溶液喷射纺丝及其在生物医用材料中的应用

郑作保，冯洋洋，贾姣，侯一杰，贾永堂

（五邑大学 纺织材料与工程学院，广东 江门 529020）

近年来，生物医用纺织材料发展迅速，其在伤口护理、屏蔽材料、支撑材料、感染控制以及医疗器材中都有着广泛的应用[1].高效医用功能纤维的开发和应用，已形成世界各国竞相发展的局面.目前该领域的研究核心是通过生物技术以及设备改良实现对传统的纺织纤维材料的改进，进一步提升生物医用纺织品的性能.

纳米纤维由于具有独特的结构特征、超高的比表面积、新颖的性能和巨大的应用潜力，其制备与生产得到了广泛的关注[2].当前生产微/纳米纤维的方法主要有静电纺丝[3]、离心纺丝[4]、熔喷法[5]、自组装技术[6]和溶液喷射纺丝.其中静电纺丝技术具有操作简单、工艺可控的特点，是目前在实验室及产业推广中应用最广泛的纳米纤维制备技术[7-8].但其存在对纺丝原料要求高、生产效率低以及高压电易引发安全问题等缺点，限制了静电纺丝纳米纤维的大规模生产.最近一种微/纳米纤维生产的新方法—溶液喷射纺丝技术被提出，该方法结合了熔喷法和湿法纺丝技术[9].相比于静电纺丝制备纳米纤维，溶液喷射法对设备的要求低、制备方法更简单方便、安全性更高、纺丝原料更为广泛，同时纤维细度可控性高，是目前实现纳米纤维工业化生产的最佳方式[10].

利用溶液喷射技术生产的纳米纤维具有三维卷曲结构并可形成一定的层次感，纤维膜比表面积大、孔隙率高并且比较蓬松，纤维直径往往在几百纳米到几微米之间[11-13].溶液喷射纺丝纤维凭借其优异的性能和结构在生物医用领域得到了广泛的应用，在医用敷料、药物缓释、细胞载体和纤维原位沉积等领域均有广阔的应用前景.

1 溶液喷射纺丝基本原理与技术

溶液喷射纺丝技术是一种高速气流拉伸纺丝技术.如图 1所示[9]，该技术采用了一种新型的同心喷嘴，内喷嘴突出外喷嘴一定距离，其中的聚合物溶液以一定的速度通过内喷嘴，在内喷嘴尖端形成液滴；在外喷嘴中通入高压气体 P1，高压气体在喷嘴处具有较高的气流速度，压强迅速降为Patm，在喷丝孔液滴前端下降为 P2，Patm与 P2形成的压差会对溶液产生剪切力，当剪切力大于溶液表面张力时，液滴会被拉伸形成射流.

图1 溶液喷射纺丝原理示意图

对射流纺丝原理研究比较透彻的是熔喷纺丝技术，溶液喷射纺丝与熔喷法纺丝在原理上有许多相似之处[14].熔喷纺丝过程中，在高速热风同轴射流的辅助下，聚合物熔体在喷丝口处被拉伸而产生纤维.纤维的拉伸是由一系列相互关联的现象引起的，例如聚合物射流温度高于聚合物的玻璃化转变温度，空气与聚合物之间的剪切力大于聚合物表面张力[14].此外，在远离喷丝口后气体运动的不稳定性会增大，高黏性液体射流会受到横向分布力的作用，这种力往往会增加弯曲扰动使纤维发生弯曲[15].由气体对液体射流的拉伸与弯曲的不稳定性研究发现，溶液喷射中纤维的牵伸分三步完成[16]：射流纤维的直线运动、纤维的拉伸运动和弯曲扰动.溶液喷射中的聚合物射流是直线型的，受到周围高速气流的轴向牵引，并相应地使纤维变细，在此过程中溶剂不断挥发使纤维抗弯刚度增加；在纤维拉伸过程中，聚合物射流被周围的空气射流加速时，拉伸会导致聚合物射流迅速变细.聚合物射流在离喷头模具距离很短时纤维仍很粗，具有显著的弯曲刚度，因而不会在喷头处弯曲；纤维的弯曲扰动过程涉及因素众多，如纤维细度变化、溶剂蒸发、气流的大小与方向等，该过程是纤维产生三维空间卷曲的主要原因.当溶剂蒸发到一定程度后，纤维几乎变成刚性的，不能被拉伸和卷曲，形态结构不再发生变化从而稳定[17].

2 纤维形貌的影响因素

溶液喷射纺丝纤维形态受众多因素影响，例如溶剂性质、纺丝设备和环境条件.

影响溶液性质的因素主要有黏度和表面张力[18].通常黏度越大，纤维直径越大；黏度太小，成纤能力变差，易产生液滴而不能形成纤维[19-20]；黏度过大则纤维很难被拉伸开，易形成念珠状，并且容易堵塞喷头.表面张力则直接影响纤维的拉伸过程，表面张力越大，所需剪切力也越大.

影响纤维形态的纺丝设备因素主要为气压的大小、送液速度和内外喷嘴的大小.气压大小主要影响喷嘴处的气体速度，一般气压越大喷嘴处剪切力越大，对聚合物的牵引成纤能力越强.送液速度直接影响纤维的产量，但送液速度太大会导致纤维成形性变差，过小则影响纺丝的连续性.内喷嘴直径大小影响纤维的直径和形态，纤维直径随喷嘴直径的增大而增大，喷嘴直径过大则成纤能力降低；外喷嘴直径大小影响气流速度，通过内外喷嘴的配置调节可调控喷射面积的大小.

环境对纤维形态的影响主要表现为接收距离和环境温度.纤维的拉伸及溶剂的蒸发主要发生在接收段，接收距离过短不易成纤或纤维粘连严重，接收距离过长会导致纤维呈无序性、蓬松度增大和接收范围增大.环境温度过高，溶剂蒸发会加快，不利于纤维的拉伸；环境温度过低，溶剂不能及时蒸发纤维将产生粘连现象.目前常用的接收装置有平面网状类和辊筒类接收两种，网孔类结构能够引导气流，从而降低纤维膜的蓬松度；辊筒类装置可以通过改变滚筒转速来调整纤维的取向[21-23].

3 溶液喷射技术的发展完善

当前溶液喷射纺丝技术得到了诸多改进，尤其是对纺丝设备的改进.例如Li等[24]设计了多针头纺丝设备，其针头数可达到 80～140，并在接收装置后位添加了负压装置以收集纤维，从而大幅提高了纺丝效率.Dong等[25]通过加热装置和电气控制系统对纺丝箱体、高压气体纺丝液进行温度控制，设计制造了溶液喷射纺丝中试试验机，推进了溶液喷射技术的工业化生产进程.Tang等[26]将溶液喷射与静电纺丝技术相结合，把静电场引入溶液喷射纺丝装置中，发明了感应静电辅助溶液喷射纺丝技术，用于解决纺丝过程中的纤维粘连问题.Feng[27]将溶液喷射技术与旋转收集器相结合，并调整收集器的形状，实现了三维微/纳米纤维结构的构建.Jia[28]通过改进溶液喷射接收装置实现了纳米纤维纱线的生产，并将制备的聚丙烯腈纳米纤维纱线碳化得到碳纳米纤维纱线，为活性电极材料的制备提供了新的方法.

一些学者拓展了纺丝原料的范围.Ryan D等[29]将正硅酸四乙酯/明胶纺丝液进行溶液喷射纺丝，并在液氮中低温交联，制备出一种新型多孔杂化纤维；Delne等[30]采用硫酸水解法从桉树牛皮纸浆中提取了纤维素纳米晶，再加入到碳酸二甲酯溶液中，通过溶液喷射纺丝技术成功制备了聚乳酸/CNC和聚乳酸/ CNCMA纳米复合材料.Mert Vural等[31]将聚丙烯酸与硝酸银混合制备纳米银颗粒，再将其加入到嵌段共聚物溶液中，通过溶液喷射纺丝技术得到了弹性导电纤维；Song等[32]在酚酞聚醚砜（PES-C）纺丝液中添加不同含量的两性离子改性的酚酞聚醚砜（PES-CB），再利用溶液喷射纺丝技术制备了 PES-CB/PES-C复合纳米纤维膜；为解决纳米纤维强度低的问题，Huang[33]将多壁碳纳米管与聚间苯二甲酰间苯二胺混纺，并通过对多壁碳纳米管的酸化、酰氯化及接枝等不同方法的化学改性，研究了多壁碳纳米管对二甲基乙酰胺溶剂分散性的影响.

除此之外，Medeiros ELG等[34]将溶液喷射与冷冻干燥相结合提出低温溶液喷射技术，即拉伸成形的纤维直接被液氮接收，通过液氮的冷冻干燥形成多孔结构的纤维；由于同时使用的两台溶液喷射纺丝装置（一台装入纺丝液纺丝，另一台喷射水滴用于制孔）都装有液氮，故在低温干燥后，纤维间也形成了大通孔结构.

4 溶液喷射纺纳米纤维的生物医用

4.1 医用敷料与药物释放

传统的医用敷料多为天然纱布以及合成纤维类敷料，不能满足医用实际需求.伤口愈合是一个非常复杂的过程，受凝血、炎症、纤维增生、胶原沉积、伤口收缩等因素的影响[35]，细菌感染也是影响因素之一（通常采用活性强、杀伤率高的抗菌药物用于治疗[36]）.实际上，湿敷对伤口愈合有更好的效果，因为在湿润环境中生长的皮肤不会结痂.水凝胶是一种有效便捷的促伤口快速愈合的湿润敷料[37].

理想的医用敷料应具有高孔隙率、高比表面积、透气保湿、良好的生物相容性以及促进伤口愈合等功能，静电纺丝生产的纳米纤维很好地满足了这种需求[38]，最初纳米纤维被应用于敷料产品研究，但存在成本高、产能低的缺陷，很难大规模应用.溶液喷射纺丝技术因效率高、可喷涂于任何材料表面等优势，逐渐成为研究的热点；同时，通过向聚合物溶液中加入药物或活性物质，还可赋予医用敷料抗菌、促进组织生长等功能.与大多数合成抗菌药物相比，一些天然抗菌材料对细菌和真菌具有更高的内在活性、低毒性、生物降解性和影响巨噬细胞等性质，可有效加快伤口的愈合[39].Liu等[40]用壳聚糖/聚乙烯醇原液通过溶液喷射纺丝技术制备出一种水凝胶纳米纤维垫，该水凝胶产品可创造湿润的伤口愈合环境、允许气体交换、吸收多余的渗出物、具有良好的抗菌活性.徐等[41]利用溶液喷射纺丝技术制备了壳聚糖/聚乳酸/聚乙二醇纳米纤维，并在戊二醛蒸气中交联处理，得到了一种新型凝胶纳米纤维，其对大肠杆菌的抑菌率达 90%之上.壳聚糖上的氨基有一定的抑菌能力，但壳聚糖作为医用敷料的缺点也比较突出，如力学性能差、表面疏水性等.为解决此问题，一种有效的方法是将合成材料与天然可降解聚合物复合，以充分利用合成材料优异的机械性能和天然材料良好的生物相容性.Zhuang等[42]通过向壳聚糖中加入聚乙烯醇来改善其力学性能和表面疏水的问题，研究结果表明，在壳聚糖纤维中加入聚乙烯醇可显著提高纤维膜的柔韧性和润湿性，且制备的膜具有一定的生物相容性.

通常，医用敷料只靠天然材料本身的抗菌性是远远不够的，一般会在体内或体表添加缓释的药物或生长因子来促进受损部位的恢复[43].药物的缓慢释放可通过两种方法来实现：其一，将药物与可降解材料相混合或者直接封装在纤维中形成核壳结构，在一定酸碱度和温度下，包覆材料逐渐分解，使得药物不断裸露在外而进行释放；其二，将药物束缚在小空隙中，通过控制空隙的大小来调节药物与外界的接触面积而达到药物缓释的效果.例如 zhuang等[44]使用溶液喷射纺丝技术，用对pH敏感的甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯共聚物为壳体材料，以治疗克罗恩病和溃疡性结肠炎常用的抗炎药物氨基水杨酸为包覆材料，药物释放结果显示，氨基水杨酸在模拟胃液（pH=1.2）和模拟十二指肠液（pH=6.0）中几乎不释放，但在模拟的小肠和结肠液中可迅速释放.Bonan等[45]将Copaifera oil加入聚乳酸和聚乙烯吡咯烷酮共混微/纳米纤维中，研究Copaifera oil与溶液的相融性发现，复合纤维在气蒸和自然释放条件下对金黄色葡萄球菌均有较强的抑制作用.Ryan D等[29]用溶胶-凝胶材料通过低温溶液喷射纺丝技术制备了多孔纳米纤维，并在明胶中加入可溶性硅离子和羟基碳酸盐磷灰石，发现其在一定条件下能够缓慢释放.

4.2 细胞载体

三维微/纳米纤维支架在当前组织工程研究中越来越重要，常规的二维细胞培养不能模拟细胞在体内遇到的生理环境，而微/纳米纤维的三维形状使细胞有机会向四周增殖，并长成骨骼或肝脏等三维形状的组织[46].多孔性是微/纳米纤维支架最重要的性能之一，高孔隙度保证了细胞的增殖、分化和迁移，并可为养分运输和分泌物处理提供通道.

理想的组织工程支架不仅要有三维形态，还要有一定的机械强度和较好的生物相融性与生物稳定性，以增强细胞附着、细胞基质的相互作用与增殖能力[47].当前制备的纳米纤维支架，具有比表面积大、直径小的特点，但其密集的纤维结构和较小的空隙阻碍了支架与细胞组织的融合，与真正意义上的三维支架还有一定的差距.采用溶液喷射纺丝制备的纳米纤维呈三维空间卷曲形态，纤维膜具有较蓬松的结构，更容易提供细胞生长所需要的大通孔环境，并可通过控制纤维的取向实现对细胞生长和转移的诱导（在临床医学中，细胞必须以高度协调的方式迁移到愈合组织中以完成修复作用）.

利用溶液喷射纺丝技术适用材料范围广的特点，可选择适当的纺丝材料来进行细胞培养.Afanasiev等[48]用溶液喷射纺丝生产的聚乳酸纤维支架接种骨髓基质细胞发现，制备的支架有更加优化的空间结构，细胞定植效果更好.Tomecka等[49]用聚乳酸和聚氨酯纳米纤维垫对心肌细胞进行培养，并研究了对纤维进行蛋白改性后支架上细胞的形态、移动和增殖情况，结果表明：聚合物纳米纤维支架是比聚苯乙烯更好的心肌细胞培养基质.Rafaella等[50]以聚乳酸与聚乙二醇共混物为原料通过溶液喷射技术制备得到聚乳酸纤维，结果表明：细胞很容易与纤维相互作用并处于一种密切接触状态，其特征是肌动蛋白丝的积累和细胞纤维相互作用部位的局部粘附；细胞在纤维和肌动蛋白的引导下运动，使得细胞纤维界面的局部粘附部位表现出了高度的动态行为；此外，纤维并没有引起树突状细胞中活化标记物和细胞因子的显著增加，这些细胞仍处于非活性状态.

为便于培养基中营养物质的运输和废弃物的处理，可用纳米纤维制备流动的三维培养基来实现.如 Chen等[51]以聚己内酯和聚苯乙烯等两种常用的聚合物为细胞培养基质，将制备的纤维层放入特定的容器中，并在其上接种细胞进行流动培养与外部刺激，结果发现：溶液喷射纺丝细胞培养支架增强了流动装置中细胞的免疫反应，内皮细胞在培养基上的存活时间至少为72 h.在使用纳米纤维的微流控三维装置进行细胞培养时，可通过调控三维装置的形状、模块组装来满足不同细胞组织的要求.Feng等[27]将溶液喷射技术与旋转立体收集器相结合制备了三维纳米支架，并通过改变收集器形状得到了孔隙率为89.9%的三维结构.

4.3 纤维原位沉积

溶液喷射纺丝的牵伸作用是压缩空气产生的剪切力引起的，因此纺丝射流可以喷涂于任何材料表面上.利用这一特点，可将纤维直接喷涂于人体体表或组织受损部位.直接沉积具有许多新的应用和优点，如按需制造适形纳米纤维垫以满足精确和现场特定的喷附需求.该技术在血管、肠以及气道吻合术等中应用，可替代或补充缝合线的外科密封胶或外科止血剂等，应用前景广阔[52].

直接喷涂于伤口表面的纤维，其接触面的表面特征尤为重要（因其直接影响纤维与细胞之间的粘附性）.Teno等[53]研究纤维膜表面粗糙程度、亲水性对大肠杆菌粘附性能的影响发现，生物膜越粗糙，细胞粘附性越好.为方便操作溶液喷射装置，通常用油漆喷绘的商用喷枪装置直接对体表进行纤维沉积.Behrens等[54]用商业喷枪设备将聚乳酸纳米纤维垫直接沉积在猪肺切除和肝表面损伤的部位，1 min内便在受损部位喷涂了一层纳米纤维.同样，Kern等[55]也采用该方法制备了聚乳酸和聚乙二醇混纺纤维，测试了盲肠密封手术中的使用情况，并与3种医用外科密封胶进行比较，结果表明利用溶液喷射纺丝技术可有效缝合胃肠道吻合口.

除了在外科手术中的应用，溶液喷射也可直接喷涂于医疗器械表面，因为杀菌表面和防污表面的制备是抑制细菌在医疗器械表面附着和增殖的主要方法.Yuan等[56]将聚苯乙烯-嵌段-异丁烯-嵌段-苯乙烯微纤维直接喷涂于注射器、抽离血管、穿刺装置以及滴注装置等医疗器械上，然后将润滑液吸进并强力粘附在微纤维涂层上，这些光滑的涂层可以有效抑制血细胞粘附、减少溶血、抑制体外凝血，可用于植入人体的相关医用产品.此外，也可将溶液喷射技术与细胞原位沉积相结合，例如 Veazey等[57]将细胞悬浮液直接用喷枪进行细胞的原位沉积，通过改变喷嘴尺寸和气压来研究接收后的细胞存活情况，证明了使用喷枪将活细胞在气溶胶中传送到基质的可行性.Pehlivaner等[58]通过在低压下喷涂高浓度的PAMAM热凝胶聚合物，制备出光滑、快速、保形的水凝胶涂层，并对直接沉积热响应性水凝胶进行了体内试验，结果表明：可喷涂原位形成的水凝胶能够在病变组织表面涂层中传递细胞群，为再生医学的实际应用提供了新的治疗方法.

5 结语

溶液喷射纺丝具有选材广泛、安全性高、可喷涂等优势，作为一种可控、高效制备纳米纤维的技术，已在医用辅料、药物缓释、细胞载体和纤维原位沉积等生物医用领域得到了广泛应用，在制备优异性能的纳米纤维上具有广阔前景.但还有一些关键问题需要解决，如溶液喷射纺丝技术所纺纤维存在粘连严重的缺点，这是溶剂难以完全挥发所致，需通过调节环境温度加快溶剂蒸发，但同时也要求不能影响纤维的拉伸成形，相关研究还需要进一步优化.此外，溶液喷射纺丝速度慢、产能低，无法满足纤维大规模生产的需求，而多喷射溶液纺丝技术虽然生产效率较高，但可控性和稳定性较差，难以制造特殊的纤维结构且产品质量差，在工业化生产领域，该技术仍需要进一步探究和完善.随着溶液喷射纺丝理论研究的成熟和制备工艺的完善，纤维的可控制备将是未来研究的热点，例如如何系统化调整溶液黏度、牵伸风速、环境温度等参数来实现纤维直径与形态的可控性，以便实现溶液喷射纺丝纤维生产的规模化、产业化.