威期刊ACS Nano上联合发表了题为“Spinning and Applications of Bioinspired Fiber Systems”的专题综述。文章首先以天然蛛丝和蚕丝为例，详细阐述了天然纺丝的过程原理和涉及到的重要理化参数，并对天然纤维材料的物性和应用价值做了归纳。此外，作者将生物启发的纺丝系统概括为湿法纺丝(wet spinning)、干法纺丝(dry spinning)、静电纺丝(electrospinning)、微流控纺丝(microfluidic spinning)、自组装法(self-assembly)、直写法(direct writing)等，如图1所示，并对各种方法的过程原理、决定性参数、优缺点以及适用范围，及所制备纤维的产率、尺寸和形貌特征及典型的应用做了详细的列表总结。在此基础上，作者概括了通过人工纺丝系制备的纤维材料在不同领域的应用价值，包括组织工程、药物递送、生物传感、液体定向输运、超浸润表面、微马达系统等。最后，作者对仿生纤维系统的未来发展方向和面临的挑战做出了深入的思考和前瞻性的展望。

图1 各类人工纺丝系统。(A-F) 湿法纺丝(wet spinning)、干法纺丝(dry spinning)、静电纺丝(electrospinning)、微流控纺丝(microfluidic spinning)、自组装法(self-assembly)、直写法(direct writing)。

近年来，赵远锦教授课题组和孔湉湉教授课题组在人工纺丝和功能化纤维制备等领域做出了系统性和前沿性的工作，尤其是在基于微流控纺丝系统的研究中取得了一系列引领性成果。通过对微流控芯片的设计，实现了对纤维形貌的精确控制，从而制备传统纺丝法难以实现的复杂结构的纤维，包括多组分、核壳结构、螺旋结构、串珠结构等等(Adv. Mater., 2014, 26, 5184; Adv. Mater., 2017, 29, 1605765)。此外，深入探索了功能化纤维在各个领域的应用。通过在特定微结构的纤维中进行不同细胞的培养，实现了对血管、肝小叶等组织结构的模拟(Nat. Protoc., 2018, 13, 2557; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 1080)，从而为其在组织工程、器官芯片中的应用打下了基础。通过在水凝胶纤维材料中植入金属有机骨架化合物、石墨烯、催化反应物等功能化成分，拓展了其在创伤修复、响应性调控、智能微马达等方面的应用(Mater. Horiz., 2018, 5, 1137; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 12127; J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 15026)。通过对纤维的表面化学和微结构的控制，实现了液体定向运输等功能(Nat. Commun., 2017, 8, 1080; Small, 2017, 13, 1600286)。

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Spinning and Applications of Bioinspired Fiber Systems

Luoran Shang, Yunru Yu, Yuxiao Liu, Zhuoyue Chen, Tiantian Kong, Yuanjin Zhao

ACS Nano, 2019, 13, 2749-2772, DOI: 10.1021/acsnano.8b09651

导师介绍

赵远锦

https://www.x-mol.com/university/faculty/41619