生物可降解材料在静电纺丝中的应用
在生物材料中，合成高分子材料因其良好的物理性能，一定的生物相容性及易加工成型性、生产重复性好等特点，在生物医用领域占绝对优势。其中，生物可降解材料最引人注目。目前在生物医学领域应用占绝对优势的是生物降解性高分子，如聚羟基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸酯(PBS)、聚β-羟基丁酸酯(PHB)、聚氨酯(PU)等，这些高分子材料都已经通过静电纺丝制备成纳米纤维，用于组织工程支架材料、新型药物释放载体以及纳米模板材料等领域。
2.1 聚羟基乙酸(PGA)
PGA，又称聚乙醇酸，是一种最简单的脂肪族聚酯，为半晶、疏水性高聚物， 结晶度大于50 %，熔融温度Tm为224-226℃[1]，玻璃化转变温度Tg为36℃。在微生物或生物体内酶或酸、碱的促进下水解，最终形成二氧化碳和水，同时有很好的组织相容性。作为结构最简单的线型脂肪族聚酯PG A是体内可吸收高分子最早商品化的一个品种，早在1970年，PGA医用缝合线已经商品化，商品名叫Dexon[2]。不久杜邦公司发展了PGA的同系物PLA，1975年又出现了商品名为“Vicyr l”的体内可吸收缝线，它由乙交酯和丙交酯的无规则共聚物PGLA熔融纺丝制得[3]。在PGA、PLA和PGLA中，PGA的降解速度最快，PGLA居中，PLA最慢。
目前已经商品化的PGA纤维都是采用熔融挤出的方法获得，利用静电纺丝来制备PGA纳米纤维有两个困难，首先PGA的熔点较高和热可降解性，使其难以采用熔体静电纺丝方法制得；其次PGA不溶于常规的有机溶剂，溶液的纺丝溶剂可选择范围窄，难以寻找到合适的溶剂。但这个问题目前已经得到解决，Boland等[4]采用六氟异丙醇为溶剂，对PGA进行了溶液静电纺丝，改变溶液浓度，可得到直径在200~1500 nm的PGA纤维。他们采用酸处理使PGA 纤维表面的酯键水解为羧基和羟基后，用于细胞培养考察其生物相容性，发现其比原始的PGA纤维更能促进细胞在其纤维表面的黏附。吉林大学崔巍巍等[5]采用静电纺丝方法制备纳米银/二甲基砜/PLGA抗菌人工敷料。通过测试表明，该敷料内部纤维呈交叉的网格状结构，互相连结。当n-Ag质量分数达到1%以上时，敷料对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌具有良好的抗菌活性。细胞实验结果表明，这种敷料有助于细胞的生长和增殖。因此，该敷料具有良好的细胞相容性和抗菌性能。
2.2 聚乳酸(PLA)
聚乳酸是一种聚羟基酸，其原料乳酸是乳酸杆菌产生的一种碳水化合物，可由玉米、甜菜等经发酵、蒸馏获得。聚乳酸作为一种生物原料制品，具有很好的生物降解、生物相容性、可吸收性；同时PLA具有较高的熔点(178℃)和较高的玻璃化转变温度(58℃)，抗热性高，使聚乳酸成为研究和应用最广泛的生物降解材料。
PLA是具有两种立体异构体的手性分子，存在有4 种不同形态[6]，即PLLA、PDLA、D,L -PLA（又称PDLLA）和meso-PLA。其中PLLA 和PDLA由于较好的力学强度而常用作医用缝合线，无定形高分子D,L-PLA常用于药物控释载体，meso-PLA的应用较少。乳酸在结构上比乙醇酸多出一个甲基，使PLA更加疏水，且降解速度减慢。考虑到PLLA的熔点较高，以及无定形PDLLA纤维的成形，大多PLA的研究主要集中在PLA的溶液静电纺丝。
由于PLA具有良好的生物学特性，PLA纳米纤维在组织工程和药物控释等领域的应用引起了研究者广泛的兴趣。Zong等[7]用无定形的PDLA 和半结晶的PLLA 静电纺丝法制备了可生物吸收的无纺布纳米纤维膜，发现溶液浓度和盐的加入对纤维直径影响比较明显。
Wan-Ju Li等[8]对聚乳酸-聚乙交酯共聚物(PLGA)制备的电纺纤维进行了研究，发现电纺纤维的形态结构与天然细胞外基质很相似。他们制备的PLGA电纺纤维，孔隙率达90%以上，大多数孔的尺寸在25~100um的范围内，提高了材料的细胞渗透性，为细胞生长提供了更多的结构空间，有利于支架与环境之间的营养交换及新陈代谢，是理想的组织工程支架材料。
Kataphinan Woraphon等[9]利用静电纺丝在聚乳酸及其共聚物内载入多种药物, 制备了比表面积大、载药量高、孔隙率高而利于被遮盖的皮肤表面与大气交换空气和水分的皮肤贴膜和皮肤保护膜。Xie [10]等以氯仿/甲醇混合体系为溶剂，将药物四环素和金霉素载入静电纺PDLLA纳米纤维中。两种药物表现出截然不同的释放行为：随着溶剂中甲醇用量的提高，金霉素释放速度变慢，而四环素的释放速度加快，但金霉素的总体释放量要高于四环素，说明静电纺PLA纤维可用于药物控制释放。
当然，静电纺丝法制备聚乳酸纳米纤维也面临一些问题：电动力学及其与聚合物流体的关系尚不明确，需要深入研究；产量很低；得到的纤维力学强度不够；有待进一步提高[11]。
2.3 聚己内酯(PCL)
PCL作为一种潜在的生物降解材料也已被广泛研究，它是由有机金属化合物催化环状单体ε-己内酯开环聚合而得到完全可生物降解的聚酯之一。5个亚甲基的存在使其更加疏水，结晶性也更高，因此降解速度比PLA 更慢。PCL可以在生理条件下通过水解机制降解。PCL 是一种半结晶性高分子，熔点为60℃左右，玻璃化温度为-60℃，结晶温度为2℃，非常接近室温，在室温下呈橡胶态。PCL具良好溶解性，在大部分有机溶剂中都表现出良好的溶解性，因此其加工性能很好，近年来利用静电纺丝技术进行了不少相关研究[12]。
Zeng等[13]系统研究了溶剂体系、PCL相对分子质量和溶液浓度对PCL静电纺丝过程和纤维形貌的影响，发现PCL相对分子质量在8万左右、溶液质量分数为8 %~15 %，是通过静电纺丝制备PCL纳米纤维的最佳条件，由此制得的纳米纤维表面光滑、无串珠生成、连续均匀。Yang等[14]将相对分子质量8万的PCL溶于80 %三氟乙醇/20 %水混合溶剂，并加入质量分数为0、25 %和50 %的纳米羟基磷灰石进行静电纺丝，用于引导组织再生。
2.4 聚丁二酸酯(PBS)
聚丁二酸丁二醇酯( PBS) 由丁二酸和丁二醇经缩合聚合合成，无嗅无味，易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解、代谢，最终分解为二氧化碳和水，是典型的可全降解聚合物材料，具有良好的生物相容性和生物可吸收性。具有代表性的产品如日本昭和公司生产的商品名为Bionolle的PBS基聚酯，熔点在110-120℃，玻璃化转变温度在-30 ~- 40℃，热裂解温度在340℃，有较好的耐热性。
陈思英等[15]运用静电纺丝技术和溶胶-凝胶法相结合，将淀粉与PBS 按不同比例共混进行电纺丝，制备出性能优良、低成本的可降解PBS /淀粉纳米纤维。结果表明，随着淀粉含量的增加，纤维的直径略增加，加入淀粉并未影响PBS 的分子结构，PBS 和淀粉在不同的温度产生了热降解，纳米纤维的可降解性逐渐提高; PBS /淀粉纳米纤维亲水性随可溶性淀粉含量的增大而提高。
伞振鑫等[16]用静电纺丝方法将PBS切片制成纳米纤维膜，通过改变不同的工艺条件控制纤维形态，得到了亲水性的纤维膜。采用接触角测量仪测量了PBS流延膜和纤维膜的接触角并进行数据处理，得到粘附功的等值线，通过粘附功的等值线可以分析出任何液体在纤维膜表面的浸润及粘附状况。
2.5 聚β-羟基丁酸酯(PHB)
聚羟基烷基酯(PHA)是一系列广泛存在于许多微生物细胞中的天然高分子。由于其具有优良的生物相容性和生物降解性, 使其在生物医学领域的应用受到越来越多学者的重视。其中具有代表性的是聚β-羟基丁酸酯(PHB)和β-羟基丁酸酯与β-羟基戊酸酯的共聚物(PHBV)[17]。PHB是一种可降解性高分子聚合物, 其可降解性已得到人们的认可。但是，该材料体内降解很慢，完全吸收要数年时间。因此，应用更多的是它与β-羟基戊酸酯的共聚物PHBV。PHBV由于具有较低的结晶、高柔软性并易于加工，应用价值很高。
目前对于静电纺丝法制备PHB基纳米纤维的研究主要集中在以下几个方面：PHB 和添加物混合纺丝、PHB共聚物PHBV纺丝、PHB和聚合物共纺等[18]。
山西大学李梅等[19]利用静电纺丝法制备载有环丙沙星的聚羟基丁酸酯电纺缓释纤维毡，发现CPX-PHB电纺纤维毡对于金黄色葡萄球菌的生长在静止和动态环境中均具有明显的抑制效果。清华大学胡平等[20]利用电纺法制备了超细PHBV纤维，通过表征得出结论：当浓度增大时，电纺纤维直径也随之增大。加工电压的增大可使电纺纤维直径略为减小，但过高的电压可能使纤维受到破坏。接收距离的减小也有利于电纺纤维直径的减小，但接收距离太小时纤维将重新溶解破坏无纺布结构。
Han等[21]成功地用PEI/PHBV通过静电纺制备出了多孔超细纤维，并通过热分解去除PHBV。试验结果表明，静电纺PEI/PHBV纤维平均直径在2.6 ~15.1um之间。通过增加PHBV 的含量，PEI超细纤维从扁平的如带状变成圆形。Meng等[22]成功用PHBV和明胶通过静电混纺可得到纳米纤维支架，结果表明，随着明胶含量和溶液浓度的增加，得到的纳米纤维直径增加纤维分布变广。细胞培养实验表明，与纯PHBV膜和纳米纤维支架相比，明胶/PHBV纤维支架与细胞具有更好的相互作用，说明明胶/PHBV纤维支架在组织工程有很大的应用前景。
PHB作为生物可降解材料有广泛的应用前景，尤其是在生物医学方面。PHB基纳米纤维今后的发展应主要在两个方面：(1)PHB与其生物可降解材料复合电纺，如PHB/PLA 等；(2)PHB与功能性纳米粒子复合电纺。
2.6 聚氨酯(PU)
聚氨酯通常是由多元醇和异氰酸酯进行加成反应, 再加扩链剂扩链制得的一类含有氨基甲酸酯基团的高分子材料。从分子结构看, 聚氨酯是一种由柔性的软段和刚性的硬段交替共聚的聚合物。软段由长链二元醇(聚酯或聚醚)组成, 极性一般较弱, 玻璃化温度低于室温, 构成材料的连续相;硬段由二异氰酸酯和扩链剂组成, 极性较强, 分子间易形成大量氢键, 构成材料的分散相。通过聚氨酯软段及硬段的分子设计可得到各种不同力学强度和降解性能的聚氨酯材料。嵌段聚氨酯弹性体具有独特的力学性能和优异的生物相容性，作为生物材料使用已经有几十年的时间，主要用于组织工程支架材料、血管替代物、皮肤创伤敷料等。
Lee等[23]对道化学公司生产的PU进行静电纺丝，他们将PU溶于体积比1:1的四氢呋喃/二甲基甲酰胺混合溶剂中静电纺丝得到纤维膜后，再用等离子体进行表面处理，在PU纳米纤维表面接枝丙烯酸，得到亲水性PU，然后在微流槽系统中进行了人间充质干细胞的培养。可降解型聚氨酯由于具有很好的生物相容性及可降解性而成为一种重要的组织工程材料, 此外, 聚氨酯具有较强的分子结构可设计性, 易于加工成型, 力学性能优异，苏州大学李斌等[24]人发明了一种生物可降解聚氨酯组织工程支架，这种可降解聚氨酯的梯度弹性模量为1.5～15.0MPa，而通过静电纺丝制备的组织工程支架，为研制出能仿生纤维环区域差异性的纤维环组织工程支架提供了可能。
结语
静电纺丝作为一种简便高效的生产高分子纳米纤维的新型加工技术，用于制备低模量、高柔顺性、高强度的可降解高分子纤维材料是一个重要的科学课题。这类材料研究成功后可用于制作高柔韧性单丝手术缝线，也可用于制备组织工程支架等，这将极大推动医学和生物学的发展与进步。
因此未来加强需要以下研究方向的研究，比如：利用静电纺原理，通过改进装置、控制参数，得到连续、尺寸均一、缺陷可控及排列规则的高分子纳米纤维；在了解静电纺过程和静电纺高分子纳米纤维性能的基础上，开发出具有降解速度可控、力学性能和生物相容性良好的高分子纳米纤维，实现纳米纤维的实用化；制成强度在体内能保持较长时间，并在伤口愈合后短时间内可吸收的缝线材料，也是一个重要的研究方向。
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