纳米纤维材料应用于医用敷料的研究进展

戴家木 付译鋆 张广宇 张 瑜 张 伟

（1.南通大学，江苏南通，226019；

2.安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心，江苏南通，226019）

皮肤是人体最大的器官且具备多种功能，包括感觉、免疫、代谢等；皮肤也是人体的第一道生理保护层，可避免人体受到外界环境的威胁。日常生活的各种原因造成的皮肤创伤在不同程度上影响着人们的生活质量，伤口的愈合经历止血、炎症反应、组织再生和组织重构等阶段，而人体自身的伤口愈合速度较慢，特别是较为严重的创伤，在愈合过程中容易受到外界影响，因此需要一定的敷料覆盖伤口，以辅助伤口的愈合。

早期的敷料主要有无菌纱布、脱脂棉等，该类敷料通过吸收伤口处的各类液体来保持环境干燥，但易与伤口组织发生黏连引起二次创伤，不利于伤口愈合。纳米纤维是当前较为先进的敷料原料，能够较好地模拟细胞外基质，并隔绝外界环境的污染源，避免炎症的发生，其易于制备和改性等特点也得到了多方面的关注。

1 纳米纤维

纳米纤维的主要特征是其纤维直径为纳米级别，一般通过静电纺丝的方法制备得到，其分为溶液和熔体两种，可根据纺丝原料的性质选择纺丝方法及纺丝溶剂。由于熔体静电纺丝对试验条件的要求较高，即高温度和高电压，因此常以溶液静电纺丝法为主。静电纺丝装置一般由高压电源、微量注射泵、注射器、接收器等部分组成，除了电压大小、溶液黏度、挤出速度及接受距离外，纺丝过程中的环境温度和相对湿度也对纤维成形存在不同程度的影响。

2 医用敷料用纳米纤维聚合物

目前有多种材料被制备成纳米纤维毡而用作敷料，本文从材料来源的角度进行分类和分析。

2.1 天然聚合物

天然聚合物一般取自自然界的动植物，其具有良好的生物相容性和可降解性，通常也具有良好的亲水性，对环境友好，主要有明胶基、海藻酸基、壳聚糖基及丝素蛋白基等。

明胶是胶原经过部分水解后的产物，其分子结构式为由三条多肽链相互缠绕所形成的螺旋体，具有良好的亲水性和生物可降解性，但由于其在水中的溶解性较好，因此一般要对其进行交联处理，以获得使用周期更长的敷料［1］。

海藻酸是一种从海藻中提取的天然多糖，通常与金属离子结合形成盐，多为海藻酸钠，其在高价金属离子的作用下形成凝胶状（不可溶解），因此其可以吸收血液或组织液中的高价金属离子，达到止血的作用［2-3］。海藻酸纳米纤维交联过程示意图、氯化钙溶液添加到海藻酸纳米纤维中及纳米纤维吸附液体的制备如图1 所示。

图1 海藻酸纳米纤维交联、氯化钙溶液添加及纳米纤维吸附液体的制备

壳聚糖是经过脱乙酰化的甲壳素，来源于甲壳类生物，其品质受其脱乙酰化程度影响较大，化学结构与海藻酸较为相似，区别在于海藻酸C2位上为羧基，而壳聚糖为氨基，从而导致了壳聚糖的分子间和分子内氢键作用较强，在纯水中无法溶解，需要在酸性条件下质子化进行溶解后纺丝。由于分子结构的中氨基质子化作用而带正电荷，能够破坏细菌表面的负电荷细胞膜，导致细菌机能紊乱，故其具有天然的抗菌能力，得到了较多的关注［4-5］。

丝素蛋白为蚕丝经过脱胶后的产物，其化学结构与明胶一样均为多肽；由于蛋白结构中存在不易溶解的折叠链结构和较多的氢键，同样不能用水直接溶解，一般是通过高浓度的溴化锂溶液进行溶解后透析得到丝素蛋白溶液，之后经过浓缩进行纺丝得到敷料［6-7］。

2.2 人工合成材料

人工合成聚合物相较于天然材料来说，其性能可控，来源广泛；根据亲水性可以分为亲水和疏水两类。亲水类主要包括聚乙烯醇（以下简称PVA）、聚氧乙烯（以下简称PEO）等，疏水类主要有聚乳酸（以下简称PLA）、聚己内脂（以下简称PCL）和聚氨酯（以下简称PU）等。

PVA 作为最常用的生物相容聚合物应用领域众多，但作为敷料时，由于其缺少合适的弹性，因此无法单独使用；通常是与其他聚合物一起联用，获得较好的生物相容性等重要性能［8］。PEO为环氧乙烷经过开环聚合获得，其化学结构与聚乙二醇相似，也是十分常用的亲水性聚合物，在敷料等生物医用方面有较多应用［9］。PLA 及PCL 均为聚酯类聚合物，其酯键能够发生水解而使聚合物逐步降解；PU 较难生物降解，但其优良的弹性使其在敷料方面具有较多的应用［10-13］。

3 功能化添加剂

3.1 抗菌药物

由于聚合物纳米纤维本身对细胞的抵抗能力较弱，因此加入一定的抗菌药物能够大大提高其抗菌能力，如四环素、环丙沙星等；同时，纳米纤维具有较大的孔隙率和较高的比表面积，对药物具有一定的缓释能力［14］。

3.2 维生素

有研究表明，在纳米纤维中引入维生素C 将提高成纤维细胞的黏附能力和细胞增殖率，且I型胶原蛋白的表达也得到提高，同时具备良好的抗氧化能力，因此对伤口的促愈起到了很好的效果［15］。除此之外，维生素E 也同样具有抵抗炎症、促进皮肤细胞增殖效果，增强细胞抵抗氧化应激条件的强度［16］。

3.3 生长因子

伤口的修复需要生长因子的存在，其能够实现表皮和真皮层的有效重塑，如bFGF 有利于胶原蛋白表达水平的升高，EGF 有利于细胞的增殖和迁移。因此，两种生长因子常被添加到纳米纤维中，通过控制释放利于伤口愈合［17-18］。

3.4 金属及金属氧化物

敷料的抗菌性是其重要特性，最常见的抗菌金属为银；相较于其他金属，银对细菌抑制的能力更强且具有广谱抗菌作用［19］；除此之外，二氧化钛及氧化锌同样对细胞有抑制作用［20-21］。

4 药物缓释系统

静电纺丝经过多年的发展已经可以制备出多种特殊结构的纳米纤维，包括共混、并排、多喷、同轴、乳液、表面固定等电纺方法。药物负载纳米纤维的制备示意图如图2 所示。

图2 药物负载纳米纤维的制备示意图

通过共混纺丝将功能性试剂或药物负载入纳米纤维中，实现药物分子的均匀分布和高载药量；然而部分药物若直接暴露于电场中可能失活，因此需使用并排静电纺丝解决这个问题；此外，多喷或多层静电纺丝将用于装载不同分子，为药物提供更好的保护；同轴和乳液静电纺丝可制备出具有核/壳结构的药物/聚合物纳米纤维，其对药物分子具有控制释放的作用；在表面固定法中，药物分子可通过物理或化学的方法引入到纳米纤维中，如物理方面的静电力、疏水键、范德华力等，化学方面的有机共价结合，该方法还可保护负载药物的活性不受电场和溶剂作用的影响［22］。

5 结语

纳米纤维由于具有较大的孔隙率、较高的比表面积，且结构高度可定制，因此对药物的释放具有良好的控制性，且其能够很好地模拟细胞外基质，在抵御外界侵害的同时也提供了细胞黏附的场合，通过在纤维表面或内部添加适当的功能试剂将大大提高伤口的愈合速率，因此在敷料制备领域具有十分广阔的应用前景。