微納米纖維膜的案例
哈工大冷勁松教授團隊《中國科學》綜述：形狀記憶聚合物微納米纖維膜在生物醫學中的應用進展
基于靜電紡絲技術，將形狀記憶聚合物及其復合材料制備成纖維結構，實現熱、電、光、PH、水、磁及電效應等激勵變形過程，在生物醫療、智能紡織、傳感、驅動等方面應用廣泛。近年來，受到了國內外學者的廣泛研究和關注。
哈爾濱工業大學冷勁松教授團隊就近10年形狀記憶聚合物微納米纖維膜的制備技術、結構形貌、驅動方法及其生物醫學應用進行了系統論述。文章總結了由靜電紡絲技術制備的形狀記憶聚合物微納米纖維膜的多種結構，包括無紡、核殼、中空、取向纖維等結構（Fig3）及其不同的驅動方式，包括熱驅動、磁驅動、水驅動等驅動方法。隨后，文章對形狀記憶聚合物微納米纖維膜在骨組織支架、骨組織修復、神經支架（Fig10）及細胞培養等方面的應用進行了系統總結。最后，該團隊對目前形狀記憶聚合物材料其他結構在血管直接、氣管支架、骨修復藥物及細胞載體、動脈瘤、血栓和心臟貼片等醫學領域中的應用進行了概括，并對形狀記憶聚合物微納米纖維膜未來的發展方向進行了展望。
圖文速遞
圖3 不同結構的纖維無紡結構（a）[30]；核殼結構（b）[33]；中空結構（c）[34]和取向纖維（d）[37]
圖10 在第9天，在（A）P5，（B）P5C0.5，（C）P5C1和（D）P5C2納米纖維上培養PC12細胞表達的NF200[45]
形狀記憶聚合物微納米纖維膜在生物醫學中的應用進展相應文章發表于《中國科學：技術科學》雜志上，相信這篇綜述對相關領域的研究者具有重要的參考價值。
全文連接：
https://doi.org/10.1360/N092018-00126
來源：高分子科學前沿
展開 天津工業大學林佳弘特聘教授/李婷婷副教授課題組《CEJ》：日光驅動串珠型可重復抗菌醫用熔噴電紡微納米纖維過濾復合膜的構筑
通常，熔噴膜由超細纖維組成，用于去除微粒，但是它們在去除小顆粒特別是在100-1000 nm范圍內使得過濾無效，需要特定的納米材料提高其過濾效率。而電紡納米纖維材料的高比表面積和體積比，超高強度、高表面能以及作為液體穿透的屏障的能力,這些特性賦予了它們作為再生醫學的新型生物材料的潛在應用。天津工業大學李婷婷副教授與臺灣逢甲大學林佳弘特聘教授、亞洲大學樓靜文特聘教授合作，基于前期對日光驅動光敏抗菌熔噴膜的研究(J. Clean. Prod 2021.126395)，提出將串珠結構的PCL/ZIF8納米纖維膜與抗菌熔噴膜復合制備光動力型高效過濾的抗菌微納米復合膜。研究內容以“Daylight-driven rechargeable, antibacterial, filtrating micro/nanofibrous composite membranes with bead-on-string structure for medical protection” 發表在《Chemical Engineering Journal》。
光動力抗菌微納米纖維復合過濾膜的制備
首先合成一種高比表面積和可光催化的金屬骨架ZIF8晶體。然后，將合成ZIF8晶體加入到PCL溶液中，利用靜電紡絲方法噴涂在抗菌熔噴膜表面制備出光動力型高效過濾抗菌的微納米復合膜。其中，PCL/ZIF8溶液會在抗菌熔噴膜表面形成明顯的串珠結構，從而提高復合膜的顆粒過濾性能。最終制備的微納米纖維膜具備可重復抗菌、可儲存性且高效抗菌的新型復合纖維膜 (見圖1)。
展開 一種用于高性能保溫的超薄氣凝膠微/納米纖維膜
如纖維、金屬、氣凝膠、泡沫等各種先進材料已被用于保溫，防止人體的熱量損失。特別是氣凝膠，其熱導率低至15 mW/mK，表現出優越的保溫能力。這種優異的性能可歸因于高孔隙率(>90%)、相互連接的多孔納米結構和孔徑低于氣體分子的平均自由程。這些固有特性使氣凝膠能夠有效地防止熱傳遞。
然而，零維氣凝膠粉末具有固有的脆性和吸濕性缺點，限制了其可穿戴應用。相比之下，由天然纖維和合成纖維組成的纖維材料由于其理想的可穿戴性、可用性和可負擔性而被廣泛用于保暖。然而，商用纖維材料具有較大的孔徑(通常>100 μm)和有限的孔隙率(通常<50%)，這使得它們無法通過限制氣體分子的運動來抑制空氣熱傳導這些固有的瓶頸嚴重阻礙了它們的隔熱效果，從而限制了在極冷和多風環境下保持人體溫度的能力。
減小纖維直徑被認為有利于實現高孔隙率而孔徑較小，從而通過減少對流擴散來約束更多的換熱。靜電紡絲作為最先進的微/納米纖維制造方法，可以很容易地合成連續纖維膜，纖維直徑變小，孔隙率增加，孔隙結構可調節，在高性能保溫材料的制造中有前景。然而，目前的靜電紡絲纖維仍然存在一些關鍵的限制，包括孔徑不夠小(通常>2μm)、孔隙度不夠等因素極大地限制了材料的使用。因此，創造一種可行的和通用的策略來開發既有效的空氣絕緣又具有動態耐磨性的保溫材料面臨巨大的挑戰。
02
成果掠影
近期，東華大學丁彬教授和張世超研究員團隊針對開發具有優異保溫性能的氣凝膠納米纖維膜取得最新進展。該文通過非均質靜電紡絲和水分誘導溶液鑄造相結合的策略來創建分層細胞結構的氣凝膠微/納米纖維膜(CAMMs)，以實現舒適的抗風保暖。
展開 吸濕快干面料！東華大學俞建勇院士團隊重要進展
所得仿生多孔Murray膜兼具自驅動可逆重力定向導水、快速吸放濕（水分蒸發速率高達0.67g/h，是商業化Coolmax面料的2.1倍）以及優異的內層速干性能。
圖1 仿生多孔Murray膜的制備過程及其吸濕快干性能
圖2 仿生多孔Murray膜的自驅動逆重力導水過程
該工作中提出的構筑仿生多級孔道以及表面能梯度結構的策略為吸濕快干微納米纖維膜材料的設計和性能提升提供了一種新思路，有望取代現有商業化吸濕快干面料，實現其在高檔功能服裝及醫衛材料等領域的廣泛應用。未來工作中將進一步優化微納米纖維膜材料的多級潤濕結構，揭示水分在纖維膜孔道中的定向輸運機制，拓展該材料在野戰軍服、創傷敷料、手術衣、紙尿褲等功能紡織品領域的應用。該研究工作得到了國家自然科學基金、上海市青年科技啟明星等項目的支持。
來源：東華大學
展開 
東華大學《ACS Nano》：基于仿生多孔Murray膜的吸濕快干功能性面料
單向導濕面料可以通過將汗液和水汽從身體輸送到外部環境中，從而在炎熱和潮濕的環境中達到快速干燥效果，為人體提供舒適的微環境。然而現有單向導濕織物的制備工藝比較復雜，同時由于傳統纖維的比表面積較小，導出的水分不能快速蒸發而導致穿著舒適性變差。
自然界中，導管植物中的蒸騰作用具有自驅動逆重力定向水分輸運和超快蒸發兩個特性。這是由于它們具有符合Murray定律的樹狀分形分叉網絡結構，通過最小化多級孔道中的運輸阻力來優化水分在多級連通孔道中的輸運能力。此外，生物組織中也大量存在著典型的樹狀分叉結構，例如動物的血液循環系統、呼吸系統、神經網絡等，隨著多學科的交叉，這種樹狀分叉網絡在諸如微流體流動控制、城市水電氣供給等領域得到廣泛應用，但由于現有功能性微納米纖維加工技術和材料的局限性，仿生樹狀分叉網絡在吸濕快干面料領域的應用仍未得到探索。
近日，東華大學丁彬教授、王先鋒研究員課題組通過靜電紡絲技術構筑樹狀分叉網絡及表面能梯度制備了仿生多孔Murray單向導濕纖維膜。其中，仿生樹狀多級分叉網絡集成了大孔-微米孔-亞微米孔的多級連通孔道，具有類似于植物蒸騰效應的多級分叉結構，遵循Murray定律最大化物質輸運原則。所得仿生多孔Murray膜兼具自驅動可逆重力定向導水、快速吸放濕（水分蒸發速率高達0.67g/h，是商業化Coolmax面料的2.1倍）以及優異的內層速干性能。
圖1仿生多孔Murray膜的制備過程及其吸濕快干性能
圖2 仿生多孔Murray膜的自驅動逆重力導水過程
該工作中提出的通過構筑仿生多級孔道以及表面能梯度結構為吸濕快干微納米纖維膜材料的設計和性能提升提供了一種新思路，有望取代現有商業化吸濕快干面料，實現其在高檔功能服裝及醫衛材料等領域的廣泛應用。
展開 東華大學俞建勇院士、丁彬研究員團隊在吸濕快干功能紡織品領域取得最新研究成果
此外，生物組織中也大量存在著典型的樹狀分叉結構，例如動物的血液循環系統、呼吸系統、神經網絡等，隨著多學科的交叉，這種樹狀分叉網絡在諸如微流體流動控制、城市水電氣供給等領域得到廣泛應用，但由于現有功能性微納米纖維加工技術和材料的局限性，仿生樹狀分叉網絡在吸濕快干功能紡織品領域的應用仍未得到探索。
圖1 仿生多孔Murray膜的制備過程及其吸濕快干性能
研究團隊通過靜電紡絲技術構筑樹狀分叉網絡及表面能梯度制備了仿生多孔Murray單向導濕纖維膜。其中，仿生樹狀多級分叉網絡集成了大孔-微米孔-亞微米孔的多級連通孔道，具有類似于植物蒸騰效應的多級分叉結構，遵循Murray定律最大化物質輸運原則。所得仿生多孔Murray膜兼具自驅動可逆重力定向導水、快速吸放濕（水分蒸發速率高達0.67g/h，是商業化Coolmax面料的2.1倍）以及優異的內層速干性能。
圖2 仿生多孔Murray膜的自驅動逆重力導水過程
該工作中提出的構筑仿生多級孔道以及表面能梯度結構的策略為吸濕快干微納米纖維膜材料的設計和性能提升提供了一種新思路，有望取代現有商業化吸濕快干面料，實現其在高檔功能服裝及醫衛材料等領域的廣泛應用。未來工作中將進一步優化微納米纖維膜材料的多級潤濕結構，揭示水分在纖維膜孔道中的定向輸運機制，拓展該材料在野戰軍服、創傷敷料、手術衣、紙尿褲等功能紡織品領域的應用。該研究工作得到了國家自然科學基金、上海市青年科技啟明星等項目的支持。
展開 南京工業大學孫世鵬《JMCA》封面：基于靜電紡絲納米纖維制備耐有機溶劑納濾膜方向取得進展
分離回收這些有機溶劑傳統采用的蒸餾、萃取等方法存在著諸如能耗較高、溶劑損耗大等弊端，高分子耐溶劑納濾膜由于具有分離精度高、可操作性強等優勢成為研究熱點。然而高分子納濾仍然存在一些瓶頸限制了其應用，如①高分子材料的抗溶劑性較差，易在溶劑中發生溶脹或溶解；②傳統相轉化膜結構致密，膜阻力較高，導致傳統耐溶劑復合膜的溶劑通量普遍較低等。
日前，南京工業大學膜科學技術研究所孫世鵬教授團隊研發出一種新型耐溶劑納米纖維復合膜。實驗室基于高壓溶液靜電紡絲法制備支撐層，①通過化學交聯法在聚合物鏈間形成穩定的交聯結構以及在極性溶劑中的化學穩定性；②通過采用靜電紡絲納米纖維基膜，利用其孔隙率高，孔道彎曲率低的特點降低基膜傳質阻力，且納米纖維膜相對于傳統非對稱基膜而言具有非常良好的機械強度。
圖1. (a) 傳統非溶劑致相分離法制備的納濾膜致密皮層有較高的傳質阻力，(b) 高壓靜電紡絲法制備的高通量復合膜為低彎曲率的貫通孔結構，降低了基膜傳質阻力。水合肼交聯法提高了聚丙烯腈材料在極性溶劑中的穩定性。
通過高壓溶液靜電紡絲法直接在接收器上堆積的納米纖維較為疏松，可以在高溫高壓下對其進行后處理以降低表面粗糙度。在水合肼溶液中進行化學交聯制備出有良好耐溶劑性能的改性PAN基膜，再通過界面聚合法制備得到聚酰胺選擇層。在特殊膜結構的作用下，交聯PAN納米纖維基膜的機械強度要強于傳統相轉化PAN膜20倍，且由于其低膜阻的特點提高了交聯劑在膜內的傳質分散，提高了對膜主體交聯的均勻性，提高了聚丙烯腈基膜在極性溶劑中的穩定性。
圖2. (a) 兩種交聯膜的物理外觀對比說明納米纖維膜在水合肼溶液中交聯程度更高,(b)兩種交聯膜的機械強度對比，(c) 高壓電場的誘導作用提高了PAN鏈段在纖維中的取向性， 使其具有了較高的機械強度。
展開 中科大俞書宏NSR：受生物啟發的微納米尺度纖維增強復合材料
【內容提要】
《國家科學評論》在線發表了中科大俞書宏教授課題組的最新研究成果：
Biomimetic Twisted Plywood Structural materials
https://doi.org/10.1093/nsr/nwy080
該文章提出一種自下而上的基于刷涂和層壓相結合的高效組裝策略，利用生物相容性的微納米纖維和天然高分子作為構筑組分，首次成功制備出具有仿生螺旋膠合板結構的三維體型人工結構材料。
神奇的自然界經過上億年的演化，孕育出千奇百態的生物材料，它們或作為生物體骨架，或作為防御或進攻武器。這些自然結構材料雖然來源于相對單一和脆弱的天然組分，但憑借其高度有序的多尺度微納結構和精巧的界面設計，往往表現出超乎尋常的機械性能，因此，一直都是材料科學領域研究人員積極探索和模仿的對象。
通過微觀結構觀察可以發現，包括魚鱗、蟹鉗和骨骼等在內的許多生物材料均具有由微納米纖維多級次高度有序排布的螺旋膠合板結構。它們是結構精密的天然纖維增強復合材料，并且往往具有工程結構材料迫切需要卻難以獲得的優異損傷容忍能力。因此，以微納米纖維為結構單元，全面模仿此類多尺度分級自然結構，將有望制備出可取代現有工程結構材料的高性能新型人工結構材料。然而，由于當前缺乏納米材料組裝技術特別是一維微納米結構單元宏觀有序的組裝手段，模仿制備此類自然纖維增強結構材料一直是一個重大挑戰。
展開 曼徹斯特大學李加深團隊《ACS AMI》：變廢為寶-回收可樂瓶制備的多層級多孔納米纖維膜高效捕獲PM2.5及模擬病毒
利用回收的塑料瓶制備納米纖維膜，開發空氣過濾產品可以兼顧以上兩方面的問題。
在空氣污染物過濾設備中使用靜電紡絲工藝制備的納米纖維膜已是學術界和產業界的共識。高比表面積的多孔纖維膜一般被認為有比較高的過濾效率。通過對靜電紡絲得到的原生纖維進行溶液浸泡后處理可以改變纖維的表面形貌，使原來光滑的纖維表面產生納米級多孔結構，從而達到增加其表面積的目的。
圖1 不同溶劑處理30分鐘的回收PET纖維的SEM圖像。(a)無水乙醇；(b)丙酮；(c) 1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)/乙醇(1:1 wt %)；(d) NMP/乙醇(1:1 wt %)，乙醇沖洗；(e) NMP/乙醇(3:5 wt %)；和(f) NMP/乙醇(1:3 wt %)。
后處理溶劑選擇是成功制備靜電紡絲表面多孔或高粗糙度纖維的關鍵點之一。因此，可以誘導PET發生重結晶，進而改變形貌的溶劑都被選擇用來處理PET納米纖維膜，并將處理前后的樣品實施形貌和其他表征。
圖2 空氣過濾試驗示意圖。
病毒，包括近年引起大流行的COVID-19 冠狀病毒，本質上是一種蛋白類大分子，其尺寸一般為亞微米級。已有廣泛的研究證實，含有SARS-COV-2病毒的人體體液是傳播COVID-19的主要途徑。考慮到操作病毒的危險性，本實驗使用生物實驗室常用的熒光蛋白模擬病毒，對PET膜進行含病毒水霧的過濾性能測試。可以發現經過NMP處理后的PET纖維膜可以更高效的攔截熒光蛋白。因此可以肯定的是，經過后處理的高粗糙度的纖維膜的過濾效果要優于原生光滑纖維。這歸功于其粗糙的纖維表面對外來顆粒有更多的攔截和捕獲機會。
展開 “硅”助力超疏水 一文帶你了解超疏水材料的技術
靜電紡絲法
靜電紡絲是近年來發展起來的一種制備微/納米級纖維的新工藝，它是將聚合物溶液或熔體置于高壓靜電場中，在電場庫侖力的作用下被拉伸形成噴射細流，細流落在基板上形成微/納米纖維膜。
江雷等采用靜電紡絲技術構筑粗糙表面，再使用廉價的低表面能物質硅油在煅燒過程中進行同步修飾，制備出接觸角大于150°、滾動角小于5°的TiO2超疏水表面。
Huang 等用SiO2納米顆粒和硅酸溶液構建涂層，通過改變SiO2納米顆粒和硅酸的比例調節涂層的粗糙程度，經全氟辛基三氯硅烷改性后，其水接觸角達160°，滑動角小于10°，且該涂層具有高透光率、優異的熱穩定性和機械穩定性。但是，當該涂層表面的有機改性劑長時間接觸水時，其親水基團的翻轉會導致疏水穩定性變差，增加了其在實際應用的不確定性。
層層組裝法
層層組裝技術是指在靜電作用、氫鍵結合和配位鍵結合等的作用下通過層層沉積構造膜層的技術。
寧波大學的張群兵、王軍等用層層組裝法，以硅片為基底制備海膽狀TiO2超疏水表面。經檢測，該表面的接觸角為151.2°，滾動角為4.5°。
Shang 等以聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）和聚4-苯乙烯磺酸鈉（PSS）為聚電解質，采用層層自組裝法將玻璃依次浸漬在上述聚電解質溶液中，再浸漬在聚苯乙烯改性SiO2粒子懸浮液中，最后用化學氣相沉積法在玻璃上沉積一層全氟辛烷制得高透明度超疏水多孔SiO2玻璃涂層，測得水接觸角大于150°，滾動角小于10°。
溶膠－凝膠法
溶膠－凝膠法是將化學活性高的化合物水解后得到的溶膠進行縮合反應， 并將生成的凝膠干燥以形成微/納米孔狀結構，從而使其具有超疏水性的一種制備方法，但是存在制備工藝路線比較長、得到的表面結構可控性差和有溶劑污染等缺點。
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