坚韧、强韧、离子导电且稳定的纤维的连续纺制用于可靠信号传输

《Advanced Fiber Materials》：Continuous Spinning of Tough, Robust, Ionic-Conductive, and Stable Fibers for Reliable Signal Transmission

　　

纤维状离子导体因在结构和功能上与生物组织相似，是生物电子界面的理想候选。然而，在可规模化纤维形态中同时实现高机械强度、优异导电性与长期环境稳定性仍是巨大挑战。研究人员报道了一种设计策略，通过四元深共晶溶剂（DES）的连续紫外辅助纺丝制备坚韧、强韧、离子导电且稳定（TRIS）的纤维。其核心在于高度动态氢键超分子网络与动态羧基–锆配位复合物之间的协同作用。该分子架构使TRIS纤维同时实现高杨氏模量（约8.7 MPa）与优异离子电导率（约0.896 S/m）。此外，纤维表现出卓越的环境稳定性，在 ambient 条件下保持性能稳定超过1年。作为演示，TRIS纤维用作离子电缆可在约50%应变下传输高保真信号，并作为人工神经桥接大鼠切断的坐骨神经。体内感觉与运动功能的成功恢复凸显了TRIS纤维作为功能性神经替代物的潜力。该工作为开发下一代类组织植入式生物电子提供了可规模化且稳健的平台。

研究背景方面，典型电子器件依赖电子在导电线中的输运，而生物系统主要利用离子跨轴突迁移传递信息，这种信号载体差异导致生物电子接口存在信号失配。离子电子（iontronic）器件以移动离子为非法拉第过程的电荷载流子，可弥合这一鸿沟。现有软离子导体多为平面或块体水凝胶/离子液体凝胶，纤维态虽能无缝整合神经等纤维组织，但面临机械-电气性能权衡、高溶剂含量导致脱水冻结或泄漏、以及湿法/热法/静电纺丝等难以兼顾绿色、低温、高速与连续化等问题。为此，研究人员在《Advanced Fiber Materials》提出以四元DES体系连续紫外辅助纺丝制备TRIS纤维，旨在同步突破强韧、高导、稳定与可规模化瓶颈。

关键技术方法上，研究人员采用分段光引发自由基光聚合策略：先将丙烯酸（AAc）与氯化胆碱（ChCl）、乙二醇（EG）与八水合氯氧化锆（ZrOCl₂·8H₂O）分别预成两个DES子系统以调控配位动力学，混合光引发剂I-2959后形成纺丝液；经PTFE管挤出（260–500 μL/min喂料窗口），分段紫外辐照（50 mW/cm²预聚+180 mW/cm²牵伸后固化）实现连续纺丝；结合核磁共振（¹H NMR）、拉曼、傅里叶变换红外（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、密度泛函理论（DFT）计算、差示扫描量热（DSC）、电化学阻抗谱（EIS）及SD大鼠坐骨神经离断桥接模型（10周龄雄性SD大鼠，西北工业大学伦理审批202501035）进行表征与验证。

研究结果部分，各小节结论如下：

连续纺制TRIS纤维：确定喂料速度260–500 μL/min为最优窗口，可纺直径300 μm–950 μm纤维，3 m长纤维10 min内成型；TRIS-4Zr组分获杨氏模量8.7 MPa、韧性4.3 MJ/m³、断裂应变500%、离子电导率0.896 S/m，可见光透射>90%，优于文献凝胶。

基于Zr⁴⁺配位的分子工程指向可纺性与增强：¹H NMR与拉曼证实Zr⁴⁺优先与PAAc羧基形成-COO^?–Zr⁴⁺配位（结合能?162.34 kcal/mol，强于PAAc内氢键与PAAc–ChCl），XPS显示C–O–Zr峰（530.9 eV）与Zr 3d双峰（181.8/184.2 eV），Zr⁴⁺既作润滑剂减表面粘附，又作交联中心提升强韧。

TRIS纤维机械与电学性能：Zr/AAc摩尔比0:80→8:80时，断裂应力1.2→5.95 MPa、模量0.25→8.7 MPa，应变493%→94%；TRIS-4Zr在50%应变循环10000次后曲线重合，离子电导率随Zr增加至4Zr达峰值0.896 S/m（再增则因交联密而下降），应变传感GF=0.379，响应0.308 s。

TRIS纤维环境稳定性：60 °C/40% RH百小时失重<10%（水凝胶对照~60%）；DSC无?60~25 °C相变，?40 °C电导0.013 S/m、80 °C达4.26 S/m，Arrhenius活化能0.134 eV属vehicle机制；常温储存1年模量与电导相对变化极小。

体外与体内可靠信号传输：芯鞘离子电缆（双TRIS纤维+Ecoflex包覆）传10 Hz–100 kHz、0.5–20 V方/三/正弦波，|V₁/V₀|保持在93.6–102%，50%应变10000次循环保真；SD大鼠切断5 mm坐骨神经桥接后，0.5 V刺激踝关结角约17°（健侧31°），受伤组无反应，脏器切片无毒性差异，PBS浸14天保真度89.6%。

讨论与结论翻译部分：研究人员在结论中指出，该工作通过四元DES紫外辅助动态交联纺丝实现TRIS纤维连续制备，动态氢键与羧基–锆配位协同缓解了机械-导电权衡，使纤维以8.7 MPa模量及0.896 S/m电导超越多数凝胶，且常温存1年、?40~80 °C稳健。除作高保真离子电缆外，TRIS纤维可作人工轴突在鼠坐骨神经模型中恢复生物电信号与运动功能，为分子级工程稳定离子纤维体系提供范式，并为复杂生理环境下新一代生物集成离子电子器件提供转化平台。

综上，该论文从DES分子设计、分段光聚纺丝工艺、多尺度表征到神经桥接演示，系统论证了TRIS纤维在机械、电气、稳定与生物接口四维属性的统一，其意义不在于单一指标破纪录，而在以可量产纤维形态同时满足植入级耐久与离子信号保真，为类组织神经替代物与可编织生物电子界面打下材料基础。