联手江雷院士！河南大学AM：受木耳启发，仿生“液体二极管”实现毫秒级单向导液

在医疗防护和日常健康管理中，体表生物液体的高效管理至关重要——无论是汗水、伤口渗出液还是血液，都需要被迅速清除以维持卫生、舒适和健康。尽管自然界中蜘蛛丝、仙人掌刺、涉禽鸟喙、沙漠甲虫、南洋杉叶片等生物结构启发了研究者们通过表面自由能或形貌梯度实现定向液体输运，但传统人工材料大多仅依赖垂直方向上的毛细驱动力来促进液体穿透，却忽视了液面横向铺展与纵向渗透的协同效应。这导致多数多孔基材对微升量级液滴的吸收时间长达数秒，远不能满足快速吸收的实际需求。

针对上述挑战，河南大学鞠婕教授、姚晰教授、罗玉琼副教授和中科院理化所江雷院士合作，开发出一种可规模化制备、坚固耐用的仿生三层复合结构——微纤维阵列-多孔粘附中间层-纤维支撑体（MA-PA-FS）。该结构模仿木耳菌背面“微毛覆盖多孔基底”的构型，通过静电植绒技术与非溶剂诱导相分离（NIPS）工艺相结合，实现了半连续化生产（图1a）。优化的 MA-PA-FS 复合材料可在 9.3 毫秒内吸收 5 微升水滴，比单纯多孔对照表面快三个数量级，并能有效吸收猪血等高粘性生物流体，同时兼具高透湿性和优异机械耐久性。相关论文以“A Scalable, Robust, and Bioinspired Liquid Diode for Ultrafast Unidirectional Absorption”为题，发表在Advanced Materials上。

制备工艺与结构特征

研究团队首先将聚乙烯醇（PVA）溶液刮涂在无纺布上（图1b），随后施加高压静电场，使短纤维极化并垂直飞向涂覆有 PVA 的基底表面，形成定向排列的微纤维阵列（图1b）。接着，将植绒后的织物浸入异丙醇中进行非溶剂诱导相分离，使均匀的 PVA 溶液分离为富 PVA 相和贫 PVA 相，从而形成多孔粘附中间层（图1c）。之后通过戊二醛交联增强结构稳定性，并在红外加热下干燥，最终获得可卷绕收集的 MA-PA-FS 复合材料（图1d）。该材料由三层构成：上层微纤维阵列、多孔PVA中间层和纤维支撑体（图1e）。扫描电镜图像清晰显示，垂直排列的微纤维通过多孔 PVA 层锚定在无纺布上（图1f），完美复制了木耳菌的“微毛-多孔基底”双层结构。

图1 三层MA-PA-FS复合材料的半连续制备与结构表征。（a）制备过程示意图：将PVA溶液刮涂于无纺布上，静电植绒微纤维，浸入异丙醇诱导相分离形成多孔结构，戊二醛交联，干燥并收卷。（b）静电植绒定向附着微纤维的机理。（c）非溶剂诱导相分离制备多孔粘附层的示意图。（d）半连续生产的MA-PA-FS卷材照片（宽度4 cm）。（e）MA-PA-FS三层结构模型及侧向铺展与垂直渗透协同实现的超快液体吸收。（f）截面SEM图像显示垂直排列的微纤维通过多孔PVA粘附中间层锚定。

参数优化与吸收性能

为获得最佳吸收性能，研究团队系统考察了纤维种类、长度、植绒电压和时间、PVA浓度、相分离时间以及不同纤维支撑体等因素的影响。如图2a所示，CA≈0定义为液滴接触角变为0°的时刻，吸收时间为液滴接触表面至CA≈0的时间间隔。结果表明，采用亲水的尼龙纤维（接触角71.7°）比粘胶纤维（13.1毫秒）和棉纤维效果更佳，纤维长度300.3微米、植绒电压12 kV、植绒时间60秒为最优参数（图2b）。PVA浓度10%、相分离时间180分钟时形成的多孔结构具有最佳连通性，吸收时间最短（图2c）。值得注意的是，即使更换不同润湿性的纤维支撑体，MA-PA-FS的吸收时间均低于20毫秒，表明该方法具有广泛的基底兼容性（图2d）。优化后的微纤维阵列平均高度300.3微米、宽度9.8微米、间距24.1微米（图2e），整卷样品（4 cm×10 cm）各处的吸收时间均低于14毫秒，展现出优异的均匀性。

图2 MA-PA-FS复合材料的制备参数优化。（a）液体吸收测量及相应复合材料微观结构的示意图。（b）吸收时间随纤维层参数（纤维种类、长度、植绒电压、植绒时间）的变化。（c）吸收时间随PVA浓度和相分离时间的变化。10% PVA和180分钟相分离时吸收最快。（d）不同纤维支撑体制备的MA-PA-FS的吸收时间。所有吸收测试均使用5微升水滴。（e）微纤维阵列尺寸的统计分布：高度(h)、宽度(w)和间距(d)。(n=5)

单向吸收动力学解析

当水滴轻轻放置在 MA-PA-FS 正面（微纤维层）时（图3a-b），液滴迅速铺展为体相和前沿两部分，前沿薄膜的扩展速度明显快于体相，随后体相停止扩展并逐渐收缩，作为储液库维持前沿薄膜的持续推进，整个吸收过程仅需 9.3 毫秒。然而，在 MA-PA-FS 反面（纤维支撑层）滴加同样体积的水滴（图3d-e），吸收时间长达 480.0 秒（图3g），比正面慢了四个数量级，且仅有垂直渗透而无横向铺展。进一步测试表明，0.2 微升水滴即可从正面穿透至反面，而反面需至少 40 微升才能穿透至正面（图3c、3f），正反两面截然不同的穿透阈值清晰证明了其单向液体输运特性，即“液体二极管”效应。相比之下，缺少多孔结构的微纤维阵列-致密粘附层-纤维支撑体（MA-DA-FS）吸收时间为517.6毫秒，仅有多孔层而无微纤维阵列的PA-FS吸收时间高达90,000毫秒（图3h），充分证明了微纤维阵列与多孔层的协同作用是实现超快吸收的关键。此外，1、5和10微升水滴在MA-PA-FS正面的吸收时间分别为6.5、9.3和13.9毫秒（图3i），均可在毫秒级内完成吸收。

图3 不同复合结构的水吸收动力学。（a,d）时序图像和（b,e）对应示意图显示5微升染色水（1%荧光素二钠盐）在MA-PA-FS（a,b）正面和（d,e）反面的铺展与吸收。正面完全吸收需9.3毫秒，反面需480.0秒。（c,f）MA-PA-FS内的单向水输运。（c）从正面（微纤维层）至反面（纤维支撑层）和（f）从反面至正面的水输运表现。（g）MA-PA-FS正面和反面吸水时间的统计数据。（h）不同复合结构的吸收时间。结合微纤维阵列和多孔粘附层的MA-PA-FS吸收时间最短。（i）1、5和10微升液滴在MA-PA-FS正面的吸收时间。(n=5)

粘性液体吸收与实用性能

针对实际生物体液的高粘性特点，研究团队测试了不同浓度的PVA溶液（粘度1.0~50.9毫帕·秒）和新鲜猪血（粘度4.1毫帕·秒）的吸收情况。随着粘度增大，吸收时间有所延长，但即使对于粘度高达50.9毫帕·秒的液体，MA-PA-FS仍可在190毫秒内完成吸收（图4a），猪血则能被快速完全吸收（图4b）。透湿性测试表明，MA-PA-FS的水蒸气透过率与原始无纺布相当（图4c），保证了穿戴舒适性。在耐磨性测试中，经过100次砂纸线性磨耗循环后，微纤维虽略有磨损但吸收时间仍保持在60毫秒以内（图4d）；经过100次弯曲-压缩循环后，正反面吸收性能均无明显变化（图4e），展现出优异的机械耐久性。

图4 MA-PA-FS的粘性液体吸收、透湿性和耐磨性。（a）不同粘度PVA溶液的吸收时间。（b）MA-PA-FS（上）和原始无纺布（下）上猪血的吸收行为对比。（c）MA-PA-FS的水蒸气透过率（WVTR）与无纺布和PA-FS的对比。（d）砂纸线性磨耗循环后MA-PA-FS正面的吸收时间。（e）弯曲-压缩循环后MA-PA-FS正面和反面的吸收时间。

总结与展望

本研究提出的半连续化制造策略成功解决了仿生微纤维覆盖多孔结构在规模化制备和机械稳定性方面的关键难题。所获得的 MA-PA-FS 三层复合材料通过侧向毛细铺展与垂直渗透的协同机制，实现了前所未有的超快单向液体吸收速率，同时兼备高透湿性和良好力学耐久性。该结构还可进一步赋予抗菌、导电、红外屏蔽等功能，有望推动新一代功能性纺织品、可穿戴设备及先进创面敷料的开发，为生物医学和个体防护领域的液体管理界面设计提供了可行的规模化路径。