静电纺丝在生物医用材料领域的应用综述

刘 鹏

（青岛大学 纺织服装学院，山东 青岛 266071）

1 引言

静电纺丝技术已成功制得超过30 种天然和合成聚合物纳米纤维[1]。随着生物医用材料的迅速发展，使用静电纺丝技术制备生物医用材料已越来越普遍。静电纺丝纤维以其良好的性能在生物医用领域得到了广泛的应用和积极的探索，比如药物运输、组织工程、伤口敷料、固定生物酶、抗菌膜。本文将就以上几个方面进行进行论述。

2 静电纺丝在生物医用材料领域的应用

2.1 药物输送

药物输送是指通过在体内运输药物以安全地实现其期望的治疗效果的方法与技术。在选择药物载体时需要考虑以下几个因素[2]：

（1）药物载体必须具有良好的生物相容性和安全性，不会产生排斥反应和炎症。

（2）药物载体必须可降解且降解时间可调，降解后形成无毒的分解产物，对人体无危害。

（3）制备、加工药物载体的方法需便捷、高效、经济。

（4）药物载体需要具备一定的力学性能。

通过口服、注射药物，不利于人体对药物的吸收，药物不能快速的在人体中代谢，对治疗效果产生影响。通过静电纺丝技术将高分子材料制备成纳米纤维，将其用作药物载体，由于静电纺丝纳米纤维良好的可溶性和生物相容性，可以促进人体对药物的吸收，实现人体对药物利用率的显著提升[3]。

2.1.1 芯——鞘结构纤维纤维用作药物载体

芯——鞘结构纤维特别适用于药物输送，其有同轴的芯质和鞘层，芯质一般承载药物或其它活性分子，鞘层材料起到保护芯质的作用，以保证芯质中药物良好的活性和稳定性，因此芯质和鞘层通常采用不同的材料。Klein 等人[4]采用同轴共纺技术制得了含有活性细菌的芯——鞘结构纤维。鞘层由己内酯( PCL) 和聚乙二醇( PEG)的混合溶液组成，芯质由假单胞菌和聚环氧乙烷(PEO)的水溶液组成。所得纤维芯质中的细胞具有良好的反硝化功能且细胞保持了磷酸酶和β——半乳糖苷酶活性。Li 等人[5]成功使用乳液电纺技术，将亲水性药物蛋白酶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，形成油包水体系,芯质蛋白酶K，鞘层是纯PELA基质。蛋白酶具有一定的生物活性，这表明该纤维结构能作为载体进行药物输送。

2.1.2 多孔结构纤维用作药物载体

这种结构的纤维和纤维支架适用于纤维与周围环境需要进行充分接触和反应的场合，如某些药物的释放及催化剂和传感器等领域[6]。其具有很大的比表面积，多孔的表面进一步增大了纤维的表面积，与周围环境接触更加充分，更利于药物的释放。You 等人[7]将聚丙交酯(PGA)与L——聚乳酸(PLLA)溶解在六氟丙烯中电纺，用氯仿除去后者，得到了具有三维连通孔洞的纤维。

2.2 组织工程

组织工程学，是利用生物活性物质，将材料和加工方法相结合，再造或者修复器官及组织的技术。利用静电纺丝技术可以获得优良仿生性的支架材料，其要求能够模仿体内细胞的生长环境，选用的材料需具有一定的力学性能，可降解，有良好的的生物相容性和生物功能性。

2.2.1 软骨修复支架

软骨损伤是一种常见的关节疾病，近年来软骨损伤病例逐渐增多，对软骨修复支架的需求越来越多，因此对其研究更深入。何晓敏等制备了可作为气管补片的胶原/PLCL复合纳米支架材料，其可用于培养第二代肋软骨细胞，四周可形成类软骨组织，可应用于软骨组织修复。

2.2.2 人造血管支架

静电纺丝技术已被广泛应用于制备小孔径人造血管。陈思原等人[6]成功使用同轴共纺技术，制备出了小孔径人造血管。该人造血管为芯——鞘结构纤维，其芯质为负载一氧化氮（NO）供体的聚己内酯(PCL)，鞘质为明胶或PCL。该芯——鞘结构纤维多孔材料，通过抑制血小板的聚集、黏附，避免血小板在材料表面黏附，造成血栓。同时具有控制释放NO 的性能，可防止NO 供体滤出，避免对人体产生危害。新加坡国立大学的Ma Zuwei 等通过明胶对电纺 PCL 纳米纤维进行表面改性，以改善其与内皮细胞的相容性，这显示PCL 纳米纤维作为血管组织工程支架的潜在应用。

2.2.3 骨组织修复材料

纳米纤维支架可为骨组织的生长、修复提供良好的微环境、对人体骨组织施加机械刺激，释放所负载的药物，从而刺激骨髓干细胞向骨细胞的分化，最终促进骨骼的修复。Fu[8]等使用乳液电纺的方法，将骨形成蛋白-2（BMP-2）嵌入乳酸/羟基乙酸共聚物（PLGA）/羟基磷灰石（HAp）复合基质中形成复合纤维支架，BMP-2 在复合支架中生物活性良好，能够促进骨骼的修复与新骨骼的形成。可以通过增加HAP 的含量，提高BMP-2 的释放速度。

2.3 伤口敷料

目前，常用的医用敷料仍然是棉质纱布，但是其需要频繁更换，伤口易干燥，只具有物理隔离功能，细菌容易滋生，溢出物结痂会导致伤口与敷料的黏连，造成新组织的二次创伤等现象。研究学者普遍认为，与干性敷料(如绷带) 相比，湿润伤口愈合在伤口处理方面表现出色。因此，理想的医用敷料应该能够保持伤口及周边相对湿润，提供温和的环境促进伤口愈合，且具有良好的透气性，抑制细菌生长并能够及时吸收分泌物。

2.3.1 应用于体外伤口护理的电纺敷料

静电纺丝纳米抗菌敷料是指将抗菌高分子溶液或抗菌剂与高分子物质混合，通过静电纺丝法制得的具有抗菌性能的纳米级功能敷料。其可以阻挡外界细菌和灰尘入侵伤口，对伤口起到保护作用，还可以在纤维材料中添加利于伤口愈合的药物，促进伤口愈合 。Jeong[9]等人使用静电纺丝技术制备负载磺胺嘧啶银盐（SSD）的再生丝素纤维，研究表明，随着SSD 比例的增加材料的抗菌性能增强，但细胞毒性也相应上升。因此，要求使用的药物与纤维材料结合不能产生对伤口愈合有害的物质。

2.3.2 可促进皮肤再生的电纺纤维敷料

Schneider[10]等人利用静电纺丝工艺，将表皮生长因子（EGF）添加到再生丝素蛋白、聚环氧乙烷中制备纺丝溶液，制备含有EGF 的再生丝素纤维。再生纤维素纤维的EGF 随时间被缓慢释放（170h 释放25%的EGF），持续释放的EGF 可促进创伤皮肤的修复，伤口表皮的闭合时间可缩短90%，EGF 的释放过程经历了突释效应到持续释放的过程，对慢性皮肤的损伤修复治疗非常有效。愈合过程中含有EGF 的再生素纤维保持稳定的结构，生物相容性良好。因此，含有EGF 的再生素纤维可以用作医用敷料，促进受伤皮肤的修复。

2.3.3 药物释放医用敷料

制备载药纳米纤维，可在静电纺丝过程中添加一些药物到纺丝液中。当纳米纤维降解或者遇到水溶胀后，药物成分会缓慢持续释放出来，促进伤口愈合，提高治疗效果。同时还可以根据设计要求对药物释放进行控制，将所需药物适量的释放到人体表皮创伤部位。

R.A. Thakur[11]等成功制备出含有麻醉剂盐酸利多卡因（lidocaine）和抗生素莫匹罗星（mupirocin）的双药物释放新型骨架材料。麻醉剂lidocaine 可以有效缓解伤口疼痛，其在1h 之内突释（前1h释放80%），然后进入平稳释放过程；抗生素mupirocin 可以有效延长该抗生素的活性周期，通过扩散介导机制与麻醉剂同时释放，其在1h 之内仅释放5%，在后期进入持续释放过程（后续72小时中）。两种药物在释放过程中不会产生有害反应，是一种促进作用，能够加强治疗效果。采用双喷丝头法比传统的单喷丝头法更具实践价值，前者制成的医用敷料药物释放性能更佳。

2.4 纳米材料抗菌膜

静电纺丝制备的纳米纤维具有高孔隙率、高比表面积十分适合包埋对环境敏感的天然抗菌剂，静电纺丝改性抗菌膜能够有效抑制细菌，保障人们免受细菌侵害。

玉米醇溶蛋白是利用乙醇作为溶剂从玉米中提取的一种疏水性蛋白质，具有可再生性和可生物降解性。其本身不具有抗菌性，但是可以与具有抗菌性的化合物共混电纺或者利用玉米醇溶蛋白包埋抗菌物质制备的纳米纤维膜具有抗菌性。以玉米醇溶蛋白为基质的纳米纤维膜具有较好的耐水性和耐热性，常作为糖果、大米、干果和坚果的涂层材料。百里香酚是一种天然抗菌剂，可有效抑制细菌滋生。李娟[12]等使用静电纺丝技术成功制备出负载百里香酚的玉米醇溶蛋白基纳米纤维抗菌膜。当玉米醇溶蛋白（zein）与百里香酚质量比为1:1 时，抑菌圈的直径最大，为20.42mm，抑菌效果显著。减少zein 含量，抑菌圈直径减少，抑菌效果减弱。当玉米醇溶蛋白与百里香酚质量比为50:1 时，不产生抑菌圈。

3 总结

静电纺丝技术是一种具有广阔应用前景新式纺丝技术。不仅在生物医用材料领域，在许多其他领域中，它也将起到重要作用。如化学化工、复合材料等领域。静电纺丝技术简单高效、经济便捷的特点可使所需材料进行大规模批量生产。但它也有一些缺点，例如大规模生产后产品质量不可控，小孔径纤维内缺乏适当浸润。但随着研究工作的不断深入，静电纺丝技术作为一种制备超细纤维和多孔材料的先进手段，必将在很多产业及领域中得到广泛的应用。