——记上海理工大学材料科学与工程学院研究员余灯广

本刊记者  于晓杰

目前，在纳米材料的“top-down”制备方法中，以“电场力”和其他能量方式为工具的方法极具价值，是当下的一个研究热点。“我多年来始终致力于应用高压静电场实施微纳米材料制备的相关技术拓展研究，尤其是高压静电纺丝技术和高压静电喷雾技术。高压静电纺丝技术、高压静电喷雾技术和喷射打印技术统称电流体动力学技术。该技术目前在众多领域都在广泛开展潜在应用研究。”余灯广说。

开创“理”与“据”

余灯广是个“杂家”，他本科学习的是化学工程，博士时期学习的是生物医学工程，而到了博士后，他则选择了纺织科学与工程专业。这期间，余灯广还在湖北双环化工集团公司工作了10年，这段经历让他能从一个更宽广的视角来看待科研。2011年，余灯广几经思索，决定踏入材料科学与工程研究领域，上海理工大学则是这段新旅途的起点。一上路，余灯广就把关注点放在了微纳米材料制造技术上。在他眼中，一种新型微纳米材料制造技术，往往意味着能创造更多的新型结构微纳米材料及实际应用。

极端条件（超高温、高压、超磁以及高电压）下物质的相互作用与理化性能表现，和微观层次物质之间的相互作用是目前人类认识世界、获取知识的两座富矿。“与此相应，在极端条件下制备功能物质、于微观层次操控分子，及用微纳米体系制备功能材料是人类改造世界、获取新方法的先进技术。”在该思路的指引下，他主持了国家自然科学基金委员会与英国皇家学会合作交流项目——“三级同轴电纺制备零级药物缓控释给药系统研究”，取得了新的突破。

虽然三级同轴电纺在基本原理上与单射流电纺没有差别，也就是直接应用高压静电场力对流体进行单步拉伸固化，从而获得纳米纤维。但实际上其实施难度和涉及的经验与知识大不相同。“在单射流电纺中，Taylor锥后的直线射流直接拉伸弯曲或者发生分裂，对其影响并不大。”余灯广介绍道，而在同轴电纺和三级同轴电纺过程中，Taylor锥后的直线射流若是发生分裂，就无法获得所需要的多层纳米结构。此外，在溶剂环流三级同轴纺的实施过程中，如果外层环流溶剂发生分裂，将毁坏纤维收集板上的纳米纤维毡。

“要想高效准确地调控三级同轴纺过程，需要对每种流体在高压电场下的表现与行为，及它们在三级同轴纺的过程中具有的匹配性和协调性，有一个比较清晰的认识。”因此，余灯广带领团队对这些流体的基本理化性能、以及这些理化性能与它们在高压电场下行为之间的关系进行探究，最终发现了芯鞘纳米纤维的三级同轴电纺成纤机理，使得制备结构特征明确、性能优良的三级芯鞘纳米纤维“有理可循”。

通过研究，余灯广还设计了多种应用三级同轴纺制备的多层次纳米结构（药物梯度分布、控释材料梯度分布、芯鞘纳米药物储库、薄层包裹结肠靶向药物储库等），将这些结构特征与纳米纤维的理化性能和功能表现进行有效关联，对稳定可靠地制备出功能高度重现的纳米给药系统尤为关键。“这些微观结构主要特点包括：每层厚度以及彼此之间比率、药物或材料梯度大小与方向、每层的成分与组成、包裹的厚薄以及致孔剂的用量等。”余灯广介绍说，他将这些特点参数结合药物和聚合物基材的理化性能（如极性、水溶性、溶蚀性能、降解性能）进行实验分析，然后通过大量试验数据对其进行总结归纳和分析演绎，建立了三级芯鞘纳米纤维的“微观结构特点—理化性能状况—所需功能表现”之间的内在关联、使得多层结构型纳米纤维状药物零级控释给药系统的研究开发“有据可依”。

聚焦“自组装”

目前，余灯广正在进行“基于电纺芯鞘纳米纤维的分子自组装原位协同调控研究”项目研究。在该项目中，他选用了一些药物活性分子和药用载体材料，并使用了一些药学常规方法，分析表征自组装纳米体系的活性成分包裹率和对活性成分的缓控释效果，这样做的目的是应用它们作为自组装基元物质模型，并通过它们来研究应用电纺芯鞘纤维为模板调控分子自组装原位构建功能纳米体系的可行性、有效性和实用性。

“我们的策略为先通过top-down同轴电纺制备聚合物基芯鞘纳米纤维，再以纤维为模板、利用其直径的纳米尺度限定作用和芯鞘结构的模板作用、在一个微观区域内调控自组装基元分子的转运与接触，实现一个相对可控的bottom-up分子聚集组装过程。”余灯广介绍说，其具体的研究内容包括：发展同轴电纺工艺（溶剂环流三级同轴纺、稀溶液环流同轴纺、升温同轴纺）；制备新型人工自组装材料，即具有成分空间分布特征、多组分复合的水溶性聚合物基芯鞘纤维；通过“溶解—疏水”作用启动分子自组装构建纳米体系；研究芯鞘结构纤维电纺成型机理及其对分子自组装的调控机制；阐明复合纤维组成成分、结构特征和环境因素等对分子聚集组装的原位协同调控机理。若是项目研究成功，将为建立多组分可控自组装提供新方法，为构建新型人工自组装功能纳米材料开发新途径，并会发展出功能导向的自组装新体系和新技术。

至今为止，该在研项目已经发表SCI研究论文25篇，获得中国发明专利授权8项。他说：“等这个项目完成后，我将在此基础上开发一系列新型人工自组装功能纳米材料，和相关新型纳米给药系统，那时候将会进行相关对比研究以及动物试验。”

当然，这只是他计划的一部分，未来，余灯广还计划领导“电纺纤维与环境应用”团队，围绕“环境问题”功能材料的开发和应用开展研究。“具体来说，这项工作将主要聚焦在三个方面。在原材料的加工处理方面，我们计划将各种常见的天然原材料、聚合物、碳材料、合成有机材料和无机纳米粒子整合加工成纤维材料或纤维状复合材料、混杂材料。”各种电纺技术（单纺、同轴纺、并列纺、融熔纺、无针头电纺）以及它们与其它技术的联用（如传统纺丝技术、纤维改性技术、高压静电喷雾技术），在纤维材料制备以及功能化中的有效应用是余灯广的第二个关注点。“最后，我还打算研究可应用于环境检测、保护和修复的各种先进功能材料。”他说。

身为一名师者，余灯广很重视培育学生的创新能力。到今天，他已经指导了全国大学生创新实践活动3个小组、上海市大学生创新实践活动5个小组参加比赛，获得了诸多奖项。在平日的授课中，余灯广也很“考究”，他在全英文本科课程《现代材料分析方法》中，创新性地实施了一种崭新的“三位一体”课程教学模式。在该模式中，余灯广将工程课程（其中的专业基础课程）教学、大学生创新实践活动、全英语课程教学这“三位”，进行了系统化和有机化的整合，为“工程型、创新性、国际化”的综合型人才培养提供了具体的贯彻实施途径。同时，他还强调师生“互动共舞”的课程教学组织形式。余灯广在专业基础课程的课堂理论教学中采用全英文师生互动授课。而在大学生创新实践活动中，他进一步要求学生与自己一起边实验、边检测、边回顾一些课堂上讲述的工程专业词汇、专业术语和工程实践方法。“课堂是老师的，更是学生的。”他说。