Advanced Functional Materials:MXene/纳米纤维素基智能响应纤维和织物

随科学技术的进步和人们生活水平的迅速发展,人类健康的监测、防护和治疗等方面的需求越来越高。因此,新型多功能材料体系的发展在生物医学研究领域越来越重要,特别是具有环境或刺激响应作用的智能材料体系。纤维素基材料不仅来源丰富、生物安全和环境友好,而且具有优异的力学性能和可织造性,容易扩大化生产和满足人类生活所需,已成为研究热点材料之一。然而,目前的纤维素材料大多是绝缘体,限制了其在传统生物电子器件和新型智能可穿戴纺织品领域中的应用。如何发展简便的制备方法,高效制备出具有可控构造的纤维素基纤维材料及其织物,并赋予其智能响应能力,使其在复杂环境中具有多重刺激响应性能,将具有重要的科学意义和实际应用价值。

同济大学附属第十人民医院陈峰研究员团队与北京林业大学马明国教授、上海大学张娟教授合作,首次提出利用3D打印成型的策略制备MXene增强的纳米纤维素基智能纤维及可控结构织物。相关研究论文以”MXene-Reinforced Cellulose Nanofibril Inks for 3D-Printed Smart Fibres and Textiles”为题在线发表于Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201905898),第一作者为博士生曹文涛。

本研究通过在纳米纤维素水溶液中加入具有较好分散性和导电性的MXene(Ti3C2)二微纳米材料,获得了具有良好稳定性和流变性的混合溶液。利用纳米纤维素水分散液在乙醇中的溶剂交换和连续化自组装性,可以实现长程有序、稳定的宏观尺度复合纳米纤维素胶体纤维的制备,并可以通过编程和3D打印技术实现对纤维织物形貌的精准控制。由于纳米纤维素与MXene间存在良好的相互作用力,可以通过彼此间的嵌合显著提高复合纤维或织物的力学性能和导电性。研究表明,所制备的智能纤维织物具有优异的光和电向热转换的响应能力。随着近红外光强度或输入电压的提高,纤维织物的响应能力越明显。此外,当智能纤维织物被组装成形变传感器时,还可以实现对人体的手指弯曲、手腕弯曲、吞咽、发音等大幅或微幅运动的实时监测。这种新型的智能纤维在可穿戴智能纺织品、人体健康监测和人机界面等领域具有广阔的应用前景。

相关工作得到了国家自然科学基金、北京林业大学杰出青年人才培养项目、上海市科学技术委员会以及宁波市科技创新2025重大专项的支持。