熔體電紡在加工生物材料方面的應用

張墅野 徐翔宇 林鐵松 何鵬 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱工業大學 （黑龍江哈爾濱 150001）

內容提要：在過去的十幾年中，熔體靜電紡絲技術已經成為了一種成熟的聚合物加工技術，與傳統靜電紡絲相比，它的最大優點就是無須溶劑。在紡織、過濾、環境和能源以及生物醫學方面都有著全新的應用。研究者們已經開始將熔體靜電紡絲技術在藥物傳遞、生物傳感器和組織工程等生物醫學方面進行應用。文章介紹了熔體靜電紡絲的發展過程，包含關鍵的組織工程、藥物傳遞、生物傳感器等進展，并綜述了熔體靜電紡絲技術在生物醫學領域的應用及其研究進展與展望。

溶液靜電紡絲使用的溶劑如氯仿、二氯甲烷等大多具有毒性，限制了與人體相關的生物醫療領域的應用。在工業化生產中，溶液靜電紡絲的溶劑配制、產物溶劑的去除的成本和危險性都無法降低。對于常用的熱塑性材料如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚硫醚（PPS）等熱塑性材料，常溫下至今沒有找到合適的溶劑，使得該類材料通過溶液靜電紡絲制備納米纖維難以實現，于是無需溶劑的熔體靜電紡絲技術逐漸引起了研究者的注意[1]。本文綜述了熔體電紡技術的發展以及最新熔體靜電紡絲技術在生物醫療領域的應用，主要分為組織工程、藥物傳遞、和生物傳感器等方面。

1.熔體靜電紡絲的發展概況

在2000年由Kim＆Lee制作了熔體靜電紡絲技術，使醫用級聚合物可以按照材料原樣直接進行加工。對于生物醫學設備和植入物（如支架、網格等），研發時間大大被縮短[2]。從此，熔體電紡工藝在制造生物材料和組織工程領域生機煥發，至今，熔體靜電紡絲已成功應用于PP、聚已內酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等眾多熱塑性聚合物納米纖維的制備[3]。

已有研究表明，熔體靜電紡絲支架在體內具有良好的融合和血管化前景。熔體靜電紡絲技術作為一種擁有極大潛力的增材技術，很可能是新的一種使用高性能多相支架材料的處理方法，或者是給研究提供創新思路的方法，如將功能材料封裝在復合纖維中。

2.生物醫療方面的應用

2.1 組織工程

高孔隙率（93%）的熔體靜電紡絲支架顯著提高了基體的力學性能，使纖維增強基體復合材料可承受高壓縮載荷，保持了與嵌入細胞兼容的基體軟性質[4]。Brown等[5]在2010年成功制備出由PCL和PEG5000-block-PCL5000混合聚合物構成的可供細胞侵襲的支架。可在密閉環境中進行制作和無需溶劑去除步驟等熔體靜電紡絲的特性，使得該技術成為制備供細胞侵襲支架的理想技術。

2.2 藥物傳遞

熔體靜電紡絲就可以將藥物在聚合物熔體中進行直接混合，Nagy等[6]證明熔體靜電紡絲可以增強弱水可溶性分子的載量，從而實現藥物快速釋放。Lian等[7]將熔體靜電紡絲產生的PCL纖維與溶液靜電紡絲產生的PCL纖維在藥物傳遞能力上進行了比較，發現由于熔體靜電紡絲出的PCL具有良好的晶體性質，故其的藥物釋放曲線更加合理，且其的載藥量更大。

2.3 生物傳感器

最近，Li等[8]探索了熔體靜電紡絲制備PCTM超細纖維在制備體溫熱材料和熱響應傳感器，PCTM被包裹在PMMA纖維中。采用透明聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）殼層，由結晶紫內酯、雙酚A、1-十四醇（CBT）混合而成，該纖維具有良好的耐熱性能，其中熱致變色溫度可以通過各個原材料的濃度進行調整，以期待與人體37～39?C系統完美配合。

3.小結與展望

熔體靜電紡絲技術的優點包括：①加工不溶于溶劑的新型聚合物；②避免了物質的毒性；③低成本加工效率高；④更快和更簡單的材料制備，減小研發周期。最后，靜電直寫技術將電紡纖維直接固定到特定基體上是一個更有意義的全新方向。熔體靜電紡絲技術作為一種擁有極大潛力的增材技術，很可能是一種新的使用高性能生物支架材料與血管相容的加工方法，這將給研究者提供新的創新思路。隨著熔體靜電紡絲適用的熱塑性和功能性高分子材料的范圍不斷擴大，特別是具有良好控制結構和改進長絲性能的熱塑性和功能性高分子材料的種類增加，熔體靜電紡絲將很快被應用拓展，例如細胞/水凝膠打印，熔體靜電紡絲將為細胞遷移通過水凝膠提供物理/化學幫助的技術。因此，熔體靜電紡絲將成為成為最具潛力的生物纖維制造技術之一。