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  采用傳統靜電紡絲技術制備的二維納米纖維膜，纖維與纖維之間只是簡單的堆積，這導致了膜的拉伸力學強度很差，對纖維之間的交叉點進行焊接是提高納米纖維膜力學強度的一種有效方法。然而，傳統的纖維焊接方法（如熱退火、化學交聯、溶劑/蒸汽處理等）通常對整張納米纖維膜進行處理，不具備焊接區域的選擇性和可控性，也不能夠在納米纖維膜上進行圖案化（patterning）焊接。為此，佐治亞理工學院夏幼南教授團隊研發了一種通過光熱效應來焊接納米纖維的方法，可實現在納米纖維膜上圖案化焊接，并驗證了該種方法在增強納米纖維力學強度和激光打印方面的應用。在此基礎上，進一步將光焊技術與氣體發泡技術相結合，制備了圖案化的三維納米纖維支架，此種支架可根據不同的光焊圖案得到不同形狀和尺寸，在體外研究細胞行為以及體內三維組織再生方面有一定的應用價值。該工作發表于Angewandte Chemie International Edition, 2019, doi.org/10.1002/anie.201907876。

  該工作以乳酸己內酯共聚物（PCL）和近紅外染料吲哚菁綠（ICG）為例，將兩種物質以不同比例混合，通過靜電紡絲制備出含有ICG成分的PCL納米纖維，在近紅外（NIR）激光照射下對納米纖維實施定點加熱焊接。通過改變ICG的比例、激光的強度以及照射時間，可控制納米纖維膜的表面溫度，實現納米纖維之間的交叉點焊接或將照射區域內的納米纖維融化成膜，喪失纖維結構（如圖1所示）。如果僅將PCL納米纖維之間的交叉點焊接，PCL納米纖維膜的力學強度可從17.3 MPa提升到30.7 MPa。文章中進一步將該種方法應用到具有更高熔點（約170 ℃）的聚偏二氟乙烯（PVDF）納米纖維上，同樣通過調整ICG的比例、激光的強度和照射時間，實現了對PVDF納米纖維交叉點的光焊，將PVDF納米纖維膜的力學強度從8.4 MPa提升到14.4 MPa。

圖1. 含有1% ICG的PCL納米纖維膜經過0.4 W cm^–2激光分別照射(A, D) 1 s、(B, E) 3 s、(C, F) 5 s后的(A?C)表面溫度以及(B?D)掃描電子顯微鏡（SEM）照片。

  研究中發現，含有1% ICG的PCL納米纖維膜在經過0.4 W cm^–2激光照5 s后，可從完全不透光的納米纖維膜轉變成透光率高達94%的透明薄膜（如圖2A所示）。受此啟發，該團隊將此技術應用于激光打印。在驗證實驗中，將含有1% ICG的PCL納米纖維沉積在黃色或黑色的紙板上，得到一種新型的“光熱紙（photothermal paper）”（如圖2B所示），并以0.4 W cm^–2激光在紙上寫出“XIALAB”字樣。由于含有ICG的PCL納米纖維顯淺綠色，黃色光熱紙上的字跡顯示為黃綠色，而黑色光熱紙上的字跡則顯黑色（如圖2C和D所示）。該種方法還可適用于不同的聚合物纖維和光吸收染料，可根據需求選取價格低、熱穩定性高或者不降解的聚合物纖維用于光熱紙的制備。由于纖維膜透明度的變化完全依賴于光熱作用，使納米纖維之間的空隙消除變為致密的透明膜，比起傳統的熱敏紙（thermal paper）或者打印體系來說，不需要用到雙酚A或者碳粉，不僅環境友好且有益于人類健康。

圖2. 含有1% ICG的PCL納米纖維膜(A)經過0.4 W cm^–2激光分別照射5 s前后的透光率和SEM圖片以及(B?D)作為光熱紙用于激光打印展示。

  該工作中還展示了在含有1% ICG的PCL納米纖維膜上的圖案化焊接（如圖3A和B所示），并進一步與氣體發泡技術相結合，得到了圖案化的三維支架（如圖3C和D所示）。若改變面具（mask）的形狀和尺寸，則可以得到相應的不同結構的三維支架。從圖3E?G中可以看出，經過光焊的納米纖維為單層的實心結構，而沒有被激光照射到區域中的納米纖維在經過氣體發泡后可以變為多層結構，纖維結構仍然存在，這種具有空間圖案化的三維支架在生物醫學領域有潛在的應用價值。在驗證實驗中，首先制備一個兩側被焊接、中間被膨起的三維支架（如圖H?J所示），然后在支架上種植成纖維細胞（NIH-3T3），培養3天后，可以發現在焊接區域，細胞趨向于粘附在膜的上下層，沒有觀察到細胞的滲透生長。相比之下，在膨起區域細胞的生長貫穿了整個支架，并且支架的形狀和結構沒有明顯變化。該種三維支架在作為三維模型體外研究細胞行為或者作為三維支架用于組織再生方面都具有很好的應用價值。

圖3. (A?G)在含有1% ICG的PCL納米纖維膜上的圖案化焊接并進一步與氣體發泡技術結合制備三維支架；(H?K)NIH-3T3細胞在圖案化三維支架上培養3天后的生長情況。

  總結：該工作提出了一種簡單通用的制備光熱納米纖維的方法，即通過靜電紡絲將光吸收染料摻雜到聚合物纖維中。通過調節染料的比例、激光強度和時間等參數，可以有效控制納米纖維的光焊程度，即僅在纖維交叉點焊接或將照射區域納米纖維完全融合成薄膜。當納米纖維僅在交叉點焊接時，其拉伸力學強度可以得到有效提升。當納米纖維完全融合成膜時，不透光的納米纖維膜可轉變成透明薄膜。由于不涉及化學物質或碳粉，基于該種納米纖維制備的“光熱紙”在激光打印等相關領域有很好的應用前景。另一方面，通過使用面具，可在納米纖維膜上實現圖案化的光焊，進一步與氣體發泡技術相結合后，可得到具有圖案化的三維支架，該種三維支架保留了納米纖維結構，可作為三維模型體外檢測細胞生長行為，更可作為三維支架在組織再生中促進細胞滲透生長和營養物質的傳輸等，為功能納米纖維的開發以及應用提供了新思路。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201907876

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