熔體電紡在加工生物材料方面的應(yīng)用

張墅野 徐翔宇 林鐵松 何鵬 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱工業(yè)大學(xué) （黑龍江哈爾濱 150001）

內(nèi)容提要：在過去的十幾年中，熔體靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)成為了一種成熟的聚合物加工技術(shù)，與傳統(tǒng)靜電紡絲相比，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是無須溶劑。在紡織、過濾、環(huán)境和能源以及生物醫(yī)學(xué)方面都有著全新的應(yīng)用。研究者們已經(jīng)開始將熔體靜電紡絲技術(shù)在藥物傳遞、生物傳感器和組織工程等生物醫(yī)學(xué)方面進(jìn)行應(yīng)用。文章介紹了熔體靜電紡絲的發(fā)展過程，包含關(guān)鍵的組織工程、藥物傳遞、生物傳感器等進(jìn)展，并綜述了熔體靜電紡絲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及其研究進(jìn)展與展望。

溶液靜電紡絲使用的溶劑如氯仿、二氯甲烷等大多具有毒性，限制了與人體相關(guān)的生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。在工業(yè)化生產(chǎn)中，溶液靜電紡絲的溶劑配制、產(chǎn)物溶劑的去除的成本和危險(xiǎn)性都無法降低。對于常用的熱塑性材料如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚硫醚（PPS）等熱塑性材料，常溫下至今沒有找到合適的溶劑，使得該類材料通過溶液靜電紡絲制備納米纖維難以實(shí)現(xiàn)，于是無需溶劑的熔體靜電紡絲技術(shù)逐漸引起了研究者的注意[1]。本文綜述了熔體電紡技術(shù)的發(fā)展以及最新熔體靜電紡絲技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，主要分為組織工程、藥物傳遞、和生物傳感器等方面。

1.熔體靜電紡絲的發(fā)展概況

在2000年由Kim＆Lee制作了熔體靜電紡絲技術(shù)，使醫(yī)用級聚合物可以按照材料原樣直接進(jìn)行加工。對于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和植入物（如支架、網(wǎng)格等），研發(fā)時(shí)間大大被縮短[2]。從此，熔體電紡工藝在制造生物材料和組織工程領(lǐng)域生機(jī)煥發(fā)，至今，熔體靜電紡絲已成功應(yīng)用于PP、聚已內(nèi)酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等眾多熱塑性聚合物納米纖維的制備[3]。

已有研究表明，熔體靜電紡絲支架在體內(nèi)具有良好的融合和血管化前景。熔體靜電紡絲技術(shù)作為一種擁有極大潛力的增材技術(shù)，很可能是新的一種使用高性能多相支架材料的處理方法，或者是給研究提供創(chuàng)新思路的方法，如將功能材料封裝在復(fù)合纖維中。

2.生物醫(yī)療方面的應(yīng)用

2.1 組織工程

高孔隙率（93%）的熔體靜電紡絲支架顯著提高了基體的力學(xué)性能，使纖維增強(qiáng)基體復(fù)合材料可承受高壓縮載荷，保持了與嵌入細(xì)胞兼容的基體軟性質(zhì)[4]。Brown等[5]在2010年成功制備出由PCL和PEG5000-block-PCL5000混合聚合物構(gòu)成的可供細(xì)胞侵襲的支架?？稍诿荛]環(huán)境中進(jìn)行制作和無需溶劑去除步驟等熔體靜電紡絲的特性，使得該技術(shù)成為制備供細(xì)胞侵襲支架的理想技術(shù)。

2.2 藥物傳遞

熔體靜電紡絲就可以將藥物在聚合物熔體中進(jìn)行直接混合，Nagy等[6]證明熔體靜電紡絲可以增強(qiáng)弱水可溶性分子的載量，從而實(shí)現(xiàn)藥物快速釋放。Lian等[7]將熔體靜電紡絲產(chǎn)生的PCL纖維與溶液靜電紡絲產(chǎn)生的PCL纖維在藥物傳遞能力上進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)由于熔體靜電紡絲出的PCL具有良好的晶體性質(zhì)，故其的藥物釋放曲線更加合理，且其的載藥量更大。

2.3 生物傳感器

最近，Li等[8]探索了熔體靜電紡絲制備PCTM超細(xì)纖維在制備體溫?zé)岵牧虾蜔犴憫?yīng)傳感器，PCTM被包裹在PMMA纖維中。采用透明聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）殼層，由結(jié)晶紫內(nèi)酯、雙酚A、1-十四醇（CBT）混合而成，該纖維具有良好的耐熱性能，其中熱致變色溫度可以通過各個(gè)原材料的濃度進(jìn)行調(diào)整，以期待與人體37～39?C系統(tǒng)完美配合。

3.小結(jié)與展望

熔體靜電紡絲技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：①加工不溶于溶劑的新型聚合物；②避免了物質(zhì)的毒性；③低成本加工效率高；④更快和更簡單的材料制備，減小研發(fā)周期。最后，靜電直寫技術(shù)將電紡纖維直接固定到特定基體上是一個(gè)更有意義的全新方向。熔體靜電紡絲技術(shù)作為一種擁有極大潛力的增材技術(shù)，很可能是一種新的使用高性能生物支架材料與血管相容的加工方法，這將給研究者提供新的創(chuàng)新思路。隨著熔體靜電紡絲適用的熱塑性和功能性高分子材料的范圍不斷擴(kuò)大，特別是具有良好控制結(jié)構(gòu)和改進(jìn)長絲性能的熱塑性和功能性高分子材料的種類增加，熔體靜電紡絲將很快被應(yīng)用拓展，例如細(xì)胞/水凝膠打印，熔體靜電紡絲將為細(xì)胞遷移通過水凝膠提供物理/化學(xué)幫助的技術(shù)。因此，熔體靜電紡絲將成為成為最具潛力的生物纖維制造技術(shù)之一。