本文报道了一项由海南大学、西安交通大学和西安工业大学的研究团队合作完成的原创新究。主要作者包括Guoxu Zhao、Tinglong Wu、Ruhai Wang、Zhong Li、Qingzhen Yang、Lei Wang、Hongwei Zhou、Birui Jin、Hao Liu、Yunsheng Fang，通讯作者为Guoxu Zhao、Dong Wang和Feng Xu。该研究于2023年10月20日发表在*Science Advances*期刊上，论文标题为“Hydrogel-assisted microfluidic spinning of stretchable fibers via fluidic and interfacial self-adaptations”。

研究背景

可拉伸聚合物纤维在柔性电子、生物医学工程和智能纺织品等领域具有广泛应用前景。然而，传统纺丝方法，如熔融纺丝、湿法纺丝和干法纺丝，通常需要严格的环境控制（如高温和外部力学条件）以及大量资源消耗（如能源和有机溶剂）。更重要的是，许多具有优异力学性能、生物相容性和其他功能特性的弹性聚合物，例如聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）和Ecoflex等有机硅材料，由于其预聚物难以获得熔体或溶液，且固化过程缓慢（数分钟至数小时），因此难以通过传统纺丝技术大规模生产成高质量纤维。虽然已有管模法、热浴湿纺法和预固化拉丝法等方法被尝试用于加工这类聚合物纤维，但它们难以同时实现高纤维质量（如均匀性、圆形截面和光滑表面）与大规模生产能力（如长长度和高效率）。因此，开发一种适用于慢固化油相预聚物（slow-curing oil-phase prepolymers，SOPs）的新型纺丝技术成为该领域的重要需求。海藻酸钠水凝胶因其与钙离子瞬时凝胶化的特性，已被广泛用于包封低粘度油类制备功能化水凝胶纤维。受此启发，研究团队提出假设：能否利用海藻酸钠水凝胶纤维作为牺牲模板，同轴包封SOPs，从而在去除水凝胶壳层后获得连续的SOP基纤维？然而，SOPs的粘度通常远高于以往研究中使用的低粘度油，因此如何可控地将其包封在水凝胶纤维内部成为关键科学问题。

研究流程与实验方法

该研究开发了一种水凝胶辅助微流控纺丝（hydrogel-assisted microfluidic spinning，HAMS）方法。研究者首先搭建了HAMS平台，该平台包括自制同轴针头、高推力注射泵、旋转环形收集器和聚甲基丙烯酸甲酯容器。同轴针头由内外两个平头针嵌套而成，外针侧壁钻孔并连接另一针头用于输送海藻酸钠溶液，所有接头用丙烯酸酯粘合剂固定密封，针尖经羊毛磨头和金刚石研磨膏抛光。SOPs装载于鲁尔锁注射器中，塑料推杆更换为自制钢制推杆，并在必要时加装自制保护钢壳以承受高挤出压力。海藻酸钠水溶液浓度为1.5 wt%，氯化钙水溶液浓度根据SOPs密度调整。纺丝过程中，SOPs和海藻酸钠溶液通过同轴针头共挤出至氯化钙溶液中，海藻酸钠与钙离子瞬时凝胶化形成水凝胶壳层，将SOPs包封为芯层，形成芯/壳结构纤维。旋转环形收集器使水凝胶纤维与氯化钙溶液环形流动水平同步，实现稳定无阻的收集。纺丝完成后，芯/壳纤维在氯化钙溶液中静置固化，固化条件因材料而异（如PDMS为60°C固化4小时，Ecoflex为室温固化4小时），然后用2 wt%柠檬酸钠溶液溶解去除海藻酸钠壳层，最后用去离子水清洗得到SOP基纤维。研究还开发了纤维重塑技术，通过将未固化的芯/壳纤维从氯化钙溶液中提起并缠绕在棒状模板上，可制备螺旋形纤维，随后固化并去除壳层。此外，研究使用COMSOL 5.5软件基于相场法建立了两相流数值模型，模拟油相芯流与水相壳流的共挤出过程，以揭示界面变形和流场动态。模型参数包括芯流入口直径0.62 mm、壳流入口直径1.41 mm、PDMS预聚物粘度5 mPa·s、海藻酸钠溶液粘度0.3 mPa·s、界面张力系数0.041 N/m。实验对象包括多种SOPs：Sylgard 184 PDMS（液态，PDMSliq）、SE 1700 PDMS（触变性，PDMSt hi）、Ecoflex 00-30、中性硅酮、单组分聚氨酯、双组分聚氨酯以及碳纳米管/PDMSliq复合材料。研究系统考察了芯/壳流量比、芯流粘度、同轴针头尺寸等因素对纤维直径和壳层厚度的影响，以及这些参数与纤维质量的关系。

研究结果

HAMS方法首先以Sylgard 184 PDMS为模型材料验证了可行性。在高流量比条件下，可稳定形成连续且均匀的PDMS芯/壳纤维，固化后去除壳层获得表面光滑、截面圆整、整长均匀的PDMS纤维，直径范围为0.38至3.70 mm。对于PDMSliq，当芯/壳流量比低于0.4时，芯流形成球形包封或不连续纤维；当流量比大于0.55时，才能获得均匀连续纤维，单纤维产量可达约45 m/h，海藻酸钠消耗仅0.15 g/h。相比之下，PDMSt hi在流量比仅为0.03时即可形成连续均匀纤维，且其直径远小于PDMSliq纤维。通过测试不同粘度SOPs（包括二苯醚和空气）的包封行为，研究发现流量比阈值与粘度呈负相关，且芯流直径的上下限均与粘度呈负相关。同轴针头尺寸对纤维直径有显著影响：PDMSt hi纤维直径主要由内针决定，而PDMSliq纤维直径则接近外针内径，且随外针尺寸增大而增大。其他SOPs如Ecoflex、中性硅酮、聚氨酯和CNT/PDMSliq也均成功制备为均匀纤维，拉伸率从233%至1132%不等，杨氏模量范围0.1至67.0 MPa，拉伸强度0.3至15.3 MPa。特别地，中性硅酮纤维直径可低至0.04 mm，拉伸率可达1300%，且可实现15 m长纤维的制备。机制研究方面，通过实验观察和数值模拟揭示了流体自适应和界面自适应的协同作用：芯流与壳流在挤出后短时间内流速趋于相等，该过程通过剪切力介导的拉伸作用调整芯流截面积和壳层厚度；同时界面张力驱动的毛细不稳定性可使低粘度芯流形成球体或非连续纤维，而高粘度芯流则更易维持连续；水凝胶壳层提供的受限环境和内部压力-收缩力平衡使油水界面自发稳定为均匀、光滑和圆整的形态。基于这些机制，研究提出了优化策略：合理控制流量比和针头尺寸，高粘度芯流需要高质量内针，高流量比和低粘度有利于高纤维质量和大直径。重塑实验表明，缠绕高度、壳层厚度、棒径和倾斜度可分别控制螺旋纤维的外半径、螺距和长轴纤维直径。螺旋PDMSt hi纤维拉伸率可达1500%至12900%，远高于直纤维的552%，且机械顺应性显著增强。应用演示中，PDMSliq光纤可传输红、绿、蓝光，拉伸应变传感响应时间约160 ms，可用于监测手指弯曲、按压、摩斯码输入和腕部脉搏。CNT/PDMSliq纤维可作为电阻式应变传感器，经约2000次循环训练后电阻响应趋于稳定，可用于无线监测手指弯曲。磁性修饰的螺旋PDMSt hi纤维可在弱磁场驱动下在血管样通道中伸长以抓取目标，并在磁场移除后主动回弹。

结论与意义

该研究证明了HAMS方法可在常温、无有机溶剂条件下，对不可纺弹性聚合物的油相预聚物进行大规模、高质量和宽直径范围的纤维生产，克服了传统纺丝技术对快速固化能力的依赖。HAMS方法独特地允许纤维在纺丝后长时间保持未固化状态，从而实现了螺旋纤维的简易可控重塑，赋予纤维超拉伸性和优异机械顺应性。该方法的科学价值在于深入揭示了油/水两相流在受限水凝胶壳层中的流体自适与界面自适应机制，为微流控纺丝理论提供了新见解。应用价值方面，该方法适用于广泛的SOPs和功能复合剂，可制备光纤传感器、电阻式应变传感器和磁驱动执行器，在可穿戴电子、生物医学器件、智能纺织品和软体机器人等领域具有重要潜力。

研究亮点

该研究的亮点包括：第一，首次提出并验证了利用水凝胶纤维作为牺牲模板包封高粘度慢固化油相预聚物制备连续可拉伸纤维的HAMS方法；第二，系统阐明了流体自适与界面自适协同作用的纺丝机制，建立了粘度-流量比-纤维直径的定量关系，为方法优化提供了理论指导；第三，实现了0.04至3.70 mm的超宽纤维直径调控范围，以及最高1300%的拉伸率；第四，开发了基于未固化状态的螺旋纤维重塑技术，拉伸率可提升至12900%，远超直纤维；第五，展示了该方法在光纤传感、应变传感和磁驱动执行器等多功能应用中的可行性。此外，研究还指出HAMS方法在压力承受能力和生产效率方面仍有提升空间，例如通过双组分注射和混合头适配快速固化预聚物，或加热氯化钙溶液加速固化，以及开发工业化连续化设备。