[发明专利]微流控纺丝装置、螺旋型核壳结构导电纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了微流控纺丝装置、螺旋型核壳结构导电纤维及其制备方法和应用，该方法基于微流控纺丝装置，通过将鞘层溶液和核层溶液先后导入中间相毛细管和内相毛细管，得到层流状态的核壳结构纤维，再将固化溶液通入外相毛细管中，使鞘层快速固化从而复刻溶液层流状态结构，通过调整微流控纺丝装置的内外相流体流速比，得到螺旋型核壳结构导电纤维；该微流控纺丝装置通道简单、成本低廉、组装和操作方便，制备方法简单。螺旋型核壳结构纤维以MXene水溶液作为核层，鞘层是生物相容性较好的藻酸盐水凝胶材料，在保证核壳结构良好的同时，赋予了纤维卓越的导电性和拉伸性能，可应用于对外界刺激进行相应响应的柔性电子系统如电子皮肤上。

技术领域

本发明涉及生物医学材料技术领域，尤其涉及微流控纺丝装置、螺旋型核壳结构导电纤维及其制备方法和应用。

背景技术

电子皮肤，又被称作是可拉伸电子系统，他们可以模拟人体皮肤对外界的各种刺激进行感知，特别是在形变方面的感应。近年来，得益于柔性电子学研究的巨大进展，电子皮肤已经吸引了商业开发和研究探索的关注，在多个领域如人工智能系统、可穿戴健康监测、人机界面等领域显示了其应用潜力。目前，多种二维导电材料如离子液体、液态金属等已与可拉伸薄片相集成，用来对外界刺激进行相应并传递相应的电学信号。在各类导电材料中，MXene作为一种二维早期过渡金属碳化物/碳氮化物，由于其具有较大的亲水表面、优异的电导性等特性而受到广泛关注。目前这些MXenes已被成功地组装成二维材料甚至三维框架，以实现相应柔性电子功能。然而，现在的制备过程相对简单，导致制备得到的MXene衍生柔性电子系统的结构和形态都较为简单，限制了其在复杂情况下的性能。此外， MXene在这些系统中的分布通常不可控，导致MXene的表面暴露于其他化学添加剂中，从而影响了系统的导电性及其在柔性电子系统中的实际应用。因此，如何制备出结构精细、形态可控的新型MXene电子皮肤仍是一个相当大的挑战。

微流控技术自从被半导体工业提出后，由微机电系统(MEMS)领域发展壮大，是一种可以在微尺度上精确操纵流体的特殊技术。受益于微流控简单而精确的控制，多种形态的功能性微纤维材料已被成功开发出来，包括Janus结构、多组分结构、扁平和槽状结构等。通过调整微流控纺丝技术的微通道装置，还可以实现不同性质的化学、生物样品的封装，已经在生物医学工程领域得到广泛的应用。但是，采用微流控纺丝技术生成螺旋型的核壳结构封装有MXene的导电水凝胶纤维仍然值得进一步的开发，其在柔性电子元件特别是电子皮肤上的潜在价值仍然值得探索。

因此，在本发明中，我们基于微流控纺丝技术，设计发明了一种具有良好导电性和机械性能的螺旋型的核壳结构导电纤维，可用于柔性电子皮肤系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种微流控纺丝装置、利用该装置制备螺旋型核壳结构导电纤维的方法，及将制备的螺旋型核壳结构导电纤维用于电子皮肤等柔性电子系统中。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种微流控纺丝装置，包括内相毛细管、中间相毛细管、观察毛细管和外相毛细管，中间相毛细管同轴套接于内相毛细管后部，外相毛细管同轴套接于中间相毛细管后部，观察毛细管位于中间相毛细管和外相毛细管接口处。

进一步地，还包括内相进液装置、中间相进液装置和外相进液装置，所述内相进液装置、中间相进液装置和外相进液装置结构相同，均包括注射泵和注射器连接针头，注射泵通过导管与注射器连接针头接通，所述内相进液装置的注射器连接针头通过导管与内相毛细管连通，形成内相流体流通管道；中间相进液装置的注射器连接针头通过导管与中间相毛细管连通，形成中间相流体流通通道；外相进液装置的注射器连接针头通过导管与外相毛细管连通，形成外相流体流通通道，内相流体、中间相流体和外相流体的流向相同。

进一步地，所述内相毛细管、中间相毛细管、观察毛细管和外相毛细管均为玻璃毛细管，所述内相毛细管、中间相毛细管、观察毛细管和外相毛细管的各接口处均用透明环氧树脂进行密封。