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  生物質納米流體材料因其良好的生物相容性和離子選擇性傳輸特性，在健康監測和能量收集領域的應用廣泛。纖維，作為連續且柔性的材料形式，在智能可穿戴傳感織物方面具備天然優勢。近年來，納米流體纖維在力學性能、取向結構、能量收集效率和穩定性上取得了顯著進展，然而，纖維的納米通道結構通常通過濕加捻、壓縮、牽伸、結構封裝等后處理方法實現。因此，如何通過紡絲過程一步實現具有致密化空間結構的納米流體纖維制備仍需深入研究。

  為此，安徽農業大學葉冬冬教授團隊聯合南開大學劉遵峰教授團隊、中國藥科大學周湘教授、浙江大學朱書澤教授等開發了一種創新的、可擴展的紡絲流程。該工藝結合了微流控紡絲技術和不對稱流場來控制帶負電荷的海藻纖維素納米纖維（CNFs）的組裝，創造了一種新型扭轉結構海藻纖維（扭轉纖維）。這些表層扭轉的纖維具有高的堆積密度（1.47 g cm^-3），機械性能（468.5 MPa）和取向（f_c = 0.89）。值得注意的是，它們表現出優異的選擇性離子傳輸能力和滲透能量收集性能。研究表明，通過控制微流控紡絲系統中的不對稱流體動力學，可以精確地操縱CNFs的空間分布，從而設計出不同捻度結構的纖維。與傳統的濕紡纖維相比，這些扭曲纖維具有直徑更小、填充密度更高、機械性能更強、取向更強、離子傳輸和滲透能量收集能力更強的特點。這種革命性的扭轉纖維將引領可穿戴設備、功能性紡織品和智能醫療領域的新趨勢。它們可以集成到自供電的嬰兒尿液監測裝置中，準確地檢測排尿和運動，當尿飽和時發出警報，從而大大提高監測的準確性和實用性。該研究以題為“Customizable Twisted Nanofluidic Cellulose Fibers by Asymmetric Microfluidics for Self-Powered Urine Monitoring”的論文發表在最新一期的Advanced Functional Materials上。第一作者為碩士生林澤婉和博士后傅曉童。通訊作者為安徽農業大學葉冬冬教授和中國藥科大學周湘教授。安徽農業大學為第一完成單位。

【自加捻納米流體纖維的制備及表層扭轉結構對纖維性能的貢獻】

圖1. 自加捻纖維素納米流體纖維的制備流程、結構及性能比較

【納米流體纖維的制備機理、結構調控和性能】

圖2.扭轉纖維和取向纖維的結構、性能、形成及形變機制探究

【表層扭轉結構對纖維素納米流體纖維的影響及機理】

圖3.扭轉纖維的離子運輸性能及自供能行為探究

【基于扭轉纖維的尿液傳感系統的性能評價和應用展示】

  在這項研究中，作者開發了一種前所未有的具有表面扭曲和內部取向結構的扭轉海藻纖維。通過將微流控技術與復雜的非對稱流場相結合，不僅實現了對攜帶負電荷海藻纖維素納米纖維（CNFs）組裝過程的精細控制，且通過表層扭轉結構，纖維直徑顯著減小（33.6至20.4 μm），堆積密度增加（0.87至1.47 g cm^-3），斷裂應力增強（468.5 MPa），赫爾曼定向參數增大（從0.77到0.89），結構和性能方面都取得了重大進展。此外，在50倍NaCl鹽度梯度下，具有高性能選擇性離子傳輸（7.8 mS cm^-1）和能量收集特性（12.9 W m-²），這些優異的性能賦予了扭轉纖維在自供電監測嬰兒尿液上的檢測靈敏度和準確性。這種扭轉在離子信號傳輸和自供電傳感系統中的巨大潛力表明，它們將在未來的智能技術和健康監測中發揮關鍵作用。

  課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/ydd

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414365