靜電紡絲在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用綜述

劉 鵬

（青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071）

1 引言

靜電紡絲技術(shù)已成功制得超過30 種天然和合成聚合物納米纖維[1]。隨著生物醫(yī)用材料的迅速發(fā)展，使用靜電紡絲技術(shù)制備生物醫(yī)用材料已越來越普遍。靜電紡絲纖維以其良好的性能在生物醫(yī)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和積極的探索，比如藥物運輸、組織工程、傷口敷料、固定生物酶、抗菌膜。本文將就以上幾個方面進行進行論述。

2 靜電紡絲在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 藥物輸送

藥物輸送是指通過在體內(nèi)運輸藥物以安全地實現(xiàn)其期望的治療效果的方法與技術(shù)。在選擇藥物載體時需要考慮以下幾個因素[2]：

（1）藥物載體必須具有良好的生物相容性和安全性，不會產(chǎn)生排斥反應(yīng)和炎癥。

（2）藥物載體必須可降解且降解時間可調(diào)，降解后形成無毒的分解產(chǎn)物，對人體無危害。

（3）制備、加工藥物載體的方法需便捷、高效、經(jīng)濟。

（4）藥物載體需要具備一定的力學(xué)性能。

通過口服、注射藥物，不利于人體對藥物的吸收，藥物不能快速的在人體中代謝，對治療效果產(chǎn)生影響。通過靜電紡絲技術(shù)將高分子材料制備成納米纖維，將其用作藥物載體，由于靜電紡絲納米纖維良好的可溶性和生物相容性，可以促進人體對藥物的吸收，實現(xiàn)人體對藥物利用率的顯著提升[3]。

2.1.1 芯——鞘結(jié)構(gòu)纖維纖維用作藥物載體

芯——鞘結(jié)構(gòu)纖維特別適用于藥物輸送，其有同軸的芯質(zhì)和鞘層，芯質(zhì)一般承載藥物或其它活性分子，鞘層材料起到保護芯質(zhì)的作用，以保證芯質(zhì)中藥物良好的活性和穩(wěn)定性，因此芯質(zhì)和鞘層通常采用不同的材料。Klein 等人[4]采用同軸共紡技術(shù)制得了含有活性細(xì)菌的芯——鞘結(jié)構(gòu)纖維。鞘層由己內(nèi)酯( PCL) 和聚乙二醇( PEG)的混合溶液組成，芯質(zhì)由假單胞菌和聚環(huán)氧乙烷(PEO)的水溶液組成。所得纖維芯質(zhì)中的細(xì)胞具有良好的反硝化功能且細(xì)胞保持了磷酸酶和β——半乳糖苷酶活性。Li 等人[5]成功使用乳液電紡技術(shù)，將親水性藥物蛋白酶K 的水溶液滴入疏水性聚合物乙二醇/乳酸嵌段共聚物(PELA)的氯仿溶液中，形成油包水體系,芯質(zhì)蛋白酶K，鞘層是純PELA基質(zhì)。蛋白酶具有一定的生物活性，這表明該纖維結(jié)構(gòu)能作為載體進行藥物輸送。

2.1.2 多孔結(jié)構(gòu)纖維用作藥物載體

這種結(jié)構(gòu)的纖維和纖維支架適用于纖維與周圍環(huán)境需要進行充分接觸和反應(yīng)的場合，如某些藥物的釋放及催化劑和傳感器等領(lǐng)域[6]。其具有很大的比表面積，多孔的表面進一步增大了纖維的表面積，與周圍環(huán)境接觸更加充分，更利于藥物的釋放。You 等人[7]將聚丙交酯(PGA)與L——聚乳酸(PLLA)溶解在六氟丙烯中電紡，用氯仿除去后者，得到了具有三維連通孔洞的纖維。

2.2 組織工程

組織工程學(xué)，是利用生物活性物質(zhì)，將材料和加工方法相結(jié)合，再造或者修復(fù)器官及組織的技術(shù)。利用靜電紡絲技術(shù)可以獲得優(yōu)良仿生性的支架材料，其要求能夠模仿體內(nèi)細(xì)胞的生長環(huán)境，選用的材料需具有一定的力學(xué)性能，可降解，有良好的的生物相容性和生物功能性。

2.2.1 軟骨修復(fù)支架

軟骨損傷是一種常見的關(guān)節(jié)疾病，近年來軟骨損傷病例逐漸增多，對軟骨修復(fù)支架的需求越來越多，因此對其研究更深入。何曉敏等制備了可作為氣管補片的膠原/PLCL復(fù)合納米支架材料，其可用于培養(yǎng)第二代肋軟骨細(xì)胞，四周可形成類軟骨組織，可應(yīng)用于軟骨組織修復(fù)。

2.2.2 人造血管支架

靜電紡絲技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于制備小孔徑人造血管。陳思原等人[6]成功使用同軸共紡技術(shù)，制備出了小孔徑人造血管。該人造血管為芯——鞘結(jié)構(gòu)纖維，其芯質(zhì)為負(fù)載一氧化氮（NO）供體的聚己內(nèi)酯(PCL)，鞘質(zhì)為明膠或PCL。該芯——鞘結(jié)構(gòu)纖維多孔材料，通過抑制血小板的聚集、黏附，避免血小板在材料表面黏附，造成血栓。同時具有控制釋放NO 的性能，可防止NO 供體濾出，避免對人體產(chǎn)生危害。新加坡國立大學(xué)的Ma Zuwei 等通過明膠對電紡 PCL 納米纖維進行表面改性，以改善其與內(nèi)皮細(xì)胞的相容性，這顯示PCL 納米纖維作為血管組織工程支架的潛在應(yīng)用。

2.2.3 骨組織修復(fù)材料

納米纖維支架可為骨組織的生長、修復(fù)提供良好的微環(huán)境、對人體骨組織施加機械刺激，釋放所負(fù)載的藥物，從而刺激骨髓干細(xì)胞向骨細(xì)胞的分化，最終促進骨骼的修復(fù)。Fu[8]等使用乳液電紡的方法，將骨形成蛋白-2（BMP-2）嵌入乳酸/羥基乙酸共聚物（PLGA）/羥基磷灰石（HAp）復(fù)合基質(zhì)中形成復(fù)合纖維支架，BMP-2 在復(fù)合支架中生物活性良好，能夠促進骨骼的修復(fù)與新骨骼的形成?？梢酝ㄟ^增加HAP 的含量，提高BMP-2 的釋放速度。

2.3 傷口敷料

目前，常用的醫(yī)用敷料仍然是棉質(zhì)紗布，但是其需要頻繁更換，傷口易干燥，只具有物理隔離功能，細(xì)菌容易滋生，溢出物結(jié)痂會導(dǎo)致傷口與敷料的黏連，造成新組織的二次創(chuàng)傷等現(xiàn)象。研究學(xué)者普遍認(rèn)為，與干性敷料(如繃帶) 相比，濕潤傷口愈合在傷口處理方面表現(xiàn)出色。因此，理想的醫(yī)用敷料應(yīng)該能夠保持傷口及周邊相對濕潤，提供溫和的環(huán)境促進傷口愈合，且具有良好的透氣性，抑制細(xì)菌生長并能夠及時吸收分泌物。

2.3.1 應(yīng)用于體外傷口護理的電紡敷料

靜電紡絲納米抗菌敷料是指將抗菌高分子溶液或抗菌劑與高分子物質(zhì)混合，通過靜電紡絲法制得的具有抗菌性能的納米級功能敷料。其可以阻擋外界細(xì)菌和灰塵入侵傷口，對傷口起到保護作用，還可以在纖維材料中添加利于傷口愈合的藥物，促進傷口愈合 。Jeong[9]等人使用靜電紡絲技術(shù)制備負(fù)載磺胺嘧啶銀鹽（SSD）的再生絲素纖維，研究表明，隨著SSD 比例的增加材料的抗菌性能增強，但細(xì)胞毒性也相應(yīng)上升。因此，要求使用的藥物與纖維材料結(jié)合不能產(chǎn)生對傷口愈合有害的物質(zhì)。

2.3.2 可促進皮膚再生的電紡纖維敷料

Schneider[10]等人利用靜電紡絲工藝，將表皮生長因子（EGF）添加到再生絲素蛋白、聚環(huán)氧乙烷中制備紡絲溶液，制備含有EGF 的再生絲素纖維。再生纖維素纖維的EGF 隨時間被緩慢釋放（170h 釋放25%的EGF），持續(xù)釋放的EGF 可促進創(chuàng)傷皮膚的修復(fù)，傷口表皮的閉合時間可縮短90%，EGF 的釋放過程經(jīng)歷了突釋效應(yīng)到持續(xù)釋放的過程，對慢性皮膚的損傷修復(fù)治療非常有效。愈合過程中含有EGF 的再生素纖維保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，生物相容性良好。因此，含有EGF 的再生素纖維可以用作醫(yī)用敷料，促進受傷皮膚的修復(fù)。

2.3.3 藥物釋放醫(yī)用敷料

制備載藥納米纖維，可在靜電紡絲過程中添加一些藥物到紡絲液中。當(dāng)納米纖維降解或者遇到水溶脹后，藥物成分會緩慢持續(xù)釋放出來，促進傷口愈合，提高治療效果。同時還可以根據(jù)設(shè)計要求對藥物釋放進行控制，將所需藥物適量的釋放到人體表皮創(chuàng)傷部位。

R.A. Thakur[11]等成功制備出含有麻醉劑鹽酸利多卡因（lidocaine）和抗生素莫匹羅星（mupirocin）的雙藥物釋放新型骨架材料。麻醉劑lidocaine 可以有效緩解傷口疼痛，其在1h 之內(nèi)突釋（前1h釋放80%），然后進入平穩(wěn)釋放過程；抗生素mupirocin 可以有效延長該抗生素的活性周期，通過擴散介導(dǎo)機制與麻醉劑同時釋放，其在1h 之內(nèi)僅釋放5%，在后期進入持續(xù)釋放過程（后續(xù)72小時中）。兩種藥物在釋放過程中不會產(chǎn)生有害反應(yīng)，是一種促進作用，能夠加強治療效果。采用雙噴絲頭法比傳統(tǒng)的單噴絲頭法更具實踐價值，前者制成的醫(yī)用敷料藥物釋放性能更佳。

2.4 納米材料抗菌膜

靜電紡絲制備的納米纖維具有高孔隙率、高比表面積十分適合包埋對環(huán)境敏感的天然抗菌劑，靜電紡絲改性抗菌膜能夠有效抑制細(xì)菌，保障人們免受細(xì)菌侵害。

玉米醇溶蛋白是利用乙醇作為溶劑從玉米中提取的一種疏水性蛋白質(zhì)，具有可再生性和可生物降解性。其本身不具有抗菌性，但是可以與具有抗菌性的化合物共混電紡或者利用玉米醇溶蛋白包埋抗菌物質(zhì)制備的納米纖維膜具有抗菌性。以玉米醇溶蛋白為基質(zhì)的納米纖維膜具有較好的耐水性和耐熱性，常作為糖果、大米、干果和堅果的涂層材料。百里香酚是一種天然抗菌劑，可有效抑制細(xì)菌滋生。李娟[12]等使用靜電紡絲技術(shù)成功制備出負(fù)載百里香酚的玉米醇溶蛋白基納米纖維抗菌膜。當(dāng)玉米醇溶蛋白（zein）與百里香酚質(zhì)量比為1:1 時，抑菌圈的直徑最大，為20.42mm，抑菌效果顯著。減少zein 含量，抑菌圈直徑減少，抑菌效果減弱。當(dāng)玉米醇溶蛋白與百里香酚質(zhì)量比為50:1 時，不產(chǎn)生抑菌圈。

3 總結(jié)

靜電紡絲技術(shù)是一種具有廣闊應(yīng)用前景新式紡絲技術(shù)。不僅在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，在許多其他領(lǐng)域中，它也將起到重要作用。如化學(xué)化工、復(fù)合材料等領(lǐng)域。靜電紡絲技術(shù)簡單高效、經(jīng)濟便捷的特點可使所需材料進行大規(guī)模批量生產(chǎn)。但它也有一些缺點，例如大規(guī)模生產(chǎn)后產(chǎn)品質(zhì)量不可控，小孔徑纖維內(nèi)缺乏適當(dāng)浸潤。但隨著研究工作的不斷深入，靜電紡絲技術(shù)作為一種制備超細(xì)纖維和多孔材料的先進手段，必將在很多產(chǎn)業(yè)及領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。