讓電流體動(dòng)力學(xué)之“樹”開枝散葉

于曉杰

目前，在納米材料的“top-down”制備方法中，以“電場力”和其他能量方式為工具的方法極具價(jià)值，是當(dāng)下的一個(gè)研究熱點(diǎn)?！拔叶嗄陙硎冀K致力于應(yīng)用高壓靜電場實(shí)施微納米材料制備的相關(guān)技術(shù)拓展研究，尤其是高壓靜電紡絲技術(shù)和高壓靜電噴霧技術(shù)。高壓靜電紡絲技術(shù)、高壓靜電噴霧技術(shù)和噴射打印技術(shù)統(tǒng)稱電流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)。該技術(shù)目前在眾多領(lǐng)域都在廣泛開展?jié)撛趹?yīng)用研究?！庇酂魪V說。

開創(chuàng)“理”與“據(jù)”

余燈廣是個(gè)“雜家”，他本科學(xué)習(xí)的是化學(xué)工程，博士時(shí)期學(xué)習(xí)的是生物醫(yī)學(xué)工程，而到了博士后，他則選擇了紡織科學(xué)與工程專業(yè)。這期間，余燈廣還在湖北雙環(huán)化工集團(tuán)公司工作了10年，這段經(jīng)歷讓他能從一個(gè)更寬廣的視角來看待科研。2011年，余燈廣幾經(jīng)思索，決定踏入材料科學(xué)與工程研究領(lǐng)域，上海理工大學(xué)則是這段新旅途的起點(diǎn)。一上路，余燈廣就把關(guān)注點(diǎn)放在了微納米材料制造技術(shù)上。在他眼中，一種新型微納米材料制造技術(shù)，往往意味著能創(chuàng)造更多的新型結(jié)構(gòu)微納米材料及實(shí)際應(yīng)用。

極端條件（超高溫、高壓、超磁以及高電壓）下物質(zhì)的相互作用與理化性能表現(xiàn)，和微觀層次物質(zhì)之間的相互作用是目前人類認(rèn)識世界、獲取知識的兩座富礦。“與此相應(yīng)，在極端條件下制備功能物質(zhì)、于微觀層次操控分子，及用微納米體系制備功能材料是人類改造世界、獲取新方法的先進(jìn)技術(shù)?！痹谠撍悸返闹敢?，他主持了國家自然科學(xué)基金委員會與英國皇家學(xué)會合作交流項(xiàng)目——“三級同軸電紡制備零級藥物緩控釋給藥系統(tǒng)研究”，取得了新的突破。

雖然三級同軸電紡在基本原理上與單射流電紡沒有差別，也就是直接應(yīng)用高壓靜電場力對流體進(jìn)行單步拉伸固化，從而獲得納米纖維。但實(shí)際上其實(shí)施難度和涉及的經(jīng)驗(yàn)與知識大不相同?！霸趩紊淞麟娂徶校琓aylor錐后的直線射流直接拉伸彎曲或者發(fā)生分裂，對其影響并不大?！庇酂魪V介紹道，而在同軸電紡和三級同軸電紡過程中，Taylor錐后的直線射流若是發(fā)生分裂，就無法獲得所需要的多層納米結(jié)構(gòu)。此外，在溶劑環(huán)流三級同軸紡的實(shí)施過程中，如果外層環(huán)流溶劑發(fā)生分裂，將毀壞纖維收集板上的納米纖維氈。

“要想高效準(zhǔn)確地調(diào)控三級同軸紡過程，需要對每種流體在高壓電場下的表現(xiàn)與行為，及它們在三級同軸紡的過程中具有的匹配性和協(xié)調(diào)性，有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識。”因此，余燈廣帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對這些流體的基本理化性能、以及這些理化性能與它們在高壓電場下行為之間的關(guān)系進(jìn)行探究，最終發(fā)現(xiàn)了芯鞘納米纖維的三級同軸電紡成纖機(jī)理，使得制備結(jié)構(gòu)特征明確、性能優(yōu)良的三級芯鞘納米纖維“有理可循”。

通過研究，余燈廣還設(shè)計(jì)了多種應(yīng)用三級同軸紡制備的多層次納米結(jié)構(gòu)（藥物梯度分布、控釋材料梯度分布、芯鞘納米藥物儲庫、薄層包裹結(jié)腸靶向藥物儲庫等），將這些結(jié)構(gòu)特征與納米纖維的理化性能和功能表現(xiàn)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，對穩(wěn)定可靠地制備出功能高度重現(xiàn)的納米給藥系統(tǒng)尤為關(guān)鍵?！斑@些微觀結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)包括：每層厚度以及彼此之間比率、藥物或材料梯度大小與方向、每層的成分與組成、包裹的厚薄以及致孔劑的用量等?！庇酂魪V介紹說，他將這些特點(diǎn)參數(shù)結(jié)合藥物和聚合物基材的理化性能（如極性、水溶性、溶蝕性能、降解性能）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，然后通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行總結(jié)歸納和分析演繹，建立了三級芯鞘納米纖維的“微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)—理化性能狀況—所需功能表現(xiàn)”之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)、使得多層結(jié)構(gòu)型納米纖維狀藥物零級控釋給藥系統(tǒng)的研究開發(fā)“有據(jù)可依”。聚焦“自組裝”

目前，余燈廣正在進(jìn)行“基于電紡芯鞘納米纖維的分子自組裝原位協(xié)同調(diào)控研究”項(xiàng)目研究。在該項(xiàng)目中，他選用了一些藥物活性分子和藥用載體材料，并使用了一些藥學(xué)常規(guī)方法，分析表征自組裝納米體系的活性成分包裹率和對活性成分的緩控釋效果，這樣做的目的是應(yīng)用它們作為自組裝基元物質(zhì)模型，并通過它們來研究應(yīng)用電紡芯鞘纖維為模板調(diào)控分子自組裝原位構(gòu)建功能納米體系的可行性、有效性和實(shí)用性。

“我們的策略為先通過top-down同軸電紡制備聚合物基芯鞘納米纖維，再以纖維為模板、利用其直徑的納米尺度限定作用和芯鞘結(jié)構(gòu)的模板作用、在一個(gè)微觀區(qū)域內(nèi)調(diào)控自組裝基元分子的轉(zhuǎn)運(yùn)與接觸，實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對可控的bottom-up分子聚集組裝過程。”余燈廣介紹說，其具體的研究內(nèi)容包括：發(fā)展同軸電紡工藝（溶劑環(huán)流三級同軸紡、稀溶液環(huán)流同軸紡、升溫同軸紡）；制備新型人工自組裝材料，即具有成分空間分布特征、多組分復(fù)合的水溶性聚合物基芯鞘纖維；通過“溶解—疏水”作用啟動(dòng)分子自組裝構(gòu)建納米體系；研究芯鞘結(jié)構(gòu)纖維電紡成型機(jī)理及其對分子自組裝的調(diào)控機(jī)制；闡明復(fù)合纖維組成成分、結(jié)構(gòu)特征和環(huán)境因素等對分子聚集組裝的原位協(xié)同調(diào)控機(jī)理。若是項(xiàng)目研究成功，將為建立多組分可控自組裝提供新方法，為構(gòu)建新型人工自組裝功能納米材料開發(fā)新途徑，并會發(fā)展出功能導(dǎo)向的自組裝新體系和新技術(shù)。

至今為止，該在研項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)表SCI研究論文25篇，獲得中國發(fā)明專利授權(quán)8項(xiàng)。他說：“等這個(gè)項(xiàng)目完成后，我將在此基礎(chǔ)上開發(fā)一系列新型人工自組裝功能納米材料，和相關(guān)新型納米給藥系統(tǒng)，那時(shí)候?qū)M(jìn)行相關(guān)對比研究以及動(dòng)物試驗(yàn)?！?/p>

當(dāng)然，這只是他計(jì)劃的一部分，未來，余燈廣還計(jì)劃領(lǐng)導(dǎo)“電紡纖維與環(huán)境應(yīng)用”團(tuán)隊(duì)，圍繞“環(huán)境問題”功能材料的開發(fā)和應(yīng)用開展研究?！熬唧w來說，這項(xiàng)工作將主要聚焦在三個(gè)方面。在原材料的加工處理方面，我們計(jì)劃將各種常見的天然原材料、聚合物、碳材料、合成有機(jī)材料和無機(jī)納米粒子整合加工成纖維材料或纖維狀復(fù)合材料、混雜材料。”各種電紡技術(shù)（單紡、同軸紡、并列紡、融熔紡、無針頭電紡）以及它們與其它技術(shù)的聯(lián)用（如傳統(tǒng)紡絲技術(shù)、纖維改性技術(shù)、高壓靜電噴霧技術(shù)），在纖維材料制備以及功能化中的有效應(yīng)用是余燈廣的第二個(gè)關(guān)注點(diǎn)?！白詈?，我還打算研究可應(yīng)用于環(huán)境檢測、保護(hù)和修復(fù)的各種先進(jìn)功能材料?！彼f。

身為一名師者，余燈廣很重視培育學(xué)生的創(chuàng)新能力。到今天，他已經(jīng)指導(dǎo)了全國大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)3個(gè)小組、上海市大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)5個(gè)小組參加比賽，獲得了諸多獎(jiǎng)項(xiàng)。在平日的授課中，余燈廣也很“考究”，他在全英文本科課程《現(xiàn)代材料分析方法》中，創(chuàng)新性地實(shí)施了一種嶄新的“三位一體”課程教學(xué)模式。在該模式中，余燈廣將工程課程（其中的專業(yè)基礎(chǔ)課程）教學(xué)、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)、全英語課程教學(xué)這“三位”，進(jìn)行了系統(tǒng)化和有機(jī)化的整合，為“工程型、創(chuàng)新性、國際化”的綜合型人才培養(yǎng)提供了具體的貫徹實(shí)施途徑。同時(shí)，他還強(qiáng)調(diào)師生“互動(dòng)共舞”的課程教學(xué)組織形式。余燈廣在專業(yè)基礎(chǔ)課程的課堂理論教學(xué)中采用全英文師生互動(dòng)授課。而在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中，他進(jìn)一步要求學(xué)生與自己一起邊實(shí)驗(yàn)、邊檢測、邊回顧一些課堂上講述的工程專業(yè)詞匯、專業(yè)術(shù)語和工程實(shí)踐方法?！罢n堂是老師的，更是學(xué)生的?！彼f。