溶液噴射紡絲技術(shù)制備的納米纖維在組織工程中的應(yīng)用

胡一為，劉鐵龍

（1.寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院，浙江 寧波；2.寧波市鄞州第二醫(yī)院，浙江 寧波）

0 引言

廣義上，納米纖維指的是直徑在1微米以下的纖維。與普通生物材料支架相比，納米纖維生物支架具有高比表面積、高孔隙率等優(yōu)異性能，其相互連接的纖維狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與天然組織的細(xì)胞外基質(zhì)相似，能夠促進(jìn)細(xì)胞的黏附，為細(xì)胞提供三維空間結(jié)構(gòu)支持并影響細(xì)胞的行為[1,2]。近年來，人們開發(fā)了一系列功能化的納米纖維生物支架用于組織工程研究[3]。目前，納米纖維的制備方法主要包括離心紡絲法[4]、靜電紡絲法和溶液噴射法等。其中，靜電紡絲法應(yīng)用最為廣泛，其原理是在高壓靜電場中，將聚合物溶液輸送至紡絲針頭，在電場力作用下聚合物溶液被拉伸和細(xì)化，從而在接收端得到納米級纖維。為了得到粗細(xì)均勻一致的纖維，靜電紡絲必須配備一個(gè)強(qiáng)電場，且纖維制造效率極低（紡絲速度往往低至1mL/h），這些缺陷限制了靜電紡絲技術(shù)的推廣應(yīng)用[5,6]。溶液噴射紡絲（Solution blowing spinning，SBS）是另一種新興的納米纖維制造工藝。與靜電紡絲技術(shù)相比，SBS無需電場，用簡單的設(shè)備即可完成。SBS的纖維制作效率比靜電紡絲高10倍，安裝成本卻比靜電紡絲設(shè)備低100倍[6]，自從2009年問世以來得到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[7]。本文介紹了溶液噴射紡絲的技術(shù)原理和SBS納米纖維形態(tài)的影響因素，并綜述了對SBS納米纖維支架在組織工程中的應(yīng)用。

1 SBS的原理

SBS是一種納米纖維制造技術(shù)，其原理是將聚合物溶解在易揮發(fā)溶劑中，利用環(huán)繞在聚合物溶液周圍的高速氣流，將紡絲溶液進(jìn)行拉伸，得到沿氣流方向固化沉積的超細(xì)纖維。SBS系統(tǒng)的核心是壓縮氣體源和噴嘴。SBS無需搭建電場，操作安全、簡便。噴嘴通常設(shè)計(jì)為同心圓狀結(jié)構(gòu)，分內(nèi)外兩個(gè)通道，外部通道包繞內(nèi)部通道。溶液從內(nèi)部通道射出，高速氣流從外部通道進(jìn)入，包繞在溶液四周以產(chǎn)生拉伸作用[8]。在SBS過程中，聚合物溶液以穩(wěn)定的速率從噴嘴輸出，在周圍高速氣流的帶動(dòng)下發(fā)生軸向拉伸，形成直線射流。隨著射流被進(jìn)一步拉伸細(xì)化，溶液的比表面積急劇增加，溶劑迅速揮發(fā)，聚合物固化沉積為纖維。形成的纖維在風(fēng)場的彎曲擾動(dòng)作用下發(fā)生螺旋運(yùn)動(dòng)，最后沉積在接收端形成纖維網(wǎng)絡(luò)[9]。

2 SBS納米纖維形態(tài)的影響因素

基于SBS技術(shù)的原理，紡絲溶液的性質(zhì)和工藝參數(shù)的調(diào)整決定了SBS纖維的形態(tài)。

2.1 紡絲溶液的性質(zhì)

聚合物溶液射流能否形成纖維取決于高分子聚合物鏈的纏結(jié)作用。足夠高的聚合物分子量是保證聚合物鏈之間產(chǎn)生有效纏結(jié)的前提[10]。此外，聚合物鏈之間的纏結(jié)作用隨聚合物濃度的提高而增大。Tang等[11]在制備聚丙烯腈納米纖維的實(shí)驗(yàn)中探究了聚合物溶液濃度對纖維形成的影響。他們發(fā)現(xiàn)，純?nèi)軇┰诟咚贇饬鞯臓可熳饔孟滦纬煞稚⒌囊旱?，隨著聚合物濃度的提高，分散的液滴逐漸集中直至形成穩(wěn)定射流。然而，SBS納米纖維的直徑會(huì)隨聚合物濃度的提高而增大。Oliveira等人[12]在制備SBS聚乳酸（PDLLA）納米纖維的過程中，將聚合物濃度從4% w/v提高到8%w/v后，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的平均纖維直徑明顯增大。另外一項(xiàng)采用SBS技術(shù)制備聚環(huán)氧乙烷（PEO）納米纖維的研究中也得到了類似的結(jié)果[13]。因此，足夠高的聚合物分子量和聚合物濃度是保證成功SBS的前提。在此基礎(chǔ)上，提高聚合物的濃度將得到更大直徑的SBS纖維。

2.2 工藝參數(shù)的調(diào)整

SBS工藝參數(shù)包括氣壓和噴嘴直徑等。增加氣壓能提高溶液周圍氣流的速率，產(chǎn)生直徑更加均一的纖維，能夠滿足精細(xì)紡絲的要求[12,14]。然而，過大的氣壓將降低風(fēng)場的溫度，溶劑揮發(fā)受限，導(dǎo)致成型的纖維發(fā)生粘連。因此，提高風(fēng)場溫度可以彌補(bǔ)這些不足，在噴嘴和接收端之間安裝溫度控制箱體是一個(gè)可行的策略。Zhuang等學(xué)者[15]研究了溫度控制箱體對SBS纖維成型的作用，他們發(fā)現(xiàn)將溫度從37℃提高到45℃后，SBS纖維之間的粘連消失并得到表面光滑且直徑均一的納米纖維。通常，溶液噴射紡絲在室溫下進(jìn)行，雖然溫度控制是調(diào)控纖維形態(tài)的重要手段，但提高了SBS的成本和操作復(fù)雜性。因此提高聚合物溶液的溫度可能是更為方便的策略[16]。另外，減小噴嘴直徑能得到直徑更細(xì)的SBS纖維。韓萬里等人研究了噴嘴直徑對纖維形態(tài)的影響，結(jié)果表明噴嘴內(nèi)通道的直徑越小，外通道的環(huán)繞氣流直徑越大，得到的纖維直徑就越細(xì)[17]。但是，過細(xì)的噴嘴將導(dǎo)致溶液不穩(wěn)定和針頭堵塞的頻繁發(fā)生?？傊?，制備理想直徑的SBS纖維必須選擇合適直徑的噴嘴。

3 SBS納米纖維在組織工程中的應(yīng)用

相比于靜電紡絲，SBS無需考慮聚合物溶液的導(dǎo)電性，不需配備高壓電場和保護(hù)裝置，操作更為靈活、安全。SBS能夠?qū)⒓{米級纖維沉積在各種材料的表面，這極大地?cái)U(kuò)展了SBS技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍。種子細(xì)胞、生物支架材料和生長因子構(gòu)成了組織工程的三要素。生物支架材料的主要功能是為細(xì)胞提供合適的微環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞的黏附、增殖和浸潤。SBS技術(shù)生產(chǎn)的纖維支架孔隙極為豐富，納米纖維形成不規(guī)則的三維卷曲，有助于細(xì)胞的黏附和遷移。

3.1 SBS納米纖維支架用于骨組織工程

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSC）能分化為成骨細(xì)胞，是骨組織工程最主要的種子細(xì)胞。納米纖維生物支架材料能夠?yàn)锽MSC的黏附和浸潤提供合適的環(huán)境，并且增強(qiáng)成骨分化[18]。Tutak等[6]利用SBS技術(shù)制備了4種不同材料的納米纖維支架材料，用于培養(yǎng)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hBMSC）。他們采用DNA定量分析明確了hBMSC在各種支架上均增殖良好。在培養(yǎng)了21天后，茜素紅染色和酶聯(lián)免疫吸附測定法（ELISA）測定骨鈣素（OCN）的結(jié)果顯示，SBS納米纖維支架材料能夠促進(jìn)hBMSC的成骨分化。在另一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，hBMSC在SBS納米纖維支架上的浸潤深度達(dá)到78.75±18.46 μm，幾乎是在靜電紡絲納米纖維支架上浸潤深度的兩倍（34.75±8.77 μm）[19]。因此，相比于靜電紡絲，SBS技術(shù)能夠生產(chǎn)出具有高孔隙率和細(xì)胞滲透率的納米纖維支架材料，加強(qiáng)hBMSC的遷移和浸潤，為骨組織工程支架材料的制備提供了理想的選擇。

3.2 SBS納米纖維支架用于心肌組織工程

傳統(tǒng)培養(yǎng)（聚苯乙烯培養(yǎng)瓶）的心肌細(xì)胞是完全隨機(jī)定向的。然而在活體中，心肌細(xì)胞在體內(nèi)相互連接形成肌纖維，心肌細(xì)胞的排列也決定了電信號傳導(dǎo)的方向。隨機(jī)排列的心肌細(xì)胞不利于細(xì)胞間信號傳導(dǎo)，將導(dǎo)致細(xì)胞表型和功能的喪失。納米纖維支架材料能通過纖維結(jié)構(gòu)的調(diào)控影響心肌細(xì)胞的排列取向。研究表明，在SBS納米纖維支架上培養(yǎng)的心肌細(xì)胞會(huì)根據(jù)纖維的方向排列并維持與活體心臟心肌細(xì)胞相似的表型[20]。因此，SBS納米纖維支架能模仿體內(nèi)環(huán)境培養(yǎng)心肌細(xì)胞，對心肌組織工程有重要意義。

3.3 SBS納米纖維支架用于其他類型的組織工程

除了骨組織和心肌組織工程，SBS納米纖維支架材料還用于培養(yǎng)其他類型的組織細(xì)胞。Behrens等人[14]將SBS制作的PLGA納米纖維用于人冠狀動(dòng)脈細(xì)胞（HCAEC）和鼠成纖維細(xì)胞（L929）的培養(yǎng)，證實(shí)了支架良好的生物相容性，為動(dòng)脈組織工程研究的開展提供了理論基礎(chǔ)。

4 小結(jié)和展望

SBS作為一種新型的納米纖維制造工藝，具有成本低、效率高、能在任意表面原位沉積納米纖維等優(yōu)勢，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。通過改變聚合物溶液的性質(zhì)、調(diào)整氣壓等工藝參數(shù)，人們能方便地制作出預(yù)期直徑的納米纖維。雖然SBS納米纖維支架材料在組織工程領(lǐng)域已經(jīng)得到了很多令人欣喜的研究成果，但是相對于技術(shù)成熟的靜電紡絲技術(shù)，其基礎(chǔ)理論還未完善，進(jìn)一步的臨床轉(zhuǎn)化和應(yīng)用研究也尚需進(jìn)行。隨著醫(yī)工交叉觀念的普及和生物材料領(lǐng)域的發(fā)展，相信SBS技術(shù)將在組織工程支架搭建、器官表面止血、抗感染性傷口敷料等方面展現(xiàn)出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>