纖維在人體中廣泛存在，如神經(jīng)纖維、肌纖維、浦肯野纖維等。隨著生物醫(yī)學(xué)中仿生材質(zhì)的普遍使用，具有仿生性能的人工合成纖維在組織功能修復(fù)、生理信號(hào)監(jiān)測、光電刺激干預(yù)等生物醫(yī)學(xué)場景展示出了巨大前景，開發(fā)生物相容性并且與生物軟組織力學(xué)性質(zhì)（柔軟且可延展）相似的合成纖維變得尤為關(guān)鍵。盡管水凝膠已被用來開發(fā)各種纖維以滿足上述需求，但其穩(wěn)定性不佳限制了其應(yīng)用范圍。相對于此，彈性體聚合物可以用于制備柔軟且穩(wěn)定的延展纖維，但其制備過程受制于聚合物的可紡性。針對這類出色但不可紡的彈性體聚合物，如在生物醫(yī)學(xué)中廣泛應(yīng)用的硅膠類聚合物（如生物相容、剛度可調(diào)、延展且穩(wěn)定的pdms和ecoflex），現(xiàn)有技術(shù)仍難以實(shí)現(xiàn)其高品質(zhì)纖維的大規(guī)模生產(chǎn)。因此，開發(fā)這類不可紡彈性體聚合物的高效紡絲技術(shù)成為關(guān)鍵。

針對上述問題，西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院仿生工程與生物力學(xué)研究所與海南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院趙國旭副教授（bebc博士畢業(yè)生）和王東教授合作，通過材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械制造等多學(xué)科交叉合作，開發(fā)了一種水凝膠輔助的同軸微流控紡絲方法，能夠量產(chǎn)纖維形態(tài)優(yōu)異的可拉伸纖維，普適于一大類不可紡聚合物。研究揭示了纖維制備過程的流體力學(xué)機(jī)制，并驗(yàn)證了不同組分和結(jié)構(gòu)的可拉伸功能纖維的應(yīng)用潛力。

該研究以pdms為主要對象，基于微流控技術(shù)建立了一種彈性體纖維制備新策略：海藻酸水凝膠纖維充當(dāng)保護(hù)性外殼，包裹pdms的油相預(yù)聚物內(nèi)核纖維，在內(nèi)核交聯(lián)固化后除去外殼，得到彈性體聚合物纖維。針對該類預(yù)聚物的高黏性，團(tuán)隊(duì)自研設(shè)備，揭示了制備參數(shù)對高黏度油相內(nèi)核與水凝膠前體溶液間的多相流與界面現(xiàn)象的影響規(guī)律，并闡明了均勻、光滑且圓柱形內(nèi)核纖維的形成機(jī)制。基于此，成功制備了直徑大范圍可控（0.04-3.70 mm）、長度數(shù)十米且形態(tài)優(yōu)異的可拉伸纖維。同時(shí)，該技術(shù)也能夠通過纏繞塑形制備尺寸大范圍可控、可拉伸性優(yōu)異（斷裂伸長率數(shù)十至上百倍）且力學(xué)順應(yīng)的彈性體螺旋纖維。基于該技術(shù)，成功制備了多種可拉伸功能纖維并驗(yàn)證了其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力：pdms纖維可編織為繩索和織物；導(dǎo)光pdms纖維能夠可穿戴式監(jiān)測多種人體力學(xué)信號(hào)；平直和螺旋結(jié)構(gòu)碳納米管（cnt）/pdms導(dǎo)電纖維能夠分別用作可穿戴力學(xué)傳感器和力不敏感導(dǎo)體；磁性修飾的螺旋pdms纖維能夠在血管樣管道內(nèi)磁控移動(dòng)，有望用作血管內(nèi)軟體機(jī)器人。該研究解決了一大類不可紡聚合物的量產(chǎn)化紡絲難題，將極大地促進(jìn)新型可拉伸纖維的研發(fā)和應(yīng)用，有望作為一種基礎(chǔ)性制備技術(shù)和材料類型，廣泛應(yīng)用在包括生物醫(yī)學(xué)在內(nèi)的多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。

該工作以“基于流體和界面自適應(yīng)的水凝膠輔助微流控紡絲技術(shù)用于制備可拉伸纖維”（hydrogel-assisted microfluidic spinning of stretchable fibers via fluidic and interfacial self-adaptations）為題在《科學(xué)·進(jìn)展》（science advances）上在線發(fā)表。西安交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為該論文的通訊作者單位，文章第一/通訊作者為西安交通大學(xué)生命學(xué)院畢業(yè)生、海南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院趙國旭副教授，西安交通大學(xué)生命學(xué)院徐峰教授、海南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院王東教授為共同通訊作者。文章其他作者包括西安交通大學(xué)生命學(xué)院仿生工程與生物力學(xué)研究所楊清振副教授、劉灝副教授、方云生教授。

西安交通大學(xué)仿生工程與生物力學(xué)研究所（bebc）在生物力學(xué)和力學(xué)生物學(xué)的研究基礎(chǔ)上，通過工程學(xué)手段，將不同尺度的力學(xué)調(diào)控引入疾病診療，開展了一系列的“力醫(yī)學(xué)（mechanomedicine）”研究，相關(guān)代表性研究成果發(fā)表于《自然材料》（nature materials）、《自然化學(xué)》（nature chemistry）、《自然生物醫(yī)學(xué)工程》（nature biomedical engineering）、《自然通訊》（nature communications）、《科學(xué)進(jìn)展》（science advances）、《美國科學(xué)院院報(bào)》(pnas)等期刊。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5407

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