电纺凝胶堵针不再是难题!厦大郑高峰&福大邵尊桂以小分子屏障策略实现全生物基高效制造

  • 发布时间:2025.08.06
  • 作者:wemaxnano

全生物基纳米纤维膜的绿色电纺制造对促进可持续发展具有重要意义。然而,生物基材料的分子结构和官能团复杂,电纺喷射过程存在聚合物链界面强耦合,加速凝胶化并导致喷嘴严重堵塞。这不仅制约了生产效率和纤维质量优化,更阻碍了可拓展应用和规模化生产。

 

近日,厦门大学郑高峰教授与福州大学邵尊桂副研究员合作,在《Journal of Hazardous Materials》(IF12.4)发表了题为“Small Molecule Barrier Empowered High-Efficiency Green Electrospinning of Fully Bio-Based Nanofibrous Membrane for Antibacterial and UV-Shielding Air Filtration”的研究成果。本研究创新性地提出“小分子屏障”策略,有效揭示电纺喷射持续性改善机制,显著提升全生物基纳米纤维膜的高效制备水平。该策略通过引入适量氢键形成能力较强的天然小分子组分以屏蔽聚合物链间的强相互作用,从而减轻链间耦合。基于此,优选出白藜芦醇(RV)和柚皮苷(NRG)等小分子实现全生物基纳米纤维膜的高效制造及结构调控,并成功应用于抗菌和抗紫外线的高性能空气过滤。

期刊图
 
 
图1小分子屏障策略以及zeinRVNRG纤维膜性能展示

1: 小分子屏障”策略以及zein/RV/NRG纤维膜性能展示

本研究首先聚焦射流连续性这一核心问题。构建三层次对照体系:基础对照组(zein)、聚合物干扰组(zein/乙基纤维素(EC))、小分子实验组(zein/RV、zein/根皮素(PL)、zein/NRG)。结果显示,聚合物EC会加剧堵塞,而小分子显著提升射流连续性,其中 RV 效果最显著,PL次之。这一结果表明聚合物与小分子在调控聚合物链行为方面可能存在本质差异,需进一步探究具体调控机制。

 

图2三层次对照体系溶液的喷射连续性对比

2: 三层次对照体系溶液的喷射连续性对比

从影响聚合物链相互作用的因素入手,结合粒度仪、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、应力应变测试等表征手法,提出了“小分子屏障”策略的三大核心作用机制:一是小分子通过氢键作用负载于聚合物链上,诱导聚合物链折叠,增大链间距离;二是小分子与聚合物链竞争形成氢键,有效屏蔽分子间原有的强相互作用;三是改变蛋白质二级结构,破坏聚集体,提升射流对电场的响应性。

 

图3 不同溶液纤维膜的粒度、蛋白质二级结构、XRD、FTIR、DSC、应力应变测试结果

图3: 不同溶液/纤维膜的粒度、蛋白质二级结构、XRD、FTIR、DSC、应力应变测试结果

 

图4小分子屏障策略具体作用机制示意图

图4: “小分子屏障”策略具体作用机制示意图

进一步优化小分子比例,综合评价生产效率和纤维形貌,选择以zein/2.5RV/2.5NRG膜为过滤层,以PLA无纺布为基底,应用于实际口罩。zein/2.5RV/2.5NRG膜中细小的纤维可以增强滑移效应,实现对颗粒的有效拦截,提高过滤效率;较粗的纤维增加了纤维的间隙,为气流提供了充足的空间通过,减小压降。此外,zein具有大量的官能团,可以通过氢键作用对不同类型的污染物进行吸附,提高过滤效率。在湿度测试、空气流速测试、120min测试中,zein/2.5RV/2.5NRG口罩的空气过滤效率均超过98%,空气过滤性能优于N95口罩。

 

图5不同纤维膜的空气过滤性能对比,空气过滤原理及口罩组成示意图

图5:不同纤维膜的空气过滤性能对比,空气过滤原理及口罩组成示意图

zein/2.5RV/2.5NRG膜体现优异的抗菌性能,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均超过97%。RV和NRG都是优异的抗菌剂,二者在分子层面产生互补效应,展现出比单一成分更强的抗菌能力。同时,zein/2.5RV/2.5NRG膜体现出了优异的防紫外线性能,紫外线防护系数为107.51。这是通过纤维的物理散射与 NRG的化学吸收双重作用实现。zein/2.5RV/2.5NRG膜可结合大型电纺设备实现批量生产,并且生物降解性优异,具有潜在的市场化应用价值。

 

图6不同纤维膜的抗菌性能对比,zein2

图6:不同纤维膜的抗菌性能对比,zein/2.5RV/2.5NRG膜的抗紫外线性能及原理示意图

本研究不仅提出了“小分子屏障”这一创新性思路,系统揭示了生物基电纺材料中聚合物链相互作用的调控机理,还建立了高效绿色制备纳米纤维膜的新范式。
该策略具有原料可再生、工艺环保、性能可调控、可规模化生产等优势,适合在空气过滤、防护口罩、医疗防护、环境净化、紫外防护等领域推广应用。
同时,本研究为全生物基材料的工业化电纺制造提供了方法论参考,有望在绿色制造、循环经济及碳中和战略中发挥长期价值。

论文链接:doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139454

 

人物简介

本研究由郑高峰教授和邵尊桂副研究员共同指导,厦门大学航空航天学院本科生潘思航、闫雨杭作为论文共同第一作者。主要参与者还有萨本栋微米纳米科学技术研究院博士生陈瑞欣、杜贤若等。

 

邵尊桂(通讯作者)

福州大学机械工程及自动化学院副研究员,工学博士,福建省高层次人才,主要研究方向为电流体动力微纳喷射制造及其环境、医疗、光学、新能源应用,以第一/共一/通讯作者在Carbohydrate Polymers, Journal of Hazardous Materials, Journal of Cleaner Production等期刊发表SCI论文19篇,获中国发明协会发明创业奖创新奖1项。担任Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology、International Journal of Biological Macromolecules、Journal of Environmental Chemical Engineering等国际权威期刊特约审稿人,两次受邀担任《Materials》SCI期刊客座编辑。

 

郑高峰(通讯作者)

厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院教授、博士研究生导师,科学仪器所所长;仪器与电气系副主任。

主要从事微纳喷印、智能检测传感、柔性电子集成等领域的研究工作。

福建省杰出青年基金获得者,福建省高层次人才,厦门市“双百计划”领军型创业人才;作为第一完成人获福建省科技进步奖二等奖、厦门市科技进步奖二等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖各1项。发表 SCI、EI收录学术论文160余篇,作为第一发明人获授权发明专利40余件,实用新型专利30余件,出版专著1本,参与撰写著作专章3篇。主持有国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、福建省产学研究重点项目、福建省自然科学基金等纵向课题30余项。

近年来,郑高峰教授团队及其合作者已围绕电纺高性能空气过滤膜发表了一系列创新研究并整理综述2篇,涵盖了高性能空气过滤机制研究、纤维膜的双峰结构调控、生物基材料适配策略开发等方面,致力于推进高性能空气过滤膜的绿色制造:

1、电纺射流劈裂增强响应策略及其高性能抗菌空气过滤应用

ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(16): 18989-19001. doi.org/10.1021/acsami.2c04700

2、高性能、多功能电纺空气过滤膜与高性能空气过滤机制综述Separation and Purification Technology,2022,302:122175.doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122175

3、双峰纤维膜的表征与低电导率制备方法

MaterialsTodayCommunications,2023,34:105014.doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.105014

4、液态小分子与醋酸纤维素的适配策略及其高性能抗菌驱蚊空气过滤应用

Separation and Purification Technology, 2023, 327: 124920.doi.org/10.1016/j.seppur.2023.124920

5、延缓挥发策略实现玉米醇溶蛋白纳米纤维膜高效成型及其高性能空气过滤应用

ACS Applied Polymer Materials, 2023, 5(10): 8559-8569.doi.org/10.1021/acsapm.3c01666

6、射流劈裂与不均匀拉伸协同的乙基纤维素双峰纤维成型策略及其高性能抗菌除醛空气过滤应用

InternationalJournal of Biological Macromolecules, 2024,254:127862.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.127862

7、固态小分子分散性优化条件下乙基纤维素双峰纤维膜成型策略及其高性能抗菌空气过滤应用

Science of the Total Environment, 2024, 909: 168654.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168654

8、基于固态小分子“柔化-牵引”机制的玉米醇溶蛋白射流劈裂增强策略及其高性能抗菌空气过滤应用

Separation and Purification Technology, 2024, 341: 126893.doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126893

9、基于溶剂不均匀入侵机制实现乙基纤维素双峰纤维膜在射流不均匀拉伸情况下的成型及其高性能空气过滤应用InternationalJournal of Biological Macromolecules,2024,275:133411.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.133411

10、电纺双峰纤维膜的成型策略与空气过滤应用综述Separation and Purification Technology, 2025, 358:130417.doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130417

11、基于小分子互助机制实现全生物基双峰纤维膜在射流协同拉伸下的成型及其高效抗菌空气过滤应用Journal of Cleaner Production, 2024, 486: 144562.doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.144562

12、最小影响策略下全生物基实现高效过滤与超强抗菌双突破Carbohydrate Polymers, 2025, 366: 123893.doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123893

13、乙基纤维素/壳聚糖双峰纤维热处理增强实现高通量空气过滤

InternationalJournalofBiologicalMacromolecules,2025,318:145202.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.145202

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