溶液喷射纺丝技术制备的纳米纤维在组织工程中的应用

胡一为，刘铁龙

（1.宁波大学医学院，浙江 宁波；2.宁波市鄞州第二医院，浙江 宁波）

0 引言

广义上，纳米纤维指的是直径在1微米以下的纤维。与普通生物材料支架相比，纳米纤维生物支架具有高比表面积、高孔隙率等优异性能，其相互连接的纤维状网络结构与天然组织的细胞外基质相似，能够促进细胞的黏附，为细胞提供三维空间结构支持并影响细胞的行为[1,2]。近年来，人们开发了一系列功能化的纳米纤维生物支架用于组织工程研究[3]。目前，纳米纤维的制备方法主要包括离心纺丝法[4]、静电纺丝法和溶液喷射法等。其中，静电纺丝法应用最为广泛，其原理是在高压静电场中，将聚合物溶液输送至纺丝针头，在电场力作用下聚合物溶液被拉伸和细化，从而在接收端得到纳米级纤维。为了得到粗细均匀一致的纤维，静电纺丝必须配备一个强电场，且纤维制造效率极低（纺丝速度往往低至1mL/h），这些缺陷限制了静电纺丝技术的推广应用[5,6]。溶液喷射纺丝（Solution blowing spinning，SBS）是另一种新兴的纳米纤维制造工艺。与静电纺丝技术相比，SBS无需电场，用简单的设备即可完成。SBS的纤维制作效率比静电纺丝高10倍，安装成本却比静电纺丝设备低100倍[6]，自从2009年问世以来得到了国内外研究者的广泛关注[7]。本文介绍了溶液喷射纺丝的技术原理和SBS纳米纤维形态的影响因素，并综述了对SBS纳米纤维支架在组织工程中的应用。

1 SBS的原理

SBS是一种纳米纤维制造技术，其原理是将聚合物溶解在易挥发溶剂中，利用环绕在聚合物溶液周围的高速气流，将纺丝溶液进行拉伸，得到沿气流方向固化沉积的超细纤维。SBS系统的核心是压缩气体源和喷嘴。SBS无需搭建电场，操作安全、简便。喷嘴通常设计为同心圆状结构，分内外两个通道，外部通道包绕内部通道。溶液从内部通道射出，高速气流从外部通道进入，包绕在溶液四周以产生拉伸作用[8]。在SBS过程中，聚合物溶液以稳定的速率从喷嘴输出，在周围高速气流的带动下发生轴向拉伸，形成直线射流。随着射流被进一步拉伸细化，溶液的比表面积急剧增加，溶剂迅速挥发，聚合物固化沉积为纤维。形成的纤维在风场的弯曲扰动作用下发生螺旋运动，最后沉积在接收端形成纤维网络[9]。

2 SBS纳米纤维形态的影响因素

基于SBS技术的原理，纺丝溶液的性质和工艺参数的调整决定了SBS纤维的形态。

2.1 纺丝溶液的性质

聚合物溶液射流能否形成纤维取决于高分子聚合物链的缠结作用。足够高的聚合物分子量是保证聚合物链之间产生有效缠结的前提[10]。此外，聚合物链之间的缠结作用随聚合物浓度的提高而增大。Tang等[11]在制备聚丙烯腈纳米纤维的实验中探究了聚合物溶液浓度对纤维形成的影响。他们发现，纯溶剂在高速气流的牵伸作用下形成分散的液滴，随着聚合物浓度的提高，分散的液滴逐渐集中直至形成稳定射流。然而，SBS纳米纤维的直径会随聚合物浓度的提高而增大。Oliveira等人[12]在制备SBS聚乳酸（PDLLA）纳米纤维的过程中，将聚合物浓度从4% w/v提高到8%w/v后，发现相应的平均纤维直径明显增大。另外一项采用SBS技术制备聚环氧乙烷（PEO）纳米纤维的研究中也得到了类似的结果[13]。因此，足够高的聚合物分子量和聚合物浓度是保证成功SBS的前提。在此基础上，提高聚合物的浓度将得到更大直径的SBS纤维。

2.2 工艺参数的调整

SBS工艺参数包括气压和喷嘴直径等。增加气压能提高溶液周围气流的速率，产生直径更加均一的纤维，能够满足精细纺丝的要求[12,14]。然而，过大的气压将降低风场的温度，溶剂挥发受限，导致成型的纤维发生粘连。因此，提高风场温度可以弥补这些不足，在喷嘴和接收端之间安装温度控制箱体是一个可行的策略。Zhuang等学者[15]研究了温度控制箱体对SBS纤维成型的作用，他们发现将温度从37℃提高到45℃后，SBS纤维之间的粘连消失并得到表面光滑且直径均一的纳米纤维。通常，溶液喷射纺丝在室温下进行，虽然温度控制是调控纤维形态的重要手段，但提高了SBS的成本和操作复杂性。因此提高聚合物溶液的温度可能是更为方便的策略[16]。另外，减小喷嘴直径能得到直径更细的SBS纤维。韩万里等人研究了喷嘴直径对纤维形态的影响，结果表明喷嘴内通道的直径越小，外通道的环绕气流直径越大，得到的纤维直径就越细[17]。但是，过细的喷嘴将导致溶液不稳定和针头堵塞的频繁发生。总之，制备理想直径的SBS纤维必须选择合适直径的喷嘴。

3 SBS纳米纤维在组织工程中的应用

相比于静电纺丝，SBS无需考虑聚合物溶液的导电性，不需配备高压电场和保护装置，操作更为灵活、安全。SBS能够将纳米级纤维沉积在各种材料的表面，这极大地扩展了SBS技术的潜在应用范围。种子细胞、生物支架材料和生长因子构成了组织工程的三要素。生物支架材料的主要功能是为细胞提供合适的微环境，促进细胞的黏附、增殖和浸润。SBS技术生产的纤维支架孔隙极为丰富，纳米纤维形成不规则的三维卷曲，有助于细胞的黏附和迁移。

3.1 SBS纳米纤维支架用于骨组织工程

骨髓间充质干细胞（BMSC）能分化为成骨细胞，是骨组织工程最主要的种子细胞。纳米纤维生物支架材料能够为BMSC的黏附和浸润提供合适的环境，并且增强成骨分化[18]。Tutak等[6]利用SBS技术制备了4种不同材料的纳米纤维支架材料，用于培养人骨髓间充质干细胞（hBMSC）。他们采用DNA定量分析明确了hBMSC在各种支架上均增殖良好。在培养了21天后，茜素红染色和酶联免疫吸附测定法（ELISA）测定骨钙素（OCN）的结果显示，SBS纳米纤维支架材料能够促进hBMSC的成骨分化。在另一项研究中发现，hBMSC在SBS纳米纤维支架上的浸润深度达到78.75±18.46 μm，几乎是在静电纺丝纳米纤维支架上浸润深度的两倍（34.75±8.77 μm）[19]。因此，相比于静电纺丝，SBS技术能够生产出具有高孔隙率和细胞渗透率的纳米纤维支架材料，加强hBMSC的迁移和浸润，为骨组织工程支架材料的制备提供了理想的选择。

3.2 SBS纳米纤维支架用于心肌组织工程

传统培养（聚苯乙烯培养瓶）的心肌细胞是完全随机定向的。然而在活体中，心肌细胞在体内相互连接形成肌纤维，心肌细胞的排列也决定了电信号传导的方向。随机排列的心肌细胞不利于细胞间信号传导，将导致细胞表型和功能的丧失。纳米纤维支架材料能通过纤维结构的调控影响心肌细胞的排列取向。研究表明，在SBS纳米纤维支架上培养的心肌细胞会根据纤维的方向排列并维持与活体心脏心肌细胞相似的表型[20]。因此，SBS纳米纤维支架能模仿体内环境培养心肌细胞，对心肌组织工程有重要意义。

3.3 SBS纳米纤维支架用于其他类型的组织工程

除了骨组织和心肌组织工程，SBS纳米纤维支架材料还用于培养其他类型的组织细胞。Behrens等人[14]将SBS制作的PLGA纳米纤维用于人冠状动脉细胞（HCAEC）和鼠成纤维细胞（L929）的培养，证实了支架良好的生物相容性，为动脉组织工程研究的开展提供了理论基础。

4 小结和展望

SBS作为一种新型的纳米纤维制造工艺，具有成本低、效率高、能在任意表面原位沉积纳米纤维等优势，在生物医学领域有着广泛的应用前景。通过改变聚合物溶液的性质、调整气压等工艺参数，人们能方便地制作出预期直径的纳米纤维。虽然SBS纳米纤维支架材料在组织工程领域已经得到了很多令人欣喜的研究成果，但是相对于技术成熟的静电纺丝技术，其基础理论还未完善，进一步的临床转化和应用研究也尚需进行。随着医工交叉观念的普及和生物材料领域的发展，相信SBS技术将在组织工程支架搭建、器官表面止血、抗感染性伤口敷料等方面展现出强大的发展潜力。