纤维素静电纺丝及其衍生纳米纤维在生物医学中的应用研究进展

杨海贞 魏肃桀 马闯 周泽林 王蒙佳 付源

摘 要：纤维素具有生物相容性、生物可降解性和与其他物质的高亲和力等优点，通过静电纺丝技术将纤维素与其他聚合物进行混纺，可以获得具备生物降解性、生物相容性、低免疫原性和抗菌活性等多种性能的纳米纤维材料，非常适合生物医学应用。本文综述了近年来国内外通过静电纺丝制备纤维素及其衍生纳米纤维的研究进展，主要介绍了纤维素及其衍生纳米纤维在组织工程支架、伤口敷料、药物释放/传递领域、抗菌领域和医疗器械等领域的研究进展，分析了存在的问题并展望了未来的研究趋势。

关键词：静电纺丝；纤维素；衍生物；生物医学；复合纳米纤维

中图分类号：TS199

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2023）03-0212-13

基金项目：河南省科技攻关项目（222102230065）;中原工学院青年人才创新能力基金项目（K2020QN003）; 国家级大学生创新创业训练计划项目（202210465036）

作者简介：杨海贞（1989—），女，河南新乡人，讲师，博士，主要从事功能性纳米纤维纺织品的制备及应用方面的研究。

纤维素作为储量最丰富的高分子材料、生物基聚合材料生产中最具潜力的候选原料，具有多种独特的性能，包括机械强度、孔隙率、高保水性、高表面功能性和缠结纤维网络，已引起广泛关注［1-2］。随着纳米技术的不断发展，定向排列的纳米纤维素纤维的应用已成为医学领域上的重要组成部分［3-4］。研究表明，定向排列的纳米纤维素纤维促进了静电纺丝纳米纤维的应用，特别是在药物输送系统、组织工程、疾病诊断、医疗保健和再生医学等生物医学领域。纳米纤维素复合材料在环境方面也有着重要的应用［5-6］。而静电纺丝法因其具有制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多和工艺可控等优点成为制备纳米纤维素复合材料的首要制备方法［7-8］。本文主要介绍了静电纺丝制备纳米纤维素在生物医学领域的研究进展，并对其应用前景进行了展望。

1 纤维素及其纺丝性能

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，是自然界中分布最广、储量最大的天然高分子材料。由于其良好的生物相容性、适应性、可再生和可生物降解性，使其具有极佳的性状维持能力，是新型高分子医用材料的研究热点。此外，纤维素本身具有独特的氢键网络结构，其纳米纤维素原纤具备了超强的力学性能，但难以溶于常规溶剂，通过静电纺丝直接制备纳米纤维素纤维较为困难。然而，纤维素可以很容易地转化为衍生物（如醋酸纤维素、纤维素醚和纤维素酯等），为纤维素的发展提供了新的空间。

利用纤维素纺丝可通过静电纺丝技术进行，静电纺丝技术是一种从聚合物基材制备具有可调性能的纳米纤维的技术，是迄今最为有效的制备连续纳米纤维的方法之一。通过静电纺丝法制备纤维时，可以根据聚合物分子量、分子结构、溶液性质（如浓度、黏度、电导率、表面张力）等改变电位差和电动势大小以产生所需的形态。近年来，通过静电纺丝法制备纤维素纳米纤维主要有两种方法，第一种，首先通过静电纺丝易溶的纤维素衍生物，然后将该衍生物水解成纤维素来制备纤维素纳米纤维。第二种，纤维素溶于合适的溶剂后，通过静电纺丝法直接制备纤维素纳米纤维。例如，将纤维素溶解在N-甲基吗啉-N-氧化物/H2O （NMMO/H2O）中，制成一种环保的纺丝溶液，该溶液与其他复合纳米纤维材料混纺，以完成优良的改性并改变自身的性质。

2 纳米纤维素纤维在生物医学领域的应用

2.1 组织工程支架

组织工程支架是目前最有效的细胞外基质替代物，它可以在结构和功能上高度模拟细胞外基质，为细胞黏附、营养输送和代谢提供三维载体，为新细胞的生长和增殖提供充足的空间［9］。因此，它可以有效替换受损的组织或器官，是生物医学研究的重点。

纤维素酯是通过纤维素酯化制备的纤维素衍生物，具有高溶解度、高玻璃化温度和生物降解性。醋酸丁酸纤维素酯（CAB）是一种常见的纤维素衍生物。然而，CAB的疏水性阻碍了细胞黏附，限制了其在组织工程中的应用。Tan等［10］通过静电纺丝法制备了CAB/聚乙二醇（PEG）复合纳米纤维，如图1所示。为了改善CAB纳米纤维的性能，制备了不同比例的CAB和PEG复合纳米纤维。结果表明，当CAB和PEG的比例为2∶1时，可以得到光滑无珠的CAB/PEG纳米纤维，且纤维表现出更高的结晶度和更好的拉伸强度。拉伸试验表明，CAB/PEG纳米纤维的拉伸强度是纯CAB纳米纤维的2倍，纤维的疏水性也有所降低。由于表面润湿性的改善，复合纳米纤维的溶胀能力增加2倍，生物降解速度更快。细胞活力测试表明，CAB/PEG纳米纤维无毒，并且比纯CAB纳米纤维表现出更好的细胞黏附性，说明CAB/PEG纳米纤维有望作为组织工程支架。

静电纺纤维素纳米纤维及其微磷酸化产物被评价为诱导羟基磷灰石（HAP）晶体仿生生长的模板。为了仿生天然骨中胶原纤维/HAP的形成，Li等［11］在模拟体液（SBF）中合成了静电纺丝纤维素纳米纤维/HAP复合材料，该材料具有2～18 nm的中孔和1.03～2.0 nm的微孔，比表面积为51.08 m2/g。由于纤维素纳米纤维在诱导HAP生长方面表现出较低的生物活性，为了改善这种性能，将纤维素纳米纤维轻度磷酸化，并与Ca2+相互作用形成Ca—P核，磷酸基取代度為0.28。改性后的纤维素纳米纤维可以有效地引导HAP沿纤维方向生长，并且可以在改性纤维素纳米纤维上生长尺寸和形态均匀的HAP晶体，晶粒尺寸约为24 nm。这种纤维素纳米纤维/HAP复合材料是一种有前途的骨组织工程材料。

Ao等［12］以棉花纤维素和纳米羟基磷灰石（HAP）为原料，通过静电纺丝法制备了纤维素/纳米HAP复合纳米纤维（ECHNN），用于骨组织工程支架。通过测试ECHNN的形态、热性能和力学性能，得出ECHNN与人牙囊细胞（HDFCs）具有良好的生物相容性。随着纳米HAP负载的增加，ECHNN的平均直径增加，约为50～500 nm。ECHNN具有优异的力学性能，拉伸强度和杨氏模量分别达到70.6 MPa和3.12 GPa。此外，纳米HAP的加入提高了ECHNN的热稳定性，不会对ECHNN支架产生细胞毒性，并可以促进细胞增殖。细胞培养实验表明，ECHNN支架对HDFCs的附着和增殖具有良好的生物相容性，可作为骨组织工程支架材料。

目前，通过静电纺丝法制备的组织工程支架可以帮助修复自然组织，与单一材料相比，多功能复合支架可以为组织再生提供更合适的微环境。Abdullah等［13］通过使用纤维素微纤丝（CNFs）来增强聚乳酸（PLA）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）基体，制备了静电纺丝复合支架。通过制备不同比例的PLA/PBS纤维支架，发现等比例的PLA和PBS有利于获得良好的纤维形态、可持续的机械强度和适当的润湿性。将CNFs引入PLA/PBS支架，发现PLA/PBS基质和支架中CNFs之间存在较强的折叠长链分子相互作用，从而提高了PLA/PBS支架的力学性能。所开发的复合支架能够满足血管组织再生的一些基本要求，表现出最佳的细胞附着和增殖性能，并且纤维结构均匀、尺寸理想。此外，复合支架在蛋白酶作用下表现出较快的生物降解速率，并能从抗菌酶中吸附溶菌酶，表明其在血管组织工程中具有一定的应用潜力。

Hrdelin等［14］用不同浓度的离子液体和助溶剂对纤维素进行静电纺丝。首先将醋酸纤维素（CA）溶解在丙酮/二甲基乙酰胺（DMAc）或N，N-二甲基甲酰胺（DMF）或二甲基亚砜（DMSO）混合物中，然后通过静电纺丝法制备了纤维素基支架，并研究了DMF、DMAc或DMSO的溶液参数与可纺性和纤维形成的关系。其结果表明，DMSO体系的黏度高于DMAc和DMF体系，DMSO对溶剂混合物的表面张力影响较小。此外，DMSO体系具有最明显的剪切稀释行为，也是最佳的纤维形成溶液，这与纤维素在具有不同共溶剂的离子液体中的溶解度有关。与DMSO相比，DMAc和DMF具有共振形式的分子结构，因此，离子液体与共溶剂（DMAc或DMF）之间的相互作用比离子液体与DMSO之间的相互作用更强。

由于细胞具有归巢效应和接触导向，纳米纤维的排列对支架的物理特性和生长分化影响较大。Zhang等［15］通过静电纺丝得到负载骨形态发生蛋白-2（BMP-2）的纤维素/纤维素纳米晶体（CNCs）复合纳米纤维（ECCNNs），负载BMP-2的ECCNNs支架具有良好的生物相容性。随着体外茜素红染色、碱性磷酸酶活性和钙含量的增加，骨髓间充质干细胞的生长方向遵循纳米纤维的排列形态。此外，定向纤维素纳米纤维可在体外诱导定向骨髓间充质干细胞的生长和矿化结节的形成，并可在体内诱导组装胶原蛋白和皮质骨的形成。因此，BMP-2和定向ECCNNs支架的结合在骨再生中具有巨大潜力。谢佳璇等［16］发现通过超临界二氧化碳（SC-CO2）静电纺丝法可以减少有机溶剂的引入，避免了引入有机溶剂后难以去除的问题。此外，其温和的条件、较快的运行速度和灵活的生产条件使其成为一种优良的支架材料，在医疗领域具有良好的应用前景。

Gunes等［17］通过静电纺丝制备了由3D印刷聚乳酸（PLA）支架和纤维状的纤维素组成的壳聚糖-胶原水凝胶复合支架，用于半月板软骨组织工程。结果表明，水凝胶复合支架具有相互连接的微孔结构，其溶胀率约为400%，含水量在77%至83%之间，与天然软骨细胞外基质相似，抗压强度也相似，适用于软组织工程应用。体外分析结果表明，这种水凝胶复合支架对兔间充质干细胞没有毒性作用，使细胞能够附着和增殖，并通过支架的内部区域迁移，在半月板组织工程中具有良好的应用前景。

Thunberg等［18］通过原位聚合吡咯对电纺纤维素纳米纤维进行改性，其SEM照片如图2所示。图2中纤维素纳米纤维的直径为300～1500 nm，聚吡咯（PPy）小颗粒附着在纤维表面，纤维素/PPy 0.05和纤维素/PPy 0.15纳米纤维相似，纤维表面具有PPy小颗粒，而纤维素/PPy 0.45纳米纤维中具有更多的PPy颗粒。PPy颗粒的聚集降低了纳米纤维的孔隙率。此外，纤维素/PPy纳米纤维的导电性比未改性纤维素纳米纤维提高了105倍，且纤维素/PPy纳米纤维没有细胞毒性。人神经母细胞瘤（SH-SY5Y）细胞体外培养表明，PPy增强了SH-SY5Y细胞的黏附性，并能保证细胞在15天内的存活率，细胞黏附在纳米纤维上将其形态改变为更像神经元的表型。这项研究为纤维素基材料用作神经组织工程支架提供了新的途径。

近年来，组织工程支架在医学仿生领域的研究已成为热点，而研究的关键是构建具有仿生基质的结构。组织工程支架作为连接细胞和组织的框架，为细胞和组织再生长或迁移提供了良好的环境，是组织工程的重要组成部分之一。传统组织工程聚合物支架制备技术存在有机溶剂残留、孔隙连通性差等问题，极大地限制了其应用。静电纺丝法制备的材料范围较广，通过聚合物改性可以满足更多的需求，非常适合组织工程支架的制备。此外，静电纺纤维素纳米纤维因其良好的细胞相容性和细胞活性而更适合细胞生长。由三维纤维材料构建的支架在结构上与天然细胞基质相似，更利于细胞生长和繁殖，符合细胞生物的活性环境。

2.2 伤口敷料

慢性伤口是主要的医疗负担，确定伤口类型的最佳敷料是促进伤口愈合的重要因素。慢性伤口的表现往往是動态的，选择合适的敷料可以缩短愈合时间，并提高患者的生活质量［19］。

为了评价醋酸纤维素（CA）/明胶（Gel）/纳米羟基磷灰石（HAP）复合垫作为创面敷料的效果，Samadian等［20］通过静电纺丝法制备了CA/Gel/HAP纳米纤维敷料。研究发现，CA/Gel/HAP敷料的伤口闭合率高于无菌纱布，其胶原合成、上皮再生和血管新生效果较好，表明这种敷料对创面治疗具有良好的适用性。糖尿病足溃疡（DFU）是梅糖尿病的主要致残并发症之一，对伤口护理非常重要。因此，具有一定理化和生物学特性的功能性创面敷料对于治疗糖尿病足溃疡至关重要。Samadian等［21］通过静电纺丝得到负载黄连素的CA/Gel纳米纤维敷料，观察了链脲佐菌素对糖尿病大鼠伤口愈合的影响。实验中，胶原密度为（88.8±6.7）%，血管生成评分为19.8±3.8，这种纳米纤维可以促进DFU的愈合，有望作为糖尿病的伤口敷料。

利用天然高分子材料制备透明、可视化皮肤伤口愈合敷料，在医用天然高分子材料和多功能纱布敷料设计领域引起广泛关注。Xia等［22］通过电纺获得壳聚糖（CS）/纤维素纳米纤维。研究发现，CS溶液由于分子间电荷排斥而极化成纳米纤维，在CS/纤维素纳米纤维膜上形成连续的纤维毡。此外，CS/纤维素纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的生物相容性和抗菌活性。小鼠体内创面愈合模型表明，CS/纤维素纳米纤维促进了伤口创面愈合，可作为临床创面敷料。

伤口愈合需要仔细、定向和有效的治疗，以防止感染和加速组织再生。Abdel Khalek等［23］使用丙酮和甲酸将CA与聚氧化乙烯（PEO）混合，通过静电纺丝法得到CA/PEO纳米纤维，作为慢性伤口愈合的药物输送敷料。研究发现，CA/PEO纳米纤维的直径为400～600 nm，亲水性强，对金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌具有良好的抗菌活性。此外，治疗组的细菌存活率、生物膜质量和产生的绿脓杆菌素分别下降了90%、80%和3倍，表明载药CA/PEO敷料可应用于多模式慢性伤口愈合。

为了促进糖尿病创面愈合，Lei等［24］通过电纺获得负载替拉扎特的CA支架。实验发现，在正常和氧化应激条件下，负载质量分数为3%的替拉扎特的CA支架具有较高的细胞增殖和细胞活力。创伤愈合结果表明，载药敷料可显著促进创伤愈合，降低了谷胱甘肽过氧化物酶的分泌速率。表明负载替拉扎特的CA伤口敷料通过调节免疫反应和保护机体免受氧化损伤，促进了糖尿病伤口愈合。

积雪草的提取物可以治愈伤口、烧伤和皮肤溃疡异常，是伤口敷料的一种理想材料。Suwantong等［25-26］以丙酮/二甲基乙酰胺为溶劑，通过静电纺丝法制备了负载积雪草中积雪草苷（AC）/纯物质（PAC）和AC/粗提物（CACE）的CA纳米纤维毡。结果表明，负载AC/PAC和AC/CACE的CA纳米纤维的平均直径为301～545 nm，在室温或40 ℃下陈化4个月后，负载AC/PAC和AC/CACE的CA纳米纤维毡仍然稳定，不释放对正常人皮肤成纤维细胞有害的物质，具有作为外用/透皮或伤口敷料的潜力。

Doostan等［27］采用离子凝胶法制备了负载红霉素（Ery）/壳聚糖（CS）纳米颗粒，并将其掺入到CA溶液，通过静电纺丝得到Ery/CS/CA纳米纤维垫，用于感染伤口敷料。结果表明，当Ery被装入CS纳米颗粒中，其包封率高达95%。Ery/CS/CA纤维外观光滑均匀，平均直径为（141.7±91.7） nm，具有良好的持水能力和孔隙率。这种纤维垫能够抑制革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的生长，对人皮肤成纤维细胞没有毒性，可以应用于感染伤口敷料。

金属及其纳米颗粒、海藻酸钠、蜂蜜和细菌纤维素由于其良好的生物相容性而被广泛应用于支架和创面敷料。磺胺嘧啶银（SSD）是一种主要的外用抗菌剂，主要用于治疗烧伤创面感染。Khan等［28］将SSD与CA混合，通过静电纺丝法得到具有高抗菌活性的CA/SSD伤口敷料。研究发现，CA/SSD纳米纤维的直径分布均匀，具有良好的吸水性和可重复使用的优点。此外，这种纳米纤维对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性枯草芽孢杆菌表现出良好的抗菌活性和可重复使用性，有望应用于创面敷料。

石墨烯敷料由于其生物相容性和抗菌性能，在伤口愈合方面引起广泛关注。Prakash等［29］通过静电纺丝法得到CA/氧化石墨烯（GO）/TiO2/姜黄素纳米纤维，其合成方法示意如图3所示。图3中CA/GO/TiO2/姜黄素纤维的平均直径为（180.54±3.22） nm，其中姜黄素可有效调节纤维直径，增加其比表面积。这种纤维具有良好的溶胀、降解、拉伸和体外创面愈合性，对创面病原体具有显著的抗菌活性，促进了创面愈合。此外，该纤维具有良好的血液相容性和生物相容性，姜黄素的持续释放促进了皮肤再生和伤口愈合，具有作为伤口敷料的潜力。

Wutticharoenmongkol等［30］通过静电纺丝法得到没食子酸（GA）/CA纳米纤维垫，并分别在醋酸缓冲溶液和生理盐水中通过猪皮法进行全浸泡和透皮扩散，用来测定GA的释放性能。在全浸法中，醋酸盐缓冲液中含有质量分数为20%和40% GA的纤维垫释放的GA最大量为初始GA重量的97%和71%，而释放到生理盐水中的GA的最大量分别为96%和81%。此外，GA/CA纤维垫对金黄色葡萄球菌具有抗菌活性，可以用作伤口敷料。朱吉昌等［31］通过静电纺丝法制备了聚乳酸（PLA）/细菌纤维素（BC）/壳聚糖（CS）多级结构纤维敷料，这种纤维敷料具有微米级和纳米级的纤维结构，满足多级纤维敷料尺度要求。所制备的敷料具有良好的透湿透气性和吸水性，可以避免伤口炎症溃烂，并抑制了伤口愈合初期产生的渗液。此外，这种纤维敷料具有良好的柔韧性，能够紧密贴合皮肤，有利于伤口修复。

通过静电纺丝法将低成本的纤维素制备成纳米纤维用于伤口敷料，其在成本、伤口愈合程度和伤口愈合速度方面优于传统伤口敷料。目前，纳米技术在伤口敷料的研发得到重视。由于纳米技术的影响，它在工业大规模生产中仍然受到限制，无法投入生产使用，然而，它在伤口处理后药物降解方面具有巨大的优势。

2.3 药物释放/传递

药物输送在辅助输送材料、赋形剂和允许药物快速或缓慢释放的技术方面创新性极高，而纳米纤维制备方法的突破，为药物释放和传递领域提供了新思路。纳米纤维的高比表面积可以改善药物掺入和质量传递特性，提升了药物释放/传递效率，得到了广泛应用［32］。

Hivechi等［33］以高分子量纤维素为原料，合成了纤维素纳米晶体（CNCs），并将合成的CNCs加入聚己内酯（PCL）溶液中，通过静电纺丝法得到了CNCs/PCL纳米纤维。其结果表明，在纺丝电压为17 kV和纺丝速率为0.9 mL/h的条件下对PCL溶液进行纺丝，可获得直径为233 nm的纳米纤维。CNCs的加入提高了CNCs/PCL纳米纤维的生物降解性。随着PCL纳米纤维中CNCs含量的增加，药物释放速度减慢。因此，CNCs/PCL纳米纤维可应用于药物可控释放方面。

Tungprapa等［34］以CA/丙酮/N，N-二甲基乙酰胺（DMAc）溶液为纺丝液，通过静电纺丝得到载药CA超细纤维毡。其结果表明，载药CA纳米纤维毡的平均直径为263～297 nm，将其在37℃的醋酸盐缓冲溶液中浸泡24 h，纳米纤维毡膨胀性增加。药物释放结果表明，其对药物最大释放量从大到小依次为：萘普生（NAP）、 布洛芬（IBU）、 吲哚美辛（IND）和舒林酸（SUL）。Wu等［35］以丙酮/DMAc/乙醇为溶剂，通过静电纺丝制备了负载萘普生酯前药（包括甲酯、乙酯和异丙酯）的CA纳米纤维。其研究表明，CA与3种前药具有良好的相容性，3种前药的纤维直径为100～500 nm；体外释放结果表明，该纤维在6天内持续释放药物。前药被成功包裹在纤维中，该体系释放效果稳定。

Huang等［36］通过静电纺丝得到邻苯二甲酸醋酸纤维素（CAP）纳米纤维，用来预防艾滋病毒传播。纺丝过程中，抗病毒药物很容易掺入到CAP纤维中。CAP纤维在pH小于4.5的阴道液中非常稳定，而加入少量pH在7.4～8.4的人类精液，CAP纤维立即溶解，导致被包裹的药物释放，这种纳米纤维可有效预防艾滋病毒。

以多种纤维素为原材料，通过静电纺丝制备纤维素纳米纤维作为药物输送载体，提高了药物输送效率和稳定性，也可以在合适时机用于药物降解。然而，纤维素纳米纤维在药物释放领域的技术尚不成熟，药物释放不完全，这限制了其在生物医学领域的应用。因此，新型纤维素纳米纤维在药物释放领域的研究是未来的发展趋势。

2.4 抗菌领域

纤维素作为世界上储量最丰富的聚合物，具有生物可再生、生物相容、生物可降解和生物安全等特性，是制备抗菌材料的理想原料［37］。

Pereira等［38］在静电纺CA纳米纤维上沉积壳聚糖纳米晶须（CsNWs），可以实现表面电荷完全逆转，使CA纳米纤维从携带负电荷（-40 mV）转为携带正电荷（+8 mV）。在纺丝过程中，CsNW没有改变CA纳米纤维的形态。生物试验表明，CsNWs/CA纳米纤维对革兰氏阴性杆菌大肠杆菌有很好的抗菌活性，可在24 h内减少99%的菌落形成单位，对健康的冻干人用狂犬病疫苗（Vero细胞）无毒。Sharaf等［39］通过静电纺丝得到CA/蜂胶提取物（HBP）纳米纤维。与CA纳米纤维比，CA/HBP纳米纤维的热稳定性提高，有效抑制了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。体外释放实验表明，HBP的释放可以在中性pH值下持续和控制。

Phan等［40］发现AgNPs和柑橘精油（OEO）对革兰氏阳性枯草芽孢杆菌和革兰氏阴性大肠杆菌具有优异的抗菌活性，并证明了OEO与电纺纤维素纳米纤维上的AgNPs之间的可控释放特性和协同抗菌作用。Srivastava等［41］通过静电纺丝法得到CA-g-AgNPs纳米纤维垫。研究表明，CA-g-AgNPs纳米纤维垫对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌具有较高的疗效，可以增强AgNPs的内化。用小鼠巨噬细胞系统监测纤维垫的生物相容性，发现这种纤维垫显著抑制了生物膜的形成，使生物膜减少50%，表明这种纳米材料对生物膜具有良好的活性。

Tomasz等［42］以丙酮和蒸馏水（9：1 v/v）混合溶剂和不同浓度的CA（即10%～21%）为原料，通过静电纺丝法制备了CA纳米纤维，并在CA浓度为17%的溶液中加入亚甲基蓝（MB），得到具有可见光杀菌性能的CA/MB纳米纤维。实验发现，CA/MB纳米纤维直径小于900 nm。可见光杀菌活性（高达180 min）结果证实，CA/MB纳米纤维可以有效地灭活金黄色葡萄球菌细胞，细胞数量的减少量为（99.99±0.3）%，为开发具有自杀菌特性的创新材料提供了新思路。

Nthunya等［43］通过原位静电纺丝技术制备了负载Ag和Ag/Fe纳米粒子的β-环糊精（β-CD）/CA纳米纤维。然后，将含有Ag+/Fe3+的纳米纤维在惰性气氛和水蒸气条件下进行UV光化学还原，以将离子还原至零价态。还原后β-CD/CA纳米纤维的平均直径为（382.12±30.09） nm，且Ag和Ag/Fe纳米粒子对所有菌株都表现出良好的杀菌效果。Jatoi等［44］通过热处理和DMF作为还原剂在纤维素纳米纤维上生成AgNPs。通过电纺醋酸纤维素（CA）纳米纤维的脱乙酰化制备纤维素纳米纤维，随后使用AgNO3进行银涂覆，然后进行热还原和DMF诱导还原过程。发现纤维素/AgNPs对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有优异的抗菌性能。

Ullah等［45］采用静电纺丝法制备了负载香草精油的CA纳米纤维垫。结果表明，香草精油的加入增加了纤维直径，导致醋酸纤维素聚合物链错位，并降低了其拉伸强度和孔隙率。负载香草精油的CA纳米纤维垫具有很好的抗氧化能力，小鼠胚胎细胞的存活率达到了92%。此外，这种CA纳米纤维垫对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出良好的抗菌作用。

Xiao等［46］通过静电纺丝法制备了负载Cu（II）离子的纤维素/聚丙烯腈（PAN）/Cu（II）纳米纤维。结果表明，当Cu（II）离子浓度为0.01 mol/L时，纤维素/PAN/Cu（II）纳米纤维表现出良好的力学性能和对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌良好的抗菌活性。Sawicka等［47］通过两种不同浓度的原位方法在橙色精油（OEO）溶液中制备了CA的脱乙酰化和AgNPs涂层，并通过将OEO和AgNPs沉积在CA纳米纤维垫上，实现了药物的可控释放和抗菌性能的提升。结果表明，AgNPs成功沉积在OEO中。经过良好处理的纳米纤维垫对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有良好的抗菌活性。

將抗菌剂和金属纳米粒子与静电纺纤维素纳米纤维相结合，所制备的纤维素纳米纤维具有优异的抗菌活性和独特的空间结构，相较于其他的抗菌技术，具有相对成熟、杀菌快、杀菌强和价格低的优点，在抗菌材料方面具有独特优势。然而，由于纳米纤维素的提取和加工困难，所制备的抗菌剂能力有限，是纳米纤维素在抗菌领域发展的主要障碍。如何丰富纳米纤维素抗菌剂的种类和优化加工手段是未来研究的主要方向。

2.5 医疗器械领域

纳米纤维素以一种特殊的方式将纤维素的重要特性与纳米材料结合在一起，可以作为新型医疗器械植入物的主要材料［48］。

由于对具有增强机械性能的医疗器械的高需求，纳米颗粒在生物材料中的掺入引起了广泛关注。Hivechi等［49］通过静电纺丝法制备了纤维素纳米晶体（CNCs）/明胶（Gel）纳米纤维。结果表明，当CNCs质量分数为5%时，纳米纤维垫的模量和拉伸强度显著增加。当CNCs质量分数超过5%，力学性能下降，主要是由于纳米颗粒开始团聚，但纳米颗粒在CNCs质量分数低于5%时具有良好的分散性。加入CNCs后，交联后CNCs/Gel纳米纤维的生物降解性略有增加，CNCs对细胞生长和增殖没有显著影响。

醋酸纤维素（CA）纳米纤维网因其良好的保水性能而值得特别关注。在某些应用中，基于CA纳米纤维的生物传感器会接触各种液体，因此需要较高的芯吸速率才能将液体输送到目的地。Khatri等［50］通过静电纺丝得到CA/聚乙烯醇（PVA）纳米纤维。将CA/PVA共混纳米纤维网在碱性水溶液中脱乙酰化，以将CA转化为再生纤维素并从原网中去除PVA纳米纤维。结果表明，改变PVA溶液的浓度可以提高芯吸速率，因此，这种纳米纤维网可用于需要高芯吸速率的生物传感器和医疗器械。

Cao等［51］通过浸渍干燥工艺在水解的二维电纺CA纳米纤维膜上沉积一维黄麻纤维素纳米晶须，制备了纤维素纳米复合材料。结果表明，纤维素纳米晶须沉积在纤维表面和纤维之间，使纤维表面变得粗糙。红外光谱表明，纤维素D-葡萄糖重复单元中的羟甲基成功转化为羧基。热重分析表明，复合材料的热性能没有显著变化，这可能是由于纤维素纳米晶须含量较低。此外，复合膜的强度提高到5.5 MPa，断裂应变略有降低。虽然该复合膜尚未完全优化，但在超滤、医疗应用、催化剂载体等医疗器械方面具有潜在的应用。

随着疫情常态化，口罩已成为人们生活中不可或缺的医疗物资，而滤芯作为口罩的重要组成部分，对口罩的过滤性能尤为重要。张雅宁等［52］通过静电纺丝法制备了PAN/金属有机骨架材料（MIL-53（Fe））/纤维素口罩过滤层，这种口罩过滤层具有除湿、透气和高效过滤空气颗粒物的优点。研究表明，在PAN中加入MIL-53（Fe）与纤维素后，对于尺寸大于2 μm的颗粒物过滤效果明显，拉伸性能也大幅提升。与普通口罩比，这种口罩的断裂强力增加到104.85 N，满足日常生活中的佩戴需求，在当前疫情形势下具有良好的应用前景。

Bulota等［53］开发了一种制备轻质纤维增强复合材料的简便方法，即使用非挥发性纤维素溶剂离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（［C4mim］［OAc］）的静电纺丝方法。通过快速去除溶剂，可以有效防止纤维融合。整个过程产生了微型纤维和多孔纤维素基质，进一步浸渍以制备聚合物复合材料。结果表明，去除离子液体和接枝硅可以降低亲水性。与纯丙烯酸树脂比，复合材料的杨氏模量和拉伸强度分别提高了10%和50%，可用于增强聚合物基体和细胞培养容器等，在医疗器械领域具有巨大的应用潜力。

细菌纤维素（BC）是一种用途广泛的生物材料，主要应用于医疗器械。BC的纳米结构与胶原蛋白形态相似，使BC具有细胞固定化和细胞支持作用。

Maria Manzine Costa等［54］制备了一种不含导电添加剂的静电纺细菌纤维素垫。结果表明，细菌纤维素垫在细菌纤维素中呈现出更对称的纳米孔结构，这主要是由于电纺过程中的快速拉伸效应和孔隙沿着纤维纵向方向的定向排列。通过DMAc/LiCl机制溶解，与未改性BC比，改性的细菌纤维素在氯仿/丙酮溶剂中更容易纺丝。红外光谱测试结果与纤维素与DMAc/LiCl溶剂体系之间的相互作用一致。证实BC是理想的支架材料，其多孔结构能最大限度地与细胞和体液结合，有利于细胞黏附在纳米结构表面。

传统医疗器械材料存在价格高、弹性模量低和机械性能差等问题，特别是在疫情的影响下，中国医疗器械暴露出诸多弊端，如应急响应供应链产能低、技术储备不足等。通过静电纺丝法可以综合不同材料的优势而制备出性能较好和成本较低的纤维素复合材料，提高了纤维素的生物降解性，解决了材料不稳定性问题。但仍然存在产率低、产量小、制备工艺繁琐和周期长等缺点，需要进行进一步的研究。

2.6 其他医学领域

磁性醋酸纤维素在生物医学领域具有许多潜在的新应用，如细胞和蛋白质分离、磁共振成像造影剂和磁过滤器等。Munaweera等［55］合成了钇铁石榴石和钆取代的钇铁石榴石纳米粒子，应用于制备磁性滤纸。将分散在醋酸纤维素聚合物溶液中的石榴石纳米粒子作为独立的非织造纤维垫进行静电纺丝，并在纤维素滤纸衬底上进行静电纺纱，进而形成磁性滤纸。由此产生的磁性聚合物纳米复合材料可以很容易地被液体介质中的外部磁铁拾取。用磁性滤纸从溶液中分离荧光素异硫氰酸盐（FITC）标记的牛血清白蛋白（BSA）。

Rojanarata等［56］以丙酮/N，N-二甲基乙酰胺（DMAc）为溶剂，通过静电纺丝得到均匀、无珠CA纳米纤维，然后将CA纤维与比例为40∶60的乙醇/水混合，筛选传统药物和营养产品中掺杂的类固醇。由于CA纳米纤维具有良好的分离性能，是薄层色谱分离介质的有效替代品。通过静电纺丝制备纤维素纳米纤维的研究及在生物医学中的应用领域，对部分文献进行综合分析，汇总列于表1。

3 结论与展望

纤维素的生物医学应用遇到了许多障碍，包括在一般有机溶剂中的溶解度有限，以及由于分子间和分子内的氢键作用而无法熔化、在人体内不能完全生物降解等。随着对静电纺纤维素基础认识和控制水平的提高，人们对纤维素衍生物进行了广泛研究，以克服這些障碍，静电纺纤维素及其衍生纳米纤维应用的经济可行性和可持续性将不断提高。本文主要介绍了静电纺纤维素纳米纤维在组织工程支架、伤口敷料、药物释放/传递领域、抗菌领域、医疗器械领域的研究进展。这些日益增长的应用、生物精炼厂和纤维素的商业化，证明了它作为一种可持续技术材料的发展潜力。相信在未来，随着纤维素聚合物纳米纤维的深入研究，它们必将在医学领域大放异彩，但仍有一些问题有待进一步研究和完善：

a）在组织工程应用上，需要解决该纳米纤维较低的生物活性、疏水性以及所制备的纳米纤维功能单一性。

b）在伤口敷料应用上，根据伤口的需求，必须选择理想的敷料，理想的伤口敷料应该具有可生物降解性、生物相容性和多孔结构，并且避免伤口部位脱水。

c）在药物释放方面，需要解决部分释放药物延迟，释放药物的环境受限，纤维素纳米纤维的药物释放后难以水解的问题。

d）关于抗菌方面，需要解决纤维素纳米纤维抗菌效果单一，制備抗菌纳米纤维较为繁琐，以及在可控抗菌方面的应用。

e）在医疗器械领域，需要解决制备周期长，制备医疗器械的复合纳米纤维性能没有明显变化，以及制备产率小的问题。

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Abstract： Cellulose is a macromolecular polysaccharide composed of glucose， boasting good biocompatibility， degradability and compatibility with other substances. Cellulose derivatives are the products of cellulose esterification or etherification， which makes up for the limitations of the physical and chemical properties of cellulose， and can better meet the different needs of the medical field after modification. Therefore， cellulose and its derived nanofibers have good application prospects in tissue engineering scaffolds， wound dressings， drug delivery/delivery， antibacterial and medical devices.

Cellulose is a rich renewable resource， which can inhibit the growth of saprophytic bacteria， cholic acid and anaerobic bacteria， reduce the cholesterol content in the blood， reduce the deposition of cholesterol on the blood vessel wall， and prevent arteriosclerosis. However， due to the strong hydrogen bond network between cellulose molecular chains and highly crystalline aggregation structure， it is difficult to process cellulose， and other materials are also difficult to adsorb on cellulose. With the development of electrospinning technology， the treatment steps of cellulose have been simplified， and its position in the medical field has also been improved.

Nanocellulose can be matched with human skeleton， which improves the mechanical properties of the derivative antibacterial film and makes it have good antibacterial activity against Staphylococcus aureus and Escherichia coli. In the simulated cell solution， it is highly similar to the extracellular matrix， and there is no rejection in the human body. Due to its low toxicity and excellent degradability， cellulose derivatives can control the drug delivery rate and deliver drugs to target cells in drug carriers. In recent years， nano cellulose has made great progress in the field of human motion monitoring. The research shows that three-dimensional nano cellulose in the form of aerogel can be used as a medical wearable human monitoring system to simulate the characteristics of human skin for comprehensive monitoring of the human body.

The research of cellulose electrospinning and its derived nanofibers is an effective way to strengthen the short board in the biomedical field. Studies confirm that electrospun cellulose nanofibers are smaller than cells in diameter and can simulate the structure and biological function of natural extracellular matrix. How to functionalize cellulose in the biomedical field has become a research hotspot.

At present， natural polymer materials are widely used in the field of biomedicine， and cellulose， as an important part of them， has great application potential. It is a research hotspot in the field of biomedicine to functionalize inanimate materials and transform them into living tissue materials to reduce the rejection of materials in the human body. Cellulose has unique advantages for its good biocompatibility and high controllability. However， due to the hydrogen bond network structure of cellulose itself， it is difficult to dissolve cellulose. How to dissolve cellulose efficiently has been the focus of research. Therefore， it is necessary to conduct more in-depth research on the dissolution mechanism， develop a clean and efficient cellulose dissolution technology， and form cellulose derived materials through electrospinning reconstruction or blend with other materials to improve the application of cellulose nanofibers in the biomedical field.

Keywords： electrospinning; cellulose; derivant; biomedicine; composite nanofibers.