中山大学吴钧教授课题组:从一维到三维的静电纺丝纳米纤维在生物材料中的应用

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背景介绍

静电纺丝是一种流行且有效的生产多孔纳米纤维的方法，制备的纳米纤维具有大表面积、优异的物理和化学性质，孔径可控。由于具备这样的特性，静电纺丝纳米纤维可以通过对纤维进行改良，模拟细胞外机制和人体组织结构。电纺纳米纤维作为生物材料的重要应用，对从二维(2D)生物敷料到三维(3D)组织支架的研究越来越深入。不同的纤维结构或者不同孔径的纤维可以提供不同的功能以及搭载不同的药物。中山大学吴钧教授、杜健航副教授课题组对不同类型的纳米纤维在生物材料的的应用进行了综述。

 

目录

1.一维纳米纤维结构

2.二维纳米纤维膜

3.三维纳米纤维支架

4.静电纺丝纳米纤维在生物组织中的应用

 

1.一维纳米纤维结构

各种水溶液或有机可溶性聚合物和生物大分子，特别是那些具有良好生物相容性和生物降解性能的，如聚乙烯醇（PVA）、聚己内酯（PCL）和明胶，都可以用作纺丝溶液。

单根纤维的一维微纳米结构可以具有不同的形态。通过改进传统的静电纺丝纳米技术，制造具有核壳结构、中空结构和多通道结构的纳米纤维，称为同轴静电纺丝技术。同轴纤维内部结构复杂，各向异性独特，比表面积大；因此，它们具有很高的传输效率。由于它们可用于实现药物控制释放，同轴纳米纤维已在生物技术和药物输送等领域广泛流行。

图1 纤维多孔结构

 

图2 中空纤维和核壳结构

 

串珠结构的纳米纤维因于表面张力变化引起的喷射过程中长丝的拉伸不足。纤维连接的完整结构的串珠纤维可提供更有效的受控和持续药物释放。此外，复合材料的强度和韧性可以通过引入珠状纤维来提高。

 

图3 中空纤维和核壳结构

 

除了以上三种结构，还有螺旋结构和取向纤维。螺旋和扭曲的纳米纤维比较常见，结构特性可以模拟双链 DNA 或螺旋藻的结构特性。取向纤维的特点是拥有物理强度和机械性能。随着纤维长度的增加，增强效果也同时随着水平的升高而增加。

 

2.二维纳米纤维膜

纳米纤维膜有着50% 至 90% 以上的高孔隙率，是所有粘性多孔材料中表面积与体积比最高的材料之一。这种结构可用于保护伤口表面，同时允许空气渗透，并且通常用作伤口愈合中的水凝胶。排列整齐的纳米纤维膜可以通过定制的收集器、高速旋转的收集器或对齐的针代替传统的电纺收集器来制造连续的、线性排列的纱线。具有梯度的纳米纤维支架的制造需要使用专门的技术或设备，例如熔体静电纺丝直写和 3D 打印技术，以产生合适的 3D 梯度结构。此类支架能够模拟组织间的梯度结构。

纤维的孔径对药物的输送也存在影响，小孔会限制细胞迁移、营养供应和代谢废物的去除，而过大的孔会对细胞粘附和细胞内信号表达产生负面影响。合适的孔径可以促进工程组织内外的营养物质和代谢物的运输。

 

3.三维纳米纤维支架

静电纺丝已广泛用于制备二维的纤维膜，其通常用作伤口敷料。相比之下， 3D 组织工程支架上的应用是有限的。而多层支架具有更好的生物力学、生物相容性、生物降解性等。3D 打印具有通过计算机辅助设计和层打印实现3D模型构建的优势，大大提高了支架的可定制化程度。而近场直写技术可在特定范围内沉积单根纤维，可用来制造特定图案和支撑的纤维支架。这种技术在制造组织工程支架方面具有潜力。

 

图4 血管3D打印支架和近场直写

 

4.静电纺丝纳米纤维在生物组织中的应用

静电纺丝纳米纤维在生物医药领域的应用广泛，物质传输是最常用的功能之一，可保证物质的活性和控制释放，可用于药物的传输。而因为纤维具有的生物特性，可通过使用生物相容性的材料制造皮肤组织、血管组织和骨组织。结合其导电性，可制造皮肤传感器。还可用纳米复合材料改善机械、电气和热性能，并将生物功能植入生物医学工程和传感器的支架中。

图5 静电纺丝纳米纤维在人体组织中的应用

 

原文链接:https://doi.org/10.1007/s12274-021-3593-7

 

轻子纳米以静电纺丝设备和新材料制备为核心的高新技术企业，新材料制备涉及微纳米材料、生物材料、环保材料等领域，在静电纺丝领域具有多项专利技术。公司推动实验研发向实际产业应用，目前可提供科教型电纺设备、静电纺丝中试设备、近场直写设备和量产纳米纤维生产线。公司最新研发的生物3D打印设备可实现微纳米生物材料制备，可由软件控制打印路径，配备溶液/熔体/静电喷雾/静电纺丝等模块，是一款科研实验的好助手。链接：

https://www.qingzitech.com/pro_detail/near_field_electrospinning_machine_m01_005.html