明胶基静电纺丝纳米纤维及其应用

程恩，叶冬蕾，程德宝，田华峰，赵晓颖，项爱民*

（1.北京工商大学轻工科学与工程学院，北京 100048；2.北京工商大学计算机与人工智能学院，北京 100048；3.河北宇通特种胶管有限公司，河北 衡水 053500）

0 前言

由传统高分子材料如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等制备的薄膜是不可降解的，会加重“白色污染”，增加环境的负担，所以，近年来由可降解的高分子材料采用新技术制备的可降解薄膜越来越被人们重视。可降解的高分子材料包括合成高分子材料如聚乙烯醇（PVA）、聚乳酸（PLA）等，以及天然高分子材料如玉米蛋白、明胶等［1-4］。可降解的高分子材料有利于减轻环境污染，在人们环保意识日益提升的今天，使用可降解的高分子材料制备薄膜具有广泛的应用前景［5］。

静电纺丝是一种通过在正负电极之间形成高压电场来制备纳米纤维的方法。通过静电纺丝制备的纳米纤维薄膜有其独特的优势，比如纳米纤维薄膜比表面积高、多孔等［6-8］。静电纺丝技术不需要经过高温，这对于易受温度影响的物质来说，是非常有利的。这些优点使得静电纺丝技术在食品、医药等领域得到了迅速发展［9-10］。

采用静电纺丝技术制备纳米纤维薄膜，还可以通过负载的方式赋予纳米纤维薄膜更多的功能。比如明胶纳米纤维负载薄荷精油、洋甘菊精油、小茴香精油等精油，然后用于食品的包装，它们具有较好的抗菌作用［11-12］。在一定程度上，延长了食品的保质期，给食品保鲜带来了新的技术。除了挥发性精油外，静电纺丝纳米纤维还可以负载天然酚类等抗氧化、抗菌物质，它们也有效地延长了食品的保质期［13］。对于易受环境影响的物质，采用静电纺丝纳米纤维包封的方法，可以减小其受环境的影响，如鱼油和维生素C是对温度敏感的物质，在高温下容易被氧化，失去其生物活性。采用静电纺丝技术包封鱼油和维生素C制备纳米纤维薄膜，就不用担心其在高温下被氧化，因为静电纺丝技术不需要经过高温［14］。

明胶是由猪、鱼等动物的胶原蛋白经过降解得到的，因此明胶基纳米纤维薄膜具有很好的可降解性和生物相容性。另外，以明胶作为基质，采用静电纺丝法制备纳米纤维薄膜时可以使用相对安全的溶剂，比如乙酸水溶液。明胶在乙酸水溶液中，通过静电纺丝技术即可以制备出连续、光滑、没有珠状缺陷的纳米纤维［15-16］。相对于六氟异丙醇、三氟乙酸、二氯甲烷等有毒的有机溶剂来说，乙酸水溶液是相对安全的。通过静电纺丝技术制备的明胶基纳米纤维直径较小、多孔，可以起到细胞外基质的作用，有利于细胞的培养，因此，通过静电纺丝制备的明胶基纳米纤维薄膜在组织工程支架中也得到了广泛的应用［17］。本文详细综述了明胶基纳米纤维薄膜在可食用薄膜、抗菌抗氧化薄膜、组织工程、纳米纤维敷料和过滤等方面的应用，以及通过明胶制备纳米纤维薄膜的优缺点和未来趋势。

1 溶液对静电纺丝的影响

1.1 溶液的黏度

静电纺丝制备纳米纤维的技术工艺如图1所示。静电纺丝是在高压电场的作用下，溶液由注射泵推动，针尖聚合物被电场力拉伸，从正极向负极运动，由滚筒收集，得到纳米纤维。溶液的黏度是影响静电纺丝的主要因素之一。溶液的黏度较低时，聚合物分子链间缠结不足，不能制备出连续、光滑的纳米纤维。溶液的黏度较高时，在静电力的作用下，聚合物分子链被拉伸，由负极收集，才能得到连续、光滑、没有珠状缺陷的纳米纤维。PVA是一种可纺性较好的材料，PVA可以在热水中溶解，其溶液具有较高的黏度，这使得采用PVA溶液通过静电纺丝技术可以制备出较好的纳米纤维［1］。Ji等［18］采用PVA溶液制备了平均直径为292.17 nm的纳米纤维。Jhang等［19］采用PVA溶液制备了平均直径为（1.43±0.45） μm的纤维。玉米蛋白溶液具有较高的黏度，这使得采用玉米蛋白溶液通过静电纺丝技术可以制备出较好的纳米纤维。Khalafi等［20］采用玉米蛋白溶液制备了平均直径为（822±34.59） nm的纳米纤维。Altan等［21］采用玉米蛋白溶液制备了平均直径为（215±90） nm的纳米纤维。明胶溶于乙酸水溶液后，也具有较高的黏度，Saadat等［15］采用明胶溶液制备了平均直径为（234±34.3） nm的纳米纤维。Nuge 等［22］采用明胶溶液制备了平均直径为（69.41±16.79） nm的纳米纤维。因此，调节静电纺丝溶液的不同浓度，从而得到不同黏度的溶液，可以制备出不同直径的纳米纤维。

图1 静电纺丝制备纳米纤维工艺Fig.1 Preparation of nanofibers by electrospinning

1.2 溶液的电导率

溶液的电导率也是影响静电纺丝的一个重要参数之一，溶液的电导率越大，则溶液中的电荷量越多。静电纺丝是一种在电场力的作用下制备纳米纤维的技术，所以，在其他条件一样时，溶液的电导率越大，纺丝溶液由正极喷嘴出来后在高压电场的作用下，向着负极收集滚筒的驱动力越大，制备的纳米纤维直径越细。Angammana等［23］采用聚氧化乙烯（PEO）水溶液通过静电纺丝技术制备纳米纤维，随着溶液中氯化钠的增加，溶液的电导率增加，制备的纳米纤维的直径在逐渐减小。Fukushima等［24］采用氟化聚酰亚胺溶液通过静电纺丝技术制备纳米纤维，在溶液中加入少量的四丁基溴化铵，溶液的电导率增加，制备的纳米纤维的直径减少两倍。Rezaei等［25］采用聚苯乙烯（PS）溶液静电纺丝，随着溶液中氯化锌含量的增加，制备的纳米纤维的直径从（408±56） nm降到了（231±46） nm。因此，增加溶液的电导率，可以制备出较细的纳米纤维。

1.3 溶液的表面张力

溶液的表面张力在静电纺丝过程中对纤维的微观形貌有着较大的影响，溶液的表面张力越小，制备的纳米纤维越没有珠状缺陷。所以，通常采用加入表面活性剂的方法来降低溶液的表面张力。比如Zhao等［26］采用PVA溶液通过静电纺丝技术制备纳米纤维，加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）后，溶液的表面张力大大减小，提高了溶液的可纺性，如图2所示，与纯PVA溶液静电纺丝纳米纤维［图2（a）］相比，加入0.01 %的SDBS［图2（b）］后，制备的纳米纤维没有珠状缺陷。Hu等［27］采用聚己内酯（PCL）溶液通过静电纺丝技术制备纳米纤维，加入表面活性剂后，溶液的表面张力减小，得到了没有珠状缺陷的纳米纤维。Bonino等［28］采用海藻酸钠/PEO溶液通过静电纺丝技术制备纳米纤维，与未加表面活性剂相比，加入表面活性剂后，得到了更好的纳米纤维。因此，溶液的表面张力越小，越易制备出较好的纳米纤维。

图2 未添加表面活性剂和添加不同浓度表面活性剂的PVA纳米纤维的扫描电子显微镜照片［26］Fig.2 SEM of PVA nanofibers without surfactant and with different concentrations of surfactant［26］

1.4 溶剂的挥发性

溶剂的挥发性会影响静电纺丝溶液的黏度及流动性，对静电纺丝也有一定的影响。Otsuka等［29］采用偶氮苯功能化纤维素溶液静电纺丝，当使用100 %的二氯甲烷做为溶剂时，由于溶剂挥发太快，导致溶液堵在喷嘴处，影响静电纺丝的稳定性。加入10 %的二甲基甲酰胺（DMF）后，溶液的可纺性提高，纤维表面多孔。加入25 %的DMF时，溶液的可纺性最稳定，得到的纤维更均匀、更细。随着DMF的逐渐增多，溶液的可纺性在逐渐降低，当使用100 % DMF做为溶剂时，溶液不再可以静电纺丝。Fashandi等［30］使用PS溶液静电纺丝，如图3所示，当使用低挥发性溶剂DMF时，纤维内部会形成孔隙，当使用高挥发性溶剂四氢呋喃（THF）时，纤维表面会形成孔隙。Celebioglu等［31］采用醋酸纤维素溶液静电纺丝，使用高挥发性溶剂时，制备的纳米纤维具有带状结构。因此，采用挥发性合适的溶剂是得到较好的静电纺丝纳米纤维薄膜的条件之一。

图3 PS溶于不同比例的THF∶DMF静电纺丝纤维的SEM照片［30］Fig.3 SEM of electrospun fibers of PS dissolved in different proportions of THF∶DMF［30］

2 静电纺丝技术分类

静电纺丝技术包括单轴静电纺丝、同轴静电纺丝、三轴静电纺丝、离心静电纺丝等。

2.1 单轴静电纺丝

单轴静电纺丝是常见的静电纺丝技术，通过单轴静电纺丝可以制备连续的纳米纤维。单轴静电纺丝可以负载活性物质，从而使纳米纤维具有特定的功能。比如，负载具有抑菌作用的物质，可以制备出具有抑菌作用的纳米纤维薄膜。Wang等［32］通过单轴静电纺丝技术，采用聚乙烯吡咯烷酮负载银离子制备纳米纤维薄膜，制备的纳米纤维薄膜抑菌率可以达到66.96 %，具有抑菌作用。

2.2 同轴静电纺丝

同轴静电纺丝制备的纳米纤维具有核壳结构，壳材一般是高分子材料，可以起到保护内部活性物质的作用。与单轴静电纺丝相比，同轴静电纺丝制备的核壳纳米纤维更能提高内部活性物质的稳定性。Li等［33］通过同轴静电纺丝制备的玉米蛋白/乙基纤维素/槲皮素核壳纳米纤维比通过单轴静电纺丝制备的纳米纤维热稳定性高。

2.3 三轴静电纺丝

三轴静电纺丝制备的纳米纤维具有三层结构，可以更好地保护内部活性物质，或者延缓内部活性物质的释放。Liu等［34］通过三轴静电纺丝技术实现了姜黄素的缓释。

2.4 离心静电纺丝

离心静电纺丝是一种将静电力和离心力结合的静电纺丝技术，可以制备出排列较好的纳米纤维，在医学、过滤等方面有着较好的潜在应用［35］。

3 明胶基静电纺丝纳米纤维薄膜的应用

3.1 可食用薄膜

明胶是可以食用的、含有较多营养的生物大分子，因此，采用明胶静电纺丝可以制备可食用纳米纤维薄膜。Ebrahimi等［36］用明胶和壳聚糖静电纺丝，制备的纳米纤维平均直径最细为（96.26±34.44） nm，把明胶/壳聚糖纳米纤维收集在用浇铸法制备的可食用面筋薄膜上面，结果表明明胶/壳聚糖纳米纤维提高了可食用面筋薄膜的耐热性，降低了可食用面筋薄膜的水蒸气透过率，最大承受拉伸力从0.58 N提高到3.12 N，这说明，明胶/壳聚糖纳米纤维也提升了可食用面筋薄膜的力学性能。Ricaurte等［37］在pH=4.5的微酸环境中，用菠萝蛋白酶水解明胶后得到的溶液静电纺丝，制备了平均直径为109.5～229.3 nm的可食用明胶纳米纤维。Liu等［14］用明胶、鱼油和维生素C静电纺丝制备核壳纳米纤维，制备的明胶/鱼油/维生素C纳米纤维，其脂质过氧化值（24.41±7.78） meq/kg低于纯鱼油（66.78±0.58） meq/kg，因此，明胶/鱼油/维生素C纳米纤维可有效保护鱼油被氧化。

3.2 抗菌、抗氧化活性薄膜

采用明胶等物质静电纺丝制备纳米纤维，可以负载天然活性物质比如精油、多酚等，从而制备出具有抗菌、抗氧化性能的纳米纤维薄膜。Li等［38］用明胶、丁香酚静电纺丝制备的纳米纤维作为PLA活性内层薄膜，明胶/丁香酚纳米纤维直径随着丁香酚的浓度增大而增大，最大平均直径为（293±61） nm。明胶/丁香酚纳米纤维对1.1-二苯基-2-苦肼基（DPPH）自由基的清除率可以达到43.80 %±3.67 %。与对照组相比，明胶/丁香酚纳米纤维对微生物生长具有较好的抑制作用，具有较好的抑菌效果。Shi等［39］用明胶、丁香酚作为核材，醋酸纤维素作为壳材，采用同轴静电纺丝制备纳米纤维，随着丁香酚浓度的增大，纤维直径逐渐减小。当包封10%v/v的丁香酚时，纤维直径为166.6 nm。与对照组相比，醋酸纤维素/明胶/丁香酚纳米纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较好的抑菌效果。Liu等［40］用明胶、壳聚糖、3-苯乙酸静电纺丝，当3-苯乙酸浓度为1 %和2 %时，明胶/壳聚糖/3-苯乙酸纳米纤维薄膜的平均直径为40～70 nm。包封2 %的3-苯乙酸时，明胶/壳聚糖/3-苯乙酸纳米纤维薄膜具有最好的热稳定性、水稳定性和水蒸气渗透性。并且，与对照组相比，包封2 %的3-苯乙酸的明胶/壳聚糖纳米纤维薄膜处理组，在30 min内减少了约4 log CFU/mL的肠炎沙门氏菌和金黄色葡萄球菌，因此，具有较好的抑菌效果。

3.3 组织工程

静电纺丝制备的明胶基纳米纤维薄膜具有多孔、比表面积高的特点，可以作为支架起到模仿细胞外基质的作用，因此静电纺丝明胶基纳米纤维在组织工程支架中有着广泛的应用。Huang等［41］用明胶、PCL、聚左旋乳酸、超活性血小板裂解液，采用同轴静电纺丝，制备的纳米纤维可连续释放生物活性因子长达40天，用于成骨细胞MC3T3-E1的培养研究表明，上述静电纺丝复合纳米纤维具有较好的细胞黏附力和增殖力。Irani等［42］用明胶、PVA、硫酸软骨素静电纺丝，制备的纳米纤维用于间充质干细胞的培养，结果表明间充质干细胞向软骨细胞分化，相容性测试表明，硫酸软骨素含量为15 %时，明胶/PVA/硫酸软骨素纳米纤维与其他纳米纤维相比具有更好的生物相容性。以上研究制备的明胶基纳米纤维都可以用于组织工程。

3.4 纳米纤维敷料

明胶基静电纺丝纳米纤维也可用于纳米纤维敷料，以起到加快伤口愈合的作用。Farahani等［43］用明胶、醋酸纤维素（CA）、何首乌纳米乳液静电纺丝，得到的纤维对L929成纤维细胞的黏附和增殖有明显的促进作用，大鼠模型实验表明，22天后明胶/CA/何首乌纳米乳液纳米纤维敷料处理组的创面面积较小。Mirbehbahani等［44］用明胶、黄花蒿提取物静电纺丝，纤维收集在PCL纳米纤维上形成双层敷料，明胶、黄花蒿提取物纳米纤维的平均直径为（242.00±67.53） nm，交联后，明胶/黄花蒿提取物纳米纤维可持续释放活性提取物质超过7天，并且成纤维细胞在此纳米纤维上增殖和附着较好。Golipour等［45］用明胶：二氧化钛（TiO2）、聚己内酯、丝素蛋白（G∶T/P∶F）共静电纺丝制备复合纳米纤维，结果表明明胶∶TiO2增强了细胞间的相互作用，在纤维上培养的细胞活力高，划痕试验观察也证明了G∶T/P∶F支架具有较高的创面愈合潜力。以上研究制备的明胶基纳米纤维均能促进伤口的愈合。

3.5 过滤

采用明胶等物质通过静电纺丝制备的纳米纤维薄膜，由于多孔、比表面积高，在过滤方面也可以起到较好的效果。You等［46］用明胶、丝素蛋白、银离子、葡萄糖静电纺丝，然后加热交联，制备的纤维对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都有抑菌效果，透气率试验表明该材料具有较好的过滤性能。Baburaj等［47］用明胶、PCL、壳聚糖静电纺丝，制备的明胶/PCL/壳聚糖纳米纤维薄膜对亚甲基蓝的去除率可达到96.2 %±0.81 %，经过15次循环的过滤实验后，明胶/PCL/壳聚糖纳米纤维薄膜在去除废水中的微生物方面仍表现出了很高的去效率，且此纤维薄膜的化学和物理性能稳定。Kadam等［48］用明胶/环糊精静电纺丝，得到的纳米纤维薄膜对0.3～5 μm气溶胶的过滤效率为95 %，可以吸附大量的挥发性有机化合物如二甲苯（287 mg/g）、苯（242 mg/g）和甲醛（0.75 mg/g），在低空气阻力（148 Pa）和低质量（1 g/m2）的情况下也具有较好的空气过滤能力。

4 结语

明胶具有较好的生物相容性、可降解等优点，使得采用明胶静电纺丝受到了广泛的关注，明胶基纳米纤维可以包封精油、多酚等天然抗菌物质，用于延长食品的保质期。明胶纳米纤维也可以做为可食用包装薄膜，减少传统的石油基包装薄膜带来的环境压力。静电纺丝制备的明胶基纳米纤维多孔、比表面积高，可以模仿天然的细胞外基质，可以做优良的组织工程支架，促进细胞生长，或做纳米纤维敷料，促进伤口的愈合。还可以用于过滤，除去水中或空气中的有毒化学物质。明胶基纳米纤维具有较多的优点，但目前也存在缺点，比如纳米纤维的机械强度较差，亲水性高，在水中易溶解而失去强度等，这些还有待于研究者们继续改善，以利于明胶基纳米纤维的进一步应用。由于明胶具有生物相容性好、可降解等优点，相信未来会在更多的方面有更深一步的应用。