電紡納米纖維的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

張雪冰+王小峰

摘 要：通過靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維材料是近幾十年來材料科學(xué)領(lǐng)域最關(guān)注的學(xué)術(shù)與技術(shù)活動之一。靜電紡絲技術(shù)憑借其成本低廉、可操作性高、可重復(fù)性好和制備的納米纖維比表面積比較大、適用性好等優(yōu)勢，已成為制備納米纖維材料的主要途徑之一。靜電紡絲的應(yīng)用是研究靜電紡絲技術(shù)的基本動力和最終目標(biāo)，本文綜述了靜電紡絲技術(shù)在幾個領(lǐng)域的應(yīng)用，包括組織工程支架、凈化過濾、納米傳感器及催化劑等，并且對未來發(fā)展方向做了展望。

關(guān)鍵詞：納米纖維；應(yīng)用領(lǐng)域；發(fā)展趨勢

納米纖維一般是指直徑在100nm以下的超細(xì)纖維。制備納米纖維的方法有靜電紡絲法、拉伸法、相分離法、模版合成法和自組裝法等，其中靜電紡絲法是最連續(xù)、直接制備納米纖維的方法，利用靜電紡絲制備的納米纖維具有比表面積大、孔隙率高、隔阻性強和靜電吸附力強等優(yōu)點[1]，在多個領(lǐng)域具有不可替代的作用。

1 應(yīng)用進展

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲作一種制備納米纖維最直接有效的方法，在組織工程支架、過濾、傳感器、催化劑、電池等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。

1.1 在生物血管組織工程支架領(lǐng)域的應(yīng)用

在用于構(gòu)建組織工程支架中，電紡納米纖維無規(guī)則堆砌形成無紡布狀膜材料，具有極大的表面積、高孔隙率和相互連通的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些特點為細(xì)胞提供理想的生長、增殖和分化的微環(huán)境。范潔等[2]運用靜電紡絲制備PCL（聚己內(nèi)酯）/明膠生物活性支架，所制備的PCL/明膠電紡支架表面光滑、分布均勻、直徑范圍200-1100nm，平均接觸角（75.32±3.58）°，平均拉伸強度（4.21±0.38）Mpa，平均彈性模量（11.04±2.53）Mpa，具有良好組織相容性。Lee等[3]利用Ⅰ型膠原和高分子量PCL混合電紡，制備出管狀血管支架，實驗發(fā)現(xiàn)其能夠抵御生理條件下的高壓和流動環(huán)境，運用模擬系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在4周內(nèi)支架結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。Chew等[4]研究發(fā)現(xiàn)，定向排列的PCL電紡納米纖維支架能夠促進人身細(xì)胞的成熟。夏海堅等[5]研究了具備有序或無序拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸甲酯電紡納米纖維材料作為原代大鼠背根神經(jīng)元負(fù)載支架的可行性，實驗結(jié)果表明有序PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）電紡納米纖維具有作為神經(jīng)損傷后大鼠負(fù)載支架的潛力。 Kumbar等[6]研究了PLGA（聚乳酸羥基乙酸共聚物）電紡納米纖維的直徑對人成纖維細(xì)胞存活率的影響，實驗發(fā)現(xiàn)纖維直徑介于350-1100納米之間的PLGA纖維支架能明顯提高細(xì)胞的增殖率。

1.2 在凈化過濾領(lǐng)域的應(yīng)用

納米纖維的直徑極小，因此表面能和活性能大，且它有良好的電荷保持能力，這使納米纖維有很強的阻隔性和靜電吸附力，并且研究表明，纖維過濾材料的過濾性能隨纖維直徑的降低而顯著增高。Yin等[7]通過將靜電紡絲網(wǎng)與接收襯底結(jié)合在一起，構(gòu)成了由二維納米線（≈20nm）組成的波紋狀聚酰胺-6納米纖維/網(wǎng)膜過濾器。苑春剛老師[8]通過靜電紡絲合成PVA/Ag-PVA（聚乙烯醇/銀-聚乙烯醇）納米纖維膜，抗菌試驗表明該纖維膜具有優(yōu)異的抗菌性能，在水處理的汞污染控制和抗菌應(yīng)用方面具有很大潛力。姚春梅等[9]以聚乳酸熔噴非織造布為基布，采用靜電紡絲法制備了平均直徑在620nm左右的聚乳酸纖維覆蓋在基布上，得到了復(fù)合空氣過濾材料。高春濤等[10]制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的有機改性蒙脫土的聚丙烯腈復(fù)合納米纖維膜，用其凈化溶液中亞甲基藍染料。徐銅文等[11]通過將溴甲基化聚（2，6-二甲基-1，4-亞苯基氧化物）電紡絲納米纖維墊浸漬到磺化聚（2，6-二甲基-1，4-亞苯基氧化物）溶液中，然后季銨化溴甲基，最終制備出含有-N+（CH3）3和-SO3-基團的納米纖維復(fù)合膜，其獨特的納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)使尺寸穩(wěn)定性和離子通量得到了顯著的提高。

1.3 在精密傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

納米纖維膜具有高的比表面積，因此用納米纖維膜做傳感器感知，可以提高靈敏度。報道較多的是基于碳、硅、陶瓷一維材料的傳感器[12]。王凌云等[13]提出利用旋轉(zhuǎn)滾筒作為接收裝置制備PVDF（聚偏氟乙烯）納米纖維的方法，通過調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速來獲得取向程度不同的纖維膜，測試結(jié)果顯示所制備的纖維膜具良好的線性度和較高的靈敏度。Li等[14]用靜電紡絲和煅燒的方法制備出了含有LiCl的TiO2納米纖維，并將其作為一種新型的濕度納米傳感器，并表現(xiàn)出了相當(dāng)好的傳感特性。Manesh等[15]運用靜電紡絲方法制備了（PVdF/PAPBA—NFM）納米纖維傳感器，實驗研究表明，該傳感器顯示出優(yōu)異的線性響應(yīng)。

1.4 在催化劑領(lǐng)域的應(yīng)用

納米催化劑具有巨大的比表面積，可以使處在表面的原子數(shù)量大大增加，使催化劑具有更高的活性。而電紡纖維的比表面積大、柔韌性好，作為催化載體能夠與催化劑產(chǎn)生較強的協(xié)同效應(yīng)，增加催化能力。Chen[16]通過靜電紡絲制備了3D碳微球/納米纖維混合物，實現(xiàn)了可以有效控制從珍珠項鏈狀納米纖維到微球/納米纖維混合物的形態(tài)轉(zhuǎn)化。該混合物在酸性和堿性溶液中都顯示如同Pt的氧還原反應(yīng)活性，使其成為非貴金屬中最好的氧催化劑之一。陳剛等[17]采用有機釩鹽通過單噴絲靜電紡絲制備BiVO4納米管，受益于管狀納米結(jié)構(gòu)高效的光收集能力和較大的表面積，對于Cr（VI）的光催化還原，管狀納米結(jié)構(gòu)相比固體BiVO4納米纖維具有更高的光催化性能。王艷麗等[18]采用靜電紡絲技術(shù)，以硫酸鈦為原料制備出TiO2納米纖維，以羅丹明為降解物，結(jié)果表明TiO2納米纖維對羅丹明可達到較高的降解率。劉帥等[19]通過靜電紡絲技術(shù)制備了SnO2/ZnO異質(zhì)結(jié)復(fù)合納米纖維，其一維納米結(jié)構(gòu)特性有效地增加了與反應(yīng)物的接觸，提高了催化效率。

1.5 在電池領(lǐng)域的應(yīng)用

電紡纖維隔離膜具有較高的孔隙率和離子導(dǎo)電率，以及其他的一些優(yōu)良性能使其在鋰離子電池、固體氧化原料電池和在太陽電池方面得到很廣泛的應(yīng)用。用靜電紡絲制備得到的一維結(jié)構(gòu) Ag/Li4Ti5o12納米纖維膜， 由于銀納米顆粒的均勻分布，作為鋰電池電極材料具有超高的導(dǎo)電性和容量以及良好的循環(huán)利用性能[20]。丁軍等[21]利用聚丙烯腈–甲基丙烯酸縮水甘油酯制備納米纖維膜，并將其作為鋰離子電池隔膜，通過實驗證實其吸液率高達463%，且具有較低的熱收縮率和較好的耐熱性，對提高鋰離子電池的性能具有明顯的效果。羅凌虹等[22]通過靜電紡絲技術(shù)，用溶膠-凝膠制備出纖維膜并將其作為固體原料氧化電池的陰極，實驗證明此種納米纖維陰極具有較低的極化阻抗和較高的電化學(xué)活性。

1.6 在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

在作為生物芯片基質(zhì)方面：因電紡絲纖維薄膜具有極大比表面積的優(yōu)點，所以其用作生物芯片的基質(zhì)將可極大地提高蛋白質(zhì)的吸收量，并可明顯提高芯片的靈敏度。Yang等[23]發(fā)現(xiàn)由靜電紡絲得到的聚合物NFM（N-甲酰嗎啉）作為固體基質(zhì)，能明顯提高微流控芯片免疫檢測對HIV探測的靈敏度。

在作為導(dǎo)電納米纖維方面：用電紡的方法來制備一些導(dǎo)電聚合物，如納米纖維中的炭黑含量對纖維的導(dǎo)電性具有顯著影響。胡馨之等[24]通過濕法紡絲工藝制備納米炭黑/聚氨酯彈性導(dǎo)電纖維，并研究了不同炭黑含量復(fù)合纖維的力學(xué)性能及導(dǎo)電性能，結(jié)果表明復(fù)合纖維的導(dǎo)電性隨著炭黑含量的增加而得到顯著提高，炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時，復(fù)合纖維的電導(dǎo)率為7.6s/m，具有良好的導(dǎo)電性能。

在復(fù)合材料方面：納米纖維具有很大的比表面，用納米纖維作載體能在很大程度上提高纖維與基體材料間的相互作用，與傳統(tǒng)纖維相比，具有明顯的優(yōu)勢。Gabr 等[25]制備了直徑為 250 nm的CA（醋酸纖維素）納米纖維增強復(fù)合材料，測試結(jié)果表明其彎曲強度增加了20%，彎曲模量增加了17%，明顯提高了復(fù)合材料的抗彎力學(xué)性能。Cheng等[26]制備了直徑為300-400 nm的PAN/PMMA（聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸甲酯）復(fù)合納米纖維增強復(fù)合材料，PAN/PMMA納米纖維和其相鄰結(jié)構(gòu)之間具有良好的界面黏合性，增強了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2 發(fā)展趨勢

1.近年來溶液靜電紡絲技術(shù)得到了較為廣泛的發(fā)展，但是其在電紡過程中所用到的有機溶劑會帶來一定弊端。一方面，溶劑的揮發(fā)會對實驗者及環(huán)境造成不可知的傷害；另一方面，纖維上溶劑的殘留也會極大地影響其應(yīng)用。因此，制備無毒無污染的納米纖維會成為一個發(fā)展趨勢，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和食品工程領(lǐng)域。

2.納米纖維膜強度較低，甚至僅能達到其纖維強度的百分之幾，其原因是隨機堆砌的纖維無法形成類似于編織的有序結(jié)構(gòu)。因此，如何有效編織納米纖維將成為靜電紡絲技術(shù)有待突破的重點內(nèi)容。

3 結(jié)語

由于靜電紡絲技術(shù)和其制備的納米纖維自身的優(yōu)點，靜電紡絲技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物組織工程、凈化過濾、納米傳感器及催化劑等領(lǐng)域，并且展現(xiàn)出了誘人的發(fā)展前景。雖然靜電紡絲技術(shù)取得了顯著的成效，但是當(dāng)前納米纖維的研究水平與實際應(yīng)用尚存一定的距離，根據(jù)實際應(yīng)用對納米纖維材料的性能提出要求，然后根據(jù)性能要求對納米纖維結(jié)構(gòu)做出改進，這需要研究者繼續(xù)開展更為深入的研究工作。

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