电纺温敏纳米纤维及其生物医学应用研究进展

穆齐锋，高鲁，储智勇，沈红豆，邓玲利，张青松，陈莉



电纺温敏纳米纤维及其生物医学应用研究进展

穆齐锋1，高鲁2，储智勇2，沈红豆2，邓玲利2，张青松1，陈莉1

（1天津工业大学材料科学与工程学院，分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387；2天津工业大学纺织学院，天津 300387）

近年来，随着纳米技术的发展，刺激响应性纳米纤维在药物控释、生物支架等生物医学方面的应用受到广泛关注。本文针对静电纺温敏纳米纤维（electrospun thermo-responsive nanofibers，ETRN）的制备方法和生物医学应用，对静电纺丝领域常用的温敏性高分子进行详细分类，选取具有代表性的聚-异丙基丙烯酰胺和聚-乙烯基己内酰胺，详细综述了基于静电纺丝技术制备温敏纳米纤维的化学改性及物理共混方法，对比以上两种方法的优缺点，并探讨温敏纳米纤维在药物控释、伤口敷料、生物触发器及细胞支架等领域的具体应用，点明静电纺温敏纳米纤维在发展过程中存在的问题，提出进一步提高其性能的解决方案，对其在智能催化、温控过滤等领域的应用前景进行展望。

静电纺丝；温敏；药物控释；组织支架

近年来，智能材料因其独特的功能性和巨大的应用前景而受到科学界广泛关注[1-3]，刺激响应性聚合物属智能材料的一种，具有双亲链段结构，在外界刺激诱导下会发生结构、形状、性能的改变，而产生特异性响应[4]。外界刺激因素通常包括温度、pH、光、离子浓度、磁场、电场及生物分子等。目前，刺激响应性聚合物已在纳米反应器、药物载体、微流控装置、生物传感器、组织工程、活性酶固定等方面得到广泛应用[5-8]。

本文主要以-异丙基丙烯酰胺（-isopropylacrylamide，NIPAm）、-乙烯基己内酰胺（-vinylcaprolactam，VCL）和羟丁基壳聚糖（hydroxybutyl chitosan，BCS）等为代表的温度响应性聚合物（thermo-responsive polymers，TRP）为例，介绍其通过静电纺丝制备的纳米纤维及其复合材料在生物医学应用中的研究进展。

1 静电纺丝技术及研究背景

作为制备一维纳米纤维材料的新技术，静电纺丝技术一词最早起源于“electrospinning technology”，一般简称“电纺”或“静电纺” 等[9]。美国人FORMHALS于1934年发明一种利用高压静电斥力制备乙酸纤维素纤维的装置并申请了专利，这被公认为静电纺丝技术制备纳米纤维的先河[10]。随后，静电纺丝技术由于生产效率低等问题一直发展缓慢，到20世纪90年代纳米科学逐渐成为热点，在麻省理工的RUTLEDGE和美国阿克隆大学的RENEKER研究小组的努力下，对静电纺丝工艺和应用展开了深入研究[11-13]。特别是近些年由于纳米技术的发展，静电纺丝技术也得到迅速发展。

静电纺丝是一种简便通用、可以从聚合物及其复合材料中制备连续微纳米纤维的方法，其制备的纳米纤维膜通常以无纺布的形式存在。静电纺丝主要是借助高压静电使聚合物熔体或溶液带电并产生变形，在针头（或毛细管口）末端形成悬垂的锥状液滴，当增加电压导致液滴表面的静电斥力高于其表面张力时，液滴表面会喷射出聚合物射流，这些射流在空气中飞行过程中经静电场力高速牵伸、溶剂快速挥发、固化成纤，最终以螺旋盘绕的方式堆积在接收板上，形成聚合物纤维材料[14-16]。静电纺丝技术成本低廉，可制备连续长尺寸的有机、无机、有机/有机、有机/无机复合的实心、空心或核-壳结构的纳米纤维[17]。通过不同的制备方法，如控制工艺条件、改变喷头的内部结构以及采用不同的接收装置，可制备不同结构及不同取向的纤维膜或纤 维束[18]。

2 温度敏感性高分子

以聚-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）为代表的温敏性高分子，其结构中含有一定比例的亲水基团和疏水基团[19]，环境温度变化可影响这些基团的亲疏水程度及分子链间的氢键作用，导致聚合物分子构象发生变化。PNIPAm分子在水溶液中具有低临界溶解温度（LCST），当外界温度高于LCST时，PNIPAm分子会发生random coil 到condensed globule的转变[20]，此时分子表现出强烈的疏水性，絮凝成胶束并从水溶液中析出，当温度低于LCST时，PNIPAm分子中亲水基团占主导作用，分子发生从condensed globule到random coil的可逆相转变[21]，分子链伸展并溶解在水溶液中。图1是PNIPAm分子结构及发生相转变的示意图。这类聚合物的温度刺激响应性已被广泛应用于许多方面，如智能过滤膜[22]、刺激响应性凝胶[23-25]、细胞支架[26-27]等。

图1 PNIPAm分子结构及相转变示意图

目前，通过静电纺丝制备温敏纳米纤维的原料可分为天然聚合物材料、合成聚合物材料及其复合材料。天然材料包括明胶（gelatin，Gel）[28]、丝胶（silk sericin，SS）[29]、胶原蛋白（collagen，Col）[30]、纤维蛋白（fibrous protein，FP）[31]等，且这些天然材料多以填料的形式和其他温敏性高分子进行杂化，并制备成温敏复合纳米纤维材料；合成高分子原料主要是-异丙基丙烯酰胺（-isopropylacrylamide，NIPAm）[32]、-乙烯基己内酰胺（-vinylcaprolactam，VCL）[33-35]、羟丁基壳聚糖（hydroxybutyl chitosan，HBCS）[36]、羟丙基纤维素（hydroxypropyl cellulose，HPC）[37]等，这些温敏性单体通过自聚或共聚的方式制备出高分子纺丝溶液，再由静电纺丝获得温敏性纳米纤维材料，也有研究者通过表面接枝改性等后处理的方式制备温敏性纳米纤维材料。

天然材料含有利于细胞黏附、迁移和增殖的生物功能基团，但降解速率不易控制、结构复杂和组成多样[38]，且通过杂化、复合、交联等处理的结构稳定性和力学性能的增加有限；而合成材料的分子量和分子量分布易于控制，且能够通过化学合成和后处理工艺控制材料的温敏、力学、光学、热学及生物降解性能，但其生物相容性远逊于天然材料[39]。因此，目前生物医用领域的电纺温敏纳米纤维的原料多为合成材料和天然材料组成的复合材料。表1列举了近些年研究较多的温敏性聚合物单体和其他复合功能单体。

表1 温敏单体和其他功能单体的复合材料在生物医学方面的应用

3 ETRN的制备方法

静电纺丝是制备微纳米纤维材料的通用方法，可制备出直径在几纳米到几微米的纤维材料[40]。由于单一高分子纳米纤维的功能比较单一，无法满足生物材料在生物相容性、可降解性和多功能性等方面的要求[41]。因而，通过表面接枝、共聚等化学改性法及物理共混杂化法制备复合型温敏纳米纤维成为目前研究的热点。

3.1 化学改性法

化学改性是使材料多功能化的有效手段，目前，化学改性的主要方法包括原位化学接枝、自由基共聚等。通过化学改性可提高纺丝液的可纺性，增强纳米纤维材料的生物相容性及降解性。作为一种重要的改性方法，近年来研究者们对基于电纺温敏聚合物的化学改性法进行了深入研究。

OH等[42]以,-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，配制质量分数为3%的聚苯乙烯（PS）纺丝液，通过静电纺丝制备PS纳米纤维毡，然后通过自由基聚合在PS纳米纤维上接枝PNIPAm分子链，制得温敏纳米纤维支架。

图2为接枝和未接枝的PS纤维及细胞培养板表面的原子力显微镜测试图，接枝处理后纤维表面的粗糙度提高，PNIPAm接枝的PS纳米纤维支架能为细胞提供类细胞外基质（ECM）的生长环境，人的成纤细胞接种到纤维表面并在37℃下孵化培养，细胞可以在其表面黏附并增殖扩散，置于20℃下5h后细胞变圆并自动从表面脱附，改性后的纤维支架依靠表面接枝的PNIPAm分子链的亲疏水性随温度变化，而实现细胞在不受损伤的情况下自然吸附、脱附，但也存在脱附所需时间太长、易造成细胞感染死亡的缺陷。2014年，CHEN等[43]利用自由基聚合实现NIPAm和-羟甲基丙烯酰胺（NMA）的共聚，制得P(NIPAm--NMA)共聚物并在共聚物中混入对一氧化氮（NO）响应的1,2-二氨基蒽醌（DAO），然后通过静电纺丝把共混溶液制备成纳米纤维膜，研究发现纤维膜在25～50℃不同温度的水中尺寸具有明显的变化，同时可通过膜的颜色变化检测水中NO的浓度，从而为进一步将其作为环境传感器提供了借鉴意义。由于静电纺纤维膜具有高的比表面积，因此该电纺纤维膜具有比刮涂膜更快的环境响应速率。

OKUZAKI等[44]通过自由基聚合法合成NIPAm和丙烯酸十八烷（stearyl acrylate，SA）的共聚物，以甲醇（methanol）为溶剂配制质量分数为25%的纺丝液，通过静电纺丝的方法制得温敏纳米纤维膜，如图3所示。所得纳米纤维直径分布在50～500nm，干态下的平均直径为207nm，纤维膜在25℃水中浸泡会发生一定的体积收缩，同时疏水性单体SA的引入使PNIPAm的LCST由32℃降低到23℃。此纤维膜具有较好的耐溶剂性和快速温度响应性，在水下纳米传感器领域具有广阔的应用前景。YU等[33]用交联剂′,′-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）接枝到PVCL上，再把接枝改性的聚合物溶解到DMF中配置成不同浓度的纺丝液，通过高压静电纺丝设备制备出不同形貌和润湿性的纤维膜，将抗癌药物艾洛替尼（Erlotinib）混入纺丝液中，制备载药纳米纤维毡，并测试不同温度下药物的释放速率。此项研究实现了对药物的可控释放，在生物医学方面具有巨大的应用前景。来自美国康奈尔大学的GONZALEZ研究小组[34]通过自由基溶液聚合制备VCL和NMA共聚物，再由静电纺丝和加热处理的方法首次制备具有温敏性 的化学凝胶纳米纤维。研究发现，共聚物Poly(VCL--NMA)在水溶液中体积分数为55%、电压为13kV、纺丝液流速为2.5μL/min、接收距离为23cm时，可以制得无串珠、直径均匀的纳米纤维毡。经热处理交联后的纳米纤维既具有温敏性又具有控制染料释放的性能。

图2 三维敲击模式下的原子力（AFM）图[42]

图3 温敏纳米纤维膜

3.2 物理共混杂化法

物理共混杂化的方法可以综合两种材料的优点，制备出性能优良的复合材料，具有简单、高效、易规模化生产的特点。

GU等[45]通过一种简单、通用的方法将PNIPAm和聚L-丙交酯[Poly(L-lactide)，PLLA]共混杂化，以DMF为溶剂配制纺丝液，采用静电纺丝的方法制备温敏性的PNIPAm/PLLA共混纳米纤维膜。该纤维膜具有可调的表面形貌和较好的生物相容性，研究表明电纺丝加工过程和PLLA 分子的引入并没有改变PNIPAm的温敏性。如图4所示，当环境温度由20℃升到50℃的过程，湿态的PNIPAm/PLLA 共混纳米纤维膜表面实现了由超亲水向超疏水转变。LIN等[46]在DMF溶剂中溶解PNIPAm和聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（PAMPS）两种聚合物，室温下搅拌3h配制成均匀混合的纺丝液，通过在PNIPAm/ PAMPS混合纺丝液中添加硝苯地平（nifedipine，NDE）作为药物模型，采用静电纺丝制得负载药物的PNIPAm/PAMPS温敏纳米纤维。在pH=7.4的磷酸盐缓冲液（PBS）中做体外药物释放实验，研究表明通过调节温度可改变药物与PNIPAm/PAMPS之间氢键作用达到药物智能释放的目的。WANG 等[47]把PNIPAm、多面低聚倍半硅氧烷(POSS)和2-乙基-4-甲基咪唑（EMI）共混，溶解在DMF/四氢呋喃（THF）（1∶1，体积比）混合溶剂中配制纺丝液并进行静电纺丝，再把纺出的纤维置于160℃真空环境下加热4h，在EMI的催化下POSS和PNIPAm发生交联反应，形成交联的纳米凝胶纤维，如图5所示。该纳米凝胶纤维不仅对温度刺激具有快速的溶胀/消溶胀响应性，在进行50次水合反应/消水合反应循环后仍保持完好的纤维形貌，快速的温度响应性和良好的耐溶剂性使其在纳米制动器和传感器等领域具有广阔的应用前景。

SHI等[48]采用DMF/氯仿（chloroform）混合溶剂将牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）和马来酰亚胺封端的PNIPAm的结合物（PNIPAm-M）、PNIPAm及聚己内酯（polycaprolactone，PCL）进行物理共混杂化，然后通过单轴静电纺丝法将共混的纺丝液纺制成纳米纤维，再经过紫外光照射发生点击反应产生交联，并制得纳米纤维支架，如图6所示。制备的纳米纤维支架可抵抗血液侵蚀，促进直接捕捉和隔离未黏附的红细胞（red blood cells，RBCs），还可抑制血小板的黏附。在保持细胞完整性和功能的同时实现捕获并释放红细胞，可更有效地用于分子分析及疾病诊断。CHEN等[49]通过把PNIPAm和PCL两种聚合物在DMF/氯仿混合溶剂中进行物理共混，室温下搅拌2h，再利用单针头静电纺丝技术成功制备了PNIPAm（壳）/PCL（核）核壳温敏纳米纤维。在相同纺丝工艺条件下，PNIPAm和PCL的添加质量比例不同，核壳纳米纤维的形貌会产生较大差异。不同温度下水接触角实验表明，PNIPAm/PCL纳米纤维在20℃时呈亲水性而在40℃时呈疏水性。

图4 PNIPAM/PLLA纤维膜[45]

图5 PNIPAm/OpePOSS/EMTI纳米纤维[47]

(a)和(a′) PNIPAm/OpePOSS/EMI纳米纤维在160℃下热处理4h前后对比；(b)和(b′) 无EMI的PNIPAm/OpePOSS纳米纤维在160℃下热处理4h前后对比；(c)和(c′) 无EMI的PNIPAm/OpePOSS纳米纤维在180℃下热处理4h前后对比；(a′′)～(c′′) 分别为热处理之后纳米纤维的SEM图；(d)和(d′) 热处理之后的PNIPAm/OpePOSS/EMI 纳米纤维分别置于20℃和40℃的水中；(e)和(e′) 无EMI的PNIPAm/OpePOSS纳米纤维在160℃下热处理4h之后分别浸没在20℃和40℃的水中

温敏纳米纤维膜较差的生物相容性和力学性能一直是困扰其应用的难题。为解决上述难题，本文作者课题组通过物理共混的方式在PNIPAm纺丝液中引入生物交联剂京尼平（genipin，GNP）[50]和天然蛋白分子丝胶（silk sericin，SS）[51]，利用单针头静电纺丝技术制备了PNIPAm/SS/GNP交联纳米凝胶纤维膜。同时对纺丝工艺参数、交联机理及纳米凝胶纤维膜的力学性能进行研究。研究发现共混PNIPAm/SS/GNP纺丝液的最佳纺丝工艺参数为：纺丝电压15.0kV，进液速率0.5mL/h，接收距离15cm，制备的纳米纤维具有扁平状外形，平均直径为600nm。由于丝胶分子中富含电子的—NH2对京尼平分子中的烯碳原子进行亲核攻击，使六元环开环并形成新的醛基，新形成的二级胺可与醛基形成新的共价键，从而产生交联结构[52]，制得内部具有半互穿交联网络结构的温敏纳米纤维，其反应机理如图7所示。

实验发现此纳米纤维膜在40℃(＞LCST)水浴中具有优异力学性能，如图8所示，SS/Genipin/PNIPAm纤维膜在热水中收缩后的长度为20mm，在热水中拉伸至45mm后断裂。3种纤维膜在热水中均具有良好的韧性，PNIPAm纤维膜的弹性最好，可拉伸至其原长的5倍而不断裂。此项研究对进一步开发PNIPAm基纳米纤维膜的应用具有重大意义。

图6 基于PCL/PNIPAm核壳纳米纤维的性能及对RBC细胞的捕获和释放 [48]

图7 丝胶和京尼平发生反应的交联机理图[52]

4 ETRN在生物医学领域的应用

4.1 药物释放

将温敏性高分子基复合纳米纤维材料中填充治疗药物，改变外界环境温度，可以控制纳米纤维中药物的时序性、差异性释放，实现对身体进行局部有效治疗[53-56]。

LIN等[46]利用单针头静电纺丝技术把温敏性的PNIPAm和聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（PAMPS）及药物模型硝苯地平（NIF）进行共混纺丝，通过调节温度来控制药物和PNIPAm分子之间的氢键作用，实现药物释放速率随温度变化而变化，达到了控制药物释放的目的。图9是NIF在不同温度下的释放量随时间的变化图，随着纤维溶胀时间的延长，药物的释放量会缓慢增加，25℃时由于纤维的部分溶解，药物的释放速率和总量都比其他温度下的测试值大，载药纳米纤维仍然具有温度敏感性，药物释放量可通过改变温度进行有效控制。ZHANG 等[57]首先以可降解聚合物聚乳酸（PLA）为基底材料，通过静电纺丝技术制得负载抗肿瘤药物康普瑞丁（combretastatin A4，CA4）的纳米纤维，再经紫外光照射在PLA纳米纤维表面引发NIPAm分子聚合，制备具有核-壳结构的载药温敏纳米纤维。体外药物释放实验表明，25℃时PLA纤维表面的PNIPAm表现出亲水性，PNIPAm分子在结合周围水分子的同时，使50%～60%的药物包裹在PLA纤维中，当温度升高到40℃时，PLA纤维表面PNIPAm疏水作用增强，其分子链变成收缩、卷曲状态，此时溶液携带药物从PLA纤维中释放出来，最终只残留下30%的药物。HU等[58]通过静电纺丝技术把PNIPAm、乙基纤维素（EC）和药物模型酮洛芬（KET）共混纺丝，体外药物释放实验表明，两种共混聚合物具有协同效应，使温敏纤维体系可以保持持续释放药物的特性，25℃的水环境下PNIPAm呈亲水性，同时EC呈疏水性，纤维上负载的药物被快速释放出来，此时药物速率及药物最大释放量比37℃时高，这主要是由于PNIPAm分子的温敏性造成的。HUANG等[59]先通过氧化还原反应制备温敏性且可热交联的聚(-异丙基丙烯酰胺---羟甲基丙烯酰胺)（PNN）共聚物，再把PNN和负载盐酸多西环素（doxycycline hyclate，DH）的壳聚糖基纳米颗粒共混进行静电纺丝，制得温度和pH双重敏感性的载药纤维膜。图10是在不同温度和pH的水溶液中纳米纤维膜PNN/CS（95/5）对DH的释放率与时间关系图，体外药物释放实验表明，温度为25℃时，酸性条件（pH=2）比中性条件（pH=7）更利于药物的释放，pH=7时50℃比25℃更有利于药物释放。KIM[60]通过静电纺NIPAm和HMAAm的共聚物，再通过热处理使HMAAm分子链上的羟基交联固化来制备温敏性载药纳米纤维支架，以异硫氰酸荧光素（FITC）-葡聚糖作为示踪标记药物，8次加热-冷却循环后标记药物完全被释放出来。这种高比表面积、多孔性的纤维膜材料由于其智能性可有望用于药物封装和释放的载体。

图8 40℃温水中PNIPAm、SS/PNIPAm和SS/Genipin/PNI PAm温敏纤维膜的拉伸外观图

(a)、(b) 拉伸前后的PNIPAm；(c)、(d) 拉伸前后的SS/PNIPAm； (e)、(f) 拉伸前后的SS/Genipin/PNIPAm）

图9 不同温度下纤维中的硝苯地平在PBS溶液中的释放量及释放曲线[46]

图10 PNN/CS(95/5)纳米纤维膜在不同温度和pH缓冲液中对盐酸多西环素的释放率随时间变化图[59]

4.2 3D细胞支架

一定厚度的电纺纤维毡具有内部贯通的孔隙结构和微纳米尺度的纤维状物[61]。从仿生学的角度，其可以模拟细胞外基质微环境的物理结构[62]，如果在其基础上进行表面改性可进一步模拟微环境的化学信号，为细胞的增殖、扩散及组织的生长提供一个可靠的载体[63-66]。

KIM等[67]将2-羧基异丙基丙烯酰胺（CIPAAm）和紫外光交联剂4-氨基二苯甲酮（4-amine benzophenone，BP）共聚，生成的产物与NIPAm分子共聚，再将最终生成的共聚物溶解在六氟异丙醇溶液（1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol，HFIP）中，配制成110g/L的纺丝液，在15kV的电压下进行静电纺丝，将制备的纤维膜支架材料置于紫外光下照射30min后发生交联反应，纤维之间形成搭接的网络结构。如图11，将人的皮肤成纤细胞在37℃时接种到纤维网表面后，当外界温度降到4℃时纤维网发生折叠逐渐变成透明的凝胶状，同时细胞被封装、黏附在纤维网内部，再次升温到37℃时，材料过渡到疏水状态，其体积发生收缩并把包裹在其内部的细胞释放出来。该研究通过改变外部环境刺激可实现细胞的封装和释放，为实现各种生物活性物的封装和释放提供了新思路。

4.3 触发器

温度响应性聚合物PNIPAm因其具备温度依赖的相转变行为，也被广泛地应用于温度响应性的触发器。通过静电纺丝制备的交联PNIPAm无纺布，具有纤维搭接的多孔结构，促进溶剂的快速扩散及和材料相互作用，使PNIPAm基触发器具有快速的响应速度。

JIANG等[68]报道了一种基于交联温敏性PNIPAm和热塑性聚氨酯（polyurethane，PU）的超快温度响应性触发器，该研究小组通过静电纺丝成功制备了以交联PNIPAm纤维膜为主动层，以PU纳米纤维膜为被动层的双层多孔纳米纤维膜触发器，如图12。此纳米纤维膜作温度响应性触发器具备以下几点优势：①触发器的响应速率（＜1s）比其他相同尺度的触发器响应速率都快；②形成的3D结构能够在不损失外形和尺寸的情况下进行多次开-关循环；③和文献报道的PNIPAm基双层膜不同，此纤维膜在室温下不会卷曲，当升高温度才会发生折叠；④具有各向异性的触发行为。同时，该温敏性触发器也存在以下不足：①制备流程复杂；②静电纺过程中接收的纤维是随机分布的，因此纤维具有各向同性的特点，导致触发响应的方向只能朝单一的方向，无法实现触发方向的控制。LIU等[69]用高速旋转的飞盘作接收装置，获得了高度取向的含光交联剂4-丙烯酰二苯甲酮（ABP）的PU纳米纤维膜以及聚(-异丙基丙烯酰胺--4-丙烯酰氧基二苯甲酮)[Poly(NIPAm--ABP)]纳米纤维膜，通过静电纺丝把两层纤维膜进行复合，在经紫外光辐照交联，制得卷曲方向可调、超快、可回复的温度触发器。在此研究基础上，LIU等[70]又通过静电纺丝的方法制备了双重单组分温度响应性触发器，该触发器具有双层交联聚合物纤维结构，底层是无序的电纺Poly(NIPAm--ABP)纳米纤维，上层是取向的电纺Poly(NIPAm--ABP)纳米纤维。两层具有不同溶胀/收缩比的聚合物纤维膜，在沿膜厚度（垂直于界面）方向上具有溶胀/收缩的梯度，产生温度响应的不可逆的触发行为，该梯度厚度可通过纺丝时间调节。此研究为通过外部刺激构建可回复的3D结构，并用作组织工程支架及多细胞培养提供了参考 价值。

图11 使用光交联的BP2纳米纤维网包裹、封装并释放细胞的过程[67]

(a) 在37℃时细胞液滴被包裹；(b) 在4℃下纤维网转变成凝胶状，同时细胞被封装到网内部；(c) 再次加热到37℃，胶状物快速收缩并释放细胞；(d) 从4℃到37℃反复加热/冷却过程，细胞释放的百分比，进行3个加热/冷却循环；(e) 从纤维网中释放出来的细胞存活状态的验证（绿色为活细胞，红色为死细胞，标尺200μm）；(f) MTT测试表明细胞在经历3次封装和释放循环后的增殖能力（白色柱为在TCPS板上培养的细胞黑色柱为从纤维网中释放的细胞）； (g) 荧光图表明经过3次循环后释放的细胞的活性，细胞在37℃下培养3天并用罗丹明(红色)和DAPI(蓝色)分别对细胞染色，标尺100μm [(f)中细胞增殖率=N/N=1，N是第天的细胞数目N=1是第1天的细胞数目]

图12 弯曲的双层聚合物膜[68]

(a)～(c) 双层膜在不同条件下的形状；(d)～(f) 在不同条件下对双层膜实验观察的光学图片（样品TPU40-NIPAM15）；(g)，(h) 接触40℃水之后，弯曲的双层膜的微观结构（样品TPU40-NIPAM70） [标尺：(d)～(f)1000μm；(g)100μm；(h)10μm]

5 结语

由于温敏性高分子的独特性质，在刺激响应性高分子中，对温敏高分子的研究一直是被关注的焦点领域。温敏材料的制备和静电纺丝技术的结合使温敏纳米复合纤维材料表现出比表面积大、孔隙率高、响应速度快等优势，在药物控释、组织支架和触发器中取得了不错的应用效果。但目前还存在纤维膜力学性能较差的问题，针对这一问题，未来可以从使用支撑层及物理、化学改性两个方面解决，其一使用强度较高的织物或无纺布作为支撑层；其二使用物理或化学改性法，增强单根纤维的强度或增加纤维界面之间的化学交联，以提高纤维膜的力学性能。目前，使用纳米黏土、碳纳米管或石墨烯等纳米粒子增强温敏纳米纤维的研究还较少，今后可能成为该领域研究的热点。此外温敏纤维的降解性能及生物相容性还不够理想，也阻碍电纺温敏纳米纤维在生物医学领域的广泛应用，为解决此问题，认为需要对以下几个方面作进一步探索。

（1）对高分子的性质及相互作用机理进行研究，如考虑选用可降解性的合成高分子进行共混电纺丝，提高复合纤维膜的生物可降解性能。

（2）除了采用化学改性和物理共混法之外，还可寻找其他更有效的复合方法获得温敏性复合纤维材料。

（3）电纺温敏纳米纤维的应用范围还需要进一步拓展，目前在生物医学领域的应用已成研究热点，但在智能催化、温控过滤等领域还有待研究。

（4）无机物非金属材料或纳米金属颗粒作为温敏复合纤维组分的研究尚有很大的潜力，更多无机非金属材料及纳米金属颗粒可尝试应用于温敏复合纳米纤维。此外，还需要不断研究开发和使用新的温敏性材料。

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Electrospun thermo-responsive nanofibers for biomedical applications

MU Qifeng1，GAO Lu2，CHU Zhiyong2，SHEN Hongdou2，DENG Lingli2，ZHANG Qingsong1，CHEN Li1

（1State Key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Processes，School of Materials Science and Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

The stimuli-responsive nanofibers have recently attracted much attention due to their potential biomedical applications，such as for drug controlled release and biological scaffolds. In this paper，the preparation methods and biomedical applications of electrospun thermo-responsive nanofibers were studied; thermo-responsive polymers commonly used in the field of electrospinning were classified in detail; the representative poly(-isopropylacrylamide) and poly(-vinylcaprolactam) were selected; the chemical modification and physical blending of thermo-responsive nanofibers based on electrospinning were reviewed，and then the above two methods were compared. The applications of thermo-responsive nanofibers in drug controlled release，wound dressing，biological trigger and cell scaffold，were discussed. The problems of the thermo-responsive nanofibers in development process were presented，and the solutions to further improve its performances were proposed; and its applications in intelligent catalysis，temperature-controlled filter were prospected.

electrospinning；thermo-responsive；drug controlled release；tissue scaffold

TQ342.8

A

1000–6613（2017）12–4475–11

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0431

2017-03-16；

2017-04-05。

穆齐锋（1990—），男，硕士研究生，研究方向为智能材料。

张青松，副教授，硕士生导师。E-mail：zqs8011@163.com。