在医疗防护和日常健康管理中，体表生物液体的高效管理至关重要——无论是汗水、伤口渗出液还是血液，都需要被迅速清除以维持卫生、舒适和健康。尽管自然界中蜘蛛丝、仙人掌刺、涉禽鸟喙、沙漠甲虫、南洋杉叶片等生物结构启发了研究者们通过表面自由能或形貌梯度实现定向液体输运，但传统人工材料大多仅依赖垂直方向上的毛细驱动力来促进液体穿透，却忽视了液面横向铺展与纵向渗透的协同效应。这导致多数多孔基材对微升量级液滴的吸收时间长达数秒，远不能满足快速吸收的实际需求。

河南大学鞠婕教授、姚晰教授、罗玉琼副教授和中科院理化所江雷院士合作，开发出一种可规模化制备、坚固耐用的仿生三层复合结构——微纤维阵列-多孔粘附中间层-纤维支撑体（MA-PA-FS）。该结构模仿木耳菌背面“微毛覆盖多孔基底”的构型，通过静电植绒技术与非溶剂诱导相分离（NIPS）工艺相结合，实现了半连续化生产。优化的MA-PA-FS复合材料可在9.3 ms内吸收 5 ml水滴，比单纯多孔对照表面快三个数量级，并能有效吸收猪血等高粘性生物流体，同时兼具高透湿性和优异机械耐久性。相关论文以“A Scalable, Robust, and Bioinspired Liquid Diode for Ultrafast Unidirectional Absorption”为题，发表在《Advanced Materials》上。

制备工艺与结构特征

研究团队首先将聚乙烯醇（PVA）溶液刮涂在无纺布上，随后施加高压静电场，使短纤维极化并垂直飞向涂覆有PVA的基底表面，形成定向排列的微纤维阵列。接着，将植绒后的织物浸入异丙醇中进行非溶剂诱导相分离，使均匀的PVA溶液分离为富PVA相和贫PVA相，从而形成多孔粘附中间层。之后通过戊二醛交联增强结构稳定性，并在红外加热下干燥，最终获得可卷绕收集的MA-PA-FS复合材料。该材料由三层构成：上层微纤维阵列、多孔PVA中间层和纤维支撑体。扫描电镜图像清晰显示，垂直排列的微纤维通过多孔PVA层锚定在无纺布上，完美复制了木耳菌的“微毛-多孔基底”双层结构。

三层MA-PA-FS复合材料的半连续制备与结构表征

参数优化与吸收性能

为获得最佳吸收性能，研究团队系统考察了纤维种类、长度、植绒电压和时间、PVA浓度、相分离时间以及不同纤维支撑体等因素的影响。结果表明，采用亲水的尼龙纤维（接触角71.7°）比粘胶纤维（13.1 ms）和棉纤维效果更佳，纤维长度300.3 mm、植绒电压12 kV、植绒时间60 s为最优参数。PVA浓度10%、相分离时间180 min时形成的多孔结构具有最佳连通性，吸收时间最短。值得注意的是，即使更换不同润湿性的纤维支撑体，MA-PA-FS的吸收时间均低于20 ms，表明该方法具有广泛的基底兼容性。

MA-PA-FS复合材料的制备参数优化

单向吸收动力学解析

当水滴轻轻放置在MA-PA-FS正面（微纤维层）时，液滴迅速铺展为体相和前沿两部分，前沿薄膜的扩展速度明显快于体相，随后体相停止扩展并逐渐收缩，作为储液库维持前沿薄膜的持续推进，整个吸收过程仅需9.3 ms。然而，在MA-PA-FS反面（纤维支撑层）滴加同样体积的水滴，吸收时间长达480.0 s，比正面慢了四个数量级，且仅有垂直渗透而无横向铺展。进一步测试表明，0.2 ml水滴即可从正面穿透至反面，而反面需至少40 ml才能穿透至正面，正反两面截然不同的穿透阈值清晰证明了其单向液体输运特性，即“液体二极管”效应。

不同复合结构的水吸收动力学

粘性液体吸收与实用性能

针对实际生物体液的高粘性特点，研究团队测试了不同浓度的PVA溶液（粘度1.0~50.9 mPa·s）和新鲜猪血（粘度4.1 mPa·s）的吸收情况。随着粘度增大，吸收时间有所延长，但即使对于粘度高达50.9 mPa·s的液体，MA-PA-FS仍可在190 ms内完成吸收，猪血则能被快速完全吸收。透湿性测试表明，MA-PA-FS的水蒸气透过率与原始无纺布相当，保证了穿戴舒适性。在耐磨性测试中，经过100次砂纸线性磨耗循环后，微纤维虽略有磨损但吸收时间仍保持在60 ms以内；经过100次弯曲-压缩循环后，正反面吸收性能均无明显变化，展现出优异的机械耐久性。

MA-PA-FS的粘性液体吸收、透湿性和耐磨性

总结与展望

本研究提出的半连续化制造策略成功解决了仿生微纤维覆盖多孔结构在规模化制备和机械稳定性方面的关键难题。所获得的MA-PA-FS三层复合材料通过侧向毛细铺展与垂直渗透的协同机制，实现了高单向液体吸收速率、高透湿性和良好力学耐久性。该结构还可进一步赋予抗菌、导电、红外屏蔽等功能，有望推动新一代功能性纺织品、可穿戴设备及先进创面敷料的开发，为生物医学和个体防护领域的液体管理界面设计提供了可行的规模化路径。

（来源：易丝帮）