摘要静电纺丝技术是一种利用高压静电将聚合物溶液制备成微米或纳米级纤维的一种较简便的方法。静电纺丝膜具有较高的比表面积、较大的孔隙率等优点,因此在组织工程支架、伤口愈合敷料等领域有广泛的应用。近年来,大量文献报道,通过对天然高分子改性,电纺丝装置的改善,制备出了以天然高分子为基材的,同时具有特殊结构的纳米纤维材料。本文简述了天然高分子静电纺丝的研究进展,概述了制备特殊结构纳米纤维的方法,及其在组织工程支架、伤口愈合敷料等方面的应用。

关键词:静电纺丝;天然高分子;纳米纤维;特殊结构;组织工程支架

Electrospun Nanofibers of Natural Polymers and Their Applications

LI Ya-jing, Hou Dan, LI Chun-xia, LIU Xiao-qiang, NIE Jun, MA Gui-ping, YANG Dong-zhi*

School of Materials Science and EngineeringBeijing University of Chemical TechnologyBeijing 100029China

Abstract: Electrospinning is a simple technology to prepare micro or nanoscale fibers from polymer solutions based on high voltage electrostatic repulsions. Electrospun nanofibers membranes have been extensively applied in tissue engineering and wound dressing, due to their amazing properties, such as high specific surface area, large porosity. In recent years, nanofibers based on natural polymers with special nanostructures have been prepared via electrospinning by modifying natural polymers and improving electrospinning devices. This paper presented a brief overview of natural polymers electrospinning. The approaches of preparing special structure nanofibers were summarized. The applications of electrospun nanofibers in tissue engineering, wound dressing were also reported.

Key Words: Electrospinning; Natural polymers; Nanofibers; Special structure; Tissue engineering

引言

静电纺丝技术是一种利用高压静电将聚合物溶液或熔体制备成微米或纳米级纤维的加工技术。与传统的纺丝方法相比,静电纺丝制得的纤维具有优异的性能,如:比表面积大、孔隙率高、较高的导热、导电性能等,因此它们被广泛应用于组织工程支架、伤口敷料、药物输送系统[1,2]、过滤膜以及很多生物医学领域。如今,已有超过200种高分子被应用于电纺丝研究,并应用上述各个领域。

  1. 天然高分子静电纺丝
    1. 天然高分子

与合成高分子相比,天然高分子具有良好的生物相容性,低免疫原性,在生物医学领域具有得天独厚的优势,利用天然高分子进行静电纺丝的另一重要原因是其固有的生物相容性以及细胞与其良好的贴附能力。典型的天然高分子包括胶原、壳聚糖、明胶、酪蛋白、醋酸纤维素、丝素蛋白、甲壳素、纤维蛋白原等。近些年,包括壳聚糖、胶原、明胶、弹性蛋白、丝素蛋白的静电纺丝在文献中已经有大量报道[3-8]。从上述列举的这些可以静电纺丝的天然高分子中,我们选取其中几种典型的天然高分子进行讨论,如表1所示。

1. 可用于静电纺丝的各种天然高分子及其应用

天然高分子 应用 参考文献

纤维蛋白原 伤口敷料 Wnek et al. [18]

醋酸纤维素/聚乙烯醇 生物材料 Ding et al.[19]

醋酸纤维素 吸附膜 Zhang et al. [20]

丝素蛋白,蚕丝/聚环氧乙烷 纳米纤维组织工程支架 Jin et al. [21]

蚕丝 生物医药领域 Zarkoob et al.[22]

丝素蛋白 伤口敷料的纳米纤维支架 Min et al. [23,24]

蚕丝/壳聚糖 伤口敷料 Park et al. [25]

壳聚糖/聚环氧乙烷 组织工程支架,药物输送 Duan et al.[26]

伤口敷料

明胶 伤口愈合支架 Huang et al.[27]

透明质酸 人体植入物 Um et al.[28]

纤维素 亲和膜 Ma et al. [29]

明胶/聚苯胺 组织工程支架 Li et al. [30]

胶原/壳聚糖 生物材料 Chen et al.[31]

由天然高分子制成的支架材料在临床上有很好的应用,但是由于天然高分子固有的特性,如结晶性高导致的纺丝溶剂选择受限、膜的亲水性强导致的强度差、降解速率过快等限制了其大规模应用。因此,人们开始关注部分改性天然高分子。为解决溶解性难题,选择高挥发性含氟溶剂是一种被广泛采用的方法。以胶原为例,胶原是一种典型的生物高分子,其良好的生物和理化性质使其能够广泛应用于组织工程领域。目前,纯胶原蛋白或胶原-聚己内酯两者共混物静电纺丝广泛使用的仍是高挥发性含氟溶剂,如1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇[9-11]2,2,2-三氟乙醇[12]Zeugolis et al. [13] 首次将胶原溶解在上述溶剂中进行电纺丝,胶原本身的性质会发生改变,如胶原结构出现变性,非胶原蛋白结构的变性温度降低等[14-16]。天然高分子虽然会发生变性,但与合成高分子相比,具有明显的优势,许多天然高分子本身就是生物体组织的一部分,如层粘连蛋白是生物体基底膜的重要组成部分,它主要起到促进细胞粘附,生长,在体外诱导分化的作用。Neal et al. [17] 制备出直径范围是90-300nm具有珠网状形态的层粘

简介:杨冬芝(1976-),女,副教授,博导,研究方向为天然高分子、电纺丝、仿生材料等;

*通讯联系人E-mailyangdz@mail.buct.edu.cnTel:010-6442131013810687528

连蛋白Ι型纳米纤维,同时他们研究发现电纺层粘连蛋白不需要交联剂,其结构特点与胶原明显不同。

      1. 丝素蛋白

丝绸是一种典型的天然纤维,它来源于蚕和蜘蛛,千百年来一直是纺织工业的骄子。丝素蛋白主要分成疏水性丝素和亲水性丝胶,由于具有良好的生物相容性,生物可降解性,弱炎症反应和优良的机械性能[32-36],丝素蛋白被视为生物医学领域最具发展前景的材料之一。从1998年开始,陆续有报道丝素蛋白能够通过静电纺丝的方法形成纳米级纤维,研究多选用 六氟-2-丙醇(异丙醇)作为溶剂[37,38]起初,研究人员在丝素蛋白电纺丝过程中遇到了一些问题,主要是选择合适的溶剂和控制丝素蛋白的构象转变[39]在此之后,Sukigara[40,41]研究了电纺丝影响参数(电场强度,接收距离和浓度)对纤维形貌及直径分布的影响。研究发现,制备100nm以下均匀圆柱形纤维时,丝素蛋白的浓度是最重要的影响参数。选择成纤性好的亲水性高分子与之共混改善成纤性,也是一种常用的方法,Jin等人[21]采用六氟-2-丙醇(异丙醇)水溶液制备出直径达800-1000nm的丝素蛋白/聚环氧乙烷(PEO)共混电纺纤维。PEO的加入,大大提高了纤维的直径,同时也降低了纤维的力学性能和生物相容性。为避免这些问题,研究人员利用家蚕丝水溶液进行电纺丝,直接制备出丝素蛋白纤维[42,43]Zhang等人[44]研究人体主动脉内皮细胞和人体冠状动脉平滑肌细胞在电纺丝素蛋白纤维支架上的生长情况,结果表明其在血管组织工程领域具有潜在的应用价值。

丝素蛋白具有良好的生物相容性和可调控的生物降解性,在组织工程领域具有良好的应用发展前景,未来的研究方向应该是全面了解丝素蛋白对于组织工程领域中种子细胞,如动物组织来源的原代细胞或干细胞的作用及生物学功能,并进一步深入研究细胞-材料复合支架的力学性能、降解性及动物体内的功能性[45]

1.1.2 壳聚糖

壳聚糖是一种具有生物相容性、可生物降解性、抗菌性的天然高分子,它广泛应用于生物医药及化妆品领域。由于壳聚糖的高结晶性,可选择的电纺溶剂范围有限,因此早期的壳聚糖电纺丝研究主要集中于壳聚糖与水溶性合成高分子的共混电纺。这种方法不仅可以改善壳聚糖体系的成纤性,还可以赋予其新的性能。聚乙烯醇(PVA)和聚环氧乙烷(PEO)是最常用的用来改善壳聚糖性能的两类水溶性高分子[46-49],一些课题组应用PVAPEO与壳聚糖共混制备出的纳米纤维膜并将其应用于组织工程和医用敷料领域[50,51]

为避免壳聚糖的高水溶胀性给使用过程中带来的负面影响,研究者将壳聚糖改性制备成油溶性衍生物,再与疏水性聚酯如PLA共混纺丝。如Milena Ignatova[52]将壳聚糖和季铵化壳聚糖分别与PLA共混,在三氟乙酸或者是二甲基甲酰胺溶液中制备PLA/CS多孔纳米纤维膜。有研究报道,季铵化壳聚糖与PLA共混得到的电纺丝纳米多孔膜可以抑制子宫颈癌细胞的生长[53]

除了共混法外,纯壳聚糖的静电纺丝直到2004年才得以发展,但是所使用的溶剂也很苛刻,如使用四氢呋喃(THF)和乙酸作为溶剂对纯壳聚糖直接进行静电纺丝,制备出直径在130nm以下的无纺壳聚糖纤维[54,55],这类纤维大多连续性差,无法制备出强度能够满足需要的纳米纤维膜。

在天然高分子的电纺丝膜应用中,不仅限于壳聚糖,还包括其他的天然高分子也存在同样的问题,如亲水性好,但易发生溶胀从而失去强度,一般需要交联后使用。文献中报道的交联方法主要有戊二醛交联法和光交联法。戊二醛交联法主要利用壳聚糖的胺基和戊二醛的醛基发生Schiff反应[56,57],从而使壳聚糖分子之间通过化学键相连成网状结构。Schiffman[58]详细研究了利用戊二醛蒸汽对壳聚糖电纺丝纤维进行交联,并提出了一步法制备交联壳聚糖电纺纤维,将戊二醛水溶液加入到壳聚糖的三氟醋酸纺丝溶液中,在纺丝过程中发生交联反应,这种方法将会有助于壳聚糖纳米纤维膜的大规模生产[59]。光交联法是利用紫外光交联技术交联速度快、节能方便等特点来进行交联。甄洪鹏等[60]研究了壳聚糖/聚乙烯醇的共混体系中加入可光交联的单体二缩三乙二醇双甲基丙烯酸酯(TEGDMA)、引发剂2-羟基-2-甲基-1苯基丙酮(1173),对电纺丝纤维进行紫外光交联,结果表明所得的无纺布纤维直径比较均一,经光交联处理后纤维的耐水性得到提高。靳钰等[61]研究了利用光交联剂聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)和光引发剂2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮(HEPK)对壳聚糖/聚乙烯醇电纺丝纤维进行交联,结果表明材料的耐水性有显著提高,随着PEGDMA/HEPK含量的增加,材料的溶胀率下降。Milena Ignatova[62,63]先以三乙二醇二丙烯酸酯(TEGDA)为交联剂,2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(DMPA)为光引发剂,实现了壳聚糖/聚乙烯醇纤维的光交联。还以TEGDA4,4-二叠氮基二苯乙烯-2,2-二磺酸磷酸氢二钠盐(DAS)为光交联剂,在DMPA引发下对壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)纤维进行光交联,其中TEGDA用来交联壳聚糖,DAS用来交联PVP。同时,研究人员还对上述两种光交联的壳聚糖纤维进行了抗菌性实验,结果表明,所获得壳聚糖电纺膜能够明显抑制革兰氏菌的增长。

壳聚糖这种天然高分子与其他天然高分子相比,除了具有优异的生物相容性之外,由于它的分子中具有胺基,可在弱酸性条件下形成阳离子聚电解质,同时具有抗菌性。因此,在外科手术、医用敷料等领域具有独特的优势。而对于壳聚糖的电纺丝而言,纯的壳聚糖纳米纤维膜强度达不到使用要求,与之匹配的助成纤分子的选择是至关重要的。

1.1.3胶原蛋白

胶原蛋白,人体内最丰富的蛋白质家族,已被广泛应用于体内、体外的组织工程领域。在人体组织中,I型和III型胶原是细胞外基质的主要组成物质[64]。胶原蛋白的主要功能是为组织提供结构性支持,因此,它被视为在组织工程领域“理想”的支架材料[65]。胶原蛋白静电纺丝过程中出现的关键性问题是如何选择合适的高挥发性溶剂,并能够溶解足够浓度的胶原蛋白。How et al.首先将I型胶原溶解在六氟丙烯(HFP)中,并成功电纺[66]。丝素蛋白纤维支架被用于间充质干细胞(hMSCs)骨髓体外形成[5]。通过骨髓间充质干细胞在支架上的粘附和增殖,人们对PLGA纳米纤维支架、丝素蛋白/PEO复合纳米纤维支架进行了比较,结果表明,天然的丝素蛋白在一定程度上促进了细胞的粘附和增殖[67-70]

在组织工程研究领域,特别是骨组织工程领域,由于电纺胶原蛋白纤维支架由于能高度模拟人体内的胶原蛋白网络,相对于其他天然高分子,有更广泛的应用价值[71-76]

1.1.4 透明质酸

透明质酸,一种线性多糖,由葡萄糖醛酸与N-乙酰氨基葡萄糖重复单元组成,也是结缔组织的细胞外基质的主要组成部分,是最常用于组织工程领域的、以碳水化合物为基体的天然高分子[77-79]。此外,透明质酸也被广泛应用于其它生物医学领域,如伤口敷料、治疗关节炎、药物输送和植入材料等[80-82]。由于透明质酸具有高粘度、高表面张力、较强的水溶性,很难形成均一的电纺纳米纤维。此外,在纺丝过程中,溶剂的挥发不充分,较强的保水能力会导致接收的纳米纤维溶解。随着电吹技术的发展,一些研究人员从水溶液中成功制备出了透明质酸纳米纤维膜[68]Um et al.[83]报道了应用电吹技术有效地蒸发溶剂分子,同时保持纺丝液的低粘度和表面张力,在这一过程中,两个过程参数,如空气流动的速度和温度对透明质酸纳米纤维的成形起到了至关重要的作用。

1.1.5 明胶

明胶这种天然高分子是通过水解胶原蛋白而制得,在药物和医疗领域有广泛的应用 [84,85]。通常来说,明胶分为A型和B型两类,这主要是依赖于胶原蛋白的水解条件。通过常规的干/湿法纺丝制备的明胶纤维并不常见,这主要是由于明胶的聚电解质特性,以及分子内和分子间的氢键作用阻碍了其成纤[86,87]。此外,明胶在较低的温度下(如室温)会发生凝胶化。未经过特殊处理的明胶很少作为组织工程领域的应用材料,制备组织工程支架材料时明胶常与其他高分子共混,如PVAPEO等水溶性高分子以帮助其成纤,在这一过程中大多采用甲酸溶液作为溶剂[88,89]。杨冬芝等[90]采用明胶电纺丝纤维膜制备了载覆盆子酮的药物释放支架,在皮肤敷料和化妆品领域有一定的应用前景。

1.1.6 纤维蛋白原

纤维蛋白原,是一种天然的伤口愈合基质,它可以应用于组织工程支架和止血伤口敷料领域[91]。纤维蛋白原能够诱导细胞的相互作用,易发生降解,无免疫原性,促进细胞的增殖[92]。由于较高的比表面积与体积比有利于血凝块的形成,静电纺丝纤维蛋白原膜非常适合用于生产伤口敷料和止血产品。人们尝试了很多不同的溶剂制备纤维蛋白原电纺丝膜。Wnek[18]将牛血清纤维蛋白原溶解在1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇中,通过静电纺丝的方法制备出直径范围在80-700nm的纤维,该纤维的三维网状结构能够在体内的生理环境下存在,因此可以作为组织工程支架、伤口敷料、止血产品的理想材料。Sell[93]研究了三种不同的交联剂,如戊二醛蒸汽,乙醇中的1-乙基-3-3-二甲氨基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和京尼平对电纺丝纤维蛋白原支架材料机械性能及降解性能的影响,同时将人体包皮成纤维细胞接种在支架材料上,观察细胞生长粘附状况。结果表明,EDC和京尼平作为交联剂能使支架材料机械性能显著提高,降解速率减缓,但交联剂阻碍了生物活性细胞在材料上的生长纤维蛋白原电纺丝膜易吸湿,但不会溶解于生理盐水。作为水合纤维膜能至少在48小时内保持膜的完整性,这一特性非常适合作为止血绷带或组织工程支架材料[94]

与合成高分子相比,以上几种天然高分子作为纺丝的主体材料来用,对于提高材料的生物相容性具有促进作用,但是在强度、耐久性、降解时间等方面均存在一些不足。选择合适的高分子材料与其互补,能够将这种材料的优势发挥到极致,具有实际应用意义。

  1. 具有特殊结构的天然电纺丝纤维

为进一步拓宽应用范围,人们研究了多种特殊结构的电纺微纳米纤维,如多孔结构、核壳结构、定向结构、有机无机杂化结构等,鉴于生物相容性考虑,这其中涉及到生物医学领域的材料大多引入了天然高分子。下面主要对制备各种特殊结构纳米纤维的方法进行简要概述。图2是几种典型的特殊结构电纺丝纤维形貌图。

    1. 多孔结构纳米纤维

多孔结构能够大幅度地提高纳米纤维的比表面积,大大拓宽静电纺丝纳米纤维的应用范围,如药物、蛋白质载体材料,催化剂载体材料及过滤膜制备材料,提高其在相关领域的应用性能。

目前有两种制备这种多孔结构电纺丝纤维的方法。一种是采用选择性溶解或者分离纤维中一些结构成份,另一种是采用相分离的方法。Casper等人[95]研究了湿度、分子量对纤维孔的形成的影响,发现当湿度低于25%纤维的表面基本光滑,当大于30%纤维上开始出现孔洞,并且随着湿度的增加孔的数量、直径以及分布密度都增加;发现分子量越高,制得的纤维表面孔的数量越多,孔的形状分散程度越高。McCann等人[96]则利用将接收装置浸没在低温的液体中,加速溶剂和聚合物溶质的相分离而获得多孔结构。此外,也有研究者[97]利用无机粒子溶解在聚合物溶液中,纺丝之后无机粒子析出并且选择性溶解的方式来制备多孔结构纳米纤维。鉴于孔的大小可调,孔的分布可调,这一结构在实际应用过程中在增大比表面积的同时,可以调整材料的其他性能。

    1. 核壳结构纳米纤维

核壳结构纳米纤维,既能解决制备某些不能单独进行电纺丝的聚合物纳米纤维的难题,同时还可以得到具有中空结构的纳米纤维,这样的结构使得纤维内层可以负载某些药物和生物活性因子,因此可作为药物缓释载体和组织工程支架的理想材料。

通过对喷丝头装置的改变能够获得具有核壳结构的纳米纤维,两种不相容的聚合物溶液通过套筒式的两个针管同时纺出(俗成双针头电纺),溶剂挥发后就能得到具有核壳结构的纤维[98] Li即是运用这样的方法获得了内外管壁都复合有功能性纳米颗粒的纤维管,其内模板流体作为功能颗粒载体转附到纤维管的内壁一步实现了纤维管的功能化[99]

对于亲水性较强的天然高分子如蚕丝蛋白、明胶、胶原等,为避免应用过程中材料过早的被溶解或者降解,可将其作为芯层材料使用。Wang[100]采用丝素蛋白作为芯层,PEO作为壳层的双层结构的纤维,两者皆以水作为溶剂,随后在高潮湿的环境中丝素蛋白(Ⅰ)转换为更稳定的丝素蛋白(Ⅱ)结构,最后PEO壳层可以被水溶解,可获得直径170nm的丝素蛋白纤维,为便于纤维结构的观察,将荧光素钠盐加入蚕丝蛋白溶液中可以在UV荧光下观察电纺丝过程。

值得注意的是,在双针头电纺的核-壳溶液体系中,绝大多数芯层和壳层溶液所用的溶剂相同或者所用的混合溶剂至少有一种是相同的,这样或许能增加相容性,避免形成珠滴结构,所得到的纤维的内外径之比变化范围较小,同时更易于成纤。

此外,如果两种材料能够共同溶解在同种溶剂中,可以使用单喷头电纺丝装置,利用两种高分子在纺丝过程中的相分离机理,同样可以形成核壳结构。张剑锋等[101]利用单针头电纺的方法成功制备了PEO/壳聚糖(CS)核壳结构纳米纤维。PEOCS的比例、CS的分子量及电纺丝过程中的温度都是影响纳米纤维是否能出现核壳结构的关键因素。由于外层的CS厚度可控,这种核壳结构纳米纤维在伤口敷料、组织工程支架等生物医用领域具有良好的应用前景。相比于套筒式双喷头电纺,均相溶液单喷头相分离法制备的核壳结构纤维的连续性更好,更便于工业化生产。

    1. 定向结构纳米纤维

纤维的一维取向结构对纤维的应用具有重要的意义。例如,纤维在用作复合材料的增强构件时,必须要按照预定的方向均匀排列,否则无序结构的纤维是不能使整块纤维材料发挥出应有的机械性能的。在生物医学领域中,如组织工程支架,也涉及到了有序的三维编织结构。

改变纺丝装置,是获得定向纤维的最直接和最简便的方法。如采用连续的转筒型接收装置就是最早采用的方法之一。纤维定向程度的好坏,与滚筒的转速关系密切[102]。采用两平行电极或者磁场作为接收装置,也可获得取向度很高的纳米纤维。Yang[103]通过引入两块绝缘的磁铁制备出平行于磁力线的单轴定向的纳米纤维膜,在生物材料,微电子,光电子等领域都将具有潜在的应用价值。在定向电纺丝研究过程中,直立或者可受外场控制运动的纤维也得到了一定的关注, Okuzaki等人[104]用导电高分子制得了直立的纤维。他认为由于纤维的导电性与电场总是倾向于减小它们之间间距的作用,使得纤维能够直立起来,并且制得的纤维都沿着场的方向取向。

    1. 有机/无机复合纳米纤维

2.4.1 共混法

将无机纳米粒子掺杂在聚合物纺丝液中,通过静电纺丝就可以直接获得有机-无机复合超细纤维,这是一种较为直接和简便的方法。陈武勇等[105]制备了皮胶原-TiO2纳米复合材料,纳米TiO2能均匀渗透到皮胶原纤维中,胶原凝胶聚集体中结晶物在构型上呈多条折叠支链状,利用这一性质制备的胶原聚集体可作为胶体式药物输送载体。胶原蛋白经无机纳米粒子杂化后其热分解稳定性得到了明显的提高,杂化后的样品成膜性提高,水溶性降低,耐酶、耐酸、耐碱水解的稳定性得到了明显的改善。

2.4.2 原位矿化法

在生物医学研究领域中,特别是骨组织工程领域,羟基磷灰石(HA)是一种非常重要的支架成份。人们最先想到的就是利用纳米级HA与各种生物高分子在溶液中共混,直接进行电纺丝。除聚酯类材料,如PLA/HA复合纳米纤维支架外,天然高分子与HA的共混物也是一个研究的热点领域。Zhang[47]报道了利用原位共沉淀法制备壳聚糖(CS/HA复合纳米纤维,该电纺复合纤维膜的成分和结构都接近于对应的自然矿化的骨组织工程支架,因此在骨组织工程中具有广泛的应用。Teng[106]成功制备出了直径为60nm的胶原/30%HA复合纳米纤维,针状的HA沿胶原纤维呈现定向排列。这一方法看似简单,但是在纺丝过程中,HA的团聚以及纺丝过程中HA的沉降问题是一个不可避免的难题,最终的结果导致膜的机械性能差,HA的含量无法达到预期。因此,人们开始采用原位的矿化方法来制备有机-无机纳米复合材料。简言之,就是利用某种高分子作为纺丝支架材料,之后通过纺丝膜在矿化液中诱导HA的生长与分布,从而制备HA分布可控、含量可调节的支架材料。Yang[107]研究了以壳聚糖作为基体材料,通过静电纺丝的方法制备出HA复合纳米纤维支架,该材料有利于小鼠成纤维细胞的粘附和生长,在骨组织工程领域有广泛应用。

Zhang等人[108]成功制备出了壳聚糖/CaCO3复合纳米纤维膜,研究结果表明,壳聚糖作为结构导向剂对复合材料的形成起到了至关重要的作用。该研究采用了简单的电解诱导矿化的方法,制备出了用于组织工程领域理想的支架材料。Venugopal等人[109]研究了电纺丝胶原蛋白/HA复合纳米纤维支架材料,钙、磷的含量均较高,适于做骨组织工程支架材料。

  1. 天然高分子电纺丝膜的应用

天然高分子电纺丝纤维广泛应用于生物医学领域,如:组织工程支架、伤口敷料、药物输送、过滤膜、亲和膜、固定化酶、小口径人工血管植入物、医疗保健、生物技术等,如图3所示。此外,在环境工程、国防安全、能源储备等领域的应用也在探索中[110-113]。在关于天然高分子电纺丝的授权专利中,有2/3应用于医疗领域,其次是过滤膜及其他领域[114]

    1. 组织工程支架

组织工程支架可作为临时的基质模板充当细胞的接种、浸入、扩散和分化再生之前的天然细胞外基质 (ECM)它能促进细胞在三维空间上生长、增殖、形成新组织,与其它制备支架的方法如自组装和相分离技术相比,静电纺丝技术提供了一种更简单、更有效的手段,制备出相互贯通的孔结构、纤维直径在亚微米范围内可调的纤维支架。有报道称,静电纺丝的纳米纤维与细胞外基质的纤维直径比较接近时[115],这种支架能够积极促进细胞与基质、细胞与细胞的相互作用,使细胞具有正常的形状和基因表达[67,116]。要模拟天然的细胞外基质,天然高分子是必不可少的成份之一,因为它们具有良好的生物相容性和生物功能性。目前已有多种天然高分子被用于制备静电纺丝纤维支架,如胶原蛋白、海藻酸盐、丝素蛋白、透明质酸、纤维蛋白原、壳聚糖、淀粉等。其中与天然组织成份最为接近的胶原蛋白类物质是首选材料。

为改善天然高分子的成纤性或支架强度、降解时间等使其真正能够应用于组织工程领域,天然高分子与合成高分子复合是一种广泛采用的方法[117-120]。其中,PLGA是一种比较理想的用于这一领域的合成高分子材料,一方面它的成纤性好,另一方面其具有一定的疏水性,不会在应用过程中迅速溶胀或降解,同时它是一种结构成份可调的合成聚酯。研究表明,小鼠成纤维细胞在含有PLGA的纳米纤维支架上粘附且生长状况良好[55,67]

静电纺丝方法制备的支架材料可广泛应用于多种组织工程领域,如软骨组织、真皮组织、骨组织、动脉血管组织、心脏组织和神经组织等。

    1. 伤口愈合敷料

理想的伤口敷料具有较高的要求,如止血能力、抗菌能力、吸收过剩分泌物能力、适当的水汽传输速率、充分的气体交换能力,能够符合伤口部位的轮廓,对于健康组织有一定的粘附功能,而不是粘附在伤口组织上,对病人而言无疼痛、易脱除等[121]。目前,使用天然高分子纳米纤维膜作为医用敷料的研究还在起步阶段,但是电纺丝无纺纤维膜材料的特殊微、纳米结构使其满足大部分的伤口愈合产品的需要。有文献报道了正常人体角质化细胞和成纤维细胞在静电纺丝丝素蛋白纳米纤维膜表面良好的生长状况[122-124]Rho等人[10]研究了I型胶原纤维敷料对小鼠伤口愈合的影响,他们发现在纳米纤维膜上伤口愈合效果要比传统的敷料效果好,特别是在伤口愈合的初期。除了胶原蛋白电纺丝膜之外,丝素蛋白和聚氨酯纤维膜也是伤口敷料的常选材料[21,123]。在电纺丝膜制备的过程中,溶液中加入负载有抗菌功能的组成成份,如银离子、壳聚糖等也是一种常见的方法。Chen等人[125]成功制备出了胶原蛋白/壳聚糖纳米纤维膜,该材料经过戊二醛蒸汽处理后可用于伤口愈合敷料,它能加速伤口愈合,促进皮肤组织的再生。天然高分子壳聚糖,不但能够提供抗菌性,而且对于止血效果有明显改善。Spasova[126]报道了包覆壳聚糖的PLLAPLLA/PEG纳米纤维膜,随着壳聚糖含量的增加,膜的止血活性也提高。

    1. 药物缓释载体

纳米纤维可以在药物控释系统中充当药物载体,它们具有较好的功能特性以及药物输送能力,随着药物及相应载体表面积的增大,微粒药物的溶解率增加。电纺丝过程中,纳米纤维膜较大的表面积能够使溶剂快速挥发,这使得溶解后的药物在有限的时间内能再次结晶,有利于药物均匀分散和细小结晶的形成[127]。采用不同的高分子载体材料,可以设计成快速、即时、延迟、或分散改性型药物控释载体。适用于静电纺丝方法负载的药物种类很多,包括脂溶性药物,如布洛芬[128], 头孢唑啉[124] 利福平,紫杉醇[2]和伊曲康唑[127];亲水性药物,如美福仙[129,130],盐酸四环素[131]等。同轴电纺所形成的核壳结构为负载具有生物活性的蛋白质类药物提供了一种很好的方法。

    1. 过滤膜

高分子纳米纤维膜应用于空气过滤已经有10余年的历史了,在这一领域,过滤器的通道、结构必须与过滤的粒子和液滴相匹配。因此,虽然静电纺丝可以制备出直径很小的纤维。但是,在亚微米范围内利用静电纺丝的方法过滤粒子仍然是一项很大的挑战。一般来说,由于纳米纤维膜具有较大的比表面积,相应的表面张力也很大,小于0.5毫米的微小粒子比较容易残留在纳米纤维结构的过滤器中,因此能够提高过滤的效率。这种纳米纤维膜能够有效除去空气中直径在15微米之间的颗粒[132,133]。高分子纳米纤维可以通过电荷的作用不增加压力改善颗粒的静电引力,从而提高过滤效率[134],天然高分子壳聚糖是用于过滤膜材料领域的典型聚多糖[135]。一般情况下,过滤效率随着过滤膜厚度的减小,压力的增加呈线性增加的趋势。在相同的压力条件下,纤维直径在0.5微米以下的过滤效果更佳[136]。从这个角度来讲,无论从膜的厚度还是纤维的直径,电纺丝法无疑具有明显的优势。此外,也有一些应用过滤膜来粘附提取生物大分子的例子,如质粒DNA[137-138]、超螺旋DNA[139]和蛋白质[20]等。

  1. 展望

为拓宽纳米纤维的应用范围,人们改进了多种静电纺丝方法,如同轴电纺、混合电纺、核壳电纺、辅吹电纺等。其中,同轴电纺受到了人们的广泛关注,这一技术将难电纺的高分子包覆在芯层,而其他高分子作为壳层,它在轴向和径向两个方向相结合,为纳米级纤维提供新的性质和功能;其次,电纺丝纳米纤维在药物缓释载体领域中应用,由于其较大的比表面积,高孔隙率等特点,会产生药物突释。同轴电纺通常可一定程度上缓解药物突释,因为壳层的高分子对药物具有屏障作用。其他的电纺方法也具有很多优点,如辅吹电纺常用来对高分子量的聚合物进行电纺丝,因为其很难进行溶液纺丝。通过共聚和共混高分子的方法,制备满足需要的物理及生物性能的纳米纤维膜已经不是难题。未来,电纺纳米纤维将在生物医学和工业等更多领域中得到实际应用。

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