静电纺丝进展 Mar|2016 Spot your avorite Contents(季刊Vol.15) Progress in Electrospinning Seasonal Newsletter Provided by Ucalery Co 永康乐业ww.ucalery.com
静电纺丝进展 录 Progress in Electrospinning 新方法:制备核壳结构纳米纤维 生物医用静电纺温敏纳米纤维 05 3 生物可降解材料在静电纺丝中的应用 UCALERY-文献推荐 80 2016年3月第1期(总第15期 季刊2012年创刊 主办单位:北京永康乐业科技发展有限公司 学术委员会成员(姓氏拼音首字母升序) 常江陈学思陈义旺冯增国郭宝华何吉欢黄争鸣金昌显 李从举李广涛刘天西刘延波龙云泽莫秀梅潘伟 任木。 邵长路王策危岩杨卫民袁晓燕赵勇朱美芳°朱静 编辑部成员 名誉主编:胡平总编:宏旭主编:戚妙副主编:芦雪 电子邮箱: journal@ucalery com 米二米 米 米 版权声明:本刊所登载的文字和图片版权归主办单位(北京 永康乐业科技发展有限公司)所有,未经书面许可不得转载。 本刊保留一切法律追究的权利
RGB(237,235,222) 静电纺丝进展 Progress in Electrospinning 版权声明：本刊所登载的文字和图片版权归主办单位（北京 永康乐业科技发展有限公司）所有，未经书面许可不得转载。 本刊保留一切法律追究的权利。 2016 年 3 月第 1 期（总第 15 期） 季 刊 2012 年创刊 主办单位：北京永康乐业科技发展有限公司 学术委员会成员（姓氏拼音首字母升序） 常 江 陈学思 陈义旺 冯增国 郭宝华 何吉欢 黄争鸣 金昌显 李从举 李广涛 刘天西 刘延波 龙云泽 莫秀梅 潘 伟 任 杰 邵长路 王 策 危 岩 杨卫民 袁晓燕 赵 勇 朱美芳 朱 静 编辑部成员 名誉主编：胡 平 总编：齐宏旭 主编：戚 妙 副主编：芦 雪 电子邮箱：journal@ucalery.com 新方法：制备核壳结构纳米纤维 生物医用静电纺温敏纳米纤维 UCALERY-文献推荐 生物可降解材料在静电纺丝中的应用 目 录 1 4 3 2 30 01 24 05
北京永康乐业科技发展有限公司荣誉出品 MedSpun系列 A Family of Spinner&Sprayer 国内首款针对医用材料的超细纤维 Fibers or Particles Producer in Nano-to. Micro Scale 生产设备,具有生产连续化,工艺 订制灵活等特点,已服务于上海微 创、广州弘健,四川迪康、烟台隽 秀等多家单位 Eite精英系列 针对追求完美的用户精心设计,凝聚12项 创新科技,历经50多次功能改进,新增昱 微摄录系统、30细胞培养板制备系统等高 端配置,将成为您实验室中的明星级研发 SS通用系列 平台,极具展示性 超高性价比,满足静电紡丝常规实验操作, 兼具组织工程支架、取向纤维、核壳纤维、 复合微球制备等更多丰富功能,五个型号总 有一款适合您 :;#□ 纳米静电纺丝设备 10年清华技术积累,卓越品质保障 全系列设备满足您从科研到产业化的全面需求 Handy轻便系列 灵活且实用,可以与已有高压电源或注射泵联 用,更能充分利用实验室的有限空间。出大成 数秒之内, 果不拘小节 全系列机型将带给您惊叹的自动化控制及前所未有的便捷 详情请关注公司网姑www.biomattechcom 创造纳米微观世界 设备、材料、服务一体化 客户案例 ——专注静电纺丝领域! 清华大学“千人计划”危岩老师课题组 清华大学化工系郭宝华老师课题组 角出 技术输 清华大学 西北工业大学理学院陈立新老师课题组 : 全套工艺输出 北京大学口腔医院魏世成老师课题组 西北工业大学生物系尹大川老师课题组 周边设备配套 北京市科学技术研究院心苗老师研究组西北衣林大学理学院王进义老师课题组 中国地质大学(北京)材料系实验室 原科采购来源选择 中科院过程所“干人计划”杨传芳老师课题组西安交大电子系特聘教授汪宏老师课题组 产业化进展 生产场地和人员规划 北京师范大学 北京理工大学材料系张爱英老师课题组 北京理工大学环境能源系穆道斌老师课题组 中国科学技术大学材料系余彦老师课题组 外包协作 中国科学技术大学功能获徐铜文老师课题组 学术委员会 代工代生产 ·学术报告 东华大学纺织学院高晶老师课题组 ·投稿指南 大学 分子科学系刘天西老师课题组 中瑞中心路秀珍老师课题组苏州大学材料系路建美老师课题组 上海交通大学药学院金拓老师课题组 州大学钟胜奎老师课题组 中科院苏州纳米所陈韦老师课题组 南京理工大学 :② 展览参观 南京师范大学 ·参展化学及高分子会议 南京工业大学 参展北京科博会 四川大学化工系王玉忠老师课题组 场州大学 技术可行性与风险评估 承办北京生物物医学工程学会分会 华西医科大学医学院林云峰老师课题组 重庆大学化学化工系陈四国老师课题组 上海微创医疗器械《集团)有限公司 上海洁晟环保科技有限公司 行业资讯 交流与考察 武汉理工大学材料系麦立强老师课题组 武汉华威公司 行业书籍文献 企业靄求对接 华中科技大学光电国家实验室沈国震老师课题组 广州市弘健生物医用制品科技有限公司 纳米纤维市场变化 华中科技大学“千人计划”郭新老师课题组 北京瑞芝莱公司 产品产业化阶段 国内外企业/院校考察 烟台隽秀
前 新方法:制备核壳结构纳米纤维 rontier polyme 近日,北京化工大学马贵平教授组对于核壳结构纳米纤维制备寻找到了一种 新的方法,他们通过在高压电场下电场力对聚合物拉伸形成纤维的静电纺丝技术 联想到天然聚电解质,在高压电场下将做微观运动。经过实验设计,他们改变传 统的高压电施加方式,将电极插入纺丝溶液当中采用内置电极),最终成功制备 出聚氧化乙烯透明质酸( PEO/HA)核壳结构纳米纤维。 科研人员将内置正电极插入HA和PEO的均匀混合纺丝溶液中,进行静电 纺丝。在静电纺丝过程中,溶液既要进行纺丝的拉伸,还要进行内置电极电场的 诱导和迁移。在内置正电极电场诱导作用下带有负电荷的HA向溶液内部富集形 成核层,电场诱导作用使得溶液经过 Tailor锥后分相形成,从而有利于形成核壳 结构。根据研究结果最终提出了内置电极电场诱导形成核壳纳米纤维的分相机制 和原理,同时通过正负电极的改变,以及改变聚电解质溶液的种类,可以设计出 更多不同功能的核壳结构纳米纤维。 据了解,马贵平教授组的这项研究成果已经成功在( Polymer,2016,8312-19) 杂志发表,相关一系列研究也正在进行。目前内置电场诱导天然聚电解质在纺丝 过程中微相分离来制备核壳结构纳米纤维还鲜有报道,成型机制与原理及相关的 实验模拟仍然在硏究。但是从实验结果来看,这的确是一种新颖的多功能核壳结 构纳米纤维的制备方法,它为我们以后制备核壳结构纳米纤维提供了新的思路。 同样,在2015年武汉理工大学麦立强教授课题组在《 Nature Communications》 (Nat. Commun.2015,6,7402)发表了一种制备核壳结构纳米纤维的方法—梯 度静电纺丝技术。他们率先提出采用梯度静电纺丝和可控热解相结合的方法,制 备了多种一维复杂纳米结构。该策略的关键点在于静电纺丝过程中,实现并证明 了三种不同分子量的聚乙烯醇沿径向的梯度分布,通过调节不同的烧结过程,可 以制备出多种无机多金属氧化物、双金属氧化、单金属氧化物等的介孔纳米管和 豌豆状纳米管 传统的制备核壳结构纳米纤维一般通过改进静电纺丝装置从而获得核壳结 构纤维。2002年 Loscertales在流动聚焦技术的启发下,发明了第一台同轴静电 喷雾设备,并在《 Science》上撰文最先介绍了应用该技术成功地将水溶性药物包 电纷
1 近日，北京化工大学马贵平教授组对于核壳结构纳米纤维制备寻找到了一种 新的方法，他们通过在高压电场下电场力对聚合物拉伸形成纤维的静电纺丝技术 联想到天然聚电解质，在高压电场下将做微观运动。经过实验设计，他们改变传 统的高压电施加方式，将电极插入纺丝溶液当中(采用内置电极)，最终成功制备 出聚氧化乙烯/透明质酸(PEO/HA)核壳结构纳米纤维。 科研人员将内置正电极插入 HA 和 PEO 的均匀混合纺丝溶液中，进行静电 纺丝。在静电纺丝过程中，溶液既要进行纺丝的拉伸，还要进行内置电极电场的 诱导和迁移。在内置正电极电场诱导作用下带有负电荷的 HA 向溶液内部富集形 成核层，电场诱导作用使得溶液经过 Tailor 锥后分相形成，从而有利于形成核壳 结构。根据研究结果最终提出了内置电极电场诱导形成核壳纳米纤维的分相机制 和原理，同时通过正负电极的改变，以及改变聚电解质溶液的种类，可以设计出 更多不同功能的核壳结构纳米纤维。 据了解，马贵平教授组的这项研究成果已经成功在(Polymer,2016,83:12-19) 杂志发表，相关一系列研究也正在进行。目前内置电场诱导天然聚电解质在纺丝 过程中微相分离来制备核壳结构纳米纤维还鲜有报道，成型机制与原理及相关的 实验模拟仍然在研究。但是从实验结果来看，这的确是一种新颖的多功能核壳结 构纳米纤维的制备方法，它为我们以后制备核壳结构纳米纤维提供了新的思路。 同样，在2015年武汉理工大学麦立强教授课题组在《Nature Communications》 （Nat. Commun. 2015, 6, 7402）发表了一种制备核壳结构纳米纤维的方法──梯 度静电纺丝技术。他们率先提出采用梯度静电纺丝和可控热解相结合的方法，制 备了多种一维复杂纳米结构。该策略的关键点在于静电纺丝过程中，实现并证明 了三种不同分子量的聚乙烯醇沿径向的梯度分布，通过调节不同的烧结过程，可 以制备出多种无机多金属氧化物、双金属氧化、单金属氧化物等的介孔纳米管和 豌豆状纳米管。 传统的制备核壳结构纳米纤维一般通过改进静电纺丝装置从而获得核壳结 构纤维。2002 年 Loscertales 在流动聚焦技术的启发下，发明了第一台同轴静电 喷雾设备，并在《Science》上撰文最先介绍了应用该技术成功地将水溶性药物包 新方法：制备核壳结构纳米纤维
前 rontier 覆于胶囊里。随后,一些研究组将这一技术扩展到静电纺丝体系,也就是我们通 常所说的同轴电纺丝法( Coaxial Electrospinning) 同轴静电纺丝与普通静电纺丝不同之处在于喷丝头的设计,普通静电纺丝采 用单层毛细管而同轴静电纺丝则采用复合喷丝头。复合喷丝头由同轴的2个毛细 管相互嵌套而成,内层与外层毛细管之间留有一定的缝隙以保证壳层液流的畅 通。同轴电纺时,将核层和壳层材料的溶液分装在两个不同的注射器中,喷丝系 统则由两个同轴但内径不同的毛细管组成,在高压电场的作用下,外层液体流出 300m 150μm (a)普通泰勒锥体图 (b)同轴泰勒锥体图 (c)核壳结构SEM形貌图 同轴静电纺丝与传统的静电纺丝装置相比仅仅对喷嘴进行了改进,但却能制 备出具有特殊结构和功能的复合纳米纤维。在过去几年中,研究者利用同轴静电 纺技术已成功制备了不少功能复合的核壳结构纳米纤维,在组织工程、药物包覆、 催化、增强等领域有潜在的应用价值 核壳结构的静电纺纳米纤维的优势在于:首先,解决了某些不可纺聚合物的 纳米纤维的制备难题,由于溶解性差或分子链紧凑程度等的局限性,许多可纺性 差的聚合物不能单独电纺成纤维,但通过同轴电纺技术能够克服这一缺陷。如聚 苯胺(PAN讠}-聚乙烯醇同轴共纺,解决了聚苯胺不可纺的难题;其次,与普通的 electrospun 纷
2 覆于胶囊里。随后，一些研究组将这一技术扩展到静电纺丝体系，也就是我们通 常所说的同轴电纺丝法(Coaxial Electrospinning)。 同轴静电纺丝与普通静电纺丝不同之处在于喷丝头的设计，普通静电纺丝采 用单层毛细管而同轴静电纺丝则采用复合喷丝头。复合喷丝头由同轴的 2 个毛细 管相互嵌套而成，内层与外层毛细管之间留有一定的缝隙以保证壳层液流的畅 通。同轴电纺时，将核层和壳层材料的溶液分装在两个不同的注射器中，喷丝系 统则由两个同轴但内径不同的毛细管组成，在高压电场的作用下，外层液体流出 后与核层液体汇合。由于纺丝过程中两种溶液在喷口处汇合时间很短，加上聚合 物的扩散系数较低，固化前不会混合到一起。在高压电场力作用下，壳层液体经 高频拉伸，高速喷射时内外层溶液交界面将产生强大的剪切应力，核层溶液在剪 切应力作用下，沿着壳层同轴运动，弯曲甩动变形并固化成为核壳结构纳米纤维， 如图所示。在此基础上将核层材料去掉，留下壳层材料，可得到中空纤维。 同轴静电纺丝与传统的静电纺丝装置相比仅仅对喷嘴进行了改进，但却能制 备出具有特殊结构和功能的复合纳米纤维。在过去几年中，研究者利用同轴静电 纺技术已成功制备了不少功能复合的核壳结构纳米纤维，在组织工程、药物包覆、 催化、增强等领域有潜在的应用价值。 核壳结构的静电纺纳米纤维的优势在于：首先，解决了某些不可纺聚合物的 纳米纤维的制备难题，由于溶解性差或分子链紧凑程度等的局限性，许多可纺性 差的聚合物不能单独电纺成纤维，但通过同轴电纺技术能够克服这一缺陷。如聚 苯胺(PANi)-聚乙烯醇同轴共纺，解决了聚苯胺不可纺的难题；其次，与普通的 (a)普通泰勒锥体图 (b)同轴泰勒锥体图 (c)核壳结构 SEM 形貌图
前 rontier 电纺纤维相比,核壳结构纤维不仅能够综合核层和壳层材料的特性,而且更能展 现出其他优异的特点,比如可控的机械强度和较好的热传导系数等。因此这种方 法在众多方面展现出了广泛的应用前景,其主要应用领域为:组织工程方面可作 为可降解支架、可促进伤口愈合和药物传递等;过滤方面可作为过滤膜:在能量 存储方面可用于锂离子电池;可用于制作光学或化学传感器;也可应用于酶和催 化剂等。例如,利用同轴电纺技术制备的核壳型纳米纤维(核层为药物)经口服或 其他方式进人人体后,随着壳层材料在组织液作用下不断降解,核层中的药物格 缓慢释放出来,既能保证恒定有效的血药浓度,又能减少药物对身体的毒副作用 而相对于发展已较成熟的同轴静电纺制备核壳结构纳米纤维,马贵平教授组 的内置电场诱导天然聚电解质在纺丝过程中微相分离来制备核壳结构纳米纤维 的这种方法拓宽了纺丝过程中的新思路,为研发更多具有不同功能的核壳结构纳 米纤维提供了新途径。 ---------------------------- 研究领域 主持国家自然科学基金1项、中国光华科技基金1 项,主持省部级项目3项,与企业开发项目4项 参与国家项目2项。主要从事核壳纳米纤维的设计 及功能化、天然高分子功能材料开发等方面研究 公开发表论文50余篇,以第一作者或通讯联系人发 表SCI收录论文36篇,以第一发明人身份申请中国 发明专利50项,其中授权专利30项,专利转让 马贵平副教授 实施许可10项。 北京化工大学 电纷 3
3 研究领域： 主持国家自然科学基金 1 项、中国光华科技基金 1 项，主持省部级项目 3 项，与企业开发项目 4 项， 参与国家项目 2 项。主要从事核壳纳米纤维的设计 及功能化、天然高分子功能材料开发等方面研究。 公开发表论文 50 余篇，以第一作者或通讯联系人发 表 SCI 收录论文 36 篇，以第一发明人身份申请中国 发明专利 50 项，其中授权专利 30 项，专利转让、 实施许可 10 项。 电纺纤维相比，核壳结构纤维不仅能够综合核层和壳层材料的特性，而且更能展 现出其他优异的特点，比如可控的机械强度和较好的热传导系数等。因此这种方 法在众多方面展现出了广泛的应用前景，其主要应用领域为：组织工程方面可作 为可降解支架、可促进伤口愈合和药物传递等；过滤方面可作为过滤膜；在能量 存储方面可用于锂离子电池；可用于制作光学或化学传感器；也可应用于酶和催 化剂等。例如，利用同轴电纺技术制备的核壳型纳米纤维(核层为药物)经口服或 其他方式进人人体后，随着壳层材料在组织液作用下不断降解，核层中的药物格 缓慢释放出来，既能保证恒定有效的血药浓度，又能减少药物对身体的毒副作用。 而相对于发展已较成熟的同轴静电纺制备核壳结构纳米纤维，马贵平教授组 的内置电场诱导天然聚电解质在纺丝过程中微相分离来制备核壳结构纳米纤维 的这种方法拓宽了纺丝过程中的新思路，为研发更多具有不同功能的核壳结构纳 米纤维提供了新途径。 马贵平副教授 北京化工大学
前 rontier B面B面BBB面B面BB面B面B面BB面目B面BB面面目B Preparation, characterization, and application of PEO/HA core shell nanofiber e based on electric field induced phase separation during electrospinning Guangkai Chen, Junxia Guo, Jun Nie, Guiping Ma* Key Laboratory of Carbon Fiber and Functional Polymers, Ministry of Education, Beijing Laboratory of Biomedical Materials, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, PR China : Abstract Core-shell structured PEO/HA nanofibers could be produced from electric field inducing tion during the electrospinning progress. Hyaluronic acid(HA) molecules could move along the opposite direction of the electric field under the electrostatic force, which induced phase separation from PEO to form the core layer of nanofibers. The morphology of core-shell nanofibers was supported using scanning electron microscopy (SEM)and transmission electron microscopy (TEM). Thermal analysis and X-ray diffraction (XRD) results showed that the fibers had good thermal stability and HA hindered the crystallization of the PEO. The presence of PEO on the surface was also verified by X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) analysis as further evidence of core-shell formation urin process of electrospinning Methylthiazolydiphenyl-tetrazolium bromide (mtr) assay was employed to investigate the toxic and cytocompatibility with the aim of demonstrating the possible application for tissue engineering scaffolds. Furthermore, In vitro cytotoxicity against fibroblasts cells culture demonstrated the nanofibers as scaffolds were biocompatible and nontoxic CTOP VIEWI (1)Schematic diagram of preparation of PEO/HA core-shell nanofibers (2)TEM images of PEO/HA electrospinning nanofibers: (A)WPEO/WHA=3/ (B)WPEOWHA=1/1,(C)WPEO/WHA=1/3 References [1] M.C. Wang, D W. Fang, NN. Wang, S Jiang, J. Nie, Q. Yu, G P Ma, Polymer 55: :(2014)2188-2196 [2]D. Valiquette, C Pellerin, Macromolecules 44 (2011)2838-2843 :3GK Chen, D W. Fang, K M. Wang, J. Nie, G.P. Ma, J Polym. Sci. Part A Polym :Chem.53(2015)2298-2311 teptrosrun 电纷
4 Preparation, characterization, and application of PEO/HA core shell nanofibers based on electric field induced phase separation during electrospinning Guangkai Chen, Junxia Guo, Jun Nie, Guiping Ma* Key Laboratory of Carbon Fiber and Functional Polymers, Ministry of Education, Beijing Laboratory of Biomedical Materials, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, PR China A b s t r a c t Core-shell structured PEO/HA nanofibers could be produced from electric field inducing phase separation during the electrospinning progress. Hyaluronic acid (HA) molecules could move along the opposite direction of the electric field under the electrostatic force, which induced phase separation from PEO to form the core layer of nanofibers. The morphology of core-shell nanofibers was supported using scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). Thermal analysis and X-ray diffraction (XRD) results showed that the fibers had good thermal stability and HA hindered the crystallization of the PEO. The presence of PEO on the surface was also verified by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis as further evidence of core-shell formation during the process of electrospinning. Methylthiazolydiphenyl-tetrazolium bromide (MTT) assay was employed to investigate the toxic and cytocompatibility with the aim of demonstrating the possible application for tissue engineering scaffolds. Furthermore, In vitro cytotoxicity against fibroblasts cells culture demonstrated the nanofibers as scaffolds were biocompatible and nontoxic. (1) (2) (1) Schematic diagram of preparation of PEO/HA core-shell nanofibers (2) TEM images of PEO/HA electrospinning nanofibers: (A) WPEO/WHA =3/1, (B) WPEO/WHA =1/1, (C) WPEO/WHA = 1/3. References [1] M.C. Wang, D.W. Fang, N.N. Wang, S. Jiang, J. Nie, Q. Yu, G.P. Ma, Polymer 55 (2014) 2188-2196. [2] D. Valiquette, C. Pellerin, Macromolecules 44 (2011) 2838-2843. [3] G.K. Chen, D.W. Fang, K.M. Wang, J. Nie, G.P. Ma, J. Polym. Sci. Part A Polym. Chem. 53 (2015) 2298-2311
生物医用静电纺温敏纳米纤维 穆齐锋,高鲁2,沈红豆,邓玲利?,储智勇,张青松 (天津工业大学材料科学与工程学院2天津工业大学纺织学院,天津,300387 E-mail:zqs8011@163.com) 摘要:近年来,随着纳米技术和组织工程技术的发展,刺激响应性纳米纤维材 料在药物控释、伤口敷料和生物支架等生物医学方面的应用受到广泛关注和研 究。本文针对温度敏感性纳米纤维,详细综述了基于静电纺丝技术的生物医用温 敏纳米纤维原材料、制备途径和表征方法,探讨了温敏纳米纤维在药物控释载体 和细胞支架领域的具体应用,并基于相关研究提出了其在发展过程中存在的问题 并对其应用前景进行了展望。 关键词:静电纺丝,温敏,纳米纤维,药物控释,细胞支架 研究组和负责人简介 张青松(1980),男,山东菏泽人,工学博士,天津工业大学材料学院副教授 硕士生导师,博士生指导教师资格,中国化学会、美国化学会和中国材料研究 学会会员,天津市高校优秀青年教师,教育部学位中心论文评议专家,天津市 政府采购评审专家,功能与智能高分子材料创新团队成员,材料科学基础教学 团队成员,清华大学化学系和匹兹堡大学化学系访问学者。 课题组名为“青青园中葵”,取自《长歌行》,课题组目前共有教师3人 研究生6人,本科生18名,主要从事有机/无机纳米复合材料、光子晶体凝胶传 感器、CO2和染料吸附凝胶、细胞片层凝胶载体、微生物发酵多孔凝胶、多功能 纳米凝胶纤维等相关研究。主持完成天津市高等学校科技发展基金计划、天津 市高校优秀青年人才项目、教育部科学技术研究项目、天津市自然科学基金 天津市科技特派员、国家自然科学基金等各类项目16项;已在 J Control Release Macromol Rapid Comm J Colloid Interf Sci, Colloids Surf B, J Biomed Mater Res A和 Mater.Sci.EngC等期刊发表学术论文69篇,总引用440次,单篇最高 引用56次:是 Ady Mater.、 Ady Funct Mater.、 ACS Appl Mater&nter、 Macromol pid Comm、 Phys Chem Chem Phys等28种期刊的审稿人。申请国家发明专利 23项,授权18项,成功转化2项。已培养研究生9人,本科生32名,指导学 生先后获得第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖、天 津市第十二届挑战杯一等奖、天津市优秀硕士论文、天津市优秀本科学位论文、 第七届全国大学生创新创业年会推介项目
5 穆齐锋 1 , 高鲁 2 , 沈红豆 2 , 邓玲利 2 , 储智勇 2 , 张青松 1* （1 天津工业大学材料科学与工程学院 2天津工业大学纺织学院, 天津, 300387 E-mail: zqs8011@163.com） 摘 要：近年来，随着纳米技术和组织工程技术的发展，刺激响应性纳米纤维材 料在药物控释、伤口敷料和生物支架等生物医学方面的应用受到广泛关注和研 究。本文针对温度敏感性纳米纤维，详细综述了基于静电纺丝技术的生物医用温 敏纳米纤维原材料、制备途径和表征方法，探讨了温敏纳米纤维在药物控释载体 和细胞支架领域的具体应用，并基于相关研究提出了其在发展过程中存在的问题 并对其应用前景进行了展望。 关键词：静电纺丝，温敏，纳米纤维，药物控释，细胞支架 静电纺温敏纳米生纤物维医及用其静电纺温敏纳米纤维 张青松(1980)，男，山东菏泽人，工学博士，天津工业大学材料学院副教授， 硕士生导师，博士生指导教师资格，中国化学会、美国化学会和中国材料研究 学会会员，天津市高校优秀青年教师，教育部学位中心论文评议专家，天津市 政府采购评审专家，功能与智能高分子材料创新团队成员，材料科学基础教学 团队成员，清华大学化学系和匹兹堡大学化学系访问学者。 课题组名为“青青园中葵”，取自《长歌行》，课题组目前共有教师 3 人， 研究生 6 人，本科生 18 名，主要从事有机/无机纳米复合材料、光子晶体凝胶传 感器、CO2和染料吸附凝胶、细胞片层凝胶载体、微生物发酵多孔凝胶、多功能 纳米凝胶纤维等相关研究。主持完成天津市高等学校科技发展基金计划、天津 市高校优秀青年人才项目、教育部科学技术研究项目、天津市自然科学基金、 天津市科技特派员、国家自然科学基金等各类项目 16 项；已在 J Control Release、 Macromol Rapid Comm、J Colloid Interf Sci、Colloids Surf B、J Biomed Mater Res A 和 Mater. Sci. Eng.C 等期刊发表学术论文 69 篇，总引用 440 次，单篇最高 引用 56 次；是 Adv Mater、 Adv Funct Mater、ACS Appl Mater & Inter、Macromol Rapid Comm、Phys Chem Chem Phys 等 28 种期刊的审稿人。申请国家发明专利 23 项，授权 18 项，成功转化 2 项。已培养研究生 9 人，本科生 32 名，指导学 生先后获得第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖、天 津市第十二届挑战杯一等奖、天津市优秀硕士论文、天津市优秀本科学位论文、 第七届全国大学生创新创业年会推介项目。 研究组和负责人简介 简介
生物医用静电纺温敏纳米纤錐 近年来,由于疾病、人口老龄化、意外事故等造成大量的人体器官和组织的 损坏和功能缺失,如何实现人体组织和器官的快速修复和重建以及治疗药物在人 体内的可控释放已成为生物医学研究领域面临的重要问题叫。使缺损的组织和器 官得以修复和重建,其过程是构建有生物活性的细胞支架材料,这种支架可以载 有生长因子或本体细胞,植入体内后支架材料逐渐被分解和吸收的同时,细胞增 殖并形成新的组织,从而修复缺损组织替代器官,支架材料或作为一种体外装置, 暂时替代器官功能,达到提高生命质量,延长生命的目的。组织工程支架材 料有时还需具备载药的功能,通过药物的靶向释放达到治愈病灶的目的4。其中 药物载体是药物缓释体系的重要组成部分,也是影响药效主要因素,药物控制释 放载体是随着药物学、生物材料学和临床医学的发展而新兴的给药技术。自20 世纪60年代以来,对于药物控制释放体系的研究,受到研究者的广泛关注囚。 与传统给药模式相比药物控制释放具有显著的优点,除提髙药物治疗的准确性、 有效性、安全性外,还明显降低了药物的生产成本和不良反应,药物控制释放材 料的研究得到迅速发展,其中制备性能优良的药物载体已成为药物控制释放技术 的研究热点 由于高分子材料的化学组成、加工工艺和性能易于调控,在一定尺度上通过 调控聚合过程或加工工艺,可易于改变或调节材料的物化性能,因此把组织工程 学和药物控制释放原理与高分子材料结合起来,合成具有生物相容性和刺激响应 性的生物功能材料,具有重大的科学意义和广阔的应用前景。静电纺丝作为一种 简单、有效、方便而经济的高分子材料加工技术,其技术核心是将具有一定粘度 且带有电荷的高分子熔体或溶液在高压静电场中喷射、拉伸细化、劈裂,最终固 化成微纳米级纤维状物质的过程。静电纺聚合物纳米纤维具有比表面积大、孔 隙率髙、良好的三维结构和各向同性的力学性能等优点η,能够满足组织工程中 细胞支架和药物控释载体在比表面积、多孔结构和力学性能等方面的要求,而且 具有纤维孔隙结构的支架材料与细胞増殖有良好的适配性,可有效模拟细胞外基 质环境,同时比膜状材料更有利于细胞粘附 静电纺温敏纳米纤维多含有温度敏感聚合物,如聚N异丙基丙烯酰胺 (poly(N- isopropylacrylamide), PNIPAm)在其临界溶解温度( ower critical solution temperature,LCST=32)时可迅速发生可逆相转变,将温敏性这一特点引入到
6 近年来，由于疾病、人口老龄化、意外事故等造成大量的人体器官和组织的 损坏和功能缺失，如何实现人体组织和器官的快速修复和重建以及治疗药物在人 体内的可控释放已成为生物医学研究领域面临的重要问题[1]。使缺损的组织和器 官得以修复和重建，其过程是构建有生物活性的细胞支架材料，这种支架可以载 有生长因子或本体细胞，植入体内后支架材料逐渐被分解和吸收的同时，细胞增 殖并形成新的组织，从而修复缺损组织替代器官，支架材料或作为一种体外装置， 暂时替代器官功能，达到提高生命质量，延长生命的目的[2,3]。组织工程支架材 料有时还需具备载药的功能，通过药物的靶向释放达到治愈病灶的目的[4]。其中 药物载体是药物缓释体系的重要组成部分，也是影响药效主要因素，药物控制释 放载体是随着药物学、生物材料学和临床医学的发展而新兴的给药技术。自 20 世纪 60 年代以来，对于药物控制释放体系的研究，受到研究者的广泛关注[5]。 与传统给药模式相比药物控制释放具有显著的优点，除提高药物治疗的准确性、 有效性、安全性外，还明显降低了药物的生产成本和不良反应，药物控制释放材 料的研究得到迅速发展，其中制备性能优良的药物载体已成为药物控制释放技术 的研究热点。 由于高分子材料的化学组成、加工工艺和性能易于调控，在一定尺度上通过 调控聚合过程或加工工艺，可易于改变或调节材料的物化性能，因此把组织工程 学和药物控制释放原理与高分子材料结合起来，合成具有生物相容性和刺激响应 性的生物功能材料，具有重大的科学意义和广阔的应用前景。静电纺丝作为一种 简单、有效、方便而经济的高分子材料加工技术，其技术核心是将具有一定粘度 且带有电荷的高分子熔体或溶液在高压静电场中喷射、拉伸细化、劈裂，最终固 化成微纳米级纤维状物质的过程[6]。静电纺聚合物纳米纤维具有比表面积大、孔 隙率高、良好的三维结构和各向同性的力学性能等优点[7]，能够满足组织工程中 细胞支架和药物控释载体在比表面积、多孔结构和力学性能等方面的要求，而且 具有纤维孔隙结构的支架材料与细胞增殖有良好的适配性，可有效模拟细胞外基 质环境，同时比膜状材料更有利于细胞粘附[8]。 静电纺温敏纳米纤维多含有温度敏感聚合物，如聚 N-异丙基丙烯酰胺 (poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAm)在其临界溶解温度(lower critical solution temperature, LCST=32 oC)时可迅速发生可逆相转变[4]，将温敏性这一特点引入到 生物医用静电纺温敏纳米纤维
生物医用静电纺温敏纳米纤维 在生物医用材料中广泛应用的静电纺纳米纤维材料,可进一步增加纳米纤维材料 的功能,拓展其在生物医学方面的应用,并具有重要的仿生意义。此外,通过设 计使静电纺温敏纳米纤维表面功能化或具有多级结构,可用于生物分离門、细胞 支架、药物控制释放和生物传感器凹等领域。本文综述了近年来静电纺温 敏纳米纤维的制备和设计思路,分析了产物结构、形态和性能的影响规律,指出 了表征纤维温敏性的几种方法,重点介绍了其在细胞培养支架和药物控制释放方 面的应用研究,并展望其发展前景。 1.温敏纳米纤维纺丝原料 材料是组织工程支架和药物控释的本体,其选择是决定支架性能和药物载体 控释性能的直接因素。作为细胞支架来说,原料应首先具备良好的生物相容性, 这决定了细胞在其表面粘附、生长、分化和扩散的难易程度。其次,需考虑原 料的基本力学性能和可加工性,因为材料需加工成具有三维空间结构片状或块状 才能在上面种植细胞并支持细胞的生长。此外,原料的生物可降解性也是应该 考虑的主要因素之一,合适的降解时间可更好地配合细胞生长和组织的发育。作 为药物控释的载体,还需要考虑材料和药物的相容性,以及药物的控释性。最后, 材料的成本和加工可控性也是制备支架材料时需考虑的因素。 目前,制备温敏纳米纤维细胞支架和药物控制释放载体的原料可分为天然聚 合物材料、合成聚合物材料以及复合材料。天然材料包括明胶( gelatin,Gel)、丝 胶( silk sericin,SS)、胶原蛋白( collagen,Col)、纤维蛋白( fibrous protein,FP)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复合:合成高分子材料主 要是N-异丙基丙烯酰胺(N- -isopropylacrylamide,NPAm)、N-乙烯基己内酰胺 (N- vinylcaprolactam,NVCL)、羟丁基壳聚糖( hydroxybutyl chitosan,HBCS)、羟丙 基纤维素( hydroxypropyl cellulose,HPC)、N,N-二甲基丙烯酰胺 (NN- dimethylacrylamide,DMAA)等。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,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,但其生物相容性远逊于天然材料。因此,目前生物医 用静电纺纳米纤维的原料多是合成材料和天然材料组成的复合材料。表1列举了
7 在生物医用材料中广泛应用的静电纺纳米纤维材料，可进一步增加纳米纤维材料 的功能，拓展其在生物医学方面的应用，并具有重要的仿生意义。此外，通过设 计使静电纺温敏纳米纤维表面功能化或具有多级结构，可用于生物分离[9]、细胞 支架[10]、药物控制释放[11]和生物传感器[12]等领域。本文综述了近年来静电纺温 敏纳米纤维的制备和设计思路，分析了产物结构、形态和性能的影响规律，指出 了表征纤维温敏性的几种方法，重点介绍了其在细胞培养支架和药物控制释放方 面的应用研究，并展望其发展前景。 1. 温敏纳米纤维纺丝原料 材料是组织工程支架和药物控释的本体，其选择是决定支架性能和药物载体 控释性能的直接因素。作为细胞支架来说，原料应首先具备良好的生物相容性， 这决定了细胞在其表面粘附、生长、分化和扩散的难易程度[13]。其次，需考虑原 料的基本力学性能和可加工性，因为材料需加工成具有三维空间结构片状或块状 才能在上面种植细胞并支持细胞的生长[14]。此外，原料的生物可降解性也是应该 考虑的主要因素之一，合适的降解时间可更好地配合细胞生长和组织的发育。作 为药物控释的载体，还需要考虑材料和药物的相容性，以及药物的控释性。最后， 材料的成本和加工可控性也是制备支架材料时需考虑的因素。 目前，制备温敏纳米纤维细胞支架和药物控制释放载体的原料可分为天然聚 合物材料、合成聚合物材料以及复合材料。天然材料包括明胶(gelatin, Gel)、丝 胶(silk sericin, SS)、胶原蛋白(collagen, Col)、纤维蛋白(fibrous protein, FP)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复合；合成高分子材料主 要是 N-异丙基丙烯酰胺(N-isopropylacrylamide, NIPAm)、N-乙烯基己内酰胺 (N-vinylcaprolactam, NVCL)、羟丁基壳聚糖(hydroxybutyl chitosan, HBCS)、羟丙 基 纤 维 素 (hydroxypropyl cellulose, HPC) 、 N,N- 二 甲 基 丙 烯 酰 胺 (N,N-dimethylacrylamide, DMAA)等。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，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，但其生物相容性远逊于天然材料。因此，目前生物医 用静电纺纳米纤维的原料多是合成材料和天然材料组成的复合材料。表 1 列举了 生物医用静电纺温敏纳米纤维