编码微纤维是一类具有可编程结构的微尺度纤维材料，其高度可控且灵活的微观结构受到了各领域研究人员的广泛关注。当前，制备编码微纤维通常采用微流体纺丝技术。然而，传统的微流体纺丝技术需要复杂且昂贵的装置，并且难以在微纤维中生成连续的、复杂度较高的编码结构。这限制了编码微纤维在信息传输和生物医疗等领域的应用。因此，迫切需要开发一种简单、灵活、并且具备优秀可编程性能的新型纺丝技术，以降低编码微纤维的制备难度，提高其结构复杂性，促进编码微纤维在各个领域的实际应用。
为了解决上述问题，中国科学技术大学徐晓嵘教授和司廷教授课题组首次提出了一种基于振动激励的动态界面纺丝技术。该技术无需复杂的纺丝装置，仅依靠振动的同轴喷嘴，即可实现对于水凝胶微纤维的可编程化结构调控。同时，其制备的编码微纤维的结构复杂度得到了大幅提高，不仅可以用于信息存储和加密，还可以实现精准的药物释放。
受到蟾蜍卵带微结构的启发，研究团队开发了一种动态界面纺丝技术，用于制备包裹微球的水凝胶编码微纤维。如图1所示，该纤维由连续的海藻酸钠水凝胶外壳和离散的光固化材料内核组成。通过调整喷嘴构型，内部的单核结构可以拓展为双核、Janus内核、以及具有壳核结构的微囊。不同于传统微流体技术中复杂且封闭的纺丝装置，动态界面纺丝技术依靠在凝固浴（即CaCl2溶液）界面振动的同轴纺丝喷嘴来制备微纤维，因此具备过程简单、装置灵活、以及环境开放等优势。纺丝喷嘴的垂直振动会对成型中的微纤维施加剪切力作用，诱导纤维外壳的变形，并引发纤维内部连续相的破碎，从而形成离散的液滴（图2）。因此，通过调节施加的振动激励的振幅和频率，该技术可以对微纤维的内外部结构进行精确的调控。
图1. 仿生编码微纤维的制备，结构和应用。
更为重要的是，借助振动激励的可编程特性，研究团队成功制备了一类新颖的体积编码微纤维，可以实现信息的存储和加密。该纤维内部包含两类不同大小的编码微球（分别代表0和1）。待储存的信息内容首先被转换为ASCII码（基于拉丁字母的一套二进制编码系统）。然后，纤维内部两类编码微球的数目和排列可据此进行调整，从而形成一串代表该ASCII码的微球序列，将信息完整地储存在微纤维中。研究团队在一段微纤维上写入了一句戏剧台词，展示了该体积编码微纤维在信息存储领域的实用性（图2）。此外，通过使用具有刺激响应性的微球材料，这些编码微纤维还可以在紫外光或者加热等外界刺激下，显示出明显的颜色变化。将这些外界刺激作为密钥，就可以在二维纤维网络中实现信息的加密和解密。
图2. 仿生编码微纤维用于信息存储。(a) 存储信息的一段微纤维；(b) 微纤维内部编码微球的荧光图片；(c) 编码微球的粒径统计；(d) 储存一段台词的编码微纤维。
为了探索编码微纤维在生物医疗领域的应用，研究团队在纤维外壳中添加了具备光热特性和磁性的四氧化三铁纳米粒子，并且使用了易气化的氟碳化物（HFC）作为内核材料，其体积和排列同样进行了编程化设计。借助外部磁场的操控，该编码微纤维可以在模拟血管进行灵活且可控的移动。并且，在聚焦后的近红外光照射下，负载药物的微液滴可以受热破碎，从而实现定点定量的药物释放（图3）。这种精准的药物释放模式有助于提高有效成分利用率和降低副作用，在生物医疗领域具有重要的实用价值。
图3. 仿生编码微纤维用于可控药物释放。
相关研究成果以“Programmable dynamic interfacial spinning of bioinspired microfibers with volumetric encoding”为题发表于RSC的旗舰期刊《Materials Horizons》上。论文的通讯作者为徐晓嵘教授、司廷教授以及朱志强特任副研究员，论文第一作者为博士生张明。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D1MH00125F