靜電紡絲在多組分醫(yī)用敷料中的應用及進展

何 勁,陳 莉,*,劉玉森

(1.西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安710048；2.西安工程大學 功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室,陜西 西安710048；3.西安工程大學 應用技術學院,陜西 西安710048)

皮膚是人體最大的器官和第一道生理防線,對保障人體正常的生理活動起著極其重要的作用。從廣義角度來看,皮膚的屏障作用包括物理性屏障和色素、神經(jīng)、免疫屏障,從狹義角度來看,是指角質層的物理結構性屏障[1]。正常情況下,皮膚受到損傷時,有一定的自愈能力,當傷口較深或者較大時則需要提供無菌或者少菌的修復環(huán)境。醫(yī)用敷料的作用就是阻擋細菌、微生物等對人體的入侵[2-4]。

近年來,靜電紡絲因在醫(yī)用敷料領域表現(xiàn)出來的巨大潛力而受到研究學者的廣泛關注[5]。但利用靜電紡絲技術制備單一材料的醫(yī)用抗菌纖維膜很難滿足多種需要,與單一材料相比,復合纖維膜可以給創(chuàng)面提供更好的愈合環(huán)境。

1 多組分電紡醫(yī)用敷料的復合方式

多組分材料混合噴絲可以集合多種材料的性能特點,提升敷料的實用性。根據(jù)噴絲頭的不同,可分為溶液復合、同軸復合和多噴頭復合[6]。

1.1 溶液復合

溶液復合就是將多種紡絲材料按照一定比例溶于溶劑中,充分溶解后可制備纖維膜,適用于多種噴絲頭。根據(jù)材料的不同,溶液復合后敷料膜的特點也會不同。例如膠原-殼聚糖復合敷料具有良好的生物相容性、降解性,可提供良好的濕潤愈合環(huán)境,并有良好的粘附性、止血性和潤滑性[7]。適用于手術創(chuàng)傷、潰瘍、燒傷、燙傷等,但存在溶劑有毒、難回收和纖維膜力學性能較差等缺點[8]。

李選等[9-10]利用靜電紡絲技術制備了膠原/殼聚糖復合抗菌敷料膜,利用SEM、PMI毛細孔徑分析儀、DSC、FTIR研究了膠原和殼聚糖的不同配比與復合抗菌敷料膜中纖維結構、細度、熱學性能、基團分布之間的關系,以及對革蘭氏陰菌、陽菌的抗菌性影響。研究結果表明膠原/殼聚糖混紡膜表面光滑,隨著殼聚糖比例的提升,纖維直徑從230.4±31.0 nm上升至240.1±34.7 nm。復合膜的孔徑在1μm左右,可有效防止細胞生長到敷料內部而發(fā)生粘連。不同配比納米纖維膜的峰值溫度較純膠原的峰值溫度低,膠原、殼聚糖之間具有優(yōu)良的易混性能,能夠以離子鍵結合。膠原與殼聚糖比例的變化,會導致紅外圖譜中的各個集團特征峰的位置發(fā)生偏移。

龍碧璇等[11]為了研究抗菌劑黃連素(BER)的添加量對PVA/SA納米纖維抗菌性能的影響,制備了兩組納米復合纖維,一組為PVA/SA,另一組為PVA/SA/BER,系統(tǒng)地探討了兩組纖維的SEM樣張、力學性能、抗菌性能等。研究結果表明:當PVA/SA的比例為7∶3時,纖維粗細均勻、細度最佳,為261.01 nm。隨著SA質量分數(shù)的增加,纖維出現(xiàn)大量串珠,纖維膜的斷裂強力先增加后降低,斷裂伸長率逐漸下降,且當PVA∶SA為6∶4時,納米纖維膜的斷裂伸長率最小為8.09%。載有BER的PVA/SA的復合納米纖維膜表面光滑,隨著BER質量分數(shù)的提高,納米纖維的直徑先增大后減小,纖維直徑的不勻率隨著BER的增加而變大；PVA/SA/BER復合納米纖維膜的斷裂強度比PVA/SA略低,且斷裂伸長率也略有下降；在抗菌方面,隨著黃連素的添加,PVA/SA/BER納米纖維膜在培養(yǎng)18 h后表現(xiàn)出很好的抑菌效果,未添加黃連素的PVA/SA抑菌效果較差。

1.2 同軸復合

同軸復合是將芯層和表層材料分別裝在2個不同的儲液罐(注射器)中,然后從同軸噴絲頭中噴出而得到復合納米纖維敷料[12-13]。同軸復合型醫(yī)用敷料可對纖維表面進行改性而不影響內部材料的性能,可使表層和芯層分別發(fā)揮作用,可在芯層材料中載入藥物,延長藥物釋放的時間[13-14]。同軸復合型醫(yī)用敷料膜適合用于易發(fā)生炎癥的傷口,可定點、長效給藥。

徐宏宇等[15]利用同軸靜電紡絲技術制備了以聚乙烯亞胺(PEI)為芯層,聚乳酸-羥基乙酸(PLGA)共聚物為皮層的納米級復合纖維膜。利用SEM、激光共聚焦顯微鏡、接觸角測量儀、萬能試驗機等儀器,分別對纖維膜的表面形貌、接觸角、力學性能和纖維同軸結構進行了系統(tǒng)分析。結果表明:當皮層溶液中PLGA的含量為15%,芯層溶液中PEI的含量為30%時,纖維細度均勻、表面平整光滑,纖維直徑為175～1 076 nm,在激光共聚焦顯微鏡下可觀察到明顯的核-殼結構,接觸角為72.45°±2.02°,拉伸強度為3.65±0.35 MPa,彈性模量為9.0±1.70。

林永佳等[16]借助同軸靜電紡絲技術進一步探索了再生絲素蛋白在生物組織工程領域中的應用前景,利用再生絲素蛋白包覆血管內皮生長因子和胎牛血清,制備了核-殼結構的納米電紡纖維。利用SEM、透射電子顯微鏡、ELISA試劑盒等分析了不同芯層推進速度下纖維的外觀、結構以及生長因子的釋放性能。結果表明:降低芯層推進速度,纖維截面形態(tài)由扁平帶狀向圓柱轉變,芯層厚度降低、直徑變細,但核-殼形態(tài)基本穩(wěn)定。與非核-殼結構纖維相比,核-殼結構載有生長因子和胎牛血清的纖維釋放時間更持久[12]。

1.3 多噴頭復合

多噴頭復合是將多種不同原料的紡絲溶液放入多個儲液罐(注射器)中,然后同時從不同的針頭中噴出的一種復合方式。與單噴頭相比多噴頭復合紡絲可提升紡絲效率[17],可通過推進速度來控制纖維膜中各種成分的配比。但易導致針頭堵塞及針頭之間存在相互干擾的問題[18-19]。

為了更好地探究聚乙烯醇/聚氨酯(PVA/PU)復合膜中2種物質的比例對膜性能帶來的影響,魏士明等[20]將質量分數(shù)為10%PVA水溶液和15%的PU/DMF溶液分別注入儲液罐中,同過控制2種紡絲液的推進速度來控制PVA與PU的比例,如圖1所示。結果表明:通過觀察SEM掃描圖片,PVA與PU 2種纖維的交點處有粘連,DSC差熱掃描結果顯示復合膜中PVA的玻璃化溫度降低,表明2種纖維之間具有較強的聯(lián)系作用,該作用可使應力在2種纖維之間傳遞,提高了復合纖維膜的強力,且PU優(yōu)良的韌性增加了復合膜的斷裂伸長率。2種材料性能的互補提升了PVA/PU在生物醫(yī)學研究領域的研究價值。

圖1 雙噴頭靜電紡絲設備示意圖

2 電紡多組分醫(yī)用敷料

2.1 纖維細度與半透性

電紡纖維的直徑通常在幾納米到幾百納米之間,由于其超細納米結構與細胞外基質的結構和生物功能具有相似性,因此可作為細胞的引導和支撐材料[21]。不僅如此,超細納米纖維膜孔隙小,對細菌、病毒等具有較好的阻隔作用,可為創(chuàng)面提供更好的防護,同時還有利于傷口透氣和滲出液的排出。

2.2 高吸液率與貼合性

電紡纖維在敷料中通常呈無序狀隨機分布,通過多層疊加后具有很高的孔隙率,在吸收傷口滲出液方面具有更突出的優(yōu)勢[22]。和紗布類敷料相比,由于纖維的細度細且膜纖薄,更具有柔軟性,對傷口的貼合性能更好。

2.3 止血性與功能多樣性

靜電紡纖維細度細,比表面積大,大大提高了對傷口的止血能力。若在敷料中加入某些蛋白材料則能更有效地對損傷組織進行止血[23]。納米纖維因比表面積大,細度細,對藥物具有一定的緩釋作用。因而,電紡纖維也成為多種藥物的載體。通過將多種纖維材料的功能整合在一層敷料膜中,可減少敷料的更換頻率,降低病人的痛苦。

2.4 易制備性

某些材料在利用電紡設備進行制備時存在紡絲困難。例如,利用靜電紡制備殼聚糖纖維時存在紡絲困難的問題,但與其他纖維材料混合后再進行紡絲可提升可紡性[24]。某些纖維強度低,不利于靜電紡,但在制備核殼結構的纖維時作為芯層材料,外層輔以其他纖維材料為支撐則可順利進行紡絲。

3 多組分電紡醫(yī)用敷料的應用

3.1 阻隔細菌與減輕疼痛

靜電紡制備的電紡纖維膜孔隙小,結構致密,可有效阻擋各種灰塵、病菌等對傷口的入侵,同時可維持傷口透氣和潤濕的環(huán)境,加速傷口的愈合[25]。陳桂釗等[26]將殼聚糖、聚乙烯醇和海藻酸鈉組裝成三明治結構的電紡纖維膜。不僅阻擋了細菌等微生物對傷口的入侵,解決了純殼聚糖、海藻酸鈉紡絲難的問題,同時減少敷料的更換頻率,降低了患者的痛苦和感染的風險[27]。

3.2 作為某些藥物及生長因子載體

電紡纖維比表面積大,適合作為某些藥物及生長因子的載體。電紡纖維使用的材料通常具有良好的生物相容性,同時因某些材料具有一定的抗菌性降低了炎癥的發(fā)生情況,而且多組分復合醫(yī)用敷料通常比單組分纖維膜具有更好的力學性能。Zhang等[28]以可降解的PCL材料為殼層,芯層是牛血清白蛋白與PEG的共混材料,通過同軸靜電紡絲制備出核-殼結構的載藥纖維。與非核殼結構的對照組比較后發(fā)現(xiàn)采用核殼結構的復合納米載藥纖維具有更長時間的抑菌性和更穩(wěn)定的釋放周期。

3.3 促進皮膚再生

靜電紡制備出的超細纖維可有效提升細胞的增值和分化能力,促進細胞再生和傷口愈合。針對不同的傷口,可將某些藥品、抗生素等物質與紡絲液混合從而制備出特定功能的敷料膜,提供更好的護理效果[29]。牟玉潔等[30]以六氟異丙醇為溶劑,制備了戊二醛(GA)/膠原(Co L)共紡敷料膜,并測試了該敷料膜和細胞的相容性和對細胞增值能力的影響,結果表明生長在該敷料膜上的細胞呈三角和梭形向四周伸展。

4 結語

靜電紡絲作為一種高效的納米纖維制備方法,長久以來一直保持巨大的潛力。隨著科學技術的發(fā)展,更多復合方法將加入到靜電紡絲中來,屆時也將會迎來新型材料在醫(yī)用敷料中的應用。現(xiàn)如今,醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)對醫(yī)用敷料的要求越來越高。不僅需對創(chuàng)面提供保護,還需要能夠減輕病人的痛苦,促進傷口愈合,不產生疤痕。然而,單一的生物材料在機械性能和多功能上還存在很大的不足,限制了其應用和發(fā)展。多組分靜電紡絲敷料也因此顯示出巨大優(yōu)勢,在將材料進行復合的同時也對功能進行了集中,針對不同的傷口類型可定制適合護理傷口的醫(yī)用敷料。

為了降低病人痛苦,減少敷料更換頻率,節(jié)約更多資源,將會有越來越多的功能在敷料中應用。例如,將某些溫度、酸堿感應材料加入敷料中,通過溫度、p H值的變化實時監(jiān)控傷口狀態(tài)。隨著靜電紡絲制備醫(yī)用敷料的相關設備和工藝日益成熟,醫(yī)用敷料將朝著智能化、功能化、多元化的方向發(fā)展。