医用纳米纤维拉胀膜

A. Six

瑞士联邦材料科学与技术研究所(瑞士)

材料受拉伸会变厚，这似乎与物理定律相矛盾。然而，这种发生在自然界的拉胀效应在许多应用领域颇具吸引力。瑞士联邦材料科学与技术研究所(Empa)的一项新研究展示了如何将这种特殊的拉胀效应应用于损伤组织的治疗中。

小牛从母牛的由拉胀组织组成的乳房中吮吸乳汁即是大自然生物体中存在的一种拉胀效应。这些拉胀组织在拉伸时并不会如橡皮筋一样变窄，而是向拉伸方向的垂直方向变宽。因此，乳汁可畅通无阻地流过乳头。目前，Empa的学者已从专门为此开发的医用纳米纤维膜中证实了这种特殊的拉胀效应。该研究指出了拉胀材料广泛的应用前景，包括应用医用纳米纤维拉胀膜，使人体受伤的组织再生。

皮肤或内部器官组织损伤时，可通过细胞的移植和生长形成替代型组织，如皮肤上一个小切口能轻而易举地愈合。但有些组织的再生则超出了人体的能力范围，如烧伤形成的复杂伤口则需要大面积的再生组织，此时可通过制备合适的支架，使所需细胞依附并沿着预定的结构生长而促进组织的再生。

Empa的研究人员在瑞士圣加伦仿生膜和纺织品实验室溶解具有与人体细胞外基质性能相近的聚合物，并采用静电纺丝工艺，开发出超薄型且具有拉胀性能的细丝。这使采用纳米纤维生产多层膜成为可能。这种膜具有生物相容性，可植入人体。如果在静电纺丝过程中使用聚乳酸等聚合物，则所得纳米纤维膜可被人体吸收和降解。此外，可将生物活性物质或药物加入纳米纤维膜的纺丝溶液中，从而达到药物缓释的目的。

1 吸引人的孔隙尺寸

目前最大的挑战是使所得聚合物纳米纤维膜上的孔隙尺寸有助于人体细胞依附。最初所得聚合物膜的孔隙尺寸仅为几微米，支架上的较大的组织细胞(约20 μm)无法紧贴在聚合物的膜上。

经优化纺丝参数，可生产出具有神奇拉胀性能的由聚合物网构成的纳米纤维膜。该膜在平缓的拉力作用下，拉伸约10%时，其厚度不仅没有减小，反而增加10倍(图1)，体积约增加5倍。可以用横向应变与纵向应变的比值(泊松比，负值)来量化该膜的拉胀效应。

图1 拉胀膜的厚度增加了约10倍(来源：Empa)

在拉伸试验中，纳米纤维膜的拉胀效应源于纤维受拉伸时其内部分子重新排列，对膜的横向纤维施加的压力使纤维被迫向上或向下弯曲，从而导致膜的体积增加。

2 “按需扩展”

静电纺制备的纳米纤维膜可用于人体不同部位的伤口和组织损伤的治疗，如皮肤、血管和内部器官，甚至是骨头。需根据需求选择合适的聚合物和纺丝参数加工具有不同性能的纳米纤维膜。拉胀效应引起膜的体积变大，有利于人体细胞的吸附，从而促进伤口愈合。

该纳米纤维膜的制备工艺已申请专利，除了在生物医学中的应用，这一纤维膜还可应用于其他许多领域。研究人员提到，这种膜经压力激活后可释放封闭的颗粒物质，适用于制备可调节过滤器或填充材料，仅在使用时才扩展到所需的最终体积，即“按需扩展”。因此，该纳米纤维膜具有潜在的应用前景。

3 纳米纤维的结构

单根纳米纤维的结构对膜的性能有重要影响。用特定的溶剂处理纳米纤维后，可分析纤维的结构。Empa的研究人员发现，采用不同的纺丝参数可加工出具有不同结构的纳米纤维，如在电子显微镜下，结构呈堆叠状，类似于烤肉串状的纤维(图2)。纳米纤维的结构对膜的力学性能有很大的影响，从而也对拉胀效应产生一定的影响。

图2 烤肉串结构的纳米纤维(来源：Empa)