微纳米纤维素材料的微流控制备技术研究进展

李兴兴， 李 琴， 岳甜甜， 刘宇清

(苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215123)

微流控技术起源于微量分析方法，是一种使用数十到数百微米的微孔道精确处理或操纵微量(10-18～10-9L) 流体系统的新技术[1-2]，具有对微量流体精确操控的能力，已被应用于微流控纺丝制备功能纤维材料及微纳米纤维材料[3-4]。微流控纺丝将具有一定黏度的纺丝液由微通道挤出成丝并收集。纺丝液作为微流体在微纳米级的微通道流动时，由于其比表面积大，且表面张力占据力学主导性，使得微流体在微孔道中的流动具有层流特性[5]，即不同溶液间不发生混合相溶。微流体在微孔道中形成有序的稳流，从而使得借助微流控技术制备微纳米纤维材料成为可能。目前，微流控技术已经能成功制备出多种结构的微纳米材料，如多孔结构微球状、核壳结构胶囊状、线状、薄膜状、管状及三维网络结构凝胶状等。微流控技术制备微纳米材料具有诸多优点，不仅可以控制材料结构，而且操作简便安全[6]。

微纳米纤维素材料包括2类：一类是纤维素基微球、微胶囊；另一类是纳米纤维素基材料。纤维素基微球、微胶囊尺寸一般为1～100 μm，含有纳米级的微孔和微通道，具有小尺寸效应和界面效应，可应用于吸附过滤和药物缓释等领域[7]。纳米纤维素基材料以纳米纤维素为基本结构单元，通过化学、物理、生物或者多种途径相结合的方法处理纤维，得到直径小于100 nm、长度可到微米的纤维聚集体[8]。纳米纤维素力学性能优异、生物可降解性突出、生物相容性良好、化学性质稳定，是一种制备环境友好型材料的优秀基材[9]。根据材料来源、制备方法及纤维形态，纳米纤维素可分为纤维素纳米晶体、纤维素纳米纤维、细菌纤维素三大类，已被应用于燃料电池、置换膜、生物医用材料等领域[10-12]。

为推动微流控技术制备纳米纤维素材料研究的发展，了解微流控技术制备微纳米纤维素材料的技术瓶颈。本文首先较为全面地概述了近些年微流控技术制备微纳米纤维素材料的研究进展，对其存在的问题进行总结，最后对微流控技术制备微纳米纤维素材料的未来进行展望，以期为微流控技术在高新纺织领域的发展提供支持。

1 微流控制备纤维素基微球及微胶囊

微米级微球、微胶囊的主要制备方法有喷雾干燥法、喷雾包膜法、微流控技术挤出法、复合凝聚法、复合沉淀法、原位聚合法等[7]。微流控技术挤出法结合可控乳化法、快速冷冻技术等方法，制备的纤维素微球及微胶囊直径分布集中，结构丰富，应用广泛，是一种常用的微米级微球、微胶囊制备方法。微流控技术挤出法将纤维素溶液通过微米级微通道受限挤出，分散到另一种不溶纤维素的溶液中，形成三相纤维素液滴悬浮液。液滴的形成有2种模式，是纤维素微球、微胶囊制备的关键。第1种模式是纤维素溶液在微通道中流速较慢时，直接形成液滴；第2种模式是纤维素溶液在微通道中流速较快时形成纤维素溶液柱，溶液柱由于动力学不稳定断裂成液滴。分散在溶液中的液滴去除溶剂形成多孔微球，去除被包裹芯层物质则形成微胶囊。

1.1 微流控制备纤维素微球

纤维素微球是一种性能优良的微纳米材料，可作为药物缓释、吸附、过滤等领域的基材。传统纤维素微球的制备方法速度慢，尺寸不稳定，针对这些问题，Qi等[13]以羧甲基纤维素和β-环糊精为原料，以环氧氯丙烷为交联剂，采用反相乳液聚合和微流控技术相结合的方法，制备了孔隙率高、可降解性好、吸肥性能优良的羧甲基纤维素固定化缓释微球，解决了因盐碱地和肥料流失制约松嫩平原及华北平原农业发展的问题。Baek等[14]以绿色纤维素溶剂N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)作为纤维素溶剂，制备了大小均匀的纤维素液滴，随后进行高温干燥和胺肟功能化处理，得到尺寸均匀、孔隙率高的胺肟功能化纤维素微球，表现出优异的重金属吸附性能。

快速冷冻技术是一种独特的制备多孔结构材料的方法，可使水在低温状态下呈玻璃态，能减少冰晶的产生，从而不改变材料本身结构，在构建多孔微结构方面应用广泛，微流控技术挤出的微球经快速冷冻处理可得到结构理想、孔隙率高的微球材料。Zhang等[15]将快速冷冻技术与微流控技术相结合，以醋酸纤维素为前驱体制备了粒径和孔径可调的多孔醋酸纤维素微球(PCAMs)。图1示出多孔醋酸纤维素球的制备原理。其中分散相为均一的醋酸纤维素溶液，连续相为添加了乳化剂的正己烷溶液，分散相和连续相分别由2个微量注射器泵注入微通道。球形微滴以恒定频率产生，通过冷冻干燥得到多孔醋酸纤维素微球，所得微球具有较大的比表面积和良好的吸附能力。该研究为大规模制备结构可控的绿色环保吸附剂载体提供了一条可行的途径。

图1 醋酸纤维素微球制备示意图Fig.1 Schematic of preparation of PCAMs

1.2 微流控制备微米级纤维素胶囊

微胶囊是一种具有一定通透性的核壳结构微粒，一般的微胶囊利用乳化技术制备，通过机械剪切效应将油和水混合，从而形成分散的液滴混合物。根据该原理，Carrick等[16]用微流控聚焦装置(MFFD), 将纤维素溶解在氯化锂和二甲基乙酰胺的混合物中，制备了平均外径约为44 μm、平均内径约为29 μm的纤维素胶囊。微流控流聚焦装置示意图如图2所示。该装置有3个入口，分别注入内部流体(辛烷)、 纳米纤维素纤维溶液和硅油，右侧较小管是形成液滴的收集管和出口。在收集管中，纤维素溶液柱内包裹辛烷油柱，到达收集管后被分裂，形成纤维素溶液包裹的辛烷液滴分散在硅油中的双重乳状液体系。该技术可以制备尺寸均匀的微胶囊，外部刺激会触发胶囊膨胀，并由此引发包囊物质(例如模型药物)的释放，制备的微胶囊可应用于药物输送或药物控制释放。

图2 微流控流聚焦装置示意图Fig.2 Schematic of description of MFFD

2 微流控制备纳米纤维素基材料

2.1 纳米纤维素基微球及微胶囊

纳米纤维素基微球及微胶囊是一种特殊的纳米材料，尺寸为数十微米，基本组成是纳米纤维素材料，具有比纤维基微球、微胶囊更好的力学性能。

细菌纤维素是一种性能优良的生物相容性材料，但耐化学性差，在大多数溶液中的不溶性使其很难用传统方法进行制备。基于此，Yu等[17]以海藻酸盐核和琼脂糖壳为模板，利用微流控技术将微粒子包裹在木质葡萄糖酸杆菌中进行长期静态培养；木质葡萄糖酸杆菌分泌细菌纤维素，缠绕在结构化水凝胶微粒的外壳中，形成了细菌纤维素微球；随后通过热化学处理得到了中空细菌纤维素微球，其可用于构建三维细胞培养和伤口愈合支架。Martina等[18]利用相同的原理将木质葡萄糖酸杆菌种植到营养液中，然后通过微流控技术受控挤出，形成尺寸均匀的木质葡萄糖酸杆菌/营养液微球，利用细菌分泌保护层的机制，生长出一层细菌纤维素外壳，最后通过冷冻干燥制备了尺寸可调和单分散性的细菌纤维素微胶囊。虽然利用木质葡萄糖酸杆菌种植法制备细菌纤维素微胶囊，可较大限度地降低微胶囊有害化学物质的残留，但木质葡萄糖酸杆菌培育难度较大，细菌纤维素的分泌耗时较长。寻找易于培养的菌种，将会大大降低模板种植法制备细菌纤维素微胶囊的难度。

为解决传统技术难以将纳米纤维素晶体材料尺寸控制在微米范围内的技术难题，Levin等[19]使用油包水液滴微流控技术，以无毒和可持续的方式制作均匀的球形纤维素纳米晶液滴模板，通过蒸发微球内的水分，促进纤维素纳米晶的化学交联，制备了超多孔的柔性微米级微球，该多孔微球具有较大的比表面积，可用于药物输送或化妆品。

核壳结构材料作为各种物质的包埋载体应用广泛，Kaufman等[20]利用高刚性纤维素纳米纤维与油溶性阳离子无规共聚物，进行微流控界面络合一步法制备了微胶囊。压缩测量表明，该胶囊壳体的弹性模量达53 MPa，高刚性纤维素纳米纤维的掺入为制备坚固而柔韧的微胶囊外壳提供了一条简便的途径。

2.2 纳米纤维素基长丝

微流控技术是一种可将纳米纤维素组装成长丝的可靠技术，已被广泛应用于纤维素纳米纤维长丝的制备。纳米纤维素在微流控技术制备纳米纤维素长丝过程中主要有2种作用：一种是利用界面络合效应，原位组装制备取向度高的芯鞘纤维；另一种是作为增强材料改善纤维结构，提高纤维取向度，从而增强纤维的力学性能。

由于纳米纤维素纤维溶液带负电，易与带正电的溶液在共混过程中产生絮凝，故难以通过单通道挤出成丝，采用如图3所示的微流控同轴多通道纺丝法可有效解决该问题。

图3 界面络合示意图Fig.3 Schematic of in-situ interface complexation

由于层流效应，带2种相反电荷的溶液会在通道挤出成丝后界面络合，产生取向度高的芯鞘纤维。Cai等[21]以纳米纤维素和壳聚糖为原料，构建了高度定向的层次化组装纤维，实现了纤维强度和韧性的同时增强，该方法制备的纳米纤维素/壳聚糖组装纤维具有优异的力学性能和生物相容性，在非吸收性手术缝合线方面具有广阔的应用前景。Li等[22]以木质素、纳米纤维素和壳聚糖为原料，制备了具有致密微观结构的高取向度复合长丝，由于木质素和纳米纤维素与壳聚糖在微流控系统中的离子键交联，使得该复合长丝内部分子结构高度有序，力学性能良好；经过稳定化和炭化后，该复合长丝形成了具有精细石墨微晶的生物基碳纤维，碳纤维的碳晶格沿纤维方向高度取向，具有出色的宏观性能。Gao等[23]以区域氧化的氧化纳米纤维素作为芯层溶液，引入壳聚糖作为鞘层溶液，制备了中空氧化纳米纤维素/壳聚糖复合纤维，该复合纤维的拉伸强度高达104 MPa；与未氧化纳米纤维素/壳聚糖复合纤维相比，该长丝的拉伸强度和弹性模量分别增加了33%和20%。Liu等[24]运用相同原理，以纤维素纳米晶体和胆固醇液晶为原料，并引入壳聚糖溶液，通过原位界面络合制备了具有水凝胶鞘的复合液晶纤维，该复合液晶纤维具有分层的芯鞘结构，拥有以半同步/半异步形式精确调节线性和圆偏振光的独特能力，可广泛应用于手性光学和智能纺织品等领域。

虽然利用界面络合效应制备分层芯鞘结构纳米纤维素纤维，可以提高纤维取向度及力学性能，但其应用场景十分局限。目前，利用界面络合效应制备分层芯鞘结构纤维的研究局限于纳米纤维素与壳聚糖的络合。未来，需要开发更多可应用于界面络合自组装的负电性纤维溶液。

利用纳米纤维素作为增强材料改善纤维结构，提高纤维取向度是一种常用的提升纤维力学性能的方法。Lu等[25]将再生丝素/纤维素纳米纤维纺丝液通过如图4所示的微流体通道进行湿法纺丝，制得再生丝素/纤维素纳米纤维杂化纤维，该杂化纤维结晶度高，微晶尺寸小，光损耗低，可广泛应用于生物介质、生物光子学和脑机接口等领域。基于相同原理，Lu等[26]又以黄麻纤维、丝素蛋白为原料，将纺丝液经过微流体通道进行干法纺丝，制备了断裂强度显著高于蚕丝纤维的再生丝素/纤维素纳米纤维杂化纤维，通过原位小角度 X 射线衍射和有限元模拟，对微流控芯片中的再生丝素蛋白和纤维素纳米纤维的混合溶液进行流动分析发现，微流控通道直径、溶液流动速度及溶液成分的比例均会对纤维长丝的取向度产生影响[27]。Park等[28]制备了海藻酸钠/木质纳米纤维素复合纤维及四甲基哌啶氧化物(TEMPO)氧化木质纳米纤维素/木质纳米纤维素复合纤维发现，随着木质纳米纤维素含量的增加， 2种复合纤维的拉伸强度均得到提升，证明了纳米纤维素具有较强的材料力学增强性能。

图4 杂化纤维制备示意图Fig.4 Schematic of preparation of hybrid fibers

纳米纤维素晶体力学刚度高，但可纺性差，极大地限制了其应用领域。Nechyporchuk等[29]开发了一种基于微流控聚焦的连续湿法纺丝工艺，通过如图5所示的设备，以纳米纤维素纤维和纳米纤维晶为原料，制备了高强度复合纤维，首次实现了纳米纤维晶的湿法纺丝制备，所得纤维比常规纳米纤维晶纤维强度提高了1倍。同时该研究表明，通过调整纳米纤维素纤维和纳米纤维晶的比例，可改善纤维的力学性能。

图5 微流控聚焦装置示意图Fig.5 Schematic of microfluidic focusing device

Karl等[30]提出了一种将微流控技术与凝胶转变技术相结合的方法，以纤维素纳米纤维为原料制得了均匀光滑的长丝。测试表明，所得长丝强度与从木材中提取的纤维素木浆纤维一致。该纤维长丝可用于新型生物基复合材料或高性能纺织品。

2.3 纳米纤维素基薄膜

微流控技术可精确控制微纳米材料的结构排列方式，制备具有定向排列结构的薄膜。Wei等[31]通过微流控技术和稳定炭化过程，制备了掺杂硫化锰纳米颗粒的纳米纤维素晶柔性有序碳纳米纤维膜，其具有规则排列结构的有序碳纳米纤维框架，可诱导锂离子均匀地沉积，增强锂负极和电池隔膜的界面相容性，为制备高度安全的隔膜和锂金属电池负极之间的夹层提供了解决方案。细菌纤维素纳米纤维是一种很有吸引力的生物相容性材料，Wang等[32]以细菌纤维素为原料，利用微流控技术和定向拉伸技术制备了细菌纤维素膜(见图6)，其分子水平上的排列源于木醋杆菌产生的结晶纤维素分子的内在平行取向。这些排列的长链纤维素分子形成直径为2～4 nm的亚纤维，然后进一步排列形成纳米纤维束，纳米纤维束的平行排列形成细菌纤维素膜。该纤维素膜具有力学性能优异、蓬松度高的特点，且具有很高的柔韧性，可折叠成所需的形状，广泛应用于机械、电气、光子学等领域。

图6 纤维素膜取向示意图Fig.6 Schematic of cellulose film orientation

2.4 纳米纤维素基微管

由于分析时间短和多通道或高通量分析的可行性，微流控装置正成为近年来最强大的化学分析工具之一，Chen等[33]采用了一种简单的方法，制备了可实现分离糖蛋白的再生细菌纤维素微管。首先将细菌纤维素在氢氧化钠/硫脲水溶液中溶解；然后将混合溶液填充到微孔道中，制成再生细菌纤维素微管；最后将刀豆蛋白凝集素通过化学键交联附着在微管上，利用溶菌酶(非糖蛋白)和转铁蛋白(糖蛋白)对刀豆蛋白凝集素亲和力的不同，实现了糖蛋白分离。该方法制备的再生细菌纤维素微管在糖蛋白亲和层析中显示出巨大的应用潜力，为微流控技术制备微管材料提供了参考。

2.5 纳米纤维素基水凝胶

由于水凝胶能够保持水分，易于功能化，且能够模拟体内组织的理化特性，因此，在细胞培养和组织工程中有很好的应用前景。Khuu等[34]报道了如图7所示的各向异性水凝胶片的微流控挤出方案。以甲基丙烯酸纤维素纳米晶和明胶甲基丙烯酰基为原料，通过改变冷却温度可控制水凝胶的结构各向异性程度，且结构各向异性在生理温度(37 ℃)下可保存7 d。该水凝胶表现出各向异性的力学性能和优良溶胀性能，可应用于生物医学和机器人等领域。

图7 水凝胶片的示意图Fig.7 Schematic of hydrogel sheets

为解决微生物感染威胁人类健康的问题，Zhang等[35]借助微流控技术制备了一种核壳结构的氧化石墨烯-银纳米粒子/细菌纤维素水凝胶微纤维，在纳米尺度上表现出良好的形貌特征和优异的力学性能。抗菌实验表明，该复合超细水凝胶纤维可有效杀灭阳性和阴性细菌菌株，同时对正常哺乳动物细胞保持友好性。这种超细水凝胶微纤维可有效解决微生物威胁人类健康的问题。这种灵活的合成核壳复合超细水凝胶微纤维方法，具有重要的生物医学应用前景，同时该方法也可应用于材料科学、组织工程和再生医学等领域。

3 结束语

微流控技术作为一种制备高性能材料的方法，通过层流效应精确操控微流体实现，在制备精确微结构材料方面展现出独特的优势。纤维素纤维在自然界存量巨大且能够不断再生，可作为纳米纤维素的可靠来源。微流控技术应用于制备微纳米纤维素材料已经取得了一些进展，但总的来说，微流控技术制备微纳米纤维素材料的研究还存在以下问题。

1)目前，微流控技术应用于制备微纳米纤维素材料的研究稍显不足，国内外的相关研究还不够丰富。在材料方面，微流控制备纤维素微纳米材料大都使用纳米纤维素纤维，而纤维素纳米晶体则使用较少，未来克服纤维素纳米晶体及细菌纤维素的缺陷，拓展其应用场景将是微流控技术制备微纳米纤维素材料的发展方向之一；在制备方面主要以纤维长丝为主，而对高取向度薄膜、水凝胶制备的关注较少，未来应更关注膜状材料、水凝胶等形貌的材料的微流控制备，将是微纳米纤维素材料制备的另一发展方向。

2)微通道的构建是微流控技术制备微纳米纤维素材料过程中关键的步骤，目前微通道大都为微米级，纳米尺度及三维微通道的制备还存在技术问题，微纳米尺度下流体流动状态的精确控制还未完全掌握。未来，发展纳米尺度的微通道构建技术将为微流控技术带来巨大进步。更精确地控制纳米尺度下的微流体通道，对微流控技术制备微纳米纤维素材料的研究也将大有裨益。

3)微流控技术只是制备微纳米纤维素材料的基础技术，为制备性能良好的微纳米纤维素材料常需要结合其他新技术，如受控乳化、快速冷冻、原位界面络合等，然而目前微流控技术与其他新技术的结合依旧不够紧密，将微流控技术作为一种基础的手段，结合如自组装法等技术制备微纳米纤维素材料将大有可为。

由于微纳米纤维素材料在农业、生物医用材料等领域的广泛应用，可精确控制微纳米纤维素材料结构的微流控技术，将在制备微纳米纤维素材料领域做出卓越贡献。