西安交大学科交叉科研团队在可拉伸仿生纤维的微流控纺丝及生医应用研究方面取得新进展

纤维在人体中广泛存在，如神经纤维、肌纤维、浦肯野纤维等。随着生物医学中仿生材质的普遍使用，具有仿生性能的人工合成纤维在组织功能修复、生理信号监测、光电刺激干预等生物医学场景展示出了巨大前景，开发生物相容性并且与生物软组织力学性质（柔软且可延展）相似的合成纤维变得尤为关键。尽管水凝胶已被用来开发各种纤维以满足上述需求，但其稳定性不佳限制了其应用范围。相对于此，弹性体聚合物可以用于制备柔软且稳定的延展纤维，但其制备过程受制于聚合物的可纺性。针对这类出色但不可纺的弹性体聚合物，如在生物医学中广泛应用的硅胶类聚合物（如生物相容、刚度可调、延展且稳定的PDMS和Ecoflex），现有技术仍难以实现其高品质纤维的大规模生产。因此，开发这类不可纺弹性体聚合物的高效纺丝技术成为关键。

针对上述问题，西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所与海南大学生物医学工程学院赵国旭副教授（BEBC博士毕业生）和王东教授合作，通过材料学、生物医学、流体力学、机械制造等多学科交叉合作，开发了一种水凝胶辅助的同轴微流控纺丝方法，能够量产纤维形态优异的可拉伸纤维，普适于一大类不可纺聚合物。研究揭示了纤维制备过程的流体力学机制，并验证了不同组分和结构的可拉伸功能纤维的应用潜力。

该研究以PDMS为主要对象，基于微流控技术建立了一种弹性体纤维制备新策略：海藻酸水凝胶纤维充当保护性外壳，包裹PDMS的油相预聚物内核纤维，在内核交联固化后除去外壳，得到弹性体聚合物纤维。针对该类预聚物的高黏性，团队自研设备，揭示了制备参数对高黏度油相内核与水凝胶前体溶液间的多相流与界面现象的影响规律，并阐明了均匀、光滑且圆柱形内核纤维的形成机制。基于此，成功制备了直径大范围可控（0.04-3.70 mm）、长度数十米且形态优异的可拉伸纤维。同时，该技术也能够通过缠绕塑形制备尺寸大范围可控、可拉伸性优异（断裂伸长率数十至上百倍）且力学顺应的弹性体螺旋纤维。基于该技术，成功制备了多种可拉伸功能纤维并验证了其生物医学应用潜力：PDMS纤维可编织为绳索和织物；导光PDMS纤维能够可穿戴式监测多种人体力学信号；平直和螺旋结构碳纳米管（CNT）/PDMS导电纤维能够分别用作可穿戴力学传感器和力不敏感导体；磁性修饰的螺旋PDMS纤维能够在血管样管道内磁控移动，有望用作血管内软体机器人。该研究解决了一大类不可纺聚合物的量产化纺丝难题，将极大地促进新型可拉伸纤维的研发和应用，有望作为一种基础性制备技术和材料类型，广泛应用在包括生物医学在内的多个行业领域。

该工作以“基于流体和界面自适应的水凝胶辅助微流控纺丝技术用于制备可拉伸纤维”（Hydrogel-assisted microfluidic spinning of stretchable fibers via fluidic and interfacial self-adaptations）为题在《科学·进展》（Science Advances）上在线发表。西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室为该论文的通讯作者单位，文章第一/通讯作者为西安交通大学生命学院毕业生、海南大学生物医学工程学院赵国旭副教授，西安交通大学生命学院徐峰教授、海南大学生物医学工程学院王东教授为共同通讯作者。文章其他作者包括西安交通大学生命学院仿生工程与生物力学研究所杨清振副教授、刘灏副教授、方云生教授。

西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）在生物力学和力学生物学的研究基础上，通过工程学手段，将不同尺度的力学调控引入疾病诊疗，开展了一系列的“力医学（mechanomedicine）”研究，相关代表性研究成果发表于《自然材料》（Nature Materials）、《自然化学》（Nature Chemistry）、《自然生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）、《自然通讯》（Nature Communications）、《科学进展》（Science Advances）、《美国科学院院报》(PNAS)等期刊。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5407

BEBC网站主页：http://bebc.xjtu.edu.cn/