3D/4D打印多功能纖維基可穿戴用于類刺繡圖案化、AIE化學(xué)傳感及單向?qū)б?/a>

來源：EFL生物3D打印與生物制造

纖維基可穿戴器件在顯示、化學(xué)傳感和生物流體管理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但傳統(tǒng)合成聚合物纖維（如PET、PP）不可降解，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染并威脅生物健康，天然可降解材料（如PLA）面臨著在常規(guī)3D打印中（如FDM）打印精度低、在電紡絲過程中又難以形成可控結(jié)構(gòu)的問題，限制了PLA基多功能可穿戴器件的發(fā)展。香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士、香港中文大學(xué)（深圳）唐本忠院士和復(fù)旦大學(xué)彭琛副研究員團(tuán)隊(duì)合作，通過整合可降解聚乳酸（PLA）與熔融電紡絲直寫（MEW）技術(shù)，開發(fā)出兼具類刺繡圖案、AIE化學(xué)傳感及生物流體單向?qū)б汗δ艿睦w維基可穿戴平臺。該平臺利用MEW高打印精度優(yōu)勢構(gòu)建PLA微纖維結(jié)構(gòu)，通過組件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)多功能集成，解決了傳統(tǒng)材料的環(huán)境與性能痛點(diǎn)。功能的纖維基可穿戴平臺。該平臺利用MEW高分辨率優(yōu)勢構(gòu)建PLA微纖維結(jié)構(gòu)，通過組件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)多功能集成，解決了傳統(tǒng)材料的環(huán)境與性能痛點(diǎn)。相關(guān)工作以“3D/4D printed versatile fibre-based wearables for embroidery, AIE-chemosensing, and unidirectional draining”為題發(fā)表在《Aggregate》上。論文第一作者為香港城市大學(xué)的劉朋超博士，通訊作者為復(fù)旦大學(xué)彭琛副研究員、香港中文大學(xué)（深圳）唐本忠院士和香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士。

研究內(nèi)容
1. 多功能PLA微纖維基可穿戴器件設(shè)計(jì)示意圖，通過整合可降解聚乳酸（PLA）與熔融電紡絲直寫（MEW）方法，構(gòu)建了集類刺繡圖案、AIE化學(xué)傳感及單向?qū)б汗δ苡谝惑w的平臺。結(jié)果表明，該平臺通過化學(xué)組分設(shè)計(jì)（摻雜AIE聚集誘導(dǎo)發(fā)光分子）和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（Janus疏水/親水層），實(shí)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)傳感與體液流體管理的多功能集成。

圖1. 基于PLA和MEW策略的多功能可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)示意圖。  

2. PLA微纖維與網(wǎng)格的制備及表征圖，利用MEW技術(shù)在雙溫區(qū)控制（150℃儲(chǔ)料區(qū)、190-220℃噴嘴區(qū)）下，通過調(diào)節(jié)打印速度（25-200 mm/s）和溫度，制備了直徑≈27 μm的微纖維及最大21×14 cm的網(wǎng)格。結(jié)果顯示，PLA網(wǎng)格具有良好的可加工性（裁剪、折疊）和生物相容性，為可穿戴設(shè)備提供柔性基底。

圖2. PLA微纖維基組件的制備與表征。  

3. PLA圖案打印文件生成圖，利用MEW中的邊界效應(yīng)和3D Builder軟件將2D圖像轉(zhuǎn)換為3D模型，通過劃分邊界區(qū)域優(yōu)化打印路徑。結(jié)果表明，該方法可將2D圖案轉(zhuǎn)化為具有生動(dòng)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的3D打印圖案，相比直接的2D圖案打印，圖案區(qū)域化更精準(zhǔn)。

圖3. PLA圖案的打印文件生成方法。  

4. 3D打印類刺繡圖案，采用MEW技術(shù)將傳統(tǒng)花卉圖案及標(biāo)志（如巴塞羅那隊(duì)徽、愛因斯坦肖像）轉(zhuǎn)化為雙層PLA微纖維結(jié)構(gòu)（厚度≈54 μm）。結(jié)果顯示，打印圖案分辨率高，可實(shí)現(xiàn)藝術(shù)與技術(shù)的融合，驗(yàn)證了PLA在裝飾性可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

圖4. 3D打印的刺繡樣PLA圖案。  

5. PLA-AIE化學(xué)傳感器的熒光響應(yīng)圖，將CMVMN（一種AIE分子， Aggregate 2022, 4, e239.）摻雜在PLA基體中，制備出楓葉和變色龍形狀的傳感器。結(jié)果表明，該傳感器在接觸正丁胺和二乙胺蒸氣時(shí)，分別呈現(xiàn)磚紅色和深綠色的顏色，在UV光下熒光從淺黃色轉(zhuǎn)為粉紅色和橘色，實(shí)現(xiàn)胺類蒸氣的可視化檢測。

圖5. 具有可視化變色能力的PLA-AIE傳感器。  

6. Janus PLA-棉紡織品（JPct）的單向?qū)б簣D，通過在親水棉織物上打印疏水PLA微纖維網(wǎng)格，構(gòu)建雙層結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，JPct可將水滴單向傳輸至棉層，即使從疏水側(cè)接觸也能穿透，且在干/濕狀態(tài)下均表現(xiàn)出優(yōu)于純棉的隔熱性能，實(shí)現(xiàn)皮膚溫濕度管理。

圖6. 用于單向?qū)б旱腏Pct示意圖及性能驗(yàn)證。

研究結(jié)論
本研究通過整合可降解聚乳酸（PLA）與熔融電紡絲直寫（MEW）策略，制備出具有裁剪、折疊、卷曲等多操作性能的PLA微纖維及網(wǎng)格，并基于該平臺實(shí)現(xiàn)了從類刺繡圖案展示、化學(xué)傳感及單向?qū)б旱亩喾N應(yīng)用。研究利用MEW邊界效應(yīng)及2D轉(zhuǎn)3D模型生成3D打印文件，制得類刺繡樣圖案； PLA-AIE微纖維基傳感器可對化學(xué)蒸氣產(chǎn)生變色響應(yīng)； 具備Janus疏水/親水結(jié)構(gòu)的PLA-棉紡織品（JPct）能實(shí)現(xiàn)生物流體單向?qū)б?，助力皮膚溫濕度管理。該工作為推動(dòng)4D打印發(fā)展及多功能纖維基可穿戴設(shè)備的應(yīng)用提供了新思路。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/agt2.521