静电纺丝法制备纳米纤维及其应用进展

王翠平，叶 柳，李爱侠，张子云，戴 鹏

(安徽大学，安徽 合肥 230601)

静电纺丝法制备纳米纤维及其应用进展

王翠平，叶 柳，李爱侠，张子云，戴 鹏

(安徽大学，安徽 合肥 230601)

静电纺丝技术是采用物理方法制备一维采用纳米纤维的有效方法，它在大规模制备有序的、复杂的一维纳米材料方面具有很强优势。除了制备一维纤维材料外，电纺丝技术还用于制备二维和三维多孔结构的材料。本文分为三部分，首先介绍了静电纺丝技术的原理和方法；然后综述了静电纺丝技术在制备一维材料方面的研究进展，最后列举了静电纺丝技术在生物工程领域的应用。

静电纺丝；三维纳米结构；组织工程

近年来一维纳米结构(如纳米管，纳米棒，纳米带等)材料因为其独特的性能(如，具有很大的长径比和比表面积,具有表面尺寸效应，超顺磁性等)在许多领域(如传感器，太阳能电池和纳米谐振器等)得到了应用[1-5]。一维的纳米电子器件还具有检测灵敏度高，小尺寸效应和线栅偏振效应等特性成为目前纳米电子学研宄的热点之一。很多材料比如贵金属材料(金、银、铂等)，高分子(聚苯胺、聚吡珞，聚乙烯醇等)，陶瓷(如BaTiO3，Li2NbO3)，以及生物大分子等都被制成低维纳米材料,应用于各种新型器件及新的性能研究。因此，近年来人们不断探索各种方法用于制备一维纳米材料，其中静电纺丝技术以其特有的优势，成为研究的热点。静电纺丝法早在上世纪三十年代就由一位美国人提出的，是目前可以连续大量制备微纳米纤维的有效方法，可以制备直径在在几十纳米到几个毫米之间纤维材料。

1 静电纺丝技术的原理

近年来的研究已经证实，静电纺丝技术一般来说包括三个步骤：(1)流体溶液喷射出来，沿着直线方向延伸；(2)随着电动弯曲不稳定性的增长，喷射流将会发生一定程度上的分化或分裂；(3)喷射流凝固成纳米纤维，并沉积在收集器上。如图1所示。

图1 静电纺丝及沉积原理图

首先，电场力是静电纺丝过程中的动力。电纺开始后，在电场力的作用下，针状前端的流体溶液会由半球状变为锥形体(称为泰勒锥)，随着施加电压越来越大，作用在泰勒锥前端的电场力变大，当电场力达到一个临界值Vc时，泰勒锥前端的流体溶液克服表面张力进入电场中，流体喷射流就形成了，这个临界值Vc可以由下式算出:

(1)

其中H是针状前端到收集器的距离，h是液柱的长度，R是针状体的外径，γ是液体的表面张力(H、h、R的单位是cm，γ单位是dyn/cm)，系数0.09表明电压是kV。

其次，随着喷射流在电场中的延伸，喷射流会变得细长，喷射流上的电荷会发生弯曲和分化，在射流方向上渐渐偏离两点直线方向。也就是说电纺过程中，沿两点直线方向笔直的喷射流因为各种不稳定性不存在。最近的研究表明，导致喷射流以高频率弯曲伸长，从微米级变小到纳米级的因素是一种非轴对称或电动弯曲的不稳定性。如图2所示。

图2 喷射流在不稳定影响下的弯曲伸长

通过数学研究和渐进分析为这种不稳定性制作模型，发现了三种不稳定性的存在。第一种是经典的瑞利不稳定性，瑞利不稳定是一种轴对称不稳定，受表面张力的控制，发生在高电场，电场强度E0和表面电荷密度σ符合：

(2)

其中γ是表面张力，h是射流半径，ε和ε′分别是射流的内表面和外表面的介电常数，并且ε/ε≥1。第二种也是一种轴对称不稳定，通常被称为第二轴对称不稳定，发生在比瑞利不稳定更高的电场中。第三种是非轴对称不稳定(通常称为弯曲不稳定性)，这是在高电场下，受横向电场力和空气动力相互作用影响的流体液柱的长波扰动。后两种不稳定是因为电荷分布的两极组件的波动，它们是电动不稳定，本质上不同于表面张力引发的不稳定。不同类型的不稳定发生的电场强度环境不同，瑞利不稳定发生时的电场强度最低，弯曲不稳定最高。Fridrikh等人[6]又针对在电场中发生弯曲不稳定的带电流体提出了一个模型，能计算出终端喷射流的直径：

(3)

其中ht是终端喷射流的直径，Q是流速，I是电流，γ是流体的表面张力，ε′是喷射流的外表面介电常数，χ～R/h是弯曲不稳定的无量纲波动范围(R是弯曲扰动的半径，h是喷射流半径)，他们发现理论预测与PCL静电纺丝实验结果吻合。

喷射流在延伸过程中渐渐蒸发，最后在收集器上会沉积出带电聚合物纳米纤维。用准一维方程描述喷射流蒸发凝固过程中的质量减少体积变化，计算出蒸发凝固前后纤维半径减小了0.001 3倍。通过改变聚环氧乙烷水溶液喷射流电纺过程中的相对湿度进一步研究了纳米纤维的凝固沉积，随着相对湿度增大，凝固过程变缓慢，喷射流慢慢变细，最后在收集器上形成固体聚合物纤维。沉积纤维的形态和结构与收集器和收集方法很有关系，各种收集器材方法如固定板，旋转心轴，机架，溶剂浴，辅助电磁场被广泛应用来沉积收集光纤阵列，特定的纤维垫，纤维纱和纤维绳，管状结构及 其他三维纤维支架等。电纺纳米纤维的简单实用性使它在生产和研究中得到应用。

2 静电纺丝技术的研究进展

静电纺丝法是目前连续大量制备微纳米纤维的最有效方法，此方法制成的纤维直径在在几十到几千个纳米之间。中科大俞书宏教授[6]带领的小组通过静电纺丝技术将大量的金纳米棒组装在聚乙烯醇(PVA)纤维内。他们发现，金纳米棒沿着电纺纤维轴向平行排列，金纳米棒之间的距离可以通过改变金纳米棒的在溶液中浓度来调节。他们还制备了AuNR/PVA复合电纺纤维薄膜，研究发现相同金纳米颗粒浓度的电纺膜与涂布膜相比，具有的等离子体共振波长明显红移的现象，这种自支撑膜可作为SERS基底增强的检测应用。如图3所示。

(a) 50 nM；(b) 100 nM；(c) 150 nM；(d) 200 nM插图为相应的电纺薄膜的数码照片图3 具有不同AuNRs颗粒浓度的AuNR/PVA电纺纤维的TEM照片

他们小组还利用磁场引导与静电纺丝技术结合，大规模组装超长PVP@Ag复合纳米线[7]。实验发现银纳米线可以被很好地包覆在PVP电纺纤维中，通过外磁场的引导，可以使获得的电纺纤维薄膜呈现平行的纤维排列的，这种规整排列的银纳米线纤维膜，可能影响复合材料的介电常数和磁导率参数，引起纵向等离子体消光程度随随偏振角度增大而递增。

图4 磁铁收集的具有不同AgNWs浓度的平行排列的电纺丝纤维的SEM图片

3 静电纺丝法制备纳米纤维的应用

3.1 纳米纤维可制备固体荧光材料

目前国内外很多学者将一维复合纤维组装成不同形状三维材料，应用到不同领域。2007年吉林大学Yang[8]等将具有荧光的CdTe量子点分散到PVP溶液中，通过静电纺丝制备成复合纳米纤维，量子点在复合纤维中分散性很好，没有荧光共振的能量损耗，可用作固体荧光材料，有望用在光通信和光调制器件领域。静电纺丝纤维还可用于构织脚手架等组织工程领域，如图5所示[9]组织工程内在核心技术之一就是致力于人工构造脚手架技术，主要是设计、制造3d支架对细胞进行播种和体内外培养。3d支架比传统支架可以更好提供单个细胞移动,为细胞迁移和细胞形态发生调节提供重要的细胞周期和组织功能。

图5 纳米纤维用于组织工程的说明图，包括：构织脚手架，种子细胞的培养，体内生长和融合技术

3.2 纳米纤维可作为人体支架材料

图6是多个相互连接的管状结构的纤维支架管。研究发现3d收集器之间的距离是大量制备不同直径大小、形状、壁结构3D支架的关键参数。即过量，或者过小的距离可能会引起纤维支架的暂停收集。将纳米羟基磷灰石和聚合物复合[10]，可以制备具有生物活性同时具有一定力学性能的组织工程支架，研究表明HA可以与PLGA聚丙烯腈PAN壳聚糖等多种聚合物混合制备复合纳米支架HA的含量对纤维支架的直径产生影响 在低浓度范围内 随着HA含量的增加 复合纤维的直径有增大的趋势. 另外,不同含量的HA对复合支架力学性能有较大的影响,随着HA含量的增加复合支架的力学性能先增加后降低.

图6 (a) 多个通道连接的管状结构制备过程示意图(b)交叉管；(c)扶轮状三维纳米纤维结构的光学照片(d)图(c) 电纺丝纤维的扫描电镜图

3.3 纳米纤维在组织工程中的应用

3.3.1 指导细胞产物和神经再生

最近的研究表明，三维纤维纳米结构支架有着独特的表面结构和相对较大的内表面，从而能够显著地增加细胞的附着性和活性，另外，三维支架利用特定取向的微纤维和微槽可以控制细胞的移动方向，甚至促进细胞增长。例如，新生大鼠室心肌细胞用统一方向的旋转射流聚乳酸纤维控制细胞骨架收缩方向，形成层状多细胞结构的心肌组织的跳动。内皮细胞通过微纤维和微槽移动到支架表面的小直径聚氨酯(内直径4mm壁厚190μm)移植物上，移植物是由平行于微纤维和微槽方向的细长状单细胞融合成的层状。WangW[11]等人报道了施旺细胞群中的定取向壳聚糖纳米纤维的功效和壳聚糖纳米纤维网管在末梢神经再生中的作用。图7a显示了施旺细胞在方向上保持一致从而产生了强大的附着力。图7b显示了单个的施旺细胞附着在单个壳聚糖定向纤维上，这种附着非常强，有时它会将附着扩展到相邻的纤维上。图7c显示了定向纤维群中的网管结构的内部空间被利用来形成类似移植物的再生神经组织。图7d显示了定向纤维支架中，大量大直径的有髓鞘的轴突以及施旺细胞成功形成。比较来说，在无序的纤维支架中再生纤维还远没形成。结果表明，定向壳聚糖纳米纤维网管能够代替细胞的自体神经移植。

图7 纳米纤维指导细胞产物和神经再生

3.3.2 血管移植

小直径双层三维纳米纤维管状支架，尤其是方向可控的纳米纤维，在血管移植中已经得到了广泛应用。不仅因为它们有着方向性的机械性能，还因为能控制细胞附着到纤维上的方向。例如，WangS等人[12]发现管状纤维支架(40mm长，内直径4.5mm，管壁厚0.5mm，如图8a所示)由聚乳酸纤维(外层)和光滑的蚕丝蛋白明胶纤维(内层)组成，使用旋转轴心收集器通过多层静电纺丝制作而成，可以作为血管组织工程的理想材料。这种复合支架有82±2%的孔隙率，2.21±0.18MPa的破裂的临界压强，60.58±1.23%的柔韧性和4.58±0.62N的结合力。另外，当管状纤维支架的爆破压力强度达到1596±20mmHg时，这些力学指标就会使管状纤维支架拥有足够的抗压性，从而能够做本机血管的替代品。而且支架不溶于水，水溶率仅有0.3±0.1%，对3T3鼠成纤维细胞(图8b)和人体脐静脉内皮细胞(图8c，d)进行线粒体代谢酶活性检测和细胞形态检测，发现这些细胞在各自培养14和21天后，可以在支架上很好的粘附增殖和扩散，图8b显示在复合支架上的细胞增殖明显要高于一般培养皿，这表明复合支架的表面面积更大，体积比和孔隙率较大，比一般培养皿更适合细胞增殖。图8c和d显示的SEM图像显示，培养7天时，复合支架上仅有少量细胞可以观测到，培养14天时，细胞密度比7天时明显上升，细胞也以某种模式扩散和增殖，形成连续的细胞膜。图8e-g显示了皮下移植的结果，我们可以看到，在移植1至2个月后，复合纤维支架已被新生组织所覆盖，巨噬细胞和淋巴球已经观测不到，这表明复合支架能够减少活的有机体内的轻微炎症反应，在3个月时，血管网络被支架引导形成。移植体变小，这显示复合纤维支架有很好的生物相容性并且能够在活的有机体内进行生物降解。所有的实验结果表明复合管状纤维支架非常的适合血管移植。

图8 血管移植培养实验结果

3.3.3 骨增生

近年来，三维纤维支架在骨细胞组织工程上的应用被不少研究小组报道出来了，利用静电纺丝技术把聚乳酸微纤维支架和三维结构融合，培养组织细胞2至4个星期来弥补兔颅脑缺陷模型，发现微纤维矩阵很适合细胞浸润和骨增生。一种新型的三维纳米纤维复合支架(聚乳酸复合聚己内酯，PLLA/PCL9∶1)，支架壁厚3mm，直径15mm，有着非常好的机械强度，弹性系数为71.68±5.61MPa,孔隙率为77.61±6.35%。利用干细胞源性胚胎间充质干细胞分化模型和兔胫骨骨缺损模型研究支架对骨增生的作用，发现在支架上能进行体外细胞增殖和诱导细胞进入宿主细胞，在活的有机体内支架的内外都能很好的形成三维骨组织，图9a-d显示了分别在3星期和6星期时骨组织的形成情况，在3星期时，显然细胞渗透和新的类骨组织已经在支架的中心和边缘地区形成，新的细胞外基质充满了整个支架，在6星期时，更厚更成型的骨组织在支架内大量存在了，这些互相连接的新生皮质骨就成为了结构和功能单位。

此外，Schneider等人[13]报道了一种灵活可塑的棉纱状纳米复合材料，这种材料是由聚丙交酯和无定形的磷酸三钙纳米颗粒复合而成(PLGA/TCP,w/w60:40)，是骨组织工程的绝佳材料，这种复合支架是通过一个装着干冰的旋转器实现在低温下的静电纺丝从而制成复合支架，Schneider等用新西兰白兔的颅骨缺陷模型(四个非标准圆形缺陷，直径6mm)研究骨增生，三个缺陷里分别填充PLGA/TCP材料，单独的PLGA材料，多孔矿化骨，第四个不填充，如图11e，f所示，在移植4星期后，利用μCT分析发现，填充PLGA/TCP材料的缺陷中新生骨组织的平均面积分数比单独的PLGA要明显高出不少，而且发现了松质状新生骨组织，而多孔矿化骨则提供坚硬的皮质骨来弥补缺陷。这一结果表明PLGA/TCP复合纳米纤维支架非常适合应用于骨增生组织工程。

图9 骨组织工程纳米纤维的增殖和缺陷弥补

3.3.4 皮肤组织工程

在纳米纤维材料应用到皮肤组织工程时，考虑到皮肤有外 表皮层和内表皮(真皮)的两层性，皮肤组织工程中再生出来的皮肤功能要求也不同，外表皮层不需要太高的自愈能力，而真皮却需要很高的自愈能力，皮肤组织工程不仅仅是治好伤口，更重要的是刺激皮肤的再生。研究发现纳米纤维材料与细胞外基质的结构相似，表面积与体积比很大，力学性能优越，孔隙率大，这使得纳米纤维材料在皮肤组织工程上的应用前景无限，除了天然聚合物(如木聚糖，壳聚糖，明胶，胶原蛋白，丝素蛋白)，一些合成聚合物(如聚羟基丁酸戊酯PHBV，立构的聚(L-丙交酯-共-ε-己内酯)PLLCL，PLGA，PCL)都可以作纳米纤维材料应用于皮肤组织工程，例如，用不同直径的PHBV模型应用于皮肤组织工程，再生皮肤的拉伸模量范围为39.23±8.15到79.21±13.71MPa，是正常的人类皮肤，对模型的直径分析发现，在培养28天后，在模型直径350～1 100nm范围内的再生皮肤成纤维细胞的增殖率明显高于超出此范围的再生细胞，高增殖率使成纤维细胞在支架模型上形成了细胞多层膜。近年木聚糖复合聚乙烯醇的纳米纤维支架被人们发现，这种复合支架的表面很粗糙，适合细胞的附着扩散和增殖，并且因支架的功能群和表面亲水性而强化[14]，图10a显示在这种复合支架上培养15天后，人体包皮成纤维细胞覆盖于支架上。此外，立构的聚(L-丙交酯-共-ε-己内酯)复合胶原蛋白的纳米纤维支架也被用来模拟天然皮肤细胞外基质的纤维结构，作表皮化间充质干细胞，通过细胞增殖实验发现，间充质干细胞在胶原蛋白复合PLLCL支架上增殖明显快过单独的PLLCL支架，图10b显示了在培养15天后，间充质干细胞的增殖情况。

图10 皮肤组织工程实验

4 结 论

静电纺丝技术是目前制备一维纳米材料的研究热点之一，本文总结了近年来静电纺丝技术研究进展与电纺丝纳米材料应用进展，如电纺构建三维纳米纤维结构的手段和在组织工程领域的应用。静电纺丝技术也有着许多挑战，比如电纺的定向纤维垫就有电位上的限制，制约了其在电子，光电，制动器，太阳光电等领域的应用，但不可否认的是，静电纺丝技术有着巨大的发展前景，越来越多的静电纺丝技术将出现在人们的生活中。

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Electrospinning Nanofiber and the Applications in Tissue Engineering

WANG Cui-ping,YE Liu,LI Ai-xia,ZHANG Zi-yun,DAI Peng

(Anhui University,Anhui Hefei 230601)

Compared with other nanofiber fabrication processes,electrospinning is a versatile and superior method to fabricate the production and construction of ordered and more complex nanomaterial assemblies.Besides traditional one-dimensional nanomaterials,electrospinning is powerful in fabrication of two-dimensional (2D) nanobrous structures and three-dimensional (3D) brous macrostructures.Firstly,we introduced the principle and method of electrospinning.And then we summarizes the research progress in the preparation of one-dimensional materials by electrospinning technology.At last the challenges of electrospinning have also been discussed.

electrospinning；3D nanostructures；engineering tissue

2016-06-28

2015年安徽省省级质量工程(2015zdjy025)； 2014年安徽省省级质量工程(2014zy007)； 2015年安徽省高等学校省级质量工程项目(2015jyxm051)；安徽大学《近代物理实验》应用性教学示范课程(J10117870039) ； 2015年安徽大学本科教育质量提升计划项目ZLTS2015054)

1007-2934(2016)06-0022-08

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.006