發布時間：2021-05-27所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要傳統靜電紡納米纖維常作為組織工程支架被用于修復缺損部位，往往必須借助外科手術有創植入，極大限制了其在生物醫學領域中的應用。為促進靜電紡絲技術的開發和應用，綜述了靜電紡短纖維的制備及其功能化的方法，分類介紹了功能化短纖維在診斷檢測、治療
摘要傳統靜電紡納米纖維常作為組織工程支架被用于修復缺損部位，往往必須借助外科手術有創植入，極大限制了其在生物醫學領域中的應用。為促進靜電紡絲技術的開發和應用，綜述了靜電紡短纖維的制備及其功能化的方法，分類介紹了功能化短纖維在診斷檢測、治療和組織工程這3個方面的生物醫學應用;系統分析通過調節工藝參數、后續加工等方式保留靜電紡納米纖維膜的內在功能，以及基于其小尺寸和單分散性，避免纖維膜植入所造成的機體侵入創傷;最后，結合靜電紡短纖維當前發展情形分析了其在生物醫學領域應用中所面臨的挑戰和未來的發展前景。
關鍵詞靜電紡絲;納米纖維;功能化短纖維;診斷檢測;腫瘤治療;組織工程
隨著納米技術的發展以及高分子材料的出現，合成納米纖維逐漸被人們熟知并被廣泛應用于催化、能源、生物醫學等領域。在眾多合成納米纖維的制備方法中，靜電紡絲以其簡單快捷、經濟高效的特點被重視起來。該技術通過在設定的參數條件下對高分子聚合物進行加工從而得到具有納米級尺寸的纖維支架，主要具有以下優點:設備成本低，裝置簡單，易于操作;可實現纖維取向、結構、形貌調控;可一步合成復合/多功能納米纖維材料。典型的靜電紡裝置主要由高壓電源、注射泵、噴絲頭和接收器組成[1]。在靜電紡絲過程中，噴絲頭與接收器之間會存在一個高壓靜電場，從注射泵推出的聚合物液體(或熔體)經過噴絲頭時，液體表面產生的靜電排斥作用會克服表面張力使得液體被拉伸為圓錐狀，形成射流。射流在噴發進程中直徑減小、溶劑揮發，最終固化為非織造纖維氈收集在接收器上。
大多具有良好生物相容性和可降解的合成聚合物如聚己內酯(PCL)、聚乳酸(PLA)和聚乳酸-羥基乙酸(PLGA)，以及天然生物聚合物如絲素蛋白、殼聚糖、海藻酸鹽、膠原蛋白(collagen)和明膠(gelatin)等，都可用來制備靜電紡納米纖維。通過靜電紡絲成功制備出的聚合物納米纖維性能是由溶劑、聚合物溶液、環境條件和電壓、流速、接收距離等工藝參數共同決定的[2]。
由于具有比表面積大、孔隙率高、易于修飾等優良特性，靜電紡納米纖維最早被用作過濾材料以捕獲溶膠粒子[3]，現如今在生物醫學領域引起極大關注，并且在藥物控釋、組織工程及癌癥研究等方面得到了很好的應用[4-5]。例如，Hu等[6]制備出聚癸二酸甘油酯-聚甲基丙烯酸甲酯(PGS-PMMA)/gelatin靜電紡復合納米纖維膜，再將大鼠PC12細胞接種到納米纖維上，研究其對神經再生的潛力，發現PGS-PMMA/gelatin靜電紡復合納米纖維能夠促進細胞增殖，誘導神經干細胞的突起生長。Qiu等[7]制備的聚電解質表面活性劑復合物(PESCs)/PCL靜電紡復合納米纖維膜作為一種新型傷口敷料，具有良好的抗菌活性和細胞相容性，強度高，能滿足臨床應用的需求。Zhao等[8]研發的經透明質酸(HA)修飾的靜電紡聚乙烯醇/聚乙烯亞胺(PVA/PEI)納米纖維膜具有特異性捕獲CD44受體過表達癌細胞的卓越能力，還能夠用于捕獲癌細胞以達到早期腫瘤診斷的目的。
盡管這些靜電紡納米纖維膜在生物醫學領域已有所貢獻，但其較小的孔徑尺寸限制了氧氣和營養物質的擴散，阻礙了細胞的滲透，傳統單一的二維結構無法完全模擬允許細胞生存的三維立體微環境[9]。其次，在癌癥治療等方面也難以達到微創治療的效果。為了解決以上缺陷，研究者們試圖通過直接調節靜電紡的工藝參數，如電壓、流速、聚合物溶液濃度，或者通過后續處理的方式開發出更多的新型納米纖維材料。近年來，靜電紡短纖維被廣泛用于構建可注射藥物載體[10]、納米纖維氣凝膠[11]以及三維細胞模型[12]等多種仿生材料，在組織工程、癌癥治療等方面都具備無限的發展潛力;但是人們對短纖維的認知不夠系統和全面，本文結合國內外相關文獻綜述了靜電紡短纖維的制備及其功能化的方法，分類介紹了功能化短纖維在生物醫學領域中的應用，并結合靜電紡短纖維當前的發展，分析了其在生物醫學領域應用中所面臨的挑戰和發展前景。
1制備方法
靜電紡短纖維可通過一步電噴和后續工藝處理獲得，后續工藝包括均質處理、超聲破碎和冷凍切片3種。在制備短纖維時，要根據納米纖維的力學強度、短纖維長度、靜電紡溶液所用溶劑來選取最適用的方法。
1.1一步法
聚合物的相對分子質量、濃度、溶劑會影響聚合物溶液的黏度，而黏度是影響靜電紡纖維形態的重要因素。在靜電紡過程中，當聚合物溶液的黏度低于一定程度，溶液無法延展為連續且細長的纖維，而是以電噴霧的形式斷裂為短纖維或者球形顆粒[13]，并且可通過調節電壓、流速、收集距離等參數改變短纖維的長度。Fathona等[14]通過簡單的一步靜電紡絲直接制備聚合物短纖維，并且研究了聚合物溶液濃度、外加電壓和流速對短纖維制備的影響。通過對不同濃度纖維素醋酸酯溶液進行電噴，發現聚合物溶液質量分數在13%～15%之間時能夠得到長度為50～150μm的短纖維，而低于或高于這一濃度范圍得到的分別是串珠纖維和連續纖維，并且短纖維的長度隨著流速的增加而增加，隨著電壓的增加而減小。Luo等[15]研究了在短纖維制備過程中不同溶劑體系對短纖維尺寸的影響，在其他紡絲條件相同的情況下，以丙酮、乙酸甲酯/環己酮和甲醇作為聚甲基硅倍半氧烷的溶劑體系，分別得到了連續纖維、串珠纖維和長徑比小于200的短纖維。
雖然這種方法不經過后續二次加工，但是在電噴過程中變量較多，纖維的形貌和尺寸難以控制，往往會伴隨串珠纖維、水滴狀顆�；蛘咔蛐晤w粒的產生;因而需要從多個方面不斷優化工藝條件。
1.2后續工藝
1.2.1均質處理
均質處理是借助均質刀頭在高速運轉時產生的機械剪切力將納米纖維膜破碎為一定長度的短纖維。Li等[16]利用此方法獲得了Fe3O4/PLGA短纖維。首先，將Fe3O4/PLGA靜電紡納米纖維膜剪成為1cm×1cm大小的碎片，然后浸泡在乙二醇溶液中，在16000r/min轉速下均質處理30min，最后得到平均長度為(11.90±2.03)μm的短纖維。Li等[17]將0.83mg邊長為0.5cm的聚酰胺酰亞胺/雙馬來酰亞胺(PAI/BMI)正方形纖維碎片浸在100mL水/正丁醇混合溶液里，在1500r/min轉速下均質處理20min后得到平均長度為41.8μm的短纖維。均質處理的轉速越高、時間越長，得到的短纖維也越均勻。除此之外，影響短纖維尺寸和形貌的因素還包括分散液種類以及纖維材料的親疏水性。Yoshikawa等[18]分別對接枝和不接枝親水聚苯乙烯磺酸鈉(PSSNa)的苯乙烯和4-乙烯基芐醇的無規共聚物(poly(ST-r-VBP))納米纖維進行均質處理，最終發現，后者在均質過程中因纖維的疏水特性使其能夠逃離水溶液然后聚集在水-氣界面，而含有PSSNa的纖維在機械剪切3h后獲得了分散均勻的短纖維乳狀液。綜上，在均質處理疏水性纖維時，需要在水分散液中加入具有密度差的親油性物質如己烷，纖維碎片會聚集在形成的水-油界面而無法避開機械剪切作用力，促進了對納米纖維的切割。
總的來說，均質處理雖然難以獲得尺寸均一的短纖維，但其操作簡單，成本較低，產率較高，在數量上可滿足后續對短纖維進行一系列改性和物理組裝的要求。
1.2.2超聲破碎
利用超聲破碎法制備靜電紡短纖維的原理是超聲探頭刺激液體介質產生密集的小氣泡，小氣泡立即爆破，釋放出的能量可將靜電紡納米纖維膜破碎成微米長度的短纖維。超聲破碎的參數包括振幅、頻率和時間，振幅和時間的增加有利于制備長度更短的短纖維。需要注意的是，在超聲過程中，溫度會逐漸升高，功率越大，溫度上升的越快。溫度的升高會對材料的力學性能或者化學性質產生影響，所以通常都是在冰浴條件下進行超聲。Boda等[19]制備了PLGA/gelatin靜電紡納米纖維，剪成小塊后在振幅為20%的超聲條件下冰浴破碎20min，獲得了長度分布在20～80μm之間的短纖維。
文獻[20]研究表明，靜電紡納米纖維膜的韌性是影響短纖維制備的主要因素。對于脆性納米纖維如聚苯乙烯(PS)，在超聲60s后便得到了(10.5±6.2)μm長度的短纖維。韌性越強的納米纖維越能夠抵抗超聲波處理過程中產生的變形，無法直接有效地獲得短纖維，因此，在超聲破碎之前需要對具有良好延展性的纖維進行額外處理，即制造纖維的受力薄弱點。Friedemann等[21]所采取的策略是將PS顆粒作為孔洞前驅體加入到PVA/SiO2纖維中，高溫煅燒后的纖維在PS顆粒嵌入處出現孔洞，在超聲破碎時有利于纖維斷裂。Zhang等[10]也采用了類似的策略，用NaCl顆粒作為前驅體來制造纖維孔洞，經超聲破碎后可獲得(8.6±2.0)μm長度的短纖維，且NaCl顆粒含量越高，短纖維的長度越短。
超聲破碎的作用力對于固態且具有一定韌性的纖維來說作用力較弱。在進行額外處理時，作為空隙前驅體的納米顆粒在纖維基體的分散性和均勻性也不易把控，得到的短纖維長短不一，因此超聲破碎也存在一定的局限性。
1.2.3冷凍切片
冷凍切片是將取向的纖維膜沿著垂直于纖維取向的方向折疊為1～2cm的寬度，將折疊好的纖維凍存在有包埋劑的容器中，然后在冷凍切片機中固定并沿著垂直于纖維取向的方向切割成一定厚度的薄片，最后將其分散在溶液中，從而獲得短纖維[22]。相比于前2種方法而言，冷凍切片最大的優勢在于能夠設置短纖維切割的長度，因此可以得到尺寸均一的短纖維。Wei等[23]為了建立HepG2體外腫瘤模型，首先在高速轉動的滾筒上收集取向PMSA(聚苯乙烯-馬來酸酐)/PS納米纖維膜，然后通過冷凍切片法獲得長度分別為20、50和80μm的短纖維。Omidinia-Anarkoli等[24]使用跨度為2cm寬的平行板收集到取向PLGA納米纖維膜，用通過冷凍切片后得到的短纖維來制備混合水凝膠。
一般而言，所用原料的玻璃化轉變溫度低于常溫的纖維膜會較多采用此方法來制備短纖維，超聲和簡單的機械剪切力不足以克服纖維所具有的黏彈力而使它破碎[19]。比如，John等[25]通過靜電紡絲制備了PCL/gelatin取向納米纖維，而PCL的玻璃化轉變溫度為-50℃，于是在-20℃的環境下通過冷凍切片獲得短纖維。
相關期刊推薦：《紡織學報》(月刊)創刊于1979年，主要報道國內外最新紡織科研成果，學術理論探討，新技術、新產品、新設備的開發，國內外紡織動向綜述或評論等，在行業內具有廣泛影響，具有很高的學術性和權威性，代表著我國紡織科學技術的發展水平。設有：研究論文、研究探討、測試分析、應用技術、綜合述評、科研信息、纖維材料、紡織工程、染整與化學品、服裝工程、紡織機械與器材、管理與信息化、綜合述評等欄目。
冷凍切片法所有的流程操作相比于前2種方法而言更耗時耗力，成本較高。通過冷凍切片得到的短纖維會出現分散性不好的情況，這就對取向納米纖維的厚度、力學強度、潤濕性有一定的要求，需要進一步探索和優化條件。
2功能化
納米短纖維由于其特有的尺寸及形貌，不僅能夠用于微創治療，還被用來組裝三維支架材料應用于組織工程。微創治療充分利用了短纖維獨特的可注射性，在治療的同時避免二次創傷以減輕患者痛苦。多孔三維支架結構可模擬結構復雜的組織原生微環境，為體外細胞的培養提供良好的生長增殖環境，然而，僅僅依靠單一的聚合物纖維材料不能夠滿足生物醫學應用中的多個需求，如靶向識別，局部緩釋藥物以及指導細胞的行為;因此，研究人員想辦法對短纖維進行功能化以發掘短纖維更多的功能，其方法主要有物理摻雜、化學鍵合和綜合改性3種。
2.1物理摻雜
物理摻雜是將納米顆粒、化合物等物質與聚合物溶液共混，在不發生化學反應的情況下通過靜電紡絲就能夠將功能化物質包覆在纖維中，從而獲得功能化的短纖維。例如，Omidinia-Anarkoli等[24]在靜電紡絲之前于PLGA溶液中混合平均直徑為5.2nm的超順磁氧化鐵納米顆粒(SPION)，通過測試可知SPION均勻地分布在PLGA纖維內部，所獲得纖維的平均直徑不受SPION摻入的影響，隨后通過超聲處理獲得具有磁響應的短纖維，最后將其分散在水凝膠前體溶液中，向該混合物施加低磁場(300mT)，在水凝膠交聯之前誘導短纖維取向，從而獲得具有各向異性以及具有骨髓修復功能的水凝膠。熱重分析表明，在短纖維生產過程中，SPION包封效率為78%。除此之外，Feng等[26]在摻雜Fe3O4納米顆粒的同時還向聚丙烯腈(PAN)靜電紡溶液中加入氧化石墨烯(GO)，GO的親水性含氧基團賦予其與蛋白質相互作用的能力，具有良好的生物效應，可引導細胞行為，通過對PAN納米纖維的均質處理，最終獲得生物安全性高且能夠指導細胞行為的功能化短纖維。另一項研究中，Weng等[11]制備了由靜電紡PLGA-collagen-gelatin(PCG)纖維和生物活性玻璃(BG)纖維組成的超輕三維雜化納米纖維氣凝膠。在紡絲之前向BG電紡溶液中加入特定質量的Sr(NO3)2和特定體積的CuCl2水溶液，Sr2+和Cu2+的引入使得BG短纖維具有促進新骨和血管形成的功能。將PCG短纖維與功能化的BG短纖維在超聲破碎時混合，最后通過冷凍澆注法獲得納米纖維雜化氣凝膠。
除了賦予短纖維指導細胞行為的功能，還可通過與化療藥物物理摻雜使短纖維具有局部治療效果。短纖維對藥物來說是一種良好的載體，通過原位注射將藥物遞送到受損或病變部位，實現藥物的局部釋放以及緩釋作用。例如，Wei等[27]將質量比為50∶1的聚乳酸聚乙二醇(PELA)與羥基喜樹堿(HCPT)的混合溶液先靜電紡絲為納米纖維膜，然后通過冷凍切片制備出具有抗腫瘤功能的短纖維。在另一項研究中，Zhang等[10]用同樣的方法制備了載有阿霉素(DOX)的短纖維，并驗證了載有DOX短纖維比載有DOX微球的抗腫瘤效果更為顯著。為了進一步提高短纖維對腫瘤的殺傷力，He等[28]制備出一種同時具有靶向識別與雙重刺激響應功能的短纖維，將喜樹堿(CPT)共軛膠束聚合物(PMCPT)與CDM(2-丙-3-甲基馬來酸酐)/PELA聚合物溶液共混，得到包覆PMCPT的短纖維。PMCPT在腫瘤酸性微環境中經釋放后會自組裝為膠束(MCPT)，經靶向識別和刺激響應后釋放抗癌藥物CPT。
物理摻雜的優點是簡單易操作，方便快捷，包封率高，而且不要求納米纖維材料具有某些特定的官能團，因此選擇性多;但此方法首先得到的是包覆有功能化物質的纖維膜，因此在制備短纖維的后續處理中難免會有損失。
2.2化學改性
化學改性是聚合物或納米纖維與修飾物所具有的官能團之間發生化學反應形成新的化學鍵，從而將功能化物質固定在纖維表面，最終得到功能化短纖維。例如，Chen等[29]為了合成雙親性聚合物(PMCPT)結合的短纖維，首先通過PLA本體的開環聚合、末端叔丁氧羰基脫保護以及�；磻铣闪�2-丙-3-甲基馬來酸酐(PLA-cdm)，再采用標準EDC/NHS(1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽/羥基琥珀酰亞胺)化學方法將PMCPT與PLA-cdm偶聯，合成了PLA-cdm-PMCPT共聚物，經靜電紡絲和冷凍切片后得到了PLA-cdm-PMCPT短纖維，其在腫瘤治療中發揮了雙重響應功效，提高了對腫瘤細胞的殺傷力。Wang等[30]將聚L-乳酸(PLLA)短纖維在含有體積分數為0.5%乙二胺的異丙醇溶液中于20℃氨解15min，再通過短纖維表面的氨基連接磺基-4-(N-馬來酰亞胺甲基)環己烷-1-羧酸，將其作為交聯劑連接神經膠質衍生的神經營養因子(GDNF，一種能促進細胞存活和軸突生長的蛋白)，最后將功能化短纖維與木葡聚糖混合形成具有顯著改善受損腦部環境功能的復合凝膠。
相比于物理摻雜，化學鍵合對納米纖維材料有一定的要求，需要纖維表面具有豐富的官能團以提供多個結合位點，并且在修飾過程中可能會需要催化劑、連接體來提高修飾物的上載率，過程較為復雜。
2.3綜合改性
在對短纖維賦予多種功能時，僅僅依靠物理摻雜或者化學鍵合是難以實現的，這就考慮到將物理摻雜與化學鍵合相結合來對短纖維進行修飾。在本文課題組的一項研究中，Xiao等[31]首先通過靜電紡絲技術將Fe3O4/PEI納米顆粒摻雜到PEI/PVA納米纖維中，均質處理后得到磁性納米短纖維(MSNFs)。MSNFs表面的氨基連接3-馬來酰亞胺基丙酸N-羥基琥珀酰亞胺酯，作為中間連接體將特異性靶向上皮細胞黏附分子(EpCAM)的DNA適配體修飾在MSNFs表面，得到具有磁響應和靶向識別功能的aptamer-MSNFs。John等[25]將gelatin-甲基丙烯�；�(GelMA)與PCL/gelatin共混得到了表面帶有甲基丙烯酸基團的PCL/gelatin/GelMA短纖維，短纖維上的甲基丙烯酸基團與修飾肽中的辛烯基丙氨酸(OCTAL)將骨形成蛋白-2(BMP-2)和血管內皮生長因子(VEGF)模擬肽QK通過光交聯成功連接到短纖維上，GelMA提供了與OCTAL的共聚合結合位點。其中，BMP-2促進骨髓源性干細胞(BMSCs)的成骨分化，QK是一種VEGF模擬肽，可復制VEGF的功能，誘導血管生成。綜上，功能化短纖維可開發仿生和可注射載體來有效指導細胞應答(成骨和血管生成)。表1為文中短纖維的制備及功能化方法梳理。——論文作者：張蓓蕾，沈明武，史向陽
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