发布时间：2021-05-27所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘要传统静电纺纳米纤维常作为组织工程支架被用于修复缺损部位，往往必须借助外科手术有创植入，极大限制了其在生物医学领域中的应用。为促进静电纺丝技术的开发和应用，综述了静电纺短纤维的制备及其功能化的方法，分类介绍了功能化短纤维在诊断检测、治疗
摘要传统静电纺纳米纤维常作为组织工程支架被用于修复缺损部位，往往必须借助外科手术有创植入，极大限制了其在生物医学领域中的应用。为促进静电纺丝技术的开发和应用，综述了静电纺短纤维的制备及其功能化的方法，分类介绍了功能化短纤维在诊断检测、治疗和组织工程这3个方面的生物医学应用;系统分析通过调节工艺参数、后续加工等方式保留静电纺纳米纤维膜的内在功能，以及基于其小尺寸和单分散性，避免纤维膜植入所造成的机体侵入创伤;最后，结合静电纺短纤维当前发展情形分析了其在生物医学领域应用中所面临的挑战和未来的发展前景。
关键词静电纺丝;纳米纤维;功能化短纤维;诊断检测;肿瘤治疗;组织工程
随着纳米技术的发展以及高分子材料的出现，合成纳米纤维逐渐被人们熟知并被广泛应用于催化、能源、生物医学等领域。在众多合成纳米纤维的制备方法中，静电纺丝以其简单快捷、经济高效的特点被重视起来。该技术通过在设定的参数条件下对高分子聚合物进行加工从而得到具有纳米级尺寸的纤维支架，主要具有以下优点:设备成本低，装置简单，易于操作;可实现纤维取向、结构、形貌调控;可一步合成复合/多功能纳米纤维材料。典型的静电纺装置主要由高压电源、注射泵、喷丝头和接收器组成[1]。在静电纺丝过程中，喷丝头与接收器之间会存在一个高压静电场，从注射泵推出的聚合物液体(或熔体)经过喷丝头时，液体表面产生的静电排斥作用会克服表面张力使得液体被拉伸为圆锥状，形成射流。射流在喷发进程中直径减小、溶剂挥发，最终固化为非织造纤维毡收集在接收器上。
大多具有良好生物相容性和可降解的合成聚合物如聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)和聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)，以及天然生物聚合物如丝素蛋白、壳聚糖、海藻酸盐、胶原蛋白(collagen)和明胶(gelatin)等，都可用来制备静电纺纳米纤维。通过静电纺丝成功制备出的聚合物纳米纤维性能是由溶剂、聚合物溶液、环境条件和电压、流速、接收距离等工艺参数共同决定的[2]。
由于具有比表面积大、孔隙率高、易于修饰等优良特性，静电纺纳米纤维最早被用作过滤材料以捕获溶胶粒子[3]，现如今在生物医学领域引起极大关注，并且在药物控释、组织工程及癌症研究等方面得到了很好的应用[4-5]。例如，Hu等[6]制备出聚癸二酸甘油酯-聚甲基丙烯酸甲酯(PGS-PMMA)/gelatin静电纺复合纳米纤维膜，再将大鼠PC12细胞接种到纳米纤维上，研究其对神经再生的潜力，发现PGS-PMMA/gelatin静电纺复合纳米纤维能够促进细胞增殖，诱导神经干细胞的突起生长。Qiu等[7]制备的聚电解质表面活性剂复合物(PESCs)/PCL静电纺复合纳米纤维膜作为一种新型伤口敷料，具有良好的抗菌活性和细胞相容性，强度高，能满足临床应用的需求。Zhao等[8]研发的经透明质酸(HA)修饰的静电纺聚乙烯醇/聚乙烯亚胺(PVA/PEI)纳米纤维膜具有特异性捕获CD44受体过表达癌细胞的卓越能力，还能够用于捕获癌细胞以达到早期肿瘤诊断的目的。
尽管这些静电纺纳米纤维膜在生物医学领域已有所贡献，但其较小的孔径尺寸限制了氧气和营养物质的扩散，阻碍了细胞的渗透，传统单一的二维结构无法完全模拟允许细胞生存的三维立体微环境[9]。其次，在癌症治疗等方面也难以达到微创治疗的效果。为了解决以上缺陷，研究者们试图通过直接调节静电纺的工艺参数，如电压、流速、聚合物溶液浓度，或者通过后续处理的方式开发出更多的新型纳米纤维材料。近年来，静电纺短纤维被广泛用于构建可注射药物载体[10]、纳米纤维气凝胶[11]以及三维细胞模型[12]等多种仿生材料，在组织工程、癌症治疗等方面都具备无限的发展潜力;但是人们对短纤维的认知不够系统和全面，本文结合国内外相关文献综述了静电纺短纤维的制备及其功能化的方法，分类介绍了功能化短纤维在生物医学领域中的应用，并结合静电纺短纤维当前的发展，分析了其在生物医学领域应用中所面临的挑战和发展前景。
1制备方法
静电纺短纤维可通过一步电喷和后续工艺处理获得，后续工艺包括均质处理、超声破碎和冷冻切片3种。在制备短纤维时，要根据纳米纤维的力学强度、短纤维长度、静电纺溶液所用溶剂来选取最适用的方法。
1.1一步法
聚合物的相对分子质量、浓度、溶剂会影响聚合物溶液的黏度，而黏度是影响静电纺纤维形态的重要因素。在静电纺过程中，当聚合物溶液的黏度低于一定程度，溶液无法延展为连续且细长的纤维，而是以电喷雾的形式断裂为短纤维或者球形颗粒[13]，并且可通过调节电压、流速、收集距离等参数改变短纤维的长度。Fathona等[14]通过简单的一步静电纺丝直接制备聚合物短纤维，并且研究了聚合物溶液浓度、外加电压和流速对短纤维制备的影响。通过对不同浓度纤维素醋酸酯溶液进行电喷，发现聚合物溶液质量分数在13%～15%之间时能够得到长度为50～150μm的短纤维，而低于或高于这一浓度范围得到的分别是串珠纤维和连续纤维，并且短纤维的长度随着流速的增加而增加，随着电压的增加而减小。Luo等[15]研究了在短纤维制备过程中不同溶剂体系对短纤维尺寸的影响，在其他纺丝条件相同的情况下，以丙酮、乙酸甲酯/环己酮和甲醇作为聚甲基硅倍半氧烷的溶剂体系，分别得到了连续纤维、串珠纤维和长径比小于200的短纤维。
虽然这种方法不经过后续二次加工，但是在电喷过程中变量较多，纤维的形貌和尺寸难以控制，往往会伴随串珠纤维、水滴状颗粒或者球形颗粒的产生;因而需要从多个方面不断优化工艺条件。
1.2后续工艺
1.2.1均质处理
均质处理是借助均质刀头在高速运转时产生的机械剪切力将纳米纤维膜破碎为一定长度的短纤维。Li等[16]利用此方法获得了Fe3O4/PLGA短纤维。首先，将Fe3O4/PLGA静电纺纳米纤维膜剪成为1cm×1cm大小的碎片，然后浸泡在乙二醇溶液中，在16000r/min转速下均质处理30min，最后得到平均长度为(11.90±2.03)μm的短纤维。Li等[17]将0.83mg边长为0.5cm的聚酰胺酰亚胺/双马来酰亚胺(PAI/BMI)正方形纤维碎片浸在100mL水/正丁醇混合溶液里，在1500r/min转速下均质处理20min后得到平均长度为41.8μm的短纤维。均质处理的转速越高、时间越长，得到的短纤维也越均匀。除此之外，影响短纤维尺寸和形貌的因素还包括分散液种类以及纤维材料的亲疏水性。Yoshikawa等[18]分别对接枝和不接枝亲水聚苯乙烯磺酸钠(PSSNa)的苯乙烯和4-乙烯基苄醇的无规共聚物(poly(ST-r-VBP))纳米纤维进行均质处理，最终发现，后者在均质过程中因纤维的疏水特性使其能够逃离水溶液然后聚集在水-气界面，而含有PSSNa的纤维在机械剪切3h后获得了分散均匀的短纤维乳状液。综上，在均质处理疏水性纤维时，需要在水分散液中加入具有密度差的亲油性物质如己烷，纤维碎片会聚集在形成的水-油界面而无法避开机械剪切作用力，促进了对纳米纤维的切割。
总的来说，均质处理虽然难以获得尺寸均一的短纤维，但其操作简单，成本较低，产率较高，在数量上可满足后续对短纤维进行一系列改性和物理组装的要求。
1.2.2超声破碎
利用超声破碎法制备静电纺短纤维的原理是超声探头刺激液体介质产生密集的小气泡，小气泡立即爆破，释放出的能量可将静电纺纳米纤维膜破碎成微米长度的短纤维。超声破碎的参数包括振幅、频率和时间，振幅和时间的增加有利于制备长度更短的短纤维。需要注意的是，在超声过程中，温度会逐渐升高，功率越大，温度上升的越快。温度的升高会对材料的力学性能或者化学性质产生影响，所以通常都是在冰浴条件下进行超声。Boda等[19]制备了PLGA/gelatin静电纺纳米纤维，剪成小块后在振幅为20%的超声条件下冰浴破碎20min，获得了长度分布在20～80μm之间的短纤维。
文献[20]研究表明，静电纺纳米纤维膜的韧性是影响短纤维制备的主要因素。对于脆性纳米纤维如聚苯乙烯(PS)，在超声60s后便得到了(10.5±6.2)μm长度的短纤维。韧性越强的纳米纤维越能够抵抗超声波处理过程中产生的变形，无法直接有效地获得短纤维，因此，在超声破碎之前需要对具有良好延展性的纤维进行额外处理，即制造纤维的受力薄弱点。Friedemann等[21]所采取的策略是将PS颗粒作为孔洞前驱体加入到PVA/SiO2纤维中，高温煅烧后的纤维在PS颗粒嵌入处出现孔洞，在超声破碎时有利于纤维断裂。Zhang等[10]也采用了类似的策略，用NaCl颗粒作为前驱体来制造纤维孔洞，经超声破碎后可获得(8.6±2.0)μm长度的短纤维，且NaCl颗粒含量越高，短纤维的长度越短。
超声破碎的作用力对于固态且具有一定韧性的纤维来说作用力较弱。在进行额外处理时，作为空隙前驱体的纳米颗粒在纤维基体的分散性和均匀性也不易把控，得到的短纤维长短不一，因此超声破碎也存在一定的局限性。
1.2.3冷冻切片
冷冻切片是将取向的纤维膜沿着垂直于纤维取向的方向折叠为1～2cm的宽度，将折叠好的纤维冻存在有包埋剂的容器中，然后在冷冻切片机中固定并沿着垂直于纤维取向的方向切割成一定厚度的薄片，最后将其分散在溶液中，从而获得短纤维[22]。相比于前2种方法而言，冷冻切片最大的优势在于能够设置短纤维切割的长度，因此可以得到尺寸均一的短纤维。Wei等[23]为了建立HepG2体外肿瘤模型，首先在高速转动的滚筒上收集取向PMSA(聚苯乙烯-马来酸酐)/PS纳米纤维膜，然后通过冷冻切片法获得长度分别为20、50和80μm的短纤维。Omidinia-Anarkoli等[24]使用跨度为2cm宽的平行板收集到取向PLGA纳米纤维膜，用通过冷冻切片后得到的短纤维来制备混合水凝胶。
一般而言，所用原料的玻璃化转变温度低于常温的纤维膜会较多采用此方法来制备短纤维，超声和简单的机械剪切力不足以克服纤维所具有的黏弹力而使它破碎[19]。比如，John等[25]通过静电纺丝制备了PCL/gelatin取向纳米纤维，而PCL的玻璃化转变温度为-50℃，于是在-20℃的环境下通过冷冻切片获得短纤维。
相关期刊推荐：《纺织学报》(月刊)创刊于1979年，主要报道国内外最新纺织科研成果，学术理论探讨，新技术、新产品、新设备的开发，国内外纺织动向综述或评论等，在行业内具有广泛影响，具有很高的学术性和权威性，代表着我国纺织科学技术的发展水平。设有：研究论文、研究探讨、测试分析、应用技术、综合述评、科研信息、纤维材料、纺织工程、染整与化学品、服装工程、纺织机械与器材、管理与信息化、综合述评等栏目。
冷冻切片法所有的流程操作相比于前2种方法而言更耗时耗力，成本较高。通过冷冻切片得到的短纤维会出现分散性不好的情况，这就对取向纳米纤维的厚度、力学强度、润湿性有一定的要求，需要进一步探索和优化条件。
2功能化
纳米短纤维由于其特有的尺寸及形貌，不仅能够用于微创治疗，还被用来组装三维支架材料应用于组织工程。微创治疗充分利用了短纤维独特的可注射性，在治疗的同时避免二次创伤以减轻患者痛苦。多孔三维支架结构可模拟结构复杂的组织原生微环境，为体外细胞的培养提供良好的生长增殖环境，然而，仅仅依靠单一的聚合物纤维材料不能够满足生物医学应用中的多个需求，如靶向识别，局部缓释药物以及指导细胞的行为;因此，研究人员想办法对短纤维进行功能化以发掘短纤维更多的功能，其方法主要有物理掺杂、化学键合和综合改性3种。
2.1物理掺杂
物理掺杂是将纳米颗粒、化合物等物质与聚合物溶液共混，在不发生化学反应的情况下通过静电纺丝就能够将功能化物质包覆在纤维中，从而获得功能化的短纤维。例如，Omidinia-Anarkoli等[24]在静电纺丝之前于PLGA溶液中混合平均直径为5.2nm的超顺磁氧化铁纳米颗粒(SPION)，通过测试可知SPION均匀地分布在PLGA纤维内部，所获得纤维的平均直径不受SPION掺入的影响，随后通过超声处理获得具有磁响应的短纤维，最后将其分散在水凝胶前体溶液中，向该混合物施加低磁场(300mT)，在水凝胶交联之前诱导短纤维取向，从而获得具有各向异性以及具有骨髓修复功能的水凝胶。热重分析表明，在短纤维生产过程中，SPION包封效率为78%。除此之外，Feng等[26]在掺杂Fe3O4纳米颗粒的同时还向聚丙烯腈(PAN)静电纺溶液中加入氧化石墨烯(GO)，GO的亲水性含氧基团赋予其与蛋白质相互作用的能力，具有良好的生物效应，可引导细胞行为，通过对PAN纳米纤维的均质处理，最终获得生物安全性高且能够指导细胞行为的功能化短纤维。另一项研究中，Weng等[11]制备了由静电纺PLGA-collagen-gelatin(PCG)纤维和生物活性玻璃(BG)纤维组成的超轻三维杂化纳米纤维气凝胶。在纺丝之前向BG电纺溶液中加入特定质量的Sr(NO3)2和特定体积的CuCl2水溶液，Sr2+和Cu2+的引入使得BG短纤维具有促进新骨和血管形成的功能。将PCG短纤维与功能化的BG短纤维在超声破碎时混合，最后通过冷冻浇注法获得纳米纤维杂化气凝胶。
除了赋予短纤维指导细胞行为的功能，还可通过与化疗药物物理掺杂使短纤维具有局部治疗效果。短纤维对药物来说是一种良好的载体，通过原位注射将药物递送到受损或病变部位，实现药物的局部释放以及缓释作用。例如，Wei等[27]将质量比为50∶1的聚乳酸聚乙二醇(PELA)与羟基喜树碱(HCPT)的混合溶液先静电纺丝为纳米纤维膜，然后通过冷冻切片制备出具有抗肿瘤功能的短纤维。在另一项研究中，Zhang等[10]用同样的方法制备了载有阿霉素(DOX)的短纤维，并验证了载有DOX短纤维比载有DOX微球的抗肿瘤效果更为显著。为了进一步提高短纤维对肿瘤的杀伤力，He等[28]制备出一种同时具有靶向识别与双重刺激响应功能的短纤维，将喜树碱(CPT)共轭胶束聚合物(PMCPT)与CDM(2-丙-3-甲基马来酸酐)/PELA聚合物溶液共混，得到包覆PMCPT的短纤维。PMCPT在肿瘤酸性微环境中经释放后会自组装为胶束(MCPT)，经靶向识别和刺激响应后释放抗癌药物CPT。
物理掺杂的优点是简单易操作，方便快捷，包封率高，而且不要求纳米纤维材料具有某些特定的官能团，因此选择性多;但此方法首先得到的是包覆有功能化物质的纤维膜，因此在制备短纤维的后续处理中难免会有损失。
2.2化学改性
化学改性是聚合物或纳米纤维与修饰物所具有的官能团之间发生化学反应形成新的化学键，从而将功能化物质固定在纤维表面，最终得到功能化短纤维。例如，Chen等[29]为了合成双亲性聚合物(PMCPT)结合的短纤维，首先通过PLA本体的开环聚合、末端叔丁氧羰基脱保护以及酰化反应合成了2-丙-3-甲基马来酸酐(PLA-cdm)，再采用标准EDC/NHS(1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/羟基琥珀酰亚胺)化学方法将PMCPT与PLA-cdm偶联，合成了PLA-cdm-PMCPT共聚物，经静电纺丝和冷冻切片后得到了PLA-cdm-PMCPT短纤维，其在肿瘤治疗中发挥了双重响应功效，提高了对肿瘤细胞的杀伤力。Wang等[30]将聚L-乳酸(PLLA)短纤维在含有体积分数为0.5%乙二胺的异丙醇溶液中于20℃氨解15min，再通过短纤维表面的氨基连接磺基-4-(N-马来酰亚胺甲基)环己烷-1-羧酸，将其作为交联剂连接神经胶质衍生的神经营养因子(GDNF，一种能促进细胞存活和轴突生长的蛋白)，最后将功能化短纤维与木葡聚糖混合形成具有显著改善受损脑部环境功能的复合凝胶。
相比于物理掺杂，化学键合对纳米纤维材料有一定的要求，需要纤维表面具有丰富的官能团以提供多个结合位点，并且在修饰过程中可能会需要催化剂、连接体来提高修饰物的上载率，过程较为复杂。
2.3综合改性
在对短纤维赋予多种功能时，仅仅依靠物理掺杂或者化学键合是难以实现的，这就考虑到将物理掺杂与化学键合相结合来对短纤维进行修饰。在本文课题组的一项研究中，Xiao等[31]首先通过静电纺丝技术将Fe3O4/PEI纳米颗粒掺杂到PEI/PVA纳米纤维中，均质处理后得到磁性纳米短纤维(MSNFs)。MSNFs表面的氨基连接3-马来酰亚胺基丙酸N-羟基琥珀酰亚胺酯，作为中间连接体将特异性靶向上皮细胞黏附分子(EpCAM)的DNA适配体修饰在MSNFs表面，得到具有磁响应和靶向识别功能的aptamer-MSNFs。John等[25]将gelatin-甲基丙烯酰基(GelMA)与PCL/gelatin共混得到了表面带有甲基丙烯酸基团的PCL/gelatin/GelMA短纤维，短纤维上的甲基丙烯酸基团与修饰肽中的辛烯基丙氨酸(OCTAL)将骨形成蛋白-2(BMP-2)和血管内皮生长因子(VEGF)模拟肽QK通过光交联成功连接到短纤维上，GelMA提供了与OCTAL的共聚合结合位点。其中，BMP-2促进骨髓源性干细胞(BMSCs)的成骨分化，QK是一种VEGF模拟肽，可复制VEGF的功能，诱导血管生成。综上，功能化短纤维可开发仿生和可注射载体来有效指导细胞应答(成骨和血管生成)。表1为文中短纤维的制备及功能化方法梳理。——论文作者：张蓓蕾，沈明武，史向阳
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