《Nanoscale》：Alignment of polymer-free cyclodextrin fibers: interplay of solvent environment, process parameters, and jet dynamicsOpen Access
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本工作对分别由羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD）和HP-γ-CD制备的单组分、无聚合物电纺纤维的排列开展了系统性研究，特别关注溶剂环境如何主导射流动力学。研究人员比较了水溶液和DMF基溶液，并结合关键电纺参数——施加电压、流速、滚筒转速和尖端到收集器距离——
本工作对分别由羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD）和HP-γ-CD制备的单组分、无聚合物电纺纤维的排列开展了系统性研究，特别关注溶剂环境如何主导射流动力学。研究人员比较了水溶液和DMF基溶液，并结合关键电纺参数——施加电压、流速、滚筒转速和尖端到收集器距离——对纤维排列与形态的联合效应进行了评估。溶剂选择调节了两个耦合参数——粘度和电导率——本文将其确定为射流速度和厚度的主导（尽管不是唯一）控制因素，其他溶剂性质也同时发生变化。如高速成像直接分辨所示，具有较高电导率和较低粘度的水溶液产生了细而快的射流（HP-β-CD和HP-γ-CD分别为1.37和1.64 m s?1），这些射流难以实现排列；而DMF基溶液则产生更粗、更慢且更稳定的射流（0.91和0.86 m s?1）。只有这种较慢射流状态才能产生排列纤维：在本文成像条件下，仅在DMF体系中获得了排列，其中滚筒表面速度与轴向射流速度之比超过5，而水体系未超过4.5，且排列指数从未超过0.41。在此状态下操作获得了0–1标度上0.82（HP-β-CD）和0.93（HP-γ-CD）的排列指数。沿纤维方向的拉伸测试表明，排列的DMF纺丝垫比其随机取向的水性对应物更强，而XRD显示两种体系无论纤维取向如何均主要为无定形态。
无聚合物环糊精电纺纤维排列的系统研究解读
环糊精（CD）是一类由葡萄糖单元通过α-1,4糖苷键连接而成的环状低聚糖，具有外亲水内疏水的截锥形空腔，可通过包合作用与多种客体分子形成超分子复合物，在药物递送、环境修复、食品及化妆品稳定化以及分析分离等领域具有重要价值。将CD加工为纳米纤维可进一步拓展其功能，静电纺丝则是制备超细纤维最常用的技术之一。传统电纺依赖聚合物链缠结提供射流稳定性，而研究人员发现CD可通过分子间氢键自缔合成瞬态网络，在不添加聚合物的条件下实现电纺，从而避免合成载体对功能纯度的稀释。然而天然CD在水中的溶解度有限，需通过羟丙基衍生化、添加离子或选择溶剂等手段拓宽加工窗口。此前虽有个别工作报道了无聚合物CD排列纤维的制备，但未系统考察取向的控制因素，更缺乏射流尺度的机制解析。由于小分子体系缺少聚合物链缠结对射流的稳定作用，基于聚合物体系建立的取向判据是否适用尚属未知。
该研究发表于《Nanoscale》。研究人员提出假设：在无聚合物CD电纺中，纤维在旋转滚筒上的排列主要由射流速度决定，而溶剂通过粘度和电导率的耦合变化设定该速度。为验证此假设，研究人员以羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD）和羟丙基-γ-环糊精（HP-γ-CD）为原料，分别溶于水和N,N-二甲基甲酰胺（DMF），配制成220%（w/v）水溶液和150%（w/v）DMF溶液，系统改变CD种类、溶剂、施加电压、流速、滚筒表面速度和尖端-收集器距离（TCD），并通过溶液粘度/电导率测量、光学显微取向分析、高速成像、单轴拉伸测试和X射线衍射（XRD）对过程与产物进行表征。结果证实，DMF溶液因其低电导率和高粘度产生更粗、更慢且更稳定的射流，仅在滚筒表面速度与轴向射流速度之比（v
drum/v
jet(axial)）超过5时获得高取向纤维，最高排列指数达0.93（HP-γ-CD）。该研究为无聚合物小分子前驱体的纤维取向提供了基于射流速度的设计准则。
主要技术方法包括：采用锥板粘度计在剪切速率100 s
?1、25 °C下测定溶液粘度，用电导率仪在24±1 °C下测定电导率；使用光学显微镜获取纤维形貌，利用FiberFit软件（基于快速傅里叶变换带通滤波和半圆形von Mises分布）和ImageJ的OrientationJ插件计算排列指数（0–1）；采用高速摄像机（Optronis CP80-4M-500，2153帧/秒，2304×400像素）记录射流轨迹，直接测量射流速度、稳定段长度和鞭动不稳定性包络；通过单轴拉伸试验（2 mm min
?1）测试纤维垫的拉伸强度与断裂应变；使用Bruker D8衍射仪在2θ=5°–30°范围采集XRD图谱。材料来源为Wacker Chemie AG提供的Cavasol? W7 HP和Cavasol? W8 HP，水为蒸馏水，DMF购自Fisher公司。
3.1 溶剂依赖的HP-β-CD和HP-γ-CD溶液物理化学性质：研究人员发现，尽管DMF溶液配制浓度更低（61.4% w/w对68.8% w/w），其粘度反而更高（HP-β-CD为9300 cP对6000 cP，HP-γ-CD为5500 cP对2900 cP），电导率则显著更低（3对28 μS cm
?1，2对14 μS cm
?1）。这归因于DMF作为非质子溶剂只能接受氢键而不能供氢，无法充分溶剂化CD羟基，从而促进CD–CD分子间氢键自缔合；水作为质子供体和受体能更有效地竞争氢键位点，削弱自缔合。
3.2 HP-β-CD体系中纤维形貌和取向的参数控制：在10 kV、0.3 mL h
?1、TCD=10 cm下改变滚筒表面速度（0–6.19 m s
?1），水溶液纤维排列指数从0.02升至0.22，DMF体系从0.07升至0.41，且在3.09–4.64 m s
?1区间呈阈值式跃升。升高电压（12.5–25 kV）使两种体系排列指数下降（水从0.19降至0.12，DMF从0.40降至0.32），归因于电场增强导致射流加速。流速扫描显示0.5 mL h
?1时排列最优（水0.23，DMF 0.64），过高流速引发射流失稳。增大TCD（5–15 cm）对水体系无改善，而DMF体系指数从0.32升至0.82，因更低的标称电场减慢了射流。
3.3 HP-γ-CD体系中纤维形貌和取向的参数控制：电压扫描中，DMF体系在10 kV时指数最高（0.75），水体系始终低于0.34。滚筒速度扫描中，DMF体系在4.64 m s
?1时达0.77，水体系最高0.41。流速对DMF体系影响不显著（0.79–0.88）。TCD从5增至15 cm时，DMF体系指数从0.48升至0.93，为全研究最高值。HP-γ-CD比HP-β-CD对机械卷绕更敏感，且其溶液电导率更低，射流带电量少、飞行更慢，有利于取向。
3.4 射流动力学与结构-性能关系：高速成像显示水溶液射流细而快（HP-β-CD为1.37 m s
?1，HP-γ-CD为1.64 m s
?1），DMF射流粗而慢
