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蘇州大學郭明雨教授課題組:微流控制備聚合物螺旋和超螺旋微纖維
發布:blast_k   時間:2019/5/17 10:10:44   閱讀:333 
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在億萬年的進化過程中,大自然形成了各種巧妙而近乎完美的結構,并賦予了它們非凡的功能。螺旋結構便是其中之一,這些精美的功能性結構出現在許多不同的尺度和環境中。近年來,通過微通道內的流體的卷繩效應紡制螺旋微纖維的研究已取得了一系列的研究成果。然而,這些微通道內的螺旋狀微流體必須快速交聯固化/凝膠化以保持其螺旋形貓,因此大多局限于鈣離子-海藻酸鈉快速交聯體系,其實際應用受到了一定的限制。此外,基于微流控通道內流體的卷繩效應所得的螺旋微纖維的振幅主要取決于收集管的內部尺寸,因此一旦芯片裝置制作完成,就無法調整。另一方面,超螺旋結構是源自生物體中更高層次和更復雜的一種結構,是螺旋結構再次螺旋形折疊產生,在實現組織功能中發揮關鍵作用。然而,關于超螺旋結構的制備卻鮮有報道。

近期,蘇州大學郭明雨教授課題組借助簡單的單乳液毛細管微流控裝置,利用內外相流體間傳質導致的高粘度差、內相流體的快速固化和通道變寬所引起的內相流體折疊間的協同作用,突破了微流控制備螺旋微纖維的原材料限制,實現了從親水性葡聚糖(Macromol. Rapid Commun. 2016, 37, 426?432)、羧化殼聚糖(CCS)和聚乙烯醇(PVA)到疏水性乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)和兩親性聚氨酯脲(PUU3-12,Macromol. Rapid Commun. 2017, 38, 1700275)的螺旋和超螺旋微纖維的連續可控制備。


圖1(a)毛細管微流控裝置制備聚合物螺旋微纖維的示意圖;(b)聚合物的結構式;(c)PVA微流體/纖維在寬通道II 內的折疊行為的數碼照片;(d)EVOH螺旋微纖維的掃描電鏡照片;(e)CCS 螺旋微纖維的三維激光共聚焦顯微鏡照片;(f)PUU3-12 螺旋微纖維的數碼照片

如圖1 所示,分別以聚合物溶液為內相,以低分子量聚乙二醇或其水溶液為外相,將二者分別注入內外相通道中,聚合物溶液在收集管I 中形成直的噴射流,在進入較寬的收集管II 時會自動折疊形成螺旋微纖維(圖1a)。所得螺旋微纖維的直徑(df)、振幅(A1)和波長(λ1)不僅可通過內外相流速精準調節,還可通過外相粘度來調控。收集到的纖維不僅在常壓下具有高的結構穩定性(圖1e, f),在高真空掃描電鏡實驗條件下(圖1d),仍可保持其螺旋形貌。


圖2(a)制備聚合物超螺旋微纖維的毛細管微流控裝置的示意圖;(b)EVOH 微流體/纖維在微通道內形成的噴射直流、螺旋、超螺旋結構的顯微照片;(c)CCS 超螺旋微纖維的三維激光共聚焦顯微鏡照片;(d)PVA超螺旋微纖維的顯微鏡照片;(e)PUU3-12超螺旋微纖維的顯微鏡照片;(f)在固定Qin = 350 μL/h 條件下,隨外相流速增加制備的CCS 超螺旋微纖維在微通道內的折疊行為照片;(g)在固定Qout = 9 mL/h 條件下,隨內相流速增加制備的CCS 超螺旋微的顯微鏡照片。(h-i)A2 和λ2 隨內外相流速變化的關系圖。

基于上述螺旋微纖維的形成機制,通過簡單地在圖1a所示裝置的末端連接一個更粗的收集管III(d3 = 1.4 mm, d2 = 1.0 mm,d1 = 0.6 mm),即可實現親水性CCS和PVA、疏水性EVOH和兩親性PUU3-1)的超螺旋微纖維的連續可控制備(圖2)。如圖2a所示,當收集管II 中的螺旋結構流體/纖維進入更寬的收集管III 時,螺旋結構會進一步自動折疊形成超螺旋結構。所得超螺旋微纖維的波長和振幅同樣可以通過內外相流速精準調節。進一步證明了通道變寬和內外相傳質的協同作用在制備聚合物超螺旋微纖維方面同樣具有普適性和靈活性。

這些實驗結果為各類形貌可控的聚合物螺旋和超螺旋微纖維的制備和應用研究提供了一條簡便路徑,也為多層次有序的超結構材料的制備提供了一條新的途徑,將極大地豐富各種聚合物的三維微觀結構的構建。

相關結果發表在Macromolecular Rapid Communication (DOI:10.1002/marc.201900111)上,文章第一作者為蘇州大學碩士研究生楊慧麗,通訊作者為郭明雨教授。

文章鏈接:https://doi.org/10.1002/marc.201900111

來源:AdvancedScienceNews

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