一、研究背景

由于纳米纤维具有更大的表面积，其在空气和水过滤、催化基底、各种传感器、生物医学支架和药物载体方面的应用正在迅速增加。众所周知，独特的次生形态或结构（如核壳纳米纤维、空心纳米纤维、三轴纳米纤维、树状纳米纤维、表面粗化纳米纤维等）可显著提高功能和效率。具有易于制备的次生形态的表面粗化或沟槽纳米纤维正受到越来越多的关注，因为它们能以较低的成本与周围物体产生有益的相互作用。因此，它们正被快速应用于高细胞附着性支架、优化的乙二醇气体传感器、强度更高的粘合建筑材料等。有几种方法（如化学腐蚀或选择性溶解）可以获得粗糙或开槽的纳米纤维表面。由于具有很高的生物相容性，聚乙烯醇（PVA）纳米纤维非常适合作为细胞附着支架的聚合物基质。然而，要在 PVA 纳米纤维表面实现足够高的粗糙度以锚定细胞、气体分子或水泥水化产物是一项挑战，因为 PVA 溶液的表面张力相当低，这通常会迫使在电解过程中形成非常光滑的纳米纤维表面。 研究发现，低表面张力和高水蒸气渗透性是阻碍通过表面重构形成稳定二次结构的原因。研究表明，静电纺丝机在电纺丝过程中的溶液浓度、外加电压、流速、收集距离等参数并不适合制备具有所需二次形态的 PVA 纤维。因此，人们有强烈的动力去开发控制良好的高效方法，以实现 PVA 纳米纤维的高水平表面重构。

在这项工作中，重庆大学王飞鹏教授研究团队报告了 PVA 纳米纤维上二次形态的形成，这是通过静电纺丝设备电纺 PVA/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）纳米纤维在真空中水分蒸发的表面重构实现的。最后一步是选择性溶解，从而强化了这一过程。

二、摘要

定制电纺纳米纤维的二次表面形态一直是人们的殷切希望，因为这种精细的结构使纳米纤维具有独特的功能。在此，我们报告了一种通过水蒸发直接重构聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮（PVA/PVP）纳米纤维表面的简单策略。纳米纤维的粗糙度和直径取决于真空干燥时的温度。在 55 °C 时，纳米纤维的表面由光滑变为粗糙，纳米纤维的直径也显著下降。我们根据傅立叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线光电子光谱（XPS）的结果，将二次表面形貌的形成归因于水蒸气中的分子间作用力，包括毛细管力和压缩力。该策略对各种电纺聚合物纳米纤维普遍有效，从而为纳米纤维更详细、更复杂的结构设计和实施开辟了途径。

三、结论

总之，PVA/PVP 纳米纤维表面的重构可在选定温度下的真空干燥过程中通过水蒸发来实现和控制。水蒸发引起的分子间作用力被认为是这一过程的驱动力。研究发现，由于水迁移产生的毛细力和水蒸发产生的压缩力的共同作用，在 55 °C 下进行真空干燥可使纳米纤维具有显著的表面粗糙度，这一过程已被证明是在 PVA 纳米纤维上获得高粗糙度的可行途径，因此可用于需要具有纳米结构表面的纳米纤维的特定应用。

图1.电纺丝实验设备的设置。

 

图2.样品 (a)V、(b) VRT-SD、(c) V55-SD 和 (d) V95-SD 的扫描电镜照片，纳米纤维直径和表面通透度值如图所示。

 

图3.样品 VRT（上图）和 V55（下图）的 EDX 元素分布图。

 

图4.不同温度下真空干燥过程中的表面重构过程（纤维上的绿色、蓝色、橙色和黑色区域分别代表 PVP、PVA、水和网格空隙。图中绿色、蓝色和橙色箭头分别代表 PVP、PVA 和水的移动方向）。