溶液噴射紡絲及其在生物醫(yī)用材料中的應用

鄭作保，馮洋洋，賈姣，侯一杰，賈永堂

（五邑大學 紡織材料與工程學院，廣東 江門 529020）

近年來，生物醫(yī)用紡織材料發(fā)展迅速，其在傷口護理、屏蔽材料、支撐材料、感染控制以及醫(yī)療器材中都有著廣泛的應用[1].高效醫(yī)用功能纖維的開發(fā)和應用，已形成世界各國競相發(fā)展的局面.目前該領域的研究核心是通過生物技術以及設備改良實現對傳統(tǒng)的紡織纖維材料的改進，進一步提升生物醫(yī)用紡織品的性能.

納米纖維由于具有獨特的結構特征、超高的比表面積、新穎的性能和巨大的應用潛力，其制備與生產得到了廣泛的關注[2].當前生產微/納米纖維的方法主要有靜電紡絲[3]、離心紡絲[4]、熔噴法[5]、自組裝技術[6]和溶液噴射紡絲.其中靜電紡絲技術具有操作簡單、工藝可控的特點，是目前在實驗室及產業(yè)推廣中應用最廣泛的納米纖維制備技術[7-8].但其存在對紡絲原料要求高、生產效率低以及高壓電易引發(fā)安全問題等缺點，限制了靜電紡絲納米纖維的大規(guī)模生產.最近一種微/納米纖維生產的新方法—溶液噴射紡絲技術被提出，該方法結合了熔噴法和濕法紡絲技術[9].相比于靜電紡絲制備納米纖維，溶液噴射法對設備的要求低、制備方法更簡單方便、安全性更高、紡絲原料更為廣泛，同時纖維細度可控性高，是目前實現納米纖維工業(yè)化生產的最佳方式[10].

利用溶液噴射技術生產的納米纖維具有三維卷曲結構并可形成一定的層次感，纖維膜比表面積大、孔隙率高并且比較蓬松，纖維直徑往往在幾百納米到幾微米之間[11-13].溶液噴射紡絲纖維憑借其優(yōu)異的性能和結構在生物醫(yī)用領域得到了廣泛的應用，在醫(yī)用敷料、藥物緩釋、細胞載體和纖維原位沉積等領域均有廣闊的應用前景.

1 溶液噴射紡絲基本原理與技術

溶液噴射紡絲技術是一種高速氣流拉伸紡絲技術.如圖 1所示[9]，該技術采用了一種新型的同心噴嘴，內噴嘴突出外噴嘴一定距離，其中的聚合物溶液以一定的速度通過內噴嘴，在內噴嘴尖端形成液滴；在外噴嘴中通入高壓氣體 P1，高壓氣體在噴嘴處具有較高的氣流速度，壓強迅速降為Patm，在噴絲孔液滴前端下降為 P2，Patm與 P2形成的壓差會對溶液產生剪切力，當剪切力大于溶液表面張力時，液滴會被拉伸形成射流.

圖1 溶液噴射紡絲原理示意圖

對射流紡絲原理研究比較透徹的是熔噴紡絲技術，溶液噴射紡絲與熔噴法紡絲在原理上有許多相似之處[14].熔噴紡絲過程中，在高速熱風同軸射流的輔助下，聚合物熔體在噴絲口處被拉伸而產生纖維.纖維的拉伸是由一系列相互關聯(lián)的現象引起的，例如聚合物射流溫度高于聚合物的玻璃化轉變溫度，空氣與聚合物之間的剪切力大于聚合物表面張力[14].此外，在遠離噴絲口后氣體運動的不穩(wěn)定性會增大，高黏性液體射流會受到橫向分布力的作用，這種力往往會增加彎曲擾動使纖維發(fā)生彎曲[15].由氣體對液體射流的拉伸與彎曲的不穩(wěn)定性研究發(fā)現，溶液噴射中纖維的牽伸分三步完成[16]：射流纖維的直線運動、纖維的拉伸運動和彎曲擾動.溶液噴射中的聚合物射流是直線型的，受到周圍高速氣流的軸向牽引，并相應地使纖維變細，在此過程中溶劑不斷揮發(fā)使纖維抗彎剛度增加；在纖維拉伸過程中，聚合物射流被周圍的空氣射流加速時，拉伸會導致聚合物射流迅速變細.聚合物射流在離噴頭模具距離很短時纖維仍很粗，具有顯著的彎曲剛度，因而不會在噴頭處彎曲；纖維的彎曲擾動過程涉及因素眾多，如纖維細度變化、溶劑蒸發(fā)、氣流的大小與方向等，該過程是纖維產生三維空間卷曲的主要原因.當溶劑蒸發(fā)到一定程度后，纖維幾乎變成剛性的，不能被拉伸和卷曲，形態(tài)結構不再發(fā)生變化從而穩(wěn)定[17].

2 纖維形貌的影響因素

溶液噴射紡絲纖維形態(tài)受眾多因素影響，例如溶劑性質、紡絲設備和環(huán)境條件.

影響溶液性質的因素主要有黏度和表面張力[18].通常黏度越大，纖維直徑越大；黏度太小，成纖能力變差，易產生液滴而不能形成纖維[19-20]；黏度過大則纖維很難被拉伸開，易形成念珠狀，并且容易堵塞噴頭.表面張力則直接影響纖維的拉伸過程，表面張力越大，所需剪切力也越大.

影響纖維形態(tài)的紡絲設備因素主要為氣壓的大小、送液速度和內外噴嘴的大小.氣壓大小主要影響噴嘴處的氣體速度，一般氣壓越大噴嘴處剪切力越大，對聚合物的牽引成纖能力越強.送液速度直接影響纖維的產量，但送液速度太大會導致纖維成形性變差，過小則影響紡絲的連續(xù)性.內噴嘴直徑大小影響纖維的直徑和形態(tài)，纖維直徑隨噴嘴直徑的增大而增大，噴嘴直徑過大則成纖能力降低；外噴嘴直徑大小影響氣流速度，通過內外噴嘴的配置調節(jié)可調控噴射面積的大小.

環(huán)境對纖維形態(tài)的影響主要表現為接收距離和環(huán)境溫度.纖維的拉伸及溶劑的蒸發(fā)主要發(fā)生在接收段，接收距離過短不易成纖或纖維粘連嚴重，接收距離過長會導致纖維呈無序性、蓬松度增大和接收范圍增大.環(huán)境溫度過高，溶劑蒸發(fā)會加快，不利于纖維的拉伸；環(huán)境溫度過低，溶劑不能及時蒸發(fā)纖維將產生粘連現象.目前常用的接收裝置有平面網狀類和輥筒類接收兩種，網孔類結構能夠引導氣流，從而降低纖維膜的蓬松度；輥筒類裝置可以通過改變滾筒轉速來調整纖維的取向[21-23].

3 溶液噴射技術的發(fā)展完善

當前溶液噴射紡絲技術得到了諸多改進，尤其是對紡絲設備的改進.例如Li等[24]設計了多針頭紡絲設備，其針頭數可達到 80～140，并在接收裝置后位添加了負壓裝置以收集纖維，從而大幅提高了紡絲效率.Dong等[25]通過加熱裝置和電氣控制系統(tǒng)對紡絲箱體、高壓氣體紡絲液進行溫度控制，設計制造了溶液噴射紡絲中試試驗機，推進了溶液噴射技術的工業(yè)化生產進程.Tang等[26]將溶液噴射與靜電紡絲技術相結合，把靜電場引入溶液噴射紡絲裝置中，發(fā)明了感應靜電輔助溶液噴射紡絲技術，用于解決紡絲過程中的纖維粘連問題.Feng[27]將溶液噴射技術與旋轉收集器相結合，并調整收集器的形狀，實現了三維微/納米纖維結構的構建.Jia[28]通過改進溶液噴射接收裝置實現了納米纖維紗線的生產，并將制備的聚丙烯腈納米纖維紗線碳化得到碳納米纖維紗線，為活性電極材料的制備提供了新的方法.

一些學者拓展了紡絲原料的范圍.Ryan D等[29]將正硅酸四乙酯/明膠紡絲液進行溶液噴射紡絲，并在液氮中低溫交聯(lián)，制備出一種新型多孔雜化纖維；Delne等[30]采用硫酸水解法從桉樹牛皮紙漿中提取了纖維素納米晶，再加入到碳酸二甲酯溶液中，通過溶液噴射紡絲技術成功制備了聚乳酸/CNC和聚乳酸/ CNCMA納米復合材料.Mert Vural等[31]將聚丙烯酸與硝酸銀混合制備納米銀顆粒，再將其加入到嵌段共聚物溶液中，通過溶液噴射紡絲技術得到了彈性導電纖維；Song等[32]在酚酞聚醚砜（PES-C）紡絲液中添加不同含量的兩性離子改性的酚酞聚醚砜（PES-CB），再利用溶液噴射紡絲技術制備了 PES-CB/PES-C復合納米纖維膜；為解決納米纖維強度低的問題，Huang[33]將多壁碳納米管與聚間苯二甲酰間苯二胺混紡，并通過對多壁碳納米管的酸化、酰氯化及接枝等不同方法的化學改性，研究了多壁碳納米管對二甲基乙酰胺溶劑分散性的影響.

除此之外，Medeiros ELG等[34]將溶液噴射與冷凍干燥相結合提出低溫溶液噴射技術，即拉伸成形的纖維直接被液氮接收，通過液氮的冷凍干燥形成多孔結構的纖維；由于同時使用的兩臺溶液噴射紡絲裝置（一臺裝入紡絲液紡絲，另一臺噴射水滴用于制孔）都裝有液氮，故在低溫干燥后，纖維間也形成了大通孔結構.

4 溶液噴射紡納米纖維的生物醫(yī)用

4.1 醫(yī)用敷料與藥物釋放

傳統(tǒng)的醫(yī)用敷料多為天然紗布以及合成纖維類敷料，不能滿足醫(yī)用實際需求.傷口愈合是一個非常復雜的過程，受凝血、炎癥、纖維增生、膠原沉積、傷口收縮等因素的影響[35]，細菌感染也是影響因素之一（通常采用活性強、殺傷率高的抗菌藥物用于治療[36]）.實際上，濕敷對傷口愈合有更好的效果，因為在濕潤環(huán)境中生長的皮膚不會結痂.水凝膠是一種有效便捷的促傷口快速愈合的濕潤敷料[37].

理想的醫(yī)用敷料應具有高孔隙率、高比表面積、透氣保濕、良好的生物相容性以及促進傷口愈合等功能，靜電紡絲生產的納米纖維很好地滿足了這種需求[38]，最初納米纖維被應用于敷料產品研究，但存在成本高、產能低的缺陷，很難大規(guī)模應用.溶液噴射紡絲技術因效率高、可噴涂于任何材料表面等優(yōu)勢，逐漸成為研究的熱點；同時，通過向聚合物溶液中加入藥物或活性物質，還可賦予醫(yī)用敷料抗菌、促進組織生長等功能.與大多數合成抗菌藥物相比，一些天然抗菌材料對細菌和真菌具有更高的內在活性、低毒性、生物降解性和影響巨噬細胞等性質，可有效加快傷口的愈合[39].Liu等[40]用殼聚糖/聚乙烯醇原液通過溶液噴射紡絲技術制備出一種水凝膠納米纖維墊，該水凝膠產品可創(chuàng)造濕潤的傷口愈合環(huán)境、允許氣體交換、吸收多余的滲出物、具有良好的抗菌活性.徐等[41]利用溶液噴射紡絲技術制備了殼聚糖/聚乳酸/聚乙二醇納米纖維，并在戊二醛蒸氣中交聯(lián)處理，得到了一種新型凝膠納米纖維，其對大腸桿菌的抑菌率達 90%之上.殼聚糖上的氨基有一定的抑菌能力，但殼聚糖作為醫(yī)用敷料的缺點也比較突出，如力學性能差、表面疏水性等.為解決此問題，一種有效的方法是將合成材料與天然可降解聚合物復合，以充分利用合成材料優(yōu)異的機械性能和天然材料良好的生物相容性.Zhuang等[42]通過向殼聚糖中加入聚乙烯醇來改善其力學性能和表面疏水的問題，研究結果表明，在殼聚糖纖維中加入聚乙烯醇可顯著提高纖維膜的柔韌性和潤濕性，且制備的膜具有一定的生物相容性.

通常，醫(yī)用敷料只靠天然材料本身的抗菌性是遠遠不夠的，一般會在體內或體表添加緩釋的藥物或生長因子來促進受損部位的恢復[43].藥物的緩慢釋放可通過兩種方法來實現：其一，將藥物與可降解材料相混合或者直接封裝在纖維中形成核殼結構，在一定酸堿度和溫度下，包覆材料逐漸分解，使得藥物不斷裸露在外而進行釋放；其二，將藥物束縛在小空隙中，通過控制空隙的大小來調節(jié)藥物與外界的接觸面積而達到藥物緩釋的效果.例如 zhuang等[44]使用溶液噴射紡絲技術，用對pH敏感的甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯共聚物為殼體材料，以治療克羅恩病和潰瘍性結腸炎常用的抗炎藥物氨基水楊酸為包覆材料，藥物釋放結果顯示，氨基水楊酸在模擬胃液（pH=1.2）和模擬十二指腸液（pH=6.0）中幾乎不釋放，但在模擬的小腸和結腸液中可迅速釋放.Bonan等[45]將Copaifera oil加入聚乳酸和聚乙烯吡咯烷酮共混微/納米纖維中，研究Copaifera oil與溶液的相融性發(fā)現，復合纖維在氣蒸和自然釋放條件下對金黃色葡萄球菌均有較強的抑制作用.Ryan D等[29]用溶膠-凝膠材料通過低溫溶液噴射紡絲技術制備了多孔納米纖維，并在明膠中加入可溶性硅離子和羥基碳酸鹽磷灰石，發(fā)現其在一定條件下能夠緩慢釋放.

4.2 細胞載體

三維微/納米纖維支架在當前組織工程研究中越來越重要，常規(guī)的二維細胞培養(yǎng)不能模擬細胞在體內遇到的生理環(huán)境，而微/納米纖維的三維形狀使細胞有機會向四周增殖，并長成骨骼或肝臟等三維形狀的組織[46].多孔性是微/納米纖維支架最重要的性能之一，高孔隙度保證了細胞的增殖、分化和遷移，并可為養(yǎng)分運輸和分泌物處理提供通道.

理想的組織工程支架不僅要有三維形態(tài)，還要有一定的機械強度和較好的生物相融性與生物穩(wěn)定性，以增強細胞附著、細胞基質的相互作用與增殖能力[47].當前制備的納米纖維支架，具有比表面積大、直徑小的特點，但其密集的纖維結構和較小的空隙阻礙了支架與細胞組織的融合，與真正意義上的三維支架還有一定的差距.采用溶液噴射紡絲制備的納米纖維呈三維空間卷曲形態(tài)，纖維膜具有較蓬松的結構，更容易提供細胞生長所需要的大通孔環(huán)境，并可通過控制纖維的取向實現對細胞生長和轉移的誘導（在臨床醫(yī)學中，細胞必須以高度協(xié)調的方式遷移到愈合組織中以完成修復作用）.

利用溶液噴射紡絲技術適用材料范圍廣的特點，可選擇適當的紡絲材料來進行細胞培養(yǎng).Afanasiev等[48]用溶液噴射紡絲生產的聚乳酸纖維支架接種骨髓基質細胞發(fā)現，制備的支架有更加優(yōu)化的空間結構，細胞定植效果更好.Tomecka等[49]用聚乳酸和聚氨酯納米纖維墊對心肌細胞進行培養(yǎng)，并研究了對纖維進行蛋白改性后支架上細胞的形態(tài)、移動和增殖情況，結果表明：聚合物納米纖維支架是比聚苯乙烯更好的心肌細胞培養(yǎng)基質.Rafaella等[50]以聚乳酸與聚乙二醇共混物為原料通過溶液噴射技術制備得到聚乳酸纖維，結果表明：細胞很容易與纖維相互作用并處于一種密切接觸狀態(tài)，其特征是肌動蛋白絲的積累和細胞纖維相互作用部位的局部粘附；細胞在纖維和肌動蛋白的引導下運動，使得細胞纖維界面的局部粘附部位表現出了高度的動態(tài)行為；此外，纖維并沒有引起樹突狀細胞中活化標記物和細胞因子的顯著增加，這些細胞仍處于非活性狀態(tài).

為便于培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質的運輸和廢棄物的處理，可用納米纖維制備流動的三維培養(yǎng)基來實現.如 Chen等[51]以聚己內酯和聚苯乙烯等兩種常用的聚合物為細胞培養(yǎng)基質，將制備的纖維層放入特定的容器中，并在其上接種細胞進行流動培養(yǎng)與外部刺激，結果發(fā)現：溶液噴射紡絲細胞培養(yǎng)支架增強了流動裝置中細胞的免疫反應，內皮細胞在培養(yǎng)基上的存活時間至少為72 h.在使用納米纖維的微流控三維裝置進行細胞培養(yǎng)時，可通過調控三維裝置的形狀、模塊組裝來滿足不同細胞組織的要求.Feng等[27]將溶液噴射技術與旋轉立體收集器相結合制備了三維納米支架，并通過改變收集器形狀得到了孔隙率為89.9%的三維結構.

4.3 纖維原位沉積

溶液噴射紡絲的牽伸作用是壓縮空氣產生的剪切力引起的，因此紡絲射流可以噴涂于任何材料表面上.利用這一特點，可將纖維直接噴涂于人體體表或組織受損部位.直接沉積具有許多新的應用和優(yōu)點，如按需制造適形納米纖維墊以滿足精確和現場特定的噴附需求.該技術在血管、腸以及氣道吻合術等中應用，可替代或補充縫合線的外科密封膠或外科止血劑等，應用前景廣闊[52].

直接噴涂于傷口表面的纖維，其接觸面的表面特征尤為重要（因其直接影響纖維與細胞之間的粘附性）.Teno等[53]研究纖維膜表面粗糙程度、親水性對大腸桿菌粘附性能的影響發(fā)現，生物膜越粗糙，細胞粘附性越好.為方便操作溶液噴射裝置，通常用油漆噴繪的商用噴槍裝置直接對體表進行纖維沉積.Behrens等[54]用商業(yè)噴槍設備將聚乳酸納米纖維墊直接沉積在豬肺切除和肝表面損傷的部位，1 min內便在受損部位噴涂了一層納米纖維.同樣，Kern等[55]也采用該方法制備了聚乳酸和聚乙二醇混紡纖維，測試了盲腸密封手術中的使用情況，并與3種醫(yī)用外科密封膠進行比較，結果表明利用溶液噴射紡絲技術可有效縫合胃腸道吻合口.

除了在外科手術中的應用，溶液噴射也可直接噴涂于醫(yī)療器械表面，因為殺菌表面和防污表面的制備是抑制細菌在醫(yī)療器械表面附著和增殖的主要方法.Yuan等[56]將聚苯乙烯-嵌段-異丁烯-嵌段-苯乙烯微纖維直接噴涂于注射器、抽離血管、穿刺裝置以及滴注裝置等醫(yī)療器械上，然后將潤滑液吸進并強力粘附在微纖維涂層上，這些光滑的涂層可以有效抑制血細胞粘附、減少溶血、抑制體外凝血，可用于植入人體的相關醫(yī)用產品.此外，也可將溶液噴射技術與細胞原位沉積相結合，例如 Veazey等[57]將細胞懸浮液直接用噴槍進行細胞的原位沉積，通過改變噴嘴尺寸和氣壓來研究接收后的細胞存活情況，證明了使用噴槍將活細胞在氣溶膠中傳送到基質的可行性.Pehlivaner等[58]通過在低壓下噴涂高濃度的PAMAM熱凝膠聚合物，制備出光滑、快速、保形的水凝膠涂層，并對直接沉積熱響應性水凝膠進行了體內試驗，結果表明：可噴涂原位形成的水凝膠能夠在病變組織表面涂層中傳遞細胞群，為再生醫(yī)學的實際應用提供了新的治療方法.

5 結語

溶液噴射紡絲具有選材廣泛、安全性高、可噴涂等優(yōu)勢，作為一種可控、高效制備納米纖維的技術，已在醫(yī)用輔料、藥物緩釋、細胞載體和纖維原位沉積等生物醫(yī)用領域得到了廣泛應用，在制備優(yōu)異性能的納米纖維上具有廣闊前景.但還有一些關鍵問題需要解決，如溶液噴射紡絲技術所紡纖維存在粘連嚴重的缺點，這是溶劑難以完全揮發(fā)所致，需通過調節(jié)環(huán)境溫度加快溶劑蒸發(fā)，但同時也要求不能影響纖維的拉伸成形，相關研究還需要進一步優(yōu)化.此外，溶液噴射紡絲速度慢、產能低，無法滿足纖維大規(guī)模生產的需求，而多噴射溶液紡絲技術雖然生產效率較高，但可控性和穩(wěn)定性較差，難以制造特殊的纖維結構且產品質量差，在工業(yè)化生產領域，該技術仍需要進一步探究和完善.隨著溶液噴射紡絲理論研究的成熟和制備工藝的完善，纖維的可控制備將是未來研究的熱點，例如如何系統(tǒng)化調整溶液黏度、牽伸風速、環(huán)境溫度等參數來實現纖維直徑與形態(tài)的可控性，以便實現溶液噴射紡絲纖維生產的規(guī)?；?、產業(yè)化.