靜電紡絲及其在生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用

尹玉霞 鄭秀娥 魯守濤 王魯寧 張海軍 ,4＊

1 生物醫(yī)用材料改性技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 （山東 德州 251100）

2 北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 （北京 100083）

3 山東省食品藥品監(jiān)督管理局審評認(rèn)證中心 （山東 濟(jì)南 253000）

4 同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院介入血管研究所 （上海 200072）

內(nèi)容提要： 靜電紡絲是一種廣泛使用的制備新型納米纖維的技術(shù)，聚合物溶液在電場力作用下形成兩納米到幾微米的纖維。靜電紡絲纖維與普通纖維相比，具備表面積體積比高，孔隙率可調(diào)節(jié)，延展性好，纖維精細(xì)程度與均一性高等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于納米催化、光電子、生物醫(yī)藥、國防和安全等各個領(lǐng)域。文章綜述了靜電紡絲技術(shù)、靜電紡絲纖維特性及其在生物醫(yī)用材料如組織工程支架、傷口敷料、酶固定、藥物控釋中的應(yīng)用，指出了目前研究中存在的科學(xué)問題，展望了未來研究的發(fā)展方向及臨床的應(yīng)用前景。

靜電紡絲又稱“電紡”，是一種特殊的聚合物超細(xì)納米纖維制造工藝。在電紡絲過程中，噴射裝置中裝滿帶電荷的聚合物溶液或熔融液，噴嘴處的液滴同時受方向相反的表面張力和電場力的影響，隨著外部電場增強(qiáng)，液滴由球狀被拉長為錐狀形成“泰勒錐”直至噴出[1]。與普通纖維相比，靜電紡絲纖維具有精細(xì)程度高、均一性好，表面積體積比極高，孔隙率可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)各種形狀尺寸的加工要求[2]。在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域中，目前已有超過30種天然和合成聚合物成功應(yīng)用該技術(shù)制得納米纖維[3]。典型的天然聚合物包括膠原蛋白、殼聚糖、明膠、酪蛋白、乙酸纖維素、絲蛋白、幾丁質(zhì)、纖維蛋白原等，免疫原性低，生物相容性和生物功能性好[4]。不過，天然聚合物在靜電紡絲過程中會發(fā)生部分蛋白變性，可能對終產(chǎn)品性能造成影響。合成聚合物可以通過共聚，摻入無機(jī)材料、熔融共混的方法提供更廣泛的性能，如調(diào)整形態(tài)，結(jié)構(gòu)，孔徑大小和分布，生物可降解性和熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度等其他物理性能從而在使用范圍上具有更多優(yōu)勢。生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的典型合成聚合物是疏水性、可生物降解的聚酯，如聚乙交酯（PGA），聚丙交酯（PLA）和聚己內(nèi)酯（PCL）等[5]。靜電紡絲納米纖維以其良好的特性在生物醫(yī)用領(lǐng)域得到積極的探索和應(yīng)用，比如組織工程支架，傷口愈合、藥物輸送、過濾膜、固定化酶、小口徑人工血管植入物等[1]。

1.組織工程支架

組織工程支架是指能與活體細(xì)胞結(jié)合并能植入生物體的不同組織替代原組織功能的細(xì)胞支架，一般為可降解材料，作為細(xì)胞接種，增殖和分化的臨時模板。天然聚合物如膠原蛋白、蠶絲蛋白、透明質(zhì)酸、海藻酸、纖維蛋白原、殼聚糖、淀粉等，生物相容性和生物功能性好，通常用于制備納米纖維支架，廣泛用于軟骨、真皮、骨骼、血管、心臟、神經(jīng)等的組織工程。

Bruggeman等[6]通過靜電紡絲技術(shù)制備的含骨形態(tài)發(fā)生因子2（BMP-2）和/或羥基磷灰石的納米纖維絲素蛋白支架已成為理想的骨組織候選材料。Rothrauff等[7]利用靜電紡絲技術(shù)將排列整齊的PCL或PLLA納米纖維片組合成多層編織或堆疊支架，用于肌腱和韌帶組織工程。Jue Hu等[8]采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法（ATRP）對聚癸二酸丙三醇酯（PGS）進(jìn)行改性，以甲基丙烯酸甲酯（MMA）為原料共混明膠合成了PGS-PMMA/明膠納米纖維，可以誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞的突觸生長。研究顯示，不同的紡織圖案，纖維直徑，聚合物功能以及區(qū)域特定的生物物理線索都可以影響種子細(xì)胞的增殖和分化。

2.用于制備藥物控釋體系

藥物控釋體系可以提高藥物作用效率、增強(qiáng)靶向性、降低毒副作用等。許多研究人員已經(jīng)成功地將藥物包裹在電紡絲纖維中，包括親脂性藥物如布洛芬，頭孢唑啉，利福平，紫杉醇以及親水性藥物鹽酸四環(huán)素等[9]。通過改變制備條件和仿絲液的組成可以影響材料的結(jié)構(gòu)以達(dá)到控制藥物釋放量和速率的目的。

Zhu等[10]采用電紡絲和紫外光聚合相結(jié)合的方法制備了對pH敏感的聚乳酸載藥芯殼纖維，可以實(shí)現(xiàn)包裹藥物的緩釋。Cataldo等[11]利用纖維形態(tài)學(xué)特點(diǎn)，通過電紡絲法制備了負(fù)載人血小板裂解液的絲素貼片。通過對絲素結(jié)晶度的控制，表征和調(diào)節(jié)了材料的釋放動力學(xué)，保存人血小板裂解液的生物活性，延長其保質(zhì)期。

3.用于制作傷口敷料

理想的傷口敷料應(yīng)具有良好的止血能力、吸收能力、屏障細(xì)菌的能力，應(yīng)具有充分的氣體交換能力，適當(dāng)?shù)乃魵馔高^率，具有功能性黏附、生物相容性好、易移除、成本低等特點(diǎn)。Alaa等[12]采用電紡絲法制備了一種雙層納米復(fù)合材料納米纖維氈，該材料由載銀納米粒子的聚乙烯醇和殼聚糖以及載氯己定的聚乙烯氧化物（PEO）或聚乙烯吡咯烷酮（PVP）納米纖維組成。通過與殼聚糖的相互作用，硝酸銀被還原為納米連接態(tài)，聯(lián)合氯己定的殺菌作用，保護(hù)創(chuàng)面免受環(huán)境細(xì)菌侵襲。該對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、銅綠假單胞菌和白色念珠菌具有較高的抗菌活性，值得在創(chuàng)面愈合中廣泛應(yīng)用。

4.用于制作生物傳感器

影響生物傳感器性能的參數(shù)很多，包括靈敏度，選擇性，響應(yīng)時間，重復(fù)性和老化，所有這些參數(shù)都直接取決于所使用的傳感膜的性質(zhì)。電紡納米纖維膜較大的表面積將吸收更多的氣體分析物并且更加顯著地改變傳感器的電導(dǎo)率從而提高傳感器靈敏度?；诮z素膜的生物傳感器已被廣泛用于分析葡萄糖，過氧化氫和尿酸等多種物質(zhì)。除此之外，文獻(xiàn)[13,14]中還顯示了其他電紡聚合物如聚苯胺，聚吡咯，聚酰胺酸，尼龍-6，聚乙烯醇（PVA）和聚（丙烯酸）-聚（芘甲醇）等也可用于改善傳感膜的性能。

Majid等[15]通過在石墨電極（GE）表面電聚合L-半胱氨酸/氧化鋅納米顆粒-電紡氧化銅納米纖維（LC/ZnO-NPs-CuO-NFs）納米復(fù)合材料制備了一種新型電化學(xué)傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CuO-NFs和ZnO-NPs的共同存在導(dǎo)致了電活性表面的增加。此外，由于這些納米材料與PLC的協(xié)同作用，腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G）的氧化峰電流明顯增強(qiáng)，在PLC/ZnO-NPs CuO-NFs/GE上峰間分離增加。該傳感器成功地實(shí)現(xiàn)了嘌呤堿基的單體同時測定，線性檢測范圍寬，靈敏度和穩(wěn)定性高，重現(xiàn)性好，檢測限低。這些特征為該電極在三種不同DNA樣品中靈敏、選擇性測定G和A提供了可能性。

5.用于防護(hù)口罩或防護(hù)服裝

理想的防護(hù)材料應(yīng)具有重量輕，透氣和透水性佳，耐腐蝕性好等特點(diǎn)。電紡納米纖維膜由于重量輕，表面積大，孔隙率高，過濾效率高，耐氣溶膠等有害化學(xué)試劑被認(rèn)為是防護(hù)材料的潛在候選物[16]。

Mamtha等[17]制備了AgNO3/MgO/尼龍-6復(fù)合電紡納米纖維，可顯著提高材料的阻燃性和抗菌性。Mukesh等[18]報(bào)道了一種納米功能化制備紫外線防護(hù)織物的新技術(shù)。將電紡絲技術(shù)與電噴涂技術(shù)相結(jié)合，在聚丙烯非織造布上涂布聚偏二氟乙烯（PVDF）納米纖維網(wǎng)。隨后，納米纖維網(wǎng)被二氧化鈦（TiO2）功能化，增強(qiáng)了腹板的光穩(wěn)定性并產(chǎn)生紫外線防護(hù)效果。所開發(fā)的涂層可用于開發(fā)各種防御、軍用和民用紫外線防護(hù)輕質(zhì)服裝（帳篷、覆蓋物和遮蔽部分、戰(zhàn)斗服、雪裹迷彩網(wǎng)）。

6.用于固定生物酶

在生物加工應(yīng)用中，電紡纖維膜的高比表面積可以大大提高固定化酶的催化效率，細(xì)孔結(jié)構(gòu)可以有效緩解底物/產(chǎn)物的擴(kuò)散阻力。Wassila等[19]制備了尺寸范圍在亞微米直徑的纖維的非織造布PLA/CS混合物，磷脂酶A1在PLA、PLA/CS4和PLA/CS6共混物上均得到了成功的固定化，固定化率分別為73、54和45%。固定化磷脂酶A1可重復(fù)使用4次，酶活性無明顯損失。

靜電紡絲作為一種可生產(chǎn)超精細(xì)纖維、簡便高效的技術(shù)，已在多個領(lǐng)域成功應(yīng)用。電紡絲纖維的獨(dú)特優(yōu)勢必將使其在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域里發(fā)揮更大的作用。特別是在組織工程支架和再生醫(yī)學(xué)材料制備中的優(yōu)良特性正引起人們越來越多的關(guān)注。盡管靜電紡絲有幾個顯著的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一些關(guān)鍵的限制，例如小孔徑和纖維內(nèi)缺乏適當(dāng)?shù)募?xì)胞浸潤。相信隨著研究工作的逐步開展和不斷深入，靜電紡絲技術(shù)及其應(yīng)用將成為功能材料領(lǐng)域中最重要的方法之一。