苏州大学郭明雨教授课题组：微流控制备聚合物螺旋和超螺旋微纤维

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在亿万年的进化过程中，大自然形成了各种巧妙而近乎完美的结构，并赋予了它们非凡的功能。螺旋结构便是其中之一，这些精美的功能性结构出现在许多不同的尺度和环境中。近年来，通过微通道内的流体的卷绳效应纺制螺旋微纤维的研究已取得了一系列的研究成果。然而，这些微通道内的螺旋状微流体必须快速交联固化/凝胶化以保持其螺旋形貓，因此大多局限于钙离子-海藻酸钠快速交联体系，其实际应用受到了一定的限制。此外，基于微流控通道内流体的卷绳效应所得的螺旋微纤维的振幅主要取决于收集管的内部尺寸，因此一旦芯片装置制作完成，就无法调整。另一方面，超螺旋结构是源自生物体中更高层次和更复杂的一种结构，是螺旋结构再次螺旋形折叠产生，在实现组织功能中发挥关键作用。然而，关于超螺旋结构的制备却鲜有报道。

近期，苏州大学郭明雨教授课题组借助简单的单乳液毛细管微流控装置，利用内外相流体间传质导致的高粘度差、内相流体的快速固化和通道变宽所引起的内相流体折叠间的协同作用，突破了微流控制备螺旋微纤维的原材料限制，实现了从亲水性葡聚糖（Macromol. Rapid Commun. 2016, 37, 426−432）、羧化壳聚糖（CCS）和聚乙烯醇（PVA）到疏水性乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）和两亲性聚氨酯脲（PUU3-12，Macromol. Rapid Commun. 2017, 38, 1700275）的螺旋和超螺旋微纤维的连续可控制备。

图1（a）毛细管微流控装置制备聚合物螺旋微纤维的示意图；（b）聚合物的结构式；（c）PVA微流体/纤维在宽通道II 内的折叠行为的数码照片;（d）EVOH螺旋微纤维的扫描电镜照片;（e）CCS 螺旋微纤维的三维激光共聚焦显微镜照片;（f）PUU3-12 螺旋微纤维的数码照片

如图1 所示，分别以聚合物溶液为内相，以低分子量聚乙二醇或其水溶液为外相，将二者分别注入内外相通道中，聚合物溶液在收集管I 中形成直的喷射流，在进入较宽的收集管II 时会自动折叠形成螺旋微纤维（图1a）。所得螺旋微纤维的直径（df）、振幅(A1)和波长(λ1)不仅可通过内外相流速精准调节，还可通过外相粘度来调控。收集到的纤维不仅在常压下具有高的结构稳定性（图1e, f），在高真空扫描电镜实验条件下（图1d），仍可保持其螺旋形貌。

图2（a）制备聚合物超螺旋微纤维的毛细管微流控装置的示意图；（b）EVOH 微流体/纤维在微通道内形成的喷射直流、螺旋、超螺旋结构的显微照片；（c）CCS 超螺旋微纤维的三维激光共聚焦显微镜照片；（d）PVA超螺旋微纤维的显微镜照片;（e）PUU3-12超螺旋微纤维的显微镜照片;（f）在固定Qin = 350 μL/h 条件下，随外相流速增加制备的CCS 超螺旋微纤维在微通道内的折叠行为照片；（g）在固定Qout = 9 mL/h 条件下，随内相流速增加制备的CCS 超螺旋微的显微镜照片。（h-i）A2 和λ2 随内外相流速变化的关系图。

基于上述螺旋微纤维的形成机制，通过简单地在图1a所示装置的末端连接一个更粗的收集管III（d3 = 1.4 mm， d2 = 1.0 mm，d1 = 0.6 mm），即可实现亲水性CCS和PVA、疏水性EVOH和两亲性PUU3-1）的超螺旋微纤维的连续可控制备（图2）。如图2a所示，当收集管II 中的螺旋结构流体/纤维进入更宽的收集管III 时，螺旋结构会进一步自动折叠形成超螺旋结构。所得超螺旋微纤维的波长和振幅同样可以通过内外相流速精准调节。进一步证明了通道变宽和内外相传质的协同作用在制备聚合物超螺旋微纤维方面同样具有普适性和灵活性。

这些实验结果为各类形貌可控的聚合物螺旋和超螺旋微纤维的制备和应用研究提供了一条简便路径，也为多层次有序的超结构材料的制备提供了一条新的途径，将极大地丰富各种聚合物的三维微观结构的构建。

相关结果发表在Macromolecular Rapid Communication (DOI:10.1002/marc.201900111)上，文章第一作者为苏州大学硕士研究生杨慧丽，通讯作者为郭明雨教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/marc.201900111

来源：AdvancedScienceNews

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