中国矿业大学Acc. Chem. Res.封面：电活性聚乳酸纳纤的概念起源、成型方法及应用

全球能源利用与环境治理正经历创新和绿色驱动的深刻变革，亟需发展保障低碳制造、低能耗运行与资源循环的高分子纤维材料，尤其是融合防护与感知功能的生物基可降解纤维。作为产业化程度高、应用广泛的碳中和高分子，聚乳酸（PLA）纤维具有来源可再生、易加工成型、全降解等显著特性。然而，螺旋链构象导致PLA酯基偶极子排列无规、介电响应弱、浅陷阱主导的储电特征，制约其将机械能向电能的有效转化与电荷长效存储。传统的纤维细化或孔径缩小，又难以突破过滤效率与气流阻力之间的权衡。因此，关键问题在通过PLA链构象、晶区组织、异质界面与纤维网络对电荷俘获/存储动力学的调控，获得并强化电活性组分，形成实现长效静电捕集与无源信号转导的结构基础，为生物基聚酯纤维从被动防护向智能感知拓展提供典型范式。

针对上述挑战，中国矿业大学何新建/徐欢/侯宇振团队提出“电活性聚乳酸纳纤”这一概念，将PLA的分子极性、结构可设计性与电荷响应相联系，阐明其由可降解纤维载体向兼具电荷存储、能量转导与信号感知能力的功能材料演进的科学内涵。围绕PLA电活性组分的结构起源，文章解析链段取向促进偶极协同极化、立构复合调节晶区组织与陷阱能级、电介质诱导的异质界面增强局域极化与电荷俘获的作用机制，并系统总结电场牵伸与定向收集、共混及同轴电纺、纳米电介质复合与界面锚定等制备方法，建立加工过程、聚集态结构与电荷生成、存储、迁移及刺激辅助再生之间的关联。在此基础上，进一步阐明高电活性纳纤通过稳定驻极场强化颗粒捕集、通过机电耦合将微弱机械刺激转化为可辨识信号的功能逻辑，拓展其在高效低阻过滤、自供能生理监测及多功能可穿戴防护中的应用。相关成果以“Beyond Long-Term Protection by Intelligent Poly(lactic acid) Nanofibers: Structuring Multiscale Hierarchies for Passive Sensing”为题发表于国际权威期刊《Accounts of Chemical Research》上（DOI:10.1021/acs.accounts.6c00652），并被主编遴选为期刊封面论文。中国矿业大学2025级博士生汪少振为论文第一作者，何新建、侯宇振和徐欢为共同通讯作者。合作者包括郑州轻工业大学杨皓然教授、湖北汽车工业学院张龙教授、安徽理工大学袁亮院士和江丙友教授、东华大学孔维庆研究员及矿大王亮、吴征艳教授。该研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。

当期封面：高电活性聚乳酸纳纤及其感知防护功能融合。

综述围绕电活性PLA的概念内涵，以增强极化响应、电荷保持与机电转导能力为核心，结合表面活性提升，凝练三条结构调控路径。首先，通过多场耦合与定向收集促进链段和酯基偶极有序排列，增强协同极化，并优化纤维排列与孔道连通性；其次，利用左旋与右旋聚乳酸立构复合构筑有序晶区，增强链间作用，调节晶态—非晶态界面及陷阱能级，抑制电荷逸出；进一步，引入高活性纳米电介质，利用介电差异与界面活性位点强化局域极化、电荷俘获和表面吸附。三类策略贯通链构象、晶区组织与异质界面，揭示体相极化、界面储电及表面作用对电活性的协同贡献，为可降解PLA纤维实现长效静电防护与自供能感知提供设计依据。

图1. PLA纳纤膜多尺度结构调控与感知防护功能融合研究思路。

多场协同调控纤维取向与有序传输通道构筑

静电纺丝能够连续制备高比表面积纳米纤维，并在纤维成型过程中同步调节链段取向、结晶行为与孔隙结构，为PLA电活性的构筑提供加工基础。综述从电纺过程中的非平衡结构演化出发，阐释电场牵伸、射流拉伸、溶剂挥发与收集运动对链构象、晶区组织及纤维排列的协同调控。牵伸与固化速率的匹配有助于抑制链段回缩，保留轴向取向并促进应变诱导结晶，使酯基偶极排列与晶态—非晶态界面分布得到协同调节。不同区域在链堆积、偶极可动性及介电响应上的差异，进一步影响局域极化与电荷俘获。在膜尺度上，调节纤维取向与堆积方式可改善孔道连通性和气流分配，协调颗粒接触、静电捕集与传输阻力。由此，电纺将成型过程中的拉伸与固化转化为可保留的多尺度有序结构，建立加工条件、结构组织与电活性之间的联系。

图2. 取向诱导的链构象与偶极子有序化。

立构复合化策略调控陷阱结构与驻极稳定性

取向调控促进偶极有序排列，而电荷能否长期保持，还取决于晶区及其界面形成的局域能量环境。综述进一步阐释左旋聚乳酸（PLLA）与右旋聚乳酸（PDLA）立构复合化对电荷俘获/存储能力的调控：两类链通过立体选择性缔合形成致密有序晶区，增强链间作用与偶极耦合，并重组晶态—非晶态界面，改变陷阱深度及空间分布。此外，同轴纺丝进一步将立构复合限域于PLLA/PDLA核壳界面，构筑离散纳米晶区，使稳定储电区域与局域电荷迁移区域在空间上相互衔接。深陷阱延长电荷驻留时间，周围非晶区域支持局域释放与场辅助重分布，并为外界刺激产生的新生电荷提供输运路径。由此，立构复合将晶区设计拓展至电荷循环与再生的协同调控，为持续驻极防护和稳定机电转导提供结构支撑。

图3. 立构复合化策略诱导偶极极化与电荷陷阱。

纳米电介质增强极化响应与电荷俘获

针对PLA极化响应偏弱、陷阱类型有限的问题，综述阐释纳米电介质通过介电差异与界面结构调控增强电活性的机制。电介质与聚合物的介电响应及电荷输运差异促进界面电荷积聚，配位环境、缺陷与链段堆积变化则调节陷阱能级，协同增强极化与储电能力。其中，MOF依托可调孔道和配位位点兼顾分子吸附与电荷俘获；TiO2等金属氧化物通过介电反差强化界面极化；羟基磷灰石纳米晶须借助极性表面、异相成核与骨架增强，调节结晶及驻极稳定性。上述作用能否充分发挥，取决于电介质的分散状态、表面可及性及界面结合强度。例如，适量ZIF-8形成纳米凸起，增加有效摩擦接触并引入极化中心；羟基磷灰石通过链段限域与成核作用重塑储电微环境。因此，界面设计需统筹填料分布、界面化学与聚合物结构，在增强电活性的同时提升环境适应性与服役稳定性。

图4. 纳米电介质构筑多级异质界面实现电荷俘获。

孔道优化与电荷保持协同提升低阻过滤效能

电活性PLA的过滤优势，在于通过静电作用拓展颗粒捕集范围，降低对纤维致密堆积与孔径压缩的依赖，从而协调捕集效率与气流阻力。纤维网络的孔隙连通性决定气流分配和颗粒接触机会，晶区与介电界面的储电能力则支撑持续静电捕集，两者共同影响长期防护效能。因此，长效过滤需要协调孔道通透性、电荷保持与机械刺激辅助的电荷再生。代表性体系中，MOF-5功能化核壳PLA膜在85 L·min⁻1下实现99.97%的PM0.3过滤效率，压降为44.3 Pa。MOF富集壳层膜在32 L·min⁻1下户外运行4 h后，压降由52.9 Pa增至53.7 Pa。结合串珠、蛛网及多尺度纤维网络设计，综述将结构优化由初始效率提升拓展至沉积负载下的通透性维持与静电作用保持，为兼顾高效、低阻和耐久性的过滤材料提供可验证的构效关系。

图5. 电活性调控理论指导的极端环境防护效能强化策略。

电活性纳纤将呼吸机械能转化为自供能监测信号

从颗粒捕集拓展至生理监测，电活性纳纤进一步将呼吸机械能转化为承载生理信息的电信号，其关键在于建立机械能与电学响应之间稳定、可辨识的对应关系。综述阐释摩擦起电与静电感应驱动信号产生、陷阱存储与刺激辅助电荷再生维持转导能力的协同机制：表面微纳结构改善有效接触，异质界面增强极化与电荷俘获，晶区组织抑制电荷耗散，共同支撑微弱、低频呼吸刺激的持续感知与波形保持。例如，MIL-88A功能化B-PLA核壳纤维通过纳米凸起与介电异质界面增强机电输出，在相应测试条件下获得76.1 V电压和225.5 nA电流，并在所测试数据集中实现九类呼吸模式97.1%的分类准确率。值得注意的是，在湿润呼吸、运动干扰与反复佩戴条件下，需综合考察幅值保持、基线漂移、信噪比、波形相关性及跨个体分类性能，贯通材料储电稳定性、器件转导保真度与状态识别泛化能力。

图6. 电活性调控理论指导的无源信号采集与状态监测功能实现。

小结

本综述初步凝练了课题组近年来围绕电活性PLA纳纤开展的研究，从概念提出到定构加工与功能应用，阐明分子极性经多尺度结构转化为电活性组分的科学路径：如，链段取向增强偶极协同，立构复合重塑晶区与陷阱结构，以及纳米电介质拓展界面极化及俘获位点，都将PLA有限的本征弱电荷响应转化为可调控的储电与机-电转化能力。这一认识深化了“电活性聚乳酸纳纤”的概念内涵：电活性既取决于分子链构象，也由加工所形成的聚集态结构决定，是电荷俘获、保持与再生对长效防护和无源感知等功能融合的重要基础。沿“分子构象—定制结构—电活性纳纤—功能融合”主线，探明静电主动捕集与无源信号转导的共同结构基础，为调控防护能耗与自供能感知提供重要实现路径。面向未来工程应用，需进一步建立湿热、形变及老化条件下结构演变与功能衰减的关联，综合评价器件可靠性、界面组分释放及皮肤接触安全，评估服役稳定性与使用后可控降解。最终，将能源利用效率、环境友好性与健康防护需求纳入贯穿制备、服役和废弃处置的整体设计框架，为生物基高分子纤维向智能防护材料发展提供借鉴。

作者介绍

汪少振：中国矿业大学2025级博士研究生，主要研究方向为感知防护功能融合用多孔晶态框架纳纤研制。以第一作者在Nat. Commun.（1篇）、Adv. Mater.（1篇）、Adv. Funct. Mater.（2篇）、Acc. Chem. Res.（1篇）等期刊发表论文10余篇，申请/授权发明专利十余项。先后获省级优秀毕业生、省级优秀毕业论文、国家奖学金（2次）等荣誉。

侯宇振：博士毕业于中国科学院化学研究所/中国科学院大学（导师：张军教授）。主要从事生物可降解纤维的形态调控与可控制备研究，聚焦高分子与功能材料界面弱耦合及性能调控等关键科学问题，开发适用于极端环境的柔性传感、辐射制冷、高效过滤等功能材料。相关成果在Acc. Chem. Res.、J. Hazard. Mater.、Chem. Eng. J.、Sens. Actuat. B Chem.、J. Alloys Compd.、《高分子学报》等国内外期刊发表论文20余篇，申请及授权专利10余项。研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助（中煤联合）、江苏省卓越博士后人才计划、中央高校基本科研业务经费等项目支持。曾获中国国际大学生创新大赛全国银奖（1/15）、中国科学院“杰事杰”优秀报告奖等。

何新建：中国矿业大学职业健康研究院院长，江苏省粉尘治理与职业防护工程研究中心主任，应急管理部有限空间事故调查指导专家组专家，国家“万人计划”青年拔尖人才、江苏省特聘教授、国家重点研发计划首席科学家，美国注册安全专家（CSP），美国注册工业卫生专家（CIH）。长期从事职业安全健康的科学研究与教学工作，主要研究领域包括气溶胶科学、个体防护技术、职业危害暴露控制等。形成了以全身型高效防护装备、应急救援降温服为代表的多项科研成果，发表高水平学术论文近100篇，三次获得美国工业卫生协会个体防护研究约翰-怀特（John M. White Award）学术奖。先后担任美国职业卫生学会呼吸防护委员会主席、美国NIOSH特聘客座研究员、国际呼吸防护期刊JISRP副主编等。

徐欢：景德镇人，先后毕业于南昌大学、四川大学、瑞典皇家理工学院，获双博士学位，长期从事高分子材料形态与性能调控的理论基础和加工方法研究。围绕感知防护功能融合高分子纤维材料形态控制机理、特殊结构成型方法与多学科交叉应用开展系列工作，已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、ACS Nano等国内外主流期刊发表研究论文120余篇（其中，封面论文8篇，ESI高被引论文5篇）。作为项目骨干参与国家重点研发计划（2025YFE0219700、2024YFC3015000和2023YFC3011704）、江苏省基础研究计划重点项目（BK20253032）和国家能源集团“井工煤矿粉尘与职业病防治研究”项目（总经费1.45亿元）。研究获得国家自然科学基金青年和面上项目（52003292和52573054）、江苏省自然科学基金（青年/面上）、中国博士后面上基金（2020M681763和2024M763565）、国防科技课题（2项）和合作企业支持；获2021年贵州省自然科学奖三等奖（排名2/3），2022年首届全国博士后揭榜领题金奖（排名1/1），2023年第二届全国博士后创新创业大赛金奖（排名1/2），2024年第三届石家庄“海石杯”高层次人才创新创业大赛决赛优秀奖（排名1/1），2025年第三届全国博士后创新创业大赛铜奖（排名1/4），2025年江苏省科技镇长团荣誉团员（挂职盐城），山东省第十批科技副职（枣庄）。

https://doi.org/10.1021/acs.accounts.6c00652