DOI: 10.1021/acsami.0c17706

随着科学、技术和工业领域对于高表面积、多孔纳米纤维垫的兴趣日益高涨，静电纺丝已成为一种生产适用于生物医学、能源和环境应用的纤维组件的常用方法。然而，并不是所有的前体溶液或复杂的几何构型都可以使用传统的单喷嘴装置轻易地制备出来。因此，研究人员已开发出一种同轴静电纺丝技术，它是静电纺丝的改良版，其特征是配备有同轴定向双喷嘴。本文首先介绍了两种前体溶液同时静电纺丝的机理以及制备连续纤维需要优化的操作参数。接下来，将讨论如何对同轴静电纺丝工艺进行改进，使之能够制备出具有改善性能的均一纤维，此外，还探讨了如何由“不可纺前体”制备出中空功能化纤维。在本综述中，作者阐述了同轴电纺纳米纤维在不同领域的应用实例。最后，就同轴静电纺丝的当前局限性和挑战进行了讨论。

图1.（A）经典单喷嘴静电纺丝装置的示意图。喷丝头连接到装满前体溶液的注射器上，该前体溶液使用前进泵以受控的流速进行供给。使用高压电源在喷嘴和收集器之间施加电压。（B）静电纺丝射流在从喷嘴到收集器的过程中经历了多轮振荡不稳定性。

图2.（A）同轴静电纺丝装置的示意图。使用两个不同的注射泵，以受控的流速向喷丝头供应芯和鞘前体。使用高压电源在喷丝头和收集器之间施加电压。（B）内喷嘴和外喷嘴的相对排列会影响纤维的形成。例如，右下方的透射电子显微照片显示，当内喷嘴从外喷嘴伸出时，会使芯层更厚，鞘层更薄。

图3.透射电子显微照片显示（A）具有芯鞘结构的单根纤维。（B）芯没有完全被鞘包裹，因此芯暴露在环境中。（C）在直且厚的纤维鞘中可见弯曲的芯。

图4.改进的同轴静电纺丝设置。研究人员展示了同轴静电纺丝装置，不是使用两个同轴定向喷嘴，而是（A）将较小的喷嘴垂直插入较大的喷嘴中；（B）缩短或移除芯喷嘴的切芯设置，以及（C）三个同轴定向喷嘴，以实现三流体静电纺丝。（D）通过位于喷丝头和收集器之间的导电环施加二次电场。

图5.芯和鞘前体溶液中的聚合物浓度影响合成的平均纤维直径。（A）扫描电子显微照片表明同轴静电纺丝聚（L-乳酸）（PLLA）纤维直径随鞘层聚合物浓度的变化，整体纤维直径随聚合物浓度的增加而增大。比例尺为10μm。（B）左：随着芯层聚合物的浓度增加，芯和整个纤维直径均增大。右：芯直径与总直径之比增加。

图6.芯层和鞘层前体溶液的可混溶性影响最终的纤维形态。透射电子显微照片显示使用相同的鞘液（含钛醇盐和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的乙醇和乙酸混合物）和不同的芯溶液（包括（A）含PVP的乙醇，（B）含聚苯乙烯（PS）的二甲基甲酰胺（DMF）/四氢呋喃（THF）和（C）矿物油）同轴电纺制备的纤维。（A）当纤芯和鞘的前体可混溶时，两种溶液在静电纺丝过程中混合，并产生固体纤维。（B）当芯聚合物与鞘聚合物不混溶，但溶剂可混溶时，首先进行溶液混合，然后在溶剂蒸发后将聚合物相分离。除去PS和PVP后，PVP-TiO2基体内的PS富集区和PS贫化区形成了多孔纤维。（C）当使用不溶混的芯溶液（矿物油）并在纺丝后除去时，可获得中空纤维。

图7.电压对同轴静电纺丝的影响。（A）当电压太低（亚临界）时，鞘不会夹带芯。通过在临界电压的适当范围内增加电压，可以形成复合且稳定的泰勒锥。在超临界电压下，观察到射流分裂现象。（B）纤维总直径随施加电压的增加而减小。（C）纤维总直径随鞘层流速的增大而增大。（D）纤芯和纤维总直径随芯层流速的增大而增大。

图8.通过（A）单喷嘴和（B）同轴静电纺丝封装。（A）在单喷嘴静电纺丝中，将包封的物质与可静电纺丝的聚合物溶液混合。（B）在同轴静电纺丝中，可以将包封的物质放在芯中以减轻与鞘层溶剂的接触。

图9.鞘层含有甲硝唑（MNA），芯层含有柚皮素（NAR）的芯鞘纤维的抗菌活性。随着MNA浓度的增加，抑制区域增大。（A）不含任何药物的对照芯鞘纤维。（B）由含0.2w/v％MNA的鞘前体和含0.7w/v％NAR的芯前体电纺丝制备的纤维。（C）由含0.4w/v％MNA的鞘前体和含1.5w/v％NAR的芯前体电纺丝制备的纤维。

图10.含PCM的芯鞘纤维垫的储热效率。将小玻璃瓶加热至60℃，然后冷却至4℃。在没有隔热层的情况下，冷却需要7分钟（黑色曲线）。但是，当小玻璃瓶完全用含PCM的芯-鞘纤维垫包裹时，需要16分钟的冷却时间（蓝色曲线）。

图11.通过同轴静电纺丝制备自愈材料。（A）通过同轴静电纺丝将固化剂和树脂同时或依次封装在不同的纤维中。（B）当裂纹扩展时，固化剂和树脂从芯-鞘纤维中释放出来并相互反应，导致固化或树脂聚合，从而使裂纹愈合。（C）在冷轧钢表面上涂覆含有愈合剂的纤维，并与对照表面（无纤维涂层）进行比较。使用剃刀刀片切割表面，并在盐水中浸泡120小时，然后保存3个月。3个月后，涂层样品没有生锈，表明纤维具有自愈能力。

图12.示意图显示了（A）传统同轴静电纺丝，（B）电吹和（C）液体辅助静电纺丝（LAES）装置之间的区别。（A）在常规的同轴电纺丝中，内喷嘴通常从外喷嘴中伸出，并且鞘层的流速应高于芯层，以利于芯层的封装。鞘前体需要是可静电纺丝的。（B）在电吹工艺中，鞘前体是气体。（C）在LAES中，内喷嘴位于外部喷嘴内至少1mm。芯前体的流速高于鞘层的流速，鞘层可以是不可纺的溶剂或稀释的聚合物溶液。

图13.扫描电子显微镜照片显示电吹过程中气体流速对纤维形态的影响。（A）在2.5L/min的较低气体流速下，纤维相互连接或呈网状；而（B）在10L/min的高速率下，相互连接的结点数量明显减少。比例尺为10μm。

图14.（A）Teflon AF鞘使纤维垫具有158°的超疏水接触角，而仅PCL的纤维垫具有125°的水接触角。（B）仅明胶的纤维垫在浸入水中后会水合，而（C）由明胶芯和Teflon AF鞘组成的纤维不吸水。