文献-生物医学领域及其他

传统上动脉血管被描述为具有不同材料性能的三层,分别为:内层、中层、外层。每一层的真实结构以及功能比我们想象的更复杂,也很难由组织工程材料获得。各层没有真正的集成,机械应力就集中在层接口界面,这样会增加分层失效的几率。未来组织工程材料最重要的因素之一是开发可模拟天然组织架构和功能的支架,虽然这在概念上和理论上可行,但在器官组织工程应用中概括特定的结构组分和功能特性基本上无法实现,Grey CP等在Biomaterials杂志上发表创新工作用梯度电纺丝法制备了层状抗分离组织工程支架。梯度电纺丝技术为电纺射流提供了一个连续变化的聚合物浓度,使得支架在垂直于z轴方向的纤维平均直径具有可控的转换,这种转换降低了应力在不同边界层的集中,这使得在相对表面上制备具有不同纤维尺寸和不同材料性能的支架成为了可能,而且还能排除边界层导致的分层失效。在对层压式分层电纺支架进行材料测试时,其表现出了易延展性,而且出现多相失效。相反,在相对表面上通过梯度电纺制备的同类纤维支架会发生断裂、分层,以及物理结构集成。梯度电纺还能够消除高度取向纤维支架中存在的各向异性张力。在顶破试验中,相比于其他由单一浓度电纺或双层层压式电纺制备出的无规或取向纤维支架,由梯度电纺制备的取向纤维支架显示出了优越的材料性能。

Grey, C.P.; Newton, S.T.; Bowlin, G.L.; etc.Gradient fiber electrospinning of layered scaffolds using controlled transitions in fiber diameter. Biomaterials, 2013, 34 (21), 4993-5006.

可促进心肌修复和再生的仿生嫁接技术的发展是心脏组织工程中一个重大挑战。许多研究中已经应用工程支架来模仿天然心肌组织的结构以及精确调节心脏细胞的功能。Wang PY[1]等以聚苯乙烯和聚氨酯为基底材料,探讨了不同硬度的纳米沟槽基底对大鼠心肌细胞响应的影响,细胞内结构蛋白的分布表明,表面形貌和基底硬度可调节肌动蛋白细胞支架的组织和细胞内的粘附斑,使得心肌发生收缩行为;Dan K[2]等通过静电纺分别得到了无规PGPCL/Gelatin)复合纳米纤维支架和取向PG复合纳米纤维支架来模仿取向的细胞外基质,取向的PG纳米纤维表现出了各向异性的浸润性能和机械性能,可配合天然心肌组织各向异性的性能要求。可作为再生心肌梗死等心脏缺陷的合适基底。然而,之前的这些尝试仍不能够同时囊括心肌细胞外间质(ECM)的化学、机械和结构性质。Kharaziha M[3]等采用静电纺的方法制备了弹性、可生物降解的聚癸二酸丙三醇酯/明胶(PGS:Gelatin)复合纳米纤维支架,具有多种化学组成、刚度且各向异性。实验结果表明,通过结合PGS,可以获得仿左心室心肌结构的各向异性纳米纤维支架。此外,研究人员对不同PGS含量的PGS:gelatin支架上,新生的大鼠心脏纤维原细胞(CF)的贴壁生长、增殖和分化以及心肌细胞(CM)的蛋白质表达、排列和收缩功能做了测试。含有33%质量分数PGS的取向纳米纤维支架能够诱发CM同时收缩的最佳浓度,同时显著地改善了细胞排列情况。Kharaziha M等的研究说明了取向结构的PGS:Gelatin纳米纤维支架可以支持心肌细胞组织、表型和收缩,并且有可能以此为基础开发心脏组织工程的临床相关构架。

间叶干细胞(MSCs)由于其具有良好的实用性、扩张力以及可分化成多种细胞的能力而被广泛应用与组织工程领域。MSC的一个重要的临床应用就是软骨修复。目前所用临床修复缺损软骨的方法在功能软骨的组成以及力学性能的再生能力方面有限制。Chung C[1]等研究发现软骨组织工程的最大挑战是细胞来源问题。成熟的透明软骨没有血管和淋巴,细胞组成只有组织体积的5%。因此,关节软骨受创或损伤通常会导致健康组织的最终损耗,从而引起疼痛和不适。Ahmed T[2]等采用自身软骨移植方法来替代传统技术,软骨组织工程可以模仿天然软骨的生物力学环境且具有较好的综合能力,在短期内可以达到较好的临床效果。MSCs是软骨组织工程细胞的普遍来源,且已有很多研究小组发现水凝胶的性能可最大程度上修复MSC软骨再生。然而,这些研究中缺乏与深度相关的阐述,天然软骨细胞复杂力学性能的成果也还没有在纳米纤维系统中进行深入研究。电纺丝技术能够制备模拟胞外间质的纳米纤维性质的支架结构(比如透明软骨细胞中胶原纤维的尺寸以及与深度相关的定向排列),因此近来引起广泛关注。

Kim IL[3]等通过纤维内的交联密度和RGD密度,分别描述了静电纺透明质酸(HA)纤维的力学性质和粘附性对人类间叶干细胞(hMSC)的交互作用和基因表达的显著影响。研究发现,hMSC的扩散、增殖和黏着斑的形成与RGD

密度有关的,但是与所使用纤维的力学性质无关。另外,牵引介导纤维的替换一般是随着纤维粘附性的增加而增加。与细胞扩散和细胞支架构建的趋势不同,软骨细胞标记会受到纤维力学性质和粘附性的影响,纤维越软,RGD浓度越低,越有利于软骨细胞生成。这项工作说明利用静电纺丝法可将HA加工成具有可调力学性能和粘附性能的纤维状水凝胶,其具有作为未来软骨修复支架的潜质。

[1]Chung C, Burdick J. Engineering cartilage tissue. Adv Drug Deliv Rev 2008;60:243e62 [2] Ahmed TAE, Hincke MT. Strategies for articular cartilage lesion repair and functional restoration. Tissue Eng Part B Rev 2010;16:305e29.[3] Kim, IL.; Khetan, S.; Baker, BM.; etc., Fibrous hyaluronic acid hydrogels that direct MSC chondrogenesis through mechanical and adhesive cues. Biomaterials, 2013, 34 (22), 5571-5580.

多形性成胶质细胞瘤(GBM)是人类癌症最致命的形式之一,占所报道的恶性脑肿瘤数目的50%,它具有高渗透性,部分会被控制在神经细胞外间质(ECM)中。在开发有效的治疗方法过程中,主要局限在于缺乏体外模拟GBM的迁移路径特征的模型。最常用的方法是在原代培养或器官培养中使用少突胶质细胞,像脑切片等。这些对于体外模型来说都是有价值的,然而,动物间的变异和器官培养差异使它们在实际应用中仍具有一定挑战性。取向静电纺纳米纤维由于其形貌与脑白质相似而受到引导神经领域的特别关注。 Agudelo-Garcia PA[1]等通过对三维纳米纤维支架上胶质瘤细胞的评价,得出结论,胶质瘤细胞的迁移被地形学因素控制,会对细胞粘附和基因表达有一定影响。利用纳米纤维支架对细胞迁移进行分析可以再生天然机械性能,确定其它体外模型中未被揭露的抗迁移方法;Johnson J[2]等发现在取向静电纺PCL纳米纤维上种包含神经球的胶质瘤干细胞,细胞会发生分离并沿着纤维方向迁移,这种物理化学弹性模型可以在概括体内细胞形态学时允许胶质瘤肝细胞的迁移的延时分析。然而,这些可调节材料在之前的使用中,还没有被用在检测像微环境、力学、化学等因素对GBM行为的影响中。理想状态下,这类模型中的物理化学变量应该是可被调控的,从而实现对其中每一变量的逐一研究。为了实现这一目标, Rao SS[3]等通过核-

壳静电纺丝技术制备出一种有序取向的纳米纤维生物材料,在细胞附着和迁移过程中,可实现对力学以及化学等影响因素的系统研究。这类模型模拟了GBM的一种主要迁移“路径”——白质神经束的地形学。为了独立研究GBM行为中各种

物理和化学因素的影响,研究人员用不同的高分子(如:明胶、聚醚砜、聚二甲氧基硅烷)作为 “核”来对纳米纤维的力学性能进行调制,同时用常见的聚ε-己内酯(PCL)作为“壳”来承载表面的化学行为。这些材料揭示了GBM对于纳米纤维力学性能的敏感性,如单细胞形态(等效直径)、迁移速率、黏着斑激酶(FAK)和肌球蛋白轻链(MLC2)的表达……这些都体现出对于纤维模量的强烈依赖性。同样的,将细胞外基质分子(如透明质酸、胶原蛋白和基质胶)用于“壳”材料来调节纳米纤维的化学性能,同时用PCL作为“核”来保护其机械性能,揭示出了GBM对于透明质酸的敏感性,特别是对迁移方面有着负效应影响。这一模拟白质神经束地形学形貌的体系将可能会用于物理、化学和地形学等因素复杂的相互作用对脑瘤细胞行为影响的进一步研究。

[1]Agudelo-Garcia PA, De Jesus JK, Williams SP, etc. Glioma cell migration on three-dimensional nanofiberscaffolds is regulated by substrate topography and abolished by inhibition of STAT3 signaling. Neoplasia, 2011;13:831e40.[2]Johnson J, Nowicki MO, Lee CH,etc,.Quantitative analysis of complex glioma cell migration on electrospun poly-caprolactone using time-lapse microscopy. Tissue Eng Part C Methods, 2009;15:531e40.[3]Rao, SS; Nelson, MT.; Xue, R;etc.Mimicking white matter tract topography using core-shell electrospun nanofibers to examine migration of malignant brain tumors. Biomaterials, 2013, 34 (21), 5181-5190.

在呼出气中,挥发性有机化合物(VOCs)的选择性检测是近年来非常受欢迎的非入侵性诊断工具,可用于各种疾病的快速、简单识别,比如糖尿病、肺癌……。糖尿病的呼吸诊断主要是基于丙酮呼吸测试,由于血液中的葡萄糖新陈代谢异常,高水平脂肪酸在肝脏中转化成酮体,糖尿病人呼出气中丙酮的浓度会有所不同,一般超过1.8ppm,较正常人高出2-6倍。因此,有必要发展一种可检测丙酮在1ppm以下的高效灵敏性的检测工具,以便正确诊断糖尿病。另外,在呼出气中,甲苯的痕量浓度(30ppb)被认为是早期肺癌的显著征兆。在众多合成1D金属氧化物纳米颗粒的方法中,静电纺丝法是最简单通用的方法, Shin JW等通过改变静电纺丝过程中流动速率以及后期进行热处理的方法,可控制锡化合物前体和高分子聚合物之间的微相分离,进而合成由褶皱的薄壁管自组装形成的分层SnO2纤维。内层和外层的SnO2管具有大量的细长型开放的孔,沿纤维方向的长度在10-500 nm之间,使得气体分子能够在整个薄壁感应层中快速通过。这些特征能够使呼出的气体,如丙酮和甲苯这两种可诊断糖尿病和肺癌的标记分子通过。开放式的管状结构促进了Pt催化纳米颗粒在内层SnO2上的均匀涂层。在高流速下合成的高度多孔SnO2纤维对于丙酮的响应比低流速下合成的结构紧凑的SnO2纤维高出5倍。有趣的是,用Pt颗粒修饰的薄壁自组装SnO2纤维对于气体的响应时间比未掺杂颗粒的SnO2纤维有极大的缩短,即使在丙酮浓度很低的时候也是如此。另外,Pt修饰的SnO2纤维能够使其对甲苯的响应显著增强。这些结果均证明,这种新型实用的薄壁自组装金属氧化基底的呼出气体检测器可用于对糖尿病的精确诊断,甚至是肺癌的诊断依据

Shin, J; Choi, SJ.; Lee, I; etc., Thin-Wall Assembled SnO2 Fibers Functionalized by Catalytic Pt Nanoparticles and their Superior Exhaled-Breath-Sensing Properties for the Diagnosis of Diabetes. Advanced Functional Materials, 2013, 23 (19), 2357-2367.

二价锌离子的探针分子——内消旋2,6-二氯苯基三吡咯啉(TPN-Cl2)被分散于聚合物主体中。当它与锌离子在中心形成络合物时,在620 nm处会出现红色荧光。TPN-Cl2对于二价锌离子有高度选择性,而且对于人体内许多常见的金属离子有较好的耐受性。这种探针分子与水凝胶聚合物聚2-甲基丙烯酸羟乙酯(pHEMA),加30wt%DMF进行混合。Syu JH等用该混合液通过静电纺丝技术制备出直径1μm的纤维结构。无论是在水中,还是在常用的含有多种金属离子和蛋白质的细胞培养基(DMEM)和胎牛血清(FBS)中,该纤维膜对于锌离子的实时检测限可低至10-6 M。时间分辨率方便,分辨10-6 M浓度需要5分钟,10-5 M只需要1分钟就可以分辨。这种敏感性和响应速度完全可以满足非侵入性的生物医学研究的要求。

Syu, JH.; Cheng, YK.; Hong, WY.; etc., Electrospun Fibers as a Solid-State Real-Time Zinc Ion Sensor with High Sensitivity and Cell Medium Compatibility. Advanced Functional Materials, 2013, 23 (12), 1566-1574.

其他应用领域

在制备生物与化学修饰电极及响应的应用方面,目前已有Zhou DF[1]用静电纺丝法制备Pd基修饰ITO电极并用来检测NO2-Wang XF[2]等则以电纺丝技术为基础制备构建了一种基于多种结构的石英晶体微天平(QCM)传感器,从而实现对甲醛的检测,但是把静电纺丝技术应用于生物传感器上,制备纳米纤维薄膜修饰电极,并用来固定生物酶,同时利用各种电化学技术手段深入进行响应的动力学上的机理研究与分析,则较为少见。Wan QJ[3]等利用聚苯胺和醋酸纤维素为原料,按一定的配比配制成溶液,通过静电纺丝法修饰于铂(Pt)电极表面,制备成聚苯胺/醋酸纤维素(PANI/CA)纳米纤维薄膜修饰电极(PANI/CA/Pt)。采用各种电化学方法和 SEM,对PANI/CA纳米纤维薄膜进行了表征,并且用交流阻抗法分析了其在电极表面的动力学过程。结果表明,PANI/CA纳米纤维薄膜电化学性质稳定,该修饰电极在H2SO4溶液中呈现出聚苯胺的特征峰,其SEM图显示PANI/CA纳米纤维在电极表面呈网状不规则立体分布,为构建生物传感器提供了一个良好的界面。以此为基础制备的葡萄糖氧化酶/聚苯胺/醋酸纤维素(GOx/PANI/CA/Pt)传感器对葡萄糖有良好的响应,有望制成低成本、高性能的生物传感器。

[1]周德凤,杨颖姝,于丽波等.电纺法制备Pd基修饰ITO电极及其电化学传感NO[J].化学工程师,2012,26(5):5-9

[2]王先锋.静电纺纤维膜的结构调控及其在甲醛传感器中的应用研究[D].上海:东华大学, 2011

[3]万其进,舒好,尚艳利,许佳,廖华玲,杨年俊.静电纺丝法制备聚苯胺/醋酸纤维素膜修饰电极[J].武汉工程大学学报.2013(04)

结构材料和纤维的强度增加往往会伴随应力失效和韧性降低.。最近有实验研究证明,减小静电纺纳米纤维的直径可提高其模量和强度.,而韧度方面未从实验得出结论,然而从传统材料物性关系可以推断出韧度是减少的. Papkov D等在综合分析长5-10mm的单根聚丙烯腈(PAN)纳米纤维的基础上,证明了纳米纤维的韧度其实是增加的。实验中,将纤维的直径从2.8μm减小到大约100nm250nm范围,最好的记录是其物理性能均有所增加:弹性模量从0.36 GPa增加到48GPa,真实强度从15 MPa增加到1750MPa 韧度从0.25 MPa增加到605MPa。观测尺寸效应显示没有饱和的迹象。与煅烧后的纳米纤维力学性能相比较分析,静电纺超细纳米纤维的快速凝固导致结晶度降低,从而使其具有超高的延展性(平均失效应力低于50%)和韧度。连续纳米纤维拥有卓越的机械性能以及宏观纳米的性质,能够随时用于安全性应用中使用的各种宏观材料和复合材料。可获得同时具有高强度,高模量和高韧度等物理性能的纳米纤维的提议,将挑战50年来公认的“高性能聚合物纤维发展要求高结晶度”的范例,拓展其在纤维科学和技术层面的应用。

Papkov, D.; Beese, AM.; Goponenko, A.;etc,.Extraordinary Improvement of the Graphitic Structure of Continuous Carbon Nanofibers Templated with Double Wall Carbon Nanotubes. Acs Nano, 2013, 7 (1), 126-142.

利用静电纺丝法制备了全氟磺酸(PFSA)—聚醚砜(PES)—纳米颗粒(SiO2TiO2Al2O3)复合纳米纤维,由于纳米纤维支撑体具有连续多孔的结构特性,这种复合材料在反应过程中几乎不存在内扩散阻力。比较了SiO2TiO2Al2O3等不同纳米颗粒对磺酸基团在纤维表面分布的影响,并利用乙酸乙酯合成反应考察了纤维结构对表面磺酸基团活性的关系。结果表明,静电纺复合纳米纤维的比表面积可达85.6m2g-1,纳米颗粒均匀分布在纤维表面,表面酸性中心占PFSA酸性基团总量最高达71.2%。酯化反应实验表明,复合纳米纤维具有很好的催化性能,纳米颗粒的存在可以提高酸中心的活性;同时,所得复合纳米纤维膜表现出很好的回收与可再生性能,有望作为一种对环境友好的固体酸催化剂。

陆培培,许振良*,杨虎,马晓华,魏永明。PFSA-PES-纳米颗粒复合纳米纤维的制备及催化性能[J]. 化工学报.

Chen QQ等以NH4VO3CH3COOLiPVP、柠檬酸及蒸馏水为原料,采用简单、环境友好的静电纺丝法制备Li3V2(PO4)3/C纳米纤维复合材料,并以XRDSEMTEM及电化学测试等测试技术对该纳米纤维复合材料进行表征。该材料在3.0˗4.8 V的电压范围具有优异的循环性能和良好的倍率性能,在电流密度为19.7 mA g-1的条件下具有高达190 mAh g-1的放电容量,其值接近理论容量(197 mAh g-1),即使在电流密度为3940 mA g-1的高倍率条件下,该材料仍具有高达132 mAh g-1的放电容量及良好的循环性能。Li3V2(PO4)3/C纳米纤维复合材料突出的电化学性能主要归因于其独特的形貌和微观结构,该复合材料由分散均匀的Li3V2(PO4)3纳米纤维及高导电性能的碳纳米纤维组成,两种纳米纤维聚集成具有介孔和巨大表面积的复合纳米纤维。高导电性碳材料的存在显著提高复合材料的电子电导率,纳米纤维有利于电子和离子的快速传输,复合材料的介孔有利于电解液的扩散及对活性材料的浸润作用,巨大的表面积有利于显著降低局部电流密度,上述Li3V2(PO4)3纳米纤维、碳纳米纤维的功能作用及复合材料的特点,使复合材料在大电流条件下的充放电过程中仍具有低的电化学极化,从而使复合材料优异的电化学性能。

Quanqi, C.; Tingting, Z.; Xiaochang, Q.; Diquan, L.; Jianwen, Y., Li 3V 2(PO 4) 3/C nanofibers composite as a high performance cathode material for lithium-ion battery. Journal of Power Sources, 2013, 234, 197-200.