静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展

基金项目:国家自然科学基金(20904037)、江苏省自然科学基金(BK2009141);

作者简介:李蒙蒙(1988-),男,硕士研究生,主要从事静电纺丝制备纳米材料及其性质等方面的研究;

*通讯联系人,E -mail:dy yang2008@.

静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展

李蒙蒙1,2,朱 瑛1,仰大勇1*,蒋兴宇3,马宏伟1

(1.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,苏州 215125;

2.青岛大学物理科学学院,青岛 266071;

3.国家纳米科学中心,北京 100190)

摘要:静电纺丝是一种简单而高效制备高分子微纳米纤维的技术,由于设备和实验成本低、纤维产率高、制

备出的纤维比表面积比较大、适用性广泛等独特的优势,近些年来备受关注。静电纺丝的应用是静电纺丝研究

的最基本动力和终极目标,因此成为研究者一直努力的方向。为了研究静电纺丝应用的研究现状和主要发展

方向,本文综述了静电纺丝纳米纤维薄膜几个主要的应用领域,包括组织工程、药物缓释、纳米传感器、能源应

用、生物芯片和催化剂负载等,并展望了未来可能的发展方向。

关键词:静电纺丝;纳米纤维薄膜;应用进展

引言

静电纺丝是一种简便易行、可以直接从聚合物及复合材料制备连续纤维的方法,其制备的纳米纤维薄膜通常是以无纺布形式存在的。静电纺丝技术具有一些突出的优点:设备和实验成本较低,纤维产率较高,制备出的纤维比表面积比较大(纤维直径在几十纳米到几个微米的范围内),并且适用于许多不同种类的材料。这些优点使静电纺丝纳米纤维薄膜在许多领域具有广泛的潜在应用

[1~6]。静电纺丝的原理和设备如图1(a)所示[7],高压电源提供高压,正极接在医用注射器的不锈钢针头上,

负极(接地)接在铝箔上。电压一般在5kV 到30kV 之间,针头到收集极间的距离(工作距离)一般在5cm 到20cm 之间。实验时,将纺丝溶液装入注射器内,并加上高压。由于高压电场的作用,在针头处形成/泰勒锥0。溶液在高电压作用下形成射流,并经过多次分裂,同时溶剂快速挥发,在收集板上就得到了微纳米尺度的纤维,如图1(b)&(c)

所示。

图1 (a)静电纺丝的装置示意图及得到的聚合物纳米纤维的(b)数码照片和(c)电镜照片[7]

Fig ure 1 (a)Schematic illustration of electr ospinning set-up;(b)Dig ital camera imag e and (c)SEM image

o f electro spun nanofiber s co llected on an aluminum fo il [7]

近年来,静电纺丝逐渐成为材料科学与纳米科技的研究热点之一,吸引着全世界的科技工作者。纵观近期已发表的相关文献,研究的内容包括以下几个方面:(1)新材料静电纺丝的制备,主要包括生物材

料、有机小分子以及无机材料[8~11];(2)不同微观形貌微纳米结构的制备,例如多孔微球、多孔微管等[12,13];(3)制备有序排列的纳米纤维[14~16]。由于传统静电纺丝得到的纤维是随机排列的无纺布,阻碍了其在某些领域的应用,因此发展了一些制备有序排列的纳米纤维的方法。此外,还有人致力于三维结构的尝试[17];(4)静电纺丝的机理。虽然人们可以用高速照相机等研究手段来直观地研究纺丝现象中纤维的形成[18],但影响纺丝的因素太多,如何提供一个普遍接受的数学模型来定量地分析和解释静电纺丝现象是目前的重大难题之一;(5)实际应用。任何材料制备的最终目的都是实际应用,以解决人类生活生产中的遇到的问题。近年来,静电纺丝研究领域已经从形貌的控制发展到应用开发,科研工作者尝试了各种可能的应用领域,并取得了瞩目的成果。作者认为静电纺丝形成的纳米纤维薄膜比单根静电纺丝纤维更能体现静电纺丝技术的特点和特长,而且纳米纤维薄膜的应用更为广泛,因此本文对于单根静电纺丝纤维的应用不做讨论,主要综述近年来静电纺丝纳米纤维薄膜在各个领域的应用进展。

1应用进展

静电纺丝纳米纤维薄膜(nanofibrous membrane,以下简写为NFM)的应用主要集中在以下几个方面:组织工程、药物缓释、纳米传感器、能源应用、生物芯片基质和催化剂负载。

1.1应用之一:组织工程

组织工程是NFM的一个最重要也是发展最迅速的应用领域,除了很多原创论文发表外,几篇综述文章对这个领域也做了及时的总结[19~23]。N FM的三维多孔结构、高比表面积和微纳米尺寸形貌可以模拟组织工程中的细胞外基质(Ex tra-cellular matrix),用来培养细胞;纺丝薄膜骨架的高比表面积也促进了细胞的粘附和物质运输。近年来,各种天然材料,生物相容和生物可降解的高分子材料(如壳聚糖、胶原蛋白、聚己内酰胺(PCL)等)被电纺形成纤维支架[24~26]。另外,具有一定取向性的NFM也可以诱导细胞定向生长和分化[27]。由于静电纺丝在组织工程中的研究结果众多,作者仅选取了近年来定向NFM在组织工程中应用的两个典型例子加以描述。

Xu等[28]详细研究了有序的poly(l-lactid-co-e-caprolactone)[P(LLA-CL)](75B25)共聚物纳米纤维支架与人体冠状动脉平滑肌细胞(SMCs)之间的相互作用(如图2所示),得到了一些很有意思的结果: SM Cs沿着有序排列的NFM的轴线方向粘附和转移,同时展现出梭型收缩表形(spindle-like contractile phenoty pe);SM Cs中的骨架蛋白的分布和组织平行于纳米纤维的方向;与平面的聚合物薄膜相比, SM Cs在有序纳米纤维支架上的粘附和增殖速度明显提高。这种有序NFM结合了生物可降解高聚物与纳米尺度的双重优点,模拟了天然细胞的微环境,并成功构筑了类似于血管的结构。

图2(a)染色A-肌动蛋白微丝在有序的N F M上培养一天后的激光扫描共聚焦显微照片;

(b)电镜照片显示SM Cs与P(L L A-CL)纳米纤维之间相互吸附[28]

F ig ur e2(a)L SCM(L aser scanning confocal micro sco py)micr og raph of immunostained A-actin filaments in

SM Cs aft er1day o f culture on aligned nanofibr ous scaffold;(b)SEM micr og raph sho wing the cel-l matr ix

adhesion betw een the SM Cs and the alig ned P(L LA-CL)nano fibers[28]

Yang等[29]将有序排列的poly(L-lactic acid)(PLLA)NFM支架应用到神经组织工程上。图3说明,神经干细胞(NSCs)的伸长及其神经突生长的方向平行于有序排列的PLLA纳米纤维的方向(图3