3D/4D打印多功能纤维基可穿戴用于类刺绣图案化、AIE化学传感及单向导液

纤维基可穿戴器件在显示、化学传感和生物流体管理等领域应用广泛，但传统合成聚合物纤维（如PET、PP）不可降解，会导致环境污染并威胁生物健康，天然可降解材料（如PLA）面临着在常规3D打印中（如FDM）打印精度低、在电纺丝过程中又难以形成可控结构的问题，限制了PLA基多功能可穿戴器件的发展。香港城市大学吕坚院士、香港中文大学（深圳）唐本忠院士和复旦大学彭琛副研究员团队合作，通过整合可降解聚乳酸（PLA）与熔融电纺丝直写（MEW）技术，开发出兼具类刺绣图案、AIE化学传感及生物流体单向导液功能的纤维基可穿戴平台。该平台利用MEW高打印精度优势构建PLA微纤维结构，通过组件设计和结构优化实现多功能集成，解决了传统材料的环境与性能痛点。功能的纤维基可穿戴平台。该平台利用MEW高分辨率优势构建PLA微纤维结构，通过组件设计和结构优化实现多功能集成，解决了传统材料的环境与性能痛点。相关工作以“3D/4D printed versatile fibre-based wearables for embroidery, AIE-chemosensing, and unidirectional draining”为题发表在《Aggregate》上。论文第一作者为香港城市大学的刘朋超博士，通讯作者为复旦大学彭琛副研究员、香港中文大学（深圳）唐本忠院士和香港城市大学吕坚院士。
研究内容
1. 多功能PLA微纤维基可穿戴器件设计示意图，通过整合可降解聚乳酸（PLA）与熔融电纺丝直写（MEW）方法，构建了集类刺绣图案、AIE化学传感及单向导液功能于一体的平台。结果表明，该平台通过化学组分设计（掺杂AIE聚集诱导发光分子）和结构设计（Janus疏水/亲水层），实现了化学反应传感与体液流体管理的多功能集成。
 

2. PLA微纤维与网格的制备及表征图，利用MEW技术在双温区控制（150℃储料区、190-220℃喷嘴区）下，通过调节打印速度（25-200 mm/s）和温度，制备了直径≈27 µm的微纤维及最大21×14 cm的网格。结果显示，PLA网格具有良好的可加工性（裁剪、折叠）和生物相容性，为可穿戴设备提供柔性基底。
 

3. PLA图案打印文件生成图，利用MEW中的边界效应和3D Builder软件将2D图像转换为3D模型，通过划分边界区域优化打印路径。结果表明，该方法可将2D图案转化为具有生动细节结构的3D打印图案，相比直接的2D图案打印，图案区域化更精准。
 

4. 3D打印类刺绣图案，采用MEW技术将传统花卉图案及标志（如巴塞罗那队徽、爱因斯坦肖像）转化为双层PLA微纤维结构（厚度≈54 µm）。结果显示，打印图案分辨率高，可实现艺术与技术的融合，验证了PLA在装饰性可穿戴领域的应用潜力。
 

5. PLA-AIE化学传感器的荧光响应图，将CMVMN（一种AIE分子， Aggregate 2022, 4, e239.）掺杂在PLA基体中，制备出枫叶和变色龙形状的传感器。结果表明，该传感器在接触正丁胺和二乙胺蒸气时，分别呈现砖红色和深绿色的颜色，在UV光下荧光从浅黄色转为粉红色和橘色，实现胺类蒸气的可视化检测。
 

6. Janus PLA-棉纺织品（JPct）的单向导液图，通过在亲水棉织物上打印疏水PLA微纤维网格，构建双层结构。结果显示，JPct可将水滴单向传输至棉层，即使从疏水侧接触也能穿透，且在干/湿状态下均表现出优于纯棉的隔热性能，实现皮肤温湿度管理。
 

研究结论
    本研究通过整合可降解聚乳酸（PLA）与熔融电纺丝直写（MEW）策略，制备出具有裁剪、折叠、卷曲等多操作性能的PLA微纤维及网格，并基于该平台实现了从类刺绣图案展示、化学传感及单向导液的多种应用。研究利用MEW边界效应及2D转3D模型生成3D打印文件，制得类刺绣样图案； PLA-AIE微纤维基传感器可对化学蒸气产生变色响应； 具备Janus疏水/亲水结构的PLA-棉纺织品（JPct）能实现生物流体单向导液，助力皮肤温湿度管理。该工作为推动4D打印发展及多功能纤维基可穿戴设备的应用提供了新思路。

文章来源：
https://doi.org/10.1002/agt2.521