天津大学穆九柯教授ACS Nano：动态电纺技术实现可编程纳米纤维架构

摘要：在生物医学、过滤、能源存储和可穿戴电子等领域，三维纳米纤维结构因其高比表面积、可调控的孔隙率和优异的机械性能，已成为下一代应用的关键平台。然而，随着先进生物医学贴片、软机器人系统和多功能纺织品对材料空间异质性、分层结构逻辑和集成多功能性的要求不断提高，多材料、

在生物医学、过滤、能源存储和可穿戴电子等领域，三维纳米纤维结构因其高比表面积、可调控的孔隙率和优异的机械性能，已成为下一代应用的关键平台。然而，随着先进生物医学贴片、软机器人系统和多功能纺织品对材料空间异质性、分层结构逻辑和集成多功能性的要求不断提高，多材料、空间图案化及多层纳米纤维结构的可控制造已成为当前纳米制造领域的迫切瓶颈。传统电纺技术虽简单易行、可扩展且材料多样，但大多只能生成随机取向的非织造纤维毡，难以实现精确的空间沉积控制。近场直写等技术虽提升了分辨率，却受限于串行沉积机制，制造复杂结构耗时极长，且多材料集成困难。

天津大学穆九柯教授课题组提出了一种名为“动态图案诱导多材料纳米纤维电纺技术”（DPMNE Tech）的全新制造范式。该技术将电纺过程与动态图案电路收集器相结合，实现了纳米纤维的精确沉积，克服了传统纳米纤维构建中的局限性。通过调控电场分布、溶液性质与图案编程，DPMNE Tech能够定制功能性机械超材料及双梯度定向液体传输膜，适用于生物医学设备与液体分离等领域。此外，光热功能的整合进一步提升了可穿戴贴片的性能，拓展了其在治疗中的应用潜力。相关论文以“ Dynamic Electrospinning of Multimaterial Nanofiber Architectures for Programmable Metamaterials and Multifunctional Devices ”为题，发表在 ACS Nano 上。

DPMNE Tech的核心在于其可动态重构的电路收集器与实时电场调控能力。如图1所示，该技术通过程序化电路图案与多材料前体切换，实现了微米级精度的多层、多材料纳米纤维架构沉积。与近场直写相比，DPMNE Tech不再受限于喷头机械运动，而是通过收集器上的可编程电场实现图案的即时切换，大幅提升了制造效率与灵活性。该系统还集成了滚动机制，支持大面积连续生产与复杂堆叠结构的构建。

图1：动态图案诱导多材料纳米纤维电纺技术（DPMNE Tech）的示意图及其在高级堆叠图案化纳米纤维膜制备中的应用展示。包括技术设计与制备流程的总体示意图、DPMNE Tech与近场直写技术的对比、图案化柔性印刷电路收集器的实物照片，以及该技术在曲面上实现直接图案化纳米纤维打印的性能演示。

在精度控制方面，图2展示了不同前体材料的纳米纤维形貌与直径分布，以及收集器图案对纤维取向的显著影响。通过有限元分析与实验验证，研究团队优化了电场分布与工艺参数，确保了纤维在复杂图案中的高保真沉积。例如，在使用6微米厚聚酰亚胺薄膜作为基底时，纤维束宽度与目标尺寸偏差小于1%，精度超过99%，变异性低于2.1%，展现出优异的重复性与可扩展性。

图2： DPMNE Tech打印精度分析。包括不同前体材料纳米纤维网络的SEM形貌与纤维直径分布；收集器图案对纤维取向的影响分析；以及通过有限元分析与实验验证的不同收集器结构对电场分布与纤维沉积形态的影响。

为进一步评估沉积一致性，图3引入了灰度分析方法，量化了不同材料在动态沉积过程中的覆盖度变化。结果显示，TPF材料在控制纤维沉积方面表现最佳，而PVA虽沉积迅速但易出现早期桥接现象。PAN与PCL则提供了更高的图案保真度，为后续多材料、多图案结构的构建奠定了基础。

图3：基于灰度分析的纳米纤维沉积精度评估。包括样品测试环境与沉积过程示意图、灰度分析区域选择流程、用于提取分析区域的布尔运算方法、不同前体材料随时间沉积的显微镜图像，以及各材料随时间变化的灰度比曲线。

在功能性应用方面，图4展示了DPMNE Tech制备的机械超材料具有可编程的泊松比行为。通过调控电纺时间与收集器序列，材料泊松比可在-0.0771至+0.0318之间精确调节。这种可调性源于纤维层厚度与微观结构的变化，使材料在拉伸过程中表现出负泊松比或正泊松比特性，适用于贴合复杂曲面的生物集成设备。

图4： DPMNE Tech制备的机械超材料的力学性能。包括花生形结构在拉伸过程中横向应变与纵向应变的关系、不同电纺时间下泊松比随应变的变化、不同结构在不同厚度下的稳定泊松比值比较，以及多层图案堆叠对材料整体泊松比行为的调控效果。

在液体管理领域，图5展示了具有双梯度结构的Janus膜，其结合了亲/疏水性与孔结构梯度，实现了定向甚至抗重力的液体传输。通过TPF与PVDF的交替沉积，膜在不同区域表现出截然不同的液滴行为，实现了在微流体系统中对液体的精确控制与高效分离。

图5：双梯度定向液体传输膜的测试结果。包括亲水性TPF与疏水性PVDF膜的水接触角随时间变化、液滴在膜不同区域的运动行为与SEM图像对比，以及基于毛细作用与亲/疏水力的液体传输机制图解。

最终，图6展示了集光热治疗、机械适应性与液体管理于一体的多功能可穿戴贴片。该贴片通过多层图案化堆叠，实现了局部光热升温、汗液定向导出与皮肤贴合舒适性的统一。其中，MWCNT@PVA纳米纤维在近红外光下可实现43–46.5°C的稳定治疗温度，而银纳米线印刷电路则进一步赋予了贴片电热功能，为个性化医疗提供了新可能。

图6：多功能可穿戴贴片的结构与性能。包括贴片整体结构示意图与液体在不同功能区的传输过程、各功能区水接触角随时间变化、光热治疗区域的结构与温度分布图，以及印刷柔性图案电路的电热性能测试结果。

总之，DPMNE Tech作为一种高度通用与可编程的制造平台，成功实现了纳米纤维结构在几何形状、材料组成与三维堆叠方面的精确控制。其在机械超材料、智能液体管理界面与多功能可穿戴设备中的广泛应用，展示了在软机器人、生物医学治疗与自适应材料领域的巨大潜力。该技术不仅突破了传统电纺与近场直写的限制，也为下一代纳米纤维系统的设计与制造开辟了全新路径。