中国计量大学包福兵教授&陈然副教授等：微流控纺丝制备自修复Janus核心复合微纤维，开启智能纤维致动器新应用-北京永康乐业科技发展有限公司

导读：

近期，中国计量大学包福兵教授、陈然副教授等人开发了一种基于微流控纺丝技术的Janus核心复合微纤维，其通过光热响应型主动层（MXene/PNIPAM）与自修复水凝胶壳层（PVA/海藻酸钠）的协同设计，实现了近红外光驱动下6秒快速弯曲、5分钟室温自修复及高灵敏度压阻传感的多功能集成。该材料可无粘合剂组装成仿生致动器（如微型花朵、触觉传感器），为智能软体机器人及人机交互系统提供了驱动-感知一体化的创新解决方案。相关研究以“Microfluidic Spun Self-Healable Janus-Core Composite Microfibers as Smart Fiber Actuators”为题目，发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

本文要点：

1、本研究通过微流控纺丝技术制备了Janus核心复合微纤维（JCCMFs），其由近红外（NIR）驱动的主动-被动Janus核心与自修复水凝胶壳层构成。

2、主动核心结合MXene的光热转换能力与聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）的热响应特性，可在808 nm NIR照射下6秒内快速弯曲，且弯曲方向不受光源方位影响。

3、水凝胶壳层基于聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠的动态氢键网络，使微纤维在室温下5分钟内完成自修复，无需粘合剂即可组装成仿生致动器（如微型花朵、含羞草结构）。

4、此外，PEDOT:PSS与MXene赋予材料压阻性能（每1%的机械应变会引起2.3%的电阻变化），可集成传感与驱动功能，应用于微纹理识别、关节运动监测等场景。

5、该材料兼具高机械强度（拉伸应变>75%）、快速响应和稳定性，为软体机器人、人机交互等智能系统提供了多功能解决方案。

Janus核心复合微纤维（JCCMFs）是如何制备的？

1、材料准备

主动核心前驱体：将MXene纳米片（5 mg/mL水分散液）、导电聚合物PEDOT:PSS（1.9 wt%水溶液）、热响应单体N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM, 0.169 g）、交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA, 1.2 mg）和引发剂过硫酸铵（APS, 20 mg）混合，形成均一溶液。MXene提供光热转换能力，PEDOT:PSS增强导电性并稳定MXene分散。

被动核心前驱体：成分与主动核心类似，但去除MXene，仅保留NIPAM、MBA和APS，以确保被动侧仅响应温度变化而无光热效应。

壳层前驱体：由海藻酸钠（Na-alginate, 2.7 wt%）、聚乙烯醇（PVA, 2-4 wt%）和戊二醛（GA, 0.25-1 wt%）组成。GA与PVA的羟基反应形成动态共价键，赋予壳层自修复能力；海藻酸钠通过Ca²⁺交联提供机械强度。

2、微流控纺丝工艺

微流控芯片设计：使用PDMS软光刻技术制造Y型微通道芯片，通道宽度约200 μm。主动核心与被动核心前驱体通过Y型通道的左右分支注入，壳层前驱体作为中间相包裹核心，外部相为CaCl₂溶液（0.9 wt%）。

流速控制：

核心流速：主动和被动核心以相同流速（20 μL/min）注入，确保层流界面稳定（雷诺数Re < 2000，佩克莱特数Pe > 1），避免扩散混合。
壳层流速：与核心流速保持1:1比例（20 μL/min），防止剪切力导致核心断裂或壳层过厚。
外部交联相流速：CaCl₂溶液以600 μL/min高速注入，触发海藻酸钠的快速离子交联，形成连续壳层。

纤维成型：流体在微通道中受剪切力拉伸，形成直径约20 μm的Janus核心复合微纤维。通过旋转滚筒收集器连续收丝，确保纤维取向一致。

3、后处理与功能强化

PNIPAM交联：室温下，核心中的NIPAM通过APS引发的自由基聚合形成交联网络，赋予热响应性（LCST约32°C）。此过程需避光以防止MXene氧化。

壳层二次交联：将纤维暴露于氢溴酸（HBr）蒸气中，促进PVA与GA的缩醛反应，增强壳层力学性能（拉伸强度达2.09 MPa，应变>75%）。

自修复能力激活：切断的纤维在界面处滴加微量水（<25 μL），PVA链通过氢键重组在5分钟内完成修复（修复效率>90%）。

4、结构表征与性能验证

微观形貌分析：使用扫描电镜（SEM）观察纤维截面，确认Janus核心的清晰分界；共聚焦显微镜（CLSM）结合FITC标记的MXene验证主动侧分布。

光驱动性能测试：以808 nm近红外激光（12 W/cm²）照射，纤维在6秒内弯曲角度>50°，且方向不受光源方位影响。通过循环测试验证稳定性（100次循环后形变偏移<10%）。

压阻传感验证：拉伸纤维并测量电阻变化，灵敏度达2.3%电阻变化/1%应变，适用于微纹理识别和关节运动监测。

图1.Janus核心复合微纤维的制备。

图2.Janus核心复合微纤维的力学性能和自修复性能。（a）JCCMFs和（b）自修复后的JCCMFs的拉伸快照。（c）JCCMFs和自修复后的JCCMFs的应力-应变曲线。（d）自修复机制示意图。PVA链间的氢键网络在切割后会断裂；但是当两个被切断的水凝胶接触时，如果界面处存在足够的水，PVA链可以在界面上扩散以重新形成氢键。（e）自修复过程的显微镜观察。