生物质纳米流体材料因其良好的生物相容性和离子选择性传输特性，在健康监测和能量收集领域的应用广泛。纤维，作为连续且柔性的材料形式，在智能可穿戴传感织物方面具备天然优势。近年来，纳米流体纤维在力学性能、取向结构、能量收集效率和稳定性上取得了显著进展，然而，纤维的纳米通道结构通常通过湿加捻、压缩、牵伸、结构封装等后处理方法实现。因此，如何通过纺丝过程一步实现具有致密化空间结构的纳米流体纤维制备仍需深入研究。

  为此，安徽农业大学叶冬冬教授团队联合南开大学刘遵峰教授团队、中国药科大学周湘教授、浙江大学朱书泽教授等开发了一种创新的、可扩展的纺丝流程。该工艺结合了微流控纺丝技术和不对称流场来控制带负电荷的海藻纤维素纳米纤维（CNFs）的组装，创造了一种新型扭转结构海藻纤维（扭转纤维）。这些表层扭转的纤维具有高的堆积密度（1.47 g cm^-3），机械性能（468.5 MPa）和取向（f_c = 0.89）。值得注意的是，它们表现出优异的选择性离子传输能力和渗透能量收集性能。研究表明，通过控制微流控纺丝系统中的不对称流体动力学，可以精确地操纵CNFs的空间分布，从而设计出不同捻度结构的纤维。与传统的湿纺纤维相比，这些扭曲纤维具有直径更小、填充密度更高、机械性能更强、取向更强、离子传输和渗透能量收集能力更强的特点。这种革命性的扭转纤维将引领可穿戴设备、功能性纺织品和智能医疗领域的新趋势。它们可以集成到自供电的婴儿尿液监测装置中，准确地检测排尿和运动，当尿饱和时发出警报，从而大大提高监测的准确性和实用性。该研究以题为“Customizable Twisted Nanofluidic Cellulose Fibers by Asymmetric Microfluidics for Self-Powered Urine Monitoring”的论文发表在最新一期的Advanced Functional Materials上。第一作者为硕士生林泽婉和博士后傅晓童。通讯作者为安徽农业大学叶冬冬教授和中国药科大学周湘教授。安徽农业大学为第一完成单位。

【自加捻纳米流体纤维的制备及表层扭转结构对纤维性能的贡献】

图1. 自加捻纤维素纳米流体纤维的制备流程、结构及性能比较

【纳米流体纤维的制备机理、结构调控和性能】

图2.扭转纤维和取向纤维的结构、性能、形成及形变机制探究

【表层扭转结构对纤维素纳米流体纤维的影响及机理】

图3.扭转纤维的离子运输性能及自供能行为探究

【基于扭转纤维的尿液传感系统的性能评价和应用展示】

  在这项研究中，作者开发了一种前所未有的具有表面扭曲和内部取向结构的扭转海藻纤维。通过将微流控技术与复杂的非对称流场相结合，不仅实现了对携带负电荷海藻纤维素纳米纤维（CNFs）组装过程的精细控制，且通过表层扭转结构，纤维直径显著减小（33.6至20.4 μm），堆积密度增加（0.87至1.47 g cm^-3），断裂应力增强（468.5 MPa），赫尔曼定向参数增大（从0.77到0.89），结构和性能方面都取得了重大进展。此外，在50倍NaCl盐度梯度下，具有高性能选择性离子传输（7.8 mS cm^-1）和能量收集特性（12.9 W m-²），这些优异的性能赋予了扭转纤维在自供电监测婴儿尿液上的检测灵敏度和准确性。这种扭转在离子信号传输和自供电传感系统中的巨大潜力表明，它们将在未来的智能技术和健康监测中发挥关键作用。

  课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/ydd

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414365