功能化微纖維材料在藥物釋放、環境工程、組織工程、催化檢測、可穿戴設備和仿生集水等領域具有巨大的潛在應用價值。可控制備結構多樣化的功能微纖維材料對進一步豐富其功能及擴大應用范圍具有重要意義。相較于如浸涂法，靜電紡絲法等傳統制備方法，微流控技術可以在微納米尺度上精確調控微小流體流動，在制備多樣化形態、結構、組成和功能的微纖維材料方面展現出卓越的能力。受自然界蜘蛛網凝結水滴這一現象啟發，研究人員開發出可從霧氣中收集液滴的新型人造仿蛛絲纖維。新型人造仿蛛絲纖維具有周期性的“結點-連接”結構和復雜的表面納米結構。這種結構特性使得在纖維結點和連接部分形成表面自由能梯度差和拉普拉斯壓力差。在二者協同作用下，小液滴朝結點方向定向驅動并凝結成大液滴，從而實現快速高效的水收集。受此啟發，若采用復合材料策略制造仿蛛絲微纖維，并以此為模板對結點結構進行調整改造，或可實現更高效的水收集。

近日，由香港大學機械工程系王立秋教授課題組和東北大學醫工學院田野副教授課題組通力合作，在近期的《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上發表了一篇題為“Hourglass-shapedMicrofibers”的文章，文章的第一作者是香港大學在讀博士研究生石睿，通訊作者為香港大學王立秋教授和東北大學田野副教授。文章介紹了以微流控技術可控制備具有多樣化結構的仿蛛絲纖維模板，利用非溶劑致相分離法對未完全交聯的仿蛛絲纖維內包裹油相進行操控，從而構建具有多樣化形態及組分的沙漏型微纖維。利用酒精作為萃取劑，一方面，海藻酸鈉水凝膠纖維實現了從水凝膠、醇凝膠到干凝膠的轉化。另一方面，紡錘結內的油滴可溶于乙醇，隨著紡錘結腔內乙醇揮發，紡錘結表面起皺凹陷，形成沙漏型微纖維。通過調節微流控仿蛛絲纖維模板形態及纖維內油滴擴散過程，制備出多樣化的沙漏型微纖維，極大地豐富拓展其結構和功能。與傳統仿蛛絲纖維相比，該沙漏型微纖維具有重量輕，易保存，形貌可控，表面粗糙度高，整體比表面積高等特點。

該沙漏型微纖維在濕度調節和液滴吸附性能方面均有較好表現。一方面，沙漏型微纖維內陷的褶皺使得表面粗糙度增加，具有更高的表面能。另一方面，沙漏型結點和連接結構較大的曲率梯度賦予較高的拉普拉斯壓力差。纖維的進一步脫水使沙漏型結點的間距變小，吸水能力更強，相同長度下的沙漏型纖維較之紡錘狀纖維具有更長的三相接觸線。三者協同作用下，沙漏型纖維懸掛液滴能力更強，吸水效率更高。實驗證實，相同濕度條件下，單根沙漏型纖維祛濕能力約為仿蛛絲纖維的1.3倍。單根沙漏型纖維收集水的最大體積約為結點本身體積的571倍，是仿蛛絲纖維收集水體積的1.83倍。利用單根纖維上的多協同效應機制，研究人員設計交叉人造纖維網以最大限度收集霧氣中的水。總長度為60厘米的纖維編織成的人造網在10分鐘內可收集0.54毫升的水。這款質輕、價廉、性優、高吸水性的沙漏型纖維不僅在除濕、流體控制、定向驅動和大規模集水方面有優異的表現，而且在光學、電子、藥物輸送和組織工程等領域也具有巨大的應用前景。

圖1.微流控沙漏型微纖維材料制備過程（a）用于制備沙漏型微纖維微流控示意圖，（b）沙漏型微纖維的演變過程，（c-d）結點內油滴隨時間變化過程及對應的沙漏型纖維，（e）結點內油滴體積與沙漏型結點體積關系，（f）紡錘結點與沙漏型結點輪廓關系，（g）結點內泄漏油滴體積與時間關系。

圖2.微流控沙漏型微纖維形態(a)沙漏型微纖維的掃描電鏡圖，(b-d)沙漏型微纖維連接部分，過度部分，結點部分的掃描電鏡圖,(e-g)沙漏型微纖維連接部分，過渡部分，結點部分的表面微結構，(h)連接部分的實心截面，(i-j)沙漏型纖維截面。

圖3.微流控沙漏型微纖維吸濕能力（a）不同濕度下，沙漏型纖維與仿蛛絲纖維吸濕能力對比，（b）吸濕能力與時間關系，（c）吸濕能力與纖維長度關系，（d）沙漏型微纖維的周期吸濕能力。

圖4. 單根微流控沙漏型微纖維液滴吸附（a）單根沙漏型微纖維液滴吸附原理示意圖，（b-c）單根沙漏型微纖維與仿蛛絲纖維收集到的水滴對比，（d）所收集到的水滴的體積與時間的關系，（e）水滴從空腔微纖維的一個或多個結點脫離的TCL圖示，（f）最大收集水體積與TCL 關系，（g）所收集的水滴向特定方向的移動距離與時間的關系，（h-i）合并釋放能量與合并后速度與合并液滴體積的關系。

圖5. 微流控沙漏型微纖維網絡液滴吸附（a）沙漏型微纖維網示意圖，（b）沙漏型微纖維網收集水原理示意圖，（c）交叉結構與平行結構集水的示意，（d）呈2α角度的2個空腔微纖維交叉結構的集水量與角度的關系，（e）收集的水體積與微纖維數量的關系圖，（f）具有三根承重空腔微纖維的拓撲網狀結構收集水過程。

該研究介紹了微流控液流模板法和非溶劑致相分離法可制備具有多樣化沙漏型結構的功能微纖維材料，該材料具有自重輕，密度可調，高比表面積，高吸濕能力和高集水性等特點，為新型功能微纖維材料的創新設計和可控制備提供科學指導。

論文連接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c04824來源：高分子科學前沿聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！

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