静电纺丝及其在生物医用材料中的应用

尹玉霞 郑秀娥 鲁守涛 王鲁宁 张海军 ,4＊

1 生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室 （山东 德州 251100）

2 北京科技大学材料科学与工程学院 （北京 100083）

3 山东省食品药品监督管理局审评认证中心 （山东 济南 253000）

4 同济大学医学院介入血管研究所 （上海 200072）

内容提要： 静电纺丝是一种广泛使用的制备新型纳米纤维的技术，聚合物溶液在电场力作用下形成两纳米到几微米的纤维。静电纺丝纤维与普通纤维相比，具备表面积体积比高，孔隙率可调节，延展性好，纤维精细程度与均一性高等优点，已成功应用于纳米催化、光电子、生物医药、国防和安全等各个领域。文章综述了静电纺丝技术、静电纺丝纤维特性及其在生物医用材料如组织工程支架、伤口敷料、酶固定、药物控释中的应用，指出了目前研究中存在的科学问题，展望了未来研究的发展方向及临床的应用前景。

静电纺丝又称“电纺”，是一种特殊的聚合物超细纳米纤维制造工艺。在电纺丝过程中，喷射装置中装满带电荷的聚合物溶液或熔融液，喷嘴处的液滴同时受方向相反的表面张力和电场力的影响，随着外部电场增强，液滴由球状被拉长为锥状形成“泰勒锥”直至喷出[1]。与普通纤维相比，静电纺丝纤维具有精细程度高、均一性好，表面积体积比极高，孔隙率可调节等优点，能适应各种形状尺寸的加工要求[2]。在生物医用材料领域中，目前已有超过30种天然和合成聚合物成功应用该技术制得纳米纤维[3]。典型的天然聚合物包括胶原蛋白、壳聚糖、明胶、酪蛋白、乙酸纤维素、丝蛋白、几丁质、纤维蛋白原等，免疫原性低，生物相容性和生物功能性好[4]。不过，天然聚合物在静电纺丝过程中会发生部分蛋白变性，可能对终产品性能造成影响。合成聚合物可以通过共聚，掺入无机材料、熔融共混的方法提供更广泛的性能，如调整形态，结构，孔径大小和分布，生物可降解性和热稳定性、机械强度等其他物理性能从而在使用范围上具有更多优势。生物医学应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）和聚己内酯（PCL）等[5]。静电纺丝纳米纤维以其良好的特性在生物医用领域得到积极的探索和应用，比如组织工程支架，伤口愈合、药物输送、过滤膜、固定化酶、小口径人工血管植入物等[1]。

1.组织工程支架

组织工程支架是指能与活体细胞结合并能植入生物体的不同组织替代原组织功能的细胞支架，一般为可降解材料，作为细胞接种，增殖和分化的临时模板。天然聚合物如胶原蛋白、蚕丝蛋白、透明质酸、海藻酸、纤维蛋白原、壳聚糖、淀粉等，生物相容性和生物功能性好，通常用于制备纳米纤维支架，广泛用于软骨、真皮、骨骼、血管、心脏、神经等的组织工程。

Bruggeman等[6]通过静电纺丝技术制备的含骨形态发生因子2（BMP-2）和/或羟基磷灰石的纳米纤维丝素蛋白支架已成为理想的骨组织候选材料。Rothrauff等[7]利用静电纺丝技术将排列整齐的PCL或PLLA纳米纤维片组合成多层编织或堆叠支架，用于肌腱和韧带组织工程。Jue Hu等[8]采用原子转移自由基聚合法（ATRP）对聚癸二酸丙三醇酯（PGS）进行改性，以甲基丙烯酸甲酯（MMA）为原料共混明胶合成了PGS-PMMA/明胶纳米纤维，可以诱导神经干细胞的突触生长。研究显示，不同的纺织图案，纤维直径，聚合物功能以及区域特定的生物物理线索都可以影响种子细胞的增殖和分化。

2.用于制备药物控释体系

药物控释体系可以提高药物作用效率、增强靶向性、降低毒副作用等。许多研究人员已经成功地将药物包裹在电纺丝纤维中，包括亲脂性药物如布洛芬，头孢唑啉，利福平，紫杉醇以及亲水性药物盐酸四环素等[9]。通过改变制备条件和仿丝液的组成可以影响材料的结构以达到控制药物释放量和速率的目的。

Zhu等[10]采用电纺丝和紫外光聚合相结合的方法制备了对pH敏感的聚乳酸载药芯壳纤维，可以实现包裹药物的缓释。Cataldo等[11]利用纤维形态学特点，通过电纺丝法制备了负载人血小板裂解液的丝素贴片。通过对丝素结晶度的控制，表征和调节了材料的释放动力学，保存人血小板裂解液的生物活性，延长其保质期。

3.用于制作伤口敷料

理想的伤口敷料应具有良好的止血能力、吸收能力、屏障细菌的能力，应具有充分的气体交换能力，适当的水蒸气透过率，具有功能性黏附、生物相容性好、易移除、成本低等特点。Alaa等[12]采用电纺丝法制备了一种双层纳米复合材料纳米纤维毡，该材料由载银纳米粒子的聚乙烯醇和壳聚糖以及载氯己定的聚乙烯氧化物（PEO）或聚乙烯吡咯烷酮（PVP）纳米纤维组成。通过与壳聚糖的相互作用，硝酸银被还原为纳米连接态，联合氯己定的杀菌作用，保护创面免受环境细菌侵袭。该对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌和白色念珠菌具有较高的抗菌活性，值得在创面愈合中广泛应用。

4.用于制作生物传感器

影响生物传感器性能的参数很多，包括灵敏度，选择性，响应时间，重复性和老化，所有这些参数都直接取决于所使用的传感膜的性质。电纺纳米纤维膜较大的表面积将吸收更多的气体分析物并且更加显着地改变传感器的电导率从而提高传感器灵敏度。基于丝素膜的生物传感器已被广泛用于分析葡萄糖，过氧化氢和尿酸等多种物质。除此之外，文献[13,14]中还显示了其他电纺聚合物如聚苯胺，聚吡咯，聚酰胺酸，尼龙-6，聚乙烯醇（PVA）和聚（丙烯酸）-聚（芘甲醇）等也可用于改善传感膜的性能。

Majid等[15]通过在石墨电极（GE）表面电聚合L-半胱氨酸/氧化锌纳米颗粒-电纺氧化铜纳米纤维（LC/ZnO-NPs-CuO-NFs）纳米复合材料制备了一种新型电化学传感器，实验结果表明，CuO-NFs和ZnO-NPs的共同存在导致了电活性表面的增加。此外，由于这些纳米材料与PLC的协同作用，腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）的氧化峰电流明显增强，在PLC/ZnO-NPs CuO-NFs/GE上峰间分离增加。该传感器成功地实现了嘌呤碱基的单体同时测定，线性检测范围宽，灵敏度和稳定性高，重现性好，检测限低。这些特征为该电极在三种不同DNA样品中灵敏、选择性测定G和A提供了可能性。

5.用于防护口罩或防护服装

理想的防护材料应具有重量轻，透气和透水性佳，耐腐蚀性好等特点。电纺纳米纤维膜由于重量轻，表面积大，孔隙率高，过滤效率高，耐气溶胶等有害化学试剂被认为是防护材料的潜在候选物[16]。

Mamtha等[17]制备了AgNO3/MgO/尼龙-6复合电纺纳米纤维，可显著提高材料的阻燃性和抗菌性。Mukesh等[18]报道了一种纳米功能化制备紫外线防护织物的新技术。将电纺丝技术与电喷涂技术相结合，在聚丙烯非织造布上涂布聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维网。随后，纳米纤维网被二氧化钛（TiO2）功能化，增强了腹板的光稳定性并产生紫外线防护效果。所开发的涂层可用于开发各种防御、军用和民用紫外线防护轻质服装（帐篷、覆盖物和遮蔽部分、战斗服、雪裹迷彩网）。

6.用于固定生物酶

在生物加工应用中，电纺纤维膜的高比表面积可以大大提高固定化酶的催化效率，细孔结构可以有效缓解底物/产物的扩散阻力。Wassila等[19]制备了尺寸范围在亚微米直径的纤维的非织造布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，固定化率分别为73、54和45%。固定化磷脂酶A1可重复使用4次，酶活性无明显损失。

静电纺丝作为一种可生产超精细纤维、简便高效的技术，已在多个领域成功应用。电纺丝纤维的独特优势必将使其在生物医用材料领域里发挥更大的作用。特别是在组织工程支架和再生医学材料制备中的优良特性正引起人们越来越多的关注。尽管静电纺丝有几个显著的优点，但是也存在一些关键的限制，例如小孔径和纤维内缺乏适当的细胞浸润。相信随着研究工作的逐步开展和不断深入，静电纺丝技术及其应用将成为功能材料领域中最重要的方法之一。