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微流控紡絲技術(shù)助力扭曲納米流體纖維制造及自供能尿液監(jiān)測

2024-12-25 02:14:18

生物質(zhì)納米流體材料由于其生物相容性和離子選擇性傳輸行為，在健康監(jiān)測和能量收集方面具有廣泛的應(yīng)用。特別是纖維作為一種連續(xù)且具有柔性的材料形式，在智能可穿戴傳感織物中具有天然優(yōu)勢。近年來，納米流體纖維在機械性能、取向排列、能量收集效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面取得了重大進展。然而，纖維自身的通道結(jié)構(gòu)仍需通過濕加捻、壓縮等后處理進行致密化。因此，如何通過一體化設(shè)計實現(xiàn)具有致密空間結(jié)構(gòu)的納米流體纖維仍需進一步探索。

安徽農(nóng)業(yè)大學葉冬冬教授團隊與南開大學劉遵峰教授和中國藥科大學周湘教授合作，開發(fā)了一種創(chuàng)新且可擴展的流程。這一工藝結(jié)合微流控紡絲技術(shù)和不對稱流場，控制帶負電荷的海藻纖維素納米纖維（CNFs）的組裝，創(chuàng)造出新型扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的海藻纖維。扭轉(zhuǎn)纖維具有高堆積密度（1.47 g/cm3）、優(yōu)異的力學強度（468.5 MPa）和高取向（fc = 0.89）。它們表現(xiàn)出卓越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(tǒng)中的不對稱流體動力學，可以精確操縱CNFs的空間分布，從而設(shè)計出不同捻度結(jié)構(gòu)的纖維。與傳統(tǒng)濕紡纖維相比，這些扭轉(zhuǎn)纖維具有更小的直徑、更高的填充密度、更強的機械性能和取向，以及更優(yōu)的離子傳輸和滲透能量收集能力。這種革命性的扭轉(zhuǎn)纖維將引領(lǐng)可穿戴設(shè)備、功能性紡織品和智能醫(yī)療領(lǐng)域的新趨勢。它們可集成到自供電的嬰兒尿液監(jiān)測裝置中，準確檢測排尿和運動，并在尿液飽和時發(fā)出警報，大大提高監(jiān)測的準確性和實用性。

該研究以“Customizable Twisted Nanofluidic Cellulose Fibers by Asymmetric Microfluidics for Self-Powered Urine Monitoring”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

自加捻納米流體纖維的制備及表層扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對纖維性能的貢獻

在這項研究工作中，通過空間高度不對稱芯片在微流控紡絲過程中所形成的渦流，對芯層通道表層的海藻纖維素納米纖維進行旋轉(zhuǎn)加捻，從而紡制出了具有表層扭轉(zhuǎn)內(nèi)層軸向取向的海藻纖維素納米流體纖維。值得注意的是，表面具有扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的纖維展現(xiàn)出全面優(yōu)于對稱芯片獲得的內(nèi)外軸向取向的海藻纖維素納米流體纖維，且扭轉(zhuǎn)纖維高的離子電導率展現(xiàn)了其在傳感監(jiān)測上的應(yīng)用前景。

圖1. 自加捻纖維素納米流體纖維的制備流程、結(jié)構(gòu)及性能比較

納米流體纖維的制備機理、結(jié)構(gòu)調(diào)控和性能

此外，作者通過SEM對兩種芯片紡制得到纖維的表面及截面形貌進行了表征，明確了扭轉(zhuǎn)纖維和取向纖維的排列結(jié)構(gòu)，這與后續(xù)的紡絲過程中纖維形成的有限元模擬結(jié)果一致。扭轉(zhuǎn)纖維由于自加捻，其纖維素堆積密度更高，CNF排列更加緊密，從而展現(xiàn)出更高的取向度、斷裂應(yīng)力。分子動力學結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)纖維表面的扭轉(zhuǎn)角在受到外力時，起到連接作用，可以耗散外力，從而表現(xiàn)為更高的斷裂應(yīng)變。同時，在實驗過程中，通過改變鞘層溶液的流速可以對扭轉(zhuǎn)纖維表面的扭轉(zhuǎn)角進行調(diào)控，纖維的機械性能也隨著扭轉(zhuǎn)角度的增大而增大。

圖2. 扭轉(zhuǎn)纖維和取向纖維的結(jié)構(gòu)、性能、形成及形變機制探究

表層扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對纖維素納米流體纖維的影響及機理

納米流體纖維包含高度定向和帶電的納米通道，可以將來自鹽度梯度的吉布斯自由能轉(zhuǎn)化為電能，從而在鹽度環(huán)境中實現(xiàn)自供電傳感。與取向纖維相比，扭轉(zhuǎn)纖維的VOC和ISC普遍增強，表明離子導體中具有相同電荷的有序離子通道進一步提高了輸出性能。不對稱流動介導的扭轉(zhuǎn)纖維顯示出更緊密的堆疊納米結(jié)構(gòu)，與相同條件下的取向纖維相比，增強了能量收集（圖3f）。為了進一步證明扭轉(zhuǎn)纖維的自供電效果，設(shè)計了一個由多個基于扭轉(zhuǎn)纖維的單元串聯(lián)組成的滲透收獲轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。結(jié)果表明，串聯(lián)單元可以驅(qū)動計算器和LED燈(圖3h)。

圖3. 扭轉(zhuǎn)纖維的離子運輸性能及自供能行為探究

基于扭轉(zhuǎn)纖維的尿液傳感系統(tǒng)的性能評價和應(yīng)用展示

最后作者利用扭轉(zhuǎn)纖維在低濃度下仍具有的高的離子電導率以及自供電性能，搭建了一個小型電化學工作站，將其集成到紙尿褲上監(jiān)測嬰兒的排尿。經(jīng)過測試觀察，這種以扭轉(zhuǎn)纖維為核心的傳感裝置可以辨別嬰兒的排尿及運動行為引起的電流變化，且在紙尿褲飽和時，提示進行尿布更換。