The Innovation | 藏在“猪鼻子”纳米结构里的电纺仿生设计

导 读

2021年，一名本科生用“猪鼻子”圈住两篇SCI论文的报道登上微博热搜（点击阅读），隐藏在“猪鼻子”纳米结构背后的到底是什么？本文从传统电纺设计的局限，创新型电纺丝头的仿生设计以及应用前景三个方面介绍了包括“猪鼻子”在内的各种电纺仿生设计。

图1 静电纺丝的仿生学设计原理和应用示意图

静电纺丝技术在制造纳米纤维中表现出无可比拟的优势，而纺丝头的设计则是纳米纤维制造过程中的关键因素。在纺丝头的设计过程中，研究人员不断从自然界已存在的宏观结构中获取灵感，向微观世界延展，设计出独特的多室纳米结构，制备出更小、更有序、更复杂的纳米纤维材料和器件。

仿生设计是在仿生学和设计学基础上发展起来的一门学科。仿生设计包括模仿生物的特殊技能，利用生物结构和功能原理来设计产品或解决机械设计中的问题。传统的单针共混电纺技术使用注射器和针头，而注射器和针头的设计分别受到动物膀胱和鹅毛的启发。随着静电纺丝技术的发展，设计出了静电纺丝同轴针，能够将不具备成丝性能的材料变成纳米纤维，以及制造出具有芯鞘或其他类型结构的纳米纤维。模拟空心竹截面，可以研制出由两根直径不同的同轴毛细管组成的纺丝头，制备核壳纳米纤维或管状纤维。模仿蛏子的形貌，可以设计出三根不同内径的同轴不锈钢针头，可以分别使用内层、中层、外层三种流体，最终制备出具有复杂结构特征的纳米纤维。

此外，还有一些研究利用纺丝头的仿生设计进而调控纳米材料结构。譬如，从猪鼻子获得“一鞘内含双芯”的结构灵感，该结构代表了一种相伴而不相邻的空间关系，所设计出的纺丝头可制备出具有芯鞘分离的纳米纤维。根据莲藕的截面，以模仿制造出多通道的管状形态。人们观察龙宫翁戎螺的外观，设计了一个具有类似金字塔形态的纺丝头，并注意到此种纺丝头可以制备更细且直径分布集中的纳米纤维。莲蓬的结构则为多针电纺的设计提供了一个新颖的思路。这些针头不仅可以排列成线性阵列，还可以有某些几何图案，但由于电场力和库仑力的作用，射流的路径往往变得不规则。

纺丝头的仿生设计为制造非常规纤维提供了新的可能性，如单层中空、芯鞘分离、具有两个、三个、四个甚至更多通道的中空纤维，以及微管中的纳米线形态。这些特种纳米纤维因其特殊结构为赋予功能应用提供了多种途径，具备广泛应用潜力：中空纤维可以在污染物吸收、催化、超级电容器和电池等方面的应用中发挥优势；芯鞘结构可用于环境和能源应用；具有特殊多针或无针纺丝头的电纺装置可以提高生产效率，并为实现更为精细的形态控制提供可能。

总结与展望

静电纺丝是设计纳米纤维结构的有效技术。“道法自然”——从自然物中获得纺丝头的设计灵感是制备满足现实需求的先进纤维材料的有效出发点。这种创新设计值得进一步探索，基于此种设计的新颖纳米纤维结构也方兴未艾……

责任编辑

谢 峻    南京大学

马 勤    南京师范大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00009-7

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第二期以Commentary发表的“Electrospinning spinneret: A bridge between the visible world and the invisible nanostructures” (投稿: 2022-12-06；接收: 2023-01-18；在线刊出: 2023-01-19)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100381

引用格式：Song W., Tang Y., Qian C., et al. (2023). Electrospinning spinneret: A bridge between the visible world and the invisible nanostructures. The Innovation. 4(2),100381.

作者简介

宋文良，上海理工大学材料与化学学院讲师、硕士生导师。科技部中韩青年科学家，上海市杨帆人才。主要研究方向为纳米多孔高分子及静电纺丝在吸附、催化、能源和生物医疗等领域的应用。

Bumjoon Kim，韩国科学技术院化学与生物分子工程院院长，博士生导师，讲席教授。至今已在Nature、 Sci. Adv.、Nat. Commun.等期刊发表SCI论文210余篇。研究领域主要包括聚合物的形貌控制与功能化，燃料电池和可穿戴设备等领域的制备和应用研究。

廖耀祖，东华大学纤维材料改性国家重点实验室、材料学院教授，博士生导师，国家重点研发计划首席科学家、国家级青年人才、上海市优秀学术带头人。曾获侯德榜化工科学技术奖青年奖、上海市教学成果特等奖、中国纺织联合会教学成果特等奖、全球Top 2%学者、JMCA新锐科学家等奖励及荣誉10余项。长期从事功能纤维与有机多孔材料研究，发表第一/通讯作者Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等SCI论文80余篇，授权发明专利20余件。主持国家重点研发计划（1项）、国家自然科学基金（4项）等各类科研项目20余项。

余灯广，上海理工大学材料与化学学院教授、博导，获得“上海市教学名师”、“上海市育才奖”等奖项，期刊Current Drug Delivery, Materials Highlights主编，主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金委员会与英国皇家学会合作交流项目、上海市自然科学基金项目等10余项。发表各类论文300余篇，其中SCI收录240余篇，连续多年Elsevier高被引学者，1%ESI高被引收录64篇。

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