靜電紡取向納米纖維的制備及在組織工程中的應用進展

周歆如,胡鋮燁,范夢晶,韓 瀟,2,洪劍寒,2,3,*

(1.紹興文理學院 紡織服裝學院,浙江 紹興312000;2.浙江省清潔染整技術研究重點實驗室,浙江 紹興312000;3.纖維基復合材料國家工程研究中心紹興分中心,浙江 紹興312000)

隨著科技的進步,納米技術的發展更加迅速,合成納米纖維逐漸被人們熟知。在眾多合成納米纖維的制備方法中,靜電紡絲以其簡單快捷、經濟高效的特點被重視起來。該技術通過在設定的參數條件下對高分子聚合物進行加工從而得到具有納米級尺寸的纖維支架,主要具有以下優點:設備成本低,裝置簡單,易于操作,可實現纖維取向、結構、形貌調控,可一步合成復合/多功能納米纖維材料。典型的靜電紡裝置主要由高壓電源、注射泵、噴絲頭和接收器組成[1]。在靜電紡絲過程中,噴絲頭與接收器之間會存在高壓靜電場,從注射泵推出的聚合物液體(或熔體)經過噴絲頭時,液體表面產生的靜電排斥作用會克服表面張力使得液體被拉伸為圓錐狀,形成射流。射流在噴發進程中直徑減小、溶劑揮發,最終固化為非織造纖維氈并收集在接收器上。通過靜電紡絲成功制備的聚合物納米纖維的性能是由溶劑、聚合物溶液、環境條件和電壓、流速、接收距離等工藝參數共同決定的[2]。由于具有比表面積大、孔隙率高、易于修飾等優良特性,靜電紡納米纖維最早被用作過濾材料以捕獲溶膠粒子[3]。現如今靜電紡納米纖維在生物醫藥、組織工程、智能紡織品、電子器件等領域都引起了極大的關注。納米纖維材料已成為我國未來戰略發展的重要材料,具有廣闊的市場前景[4]。

近幾十年來,研究者們通過改進接收裝置、針頭結構等制備了一系列不同堆積方式的納米纖維結構,高取向納米纖維因其特殊的光學、電學和力學性能而受到廣泛關注。詳細介紹了靜電紡絲制備取向納米纖維的方法和取向納米纖維的應用,并對取向納米纖維的未來發展進行了展望。鑒于定向納米纖維在生物組織工程領域的重要性,本文進行了重點介紹。

1 靜電紡取向納米纖維的制備方法

靜電紡絲是將處于電場中的聚合物在靜電力的影響下克服表面張力產生射流,以纖維的形態收集的過程[5]。靜電紡取向納米纖維是具有好的取向性和高度規則排列的纖維,它是通過改進收集設備、增加輔助電極等方式調節電場分布,來改變射流在特定區域內的電場中的運動軌跡而得到的。將獲得的納米纖維通過加捻、集束等方法處理后還可獲得納米纖維紗線,有利于擴展靜電紡納米纖維的應用。早期人們使用鋁箔和金屬網格作為收集裝置只能接收到無序的纖維,因而通過改進收集裝置制備取向納米纖維是當前比較常見的方法。根據收集裝置的不同,可將靜電紡納米取向纖維的制備方法分為旋轉式收集法、水浴收集法、平行板收集法3類。

1.1 旋轉式收集法

旋轉式收集法是最為普遍的制備取向納米纖維的方法,它是利用旋轉器對射流的機械牽伸來達到靜電紡納米纖維取向收集的目的。利用高速旋轉的滾筒收集裝置可將納米纖維平行取向排列。理論上,滾筒表面的線速度不小于纖維的沉積速度時,即可以制備出單軸取向的納米纖維。

旋轉式收集法早在20世紀末被Doshi[6]用于研究靜電紡制備聚合物納米纖維的試驗中,試驗表明高取向纖維可以通過高速旋轉的滾筒收集裝置,使射流中的分子結晶延伸來得到,但受一些包括表面電荷、電場強度、空氣和噴流之間界面張力參數的影響,并不能穩定得到高取向纖維。

Mat hew等[7]發現滾筒式收集器的轉速存在一個最佳點,在滾筒速度為1 200 r/min時,纖維的取向度最高;若滾筒速度達到1 600 r/min時,纖維會呈現出波浪狀。可知,只有在旋轉滾筒表面線速度與射流沉積速度相匹配時,纖維的取向度才會高。隨著滾筒速度的增加,纖維直徑分布變得更窄,這是因為直徑較大的纖維部分減少了。表面速度越高,其對拉伸性能的影響越明顯,在0°角下,隨著滾筒速度的增加,性能提高了近4倍。雖然旋轉式滾筒收集法操作簡易,但耗時耗能取向度不高,受其裝置的啟迪,相關研究人員開展了新的研究。

Theron等[8]設計了一個圓盤作為收集裝置,它有著鋒利的邊緣,根據尖端放電原理電荷容易在上面聚集,隨著轉盤的高速轉動,射流在機械作用下形成取向排列的納米纖維,如圖1所示。利用這個設備紡制了取向聚氧化乙烯(PEO)納米纖維。但因圓盤的邊緣只有5 mm厚,有效面積較小,因此該裝置不可用于取向納米纖維的大量收集,無法得到廣泛應用。

圖1 圓盤式收集裝置示意圖

1.2 水浴收集法

由于旋轉式收集法裝置的輥軸轉速較高,相關研究人員發明了一種帶有水槽的輥軸收集裝置,它只需要輥軸較低的轉速便可得到取向度更高的納米纖維。水浴紡紗是利用液體獨有的特性和機械拉伸的作用力共同作用于纖維使其凝聚在一起,其中液體的表面張力對纖維的凝聚起著關鍵作用,射流在液體這一接收凝固浴里可以直接沉積。在水浴中紡絲有利于納米纖維上的剩余電荷通過導電液體快速逃逸,減弱射流間的排斥力,有效解決電荷在空氣介質里逸散緩慢的問題,之后再匯聚在轉軸表面制備出取向納米纖維。

1.2.1 靜態水浴

Smit[9]等在原來傳統的裝置上進行了改造,將圓形的玻璃皿作為收集裝置,玻璃皿里裝滿了水,底部放置一個圓形金屬片,并通過一根導線接地,紡絲后水面上凝聚著無序的纖維,通過機械拉伸作用被拉到轉軸上進行收集。用靜電紡絲法在靜態液體收集器上可獲得連續的單軸纖維束紗線。Smit利用該方法制備了聚醋酸乙烯酯、聚偏二氟乙烯和聚丙烯腈的電紡納米纖維。該裝置操作技術易于使用,所得紗線排列整齊且纖維取向度高,但纖維之間易出現粘連且要求所用材料不溶于水且收集速率較低,因而應用較少。

1.2.2 動態水浴

Teo等[10]用動態的水作為支撐和工作介質組成靜電紡纖維的新系統,如圖2所示。該系統包括上下平行的2個水槽和一個低速旋轉的卷筒,沉積在上方水槽里的電紡纖維可以通過底部中心直徑為5 mm的小孔,小孔外圍的漩渦帶動沉積的纖維做圓周運動,隨后流到下方的水槽。在離心力和水流的作用下纖維產生牽伸匯聚成纖維束再卷繞到卷筒表面,上方水槽的水流至下方水槽后通過水泵輸送回去,水循環由此產生。上水槽與一根導線相連,導線接地起到去除多余電荷的作用。通過該裝置可以制備成連續的取向納米纖維,但紗線直徑的變化不太穩定,纖維間的纏結現象較為明顯,可歸因于不同進料速率所使用的恒定卷取速度,不同進給率的卷取速度、渦流中水的速度、聚合物的性質、外加電壓等其他參數有待優化。

圖2 動態水浴收集裝置示意圖

1.2.3 旋轉水浴

Li等[11]介紹了一種靜電紡絲過程中使用的旋轉水收集器。利用該工藝成功制備了沿周向排列的納米纖維。液體收集器的運動和導電性被認為是研究靜電紡絲納米纖維與液體表面相互作用的兩個主要因素。通過對液體收集器運動理論的分析,證實液體流速從旋渦中心向容器邊緣呈下降趨勢。試驗結果表明,隨著流體流速的增加,納米纖維的取向度也隨之增加。

1.3 平行板收集法

平行板收集法是研究者制備取向納米纖維的常用方法,該方法針對旋轉收集法不能大量收集的缺點做出了改進,用到的收集裝置是兩個處于電場中的平行電極,因為電場力對帶有電荷的射流起到一定影響,射流會改變其運動軌跡,形成懸垂在電極板之間的取向納米纖維。

Li等[12]提出了一種基于靜電紡絲制備聚合物、陶瓷和復合材料單軸取向納米纖維的簡單易行的方法。該方法成功的關鍵是使用了一個集電體,集電體由兩塊接地的導電收集板組成一個接收裝置,如圖3所示,兩塊收集板之間有一個寬度從數百微米到幾厘米不等的間隙。由于兩個平行的電極板電位相同,對射流的作用力也相同,受拉伸的射流最終在兩個電極之間的空隙沉積。處于懸浮狀態的納米纖維轉移方便,用途較為廣泛,被拉伸后跨越間隙的納米纖維還能夠產生更大面積的取向排列。但是該方法也有一些局限,它不能制備一些尺寸很小的納米纖維,只能制備直徑較大的納米纖維,直徑太小的納米纖維會因為自身太輕而受到纖維之間庫侖力的干擾,從而會發生斷裂。而納米纖維的取向與排列程度也會隨著自身厚度超過某數值之后而產生變差的趨勢。

圖3 平行板電極收集裝置示意圖

Yang等[13]提出一種用具有相反磁性的平行永磁體作為收集裝置制備取向納米纖維的方法,裝置如圖4所示,并用此方法制備了取向排列的PVA納米纖維。在該裝置中,2個相距5 c m的磁體之間有著磁場作用力,當纖維落在磁鐵上時,磁場將纖維拉伸穿過間隙,形成平行陣列。紡絲時纖維束落下,靠近磁鐵的纖維段被吸引到磁鐵表面,最后纖維落在2個磁鐵上并懸浮在間隙上方。添加了磁性納米粒子被磁化的紡絲溶液會受到磁場的影響并沿著磁場線按規律排列,可以得到取向排列的納米纖維,并且由此產生的纖維可以轉移到基板表面,如鋁箔和玻璃載玻片,可應用于電子和光子器件、聚合物復合材料和組織工程中。該方法設備簡單,操作容易,且能得到較大面積、取向度高的納米纖維。

圖4 平行永磁體收集裝置示意圖

Katta等[14]設計了一種帶平行銅線框的圓筒收集裝置,該裝置結合了平行板收集法和旋轉收集法的特點,如圖5所示。兩邊的圓盤通過一根桿子相連,銅線卷筒與帶2個滑輪的電機相連且接地,并以1 r/min的速度旋轉。當滾筒緩慢旋轉時,下一根銅線吸引納米纖維,納米纖維垂直于銅線拉伸以跨越銅線之間的間隙。納米纖維的排列由靜電相互作用驅動,靜電相互作用允許帶電的納米纖維在電線之間的縫隙中伸展和跨越,并在大面積上形成軸向排列的陣列。但隨著紡絲的進行,電荷積累得越來越多且難以消除,纖維開始以隨機模式旋轉,形成纏結,纖維的定向排列受到干擾,無法得到所有部分都是取向排列的纖維。

圖5 平行銅線框圓筒收集裝置

Su等[15]用平行感應板輔助靜電紡絲(PIES)獲得高效定向納米纖維,在這種新型靜電紡絲裝置中,靜電噴絲板包含在一對平行感應板中,可以改變靜電紡絲過程中電場線的形狀和方向,從而控制紡絲納米纖維的飛行軌跡和空間定向。這種靜電紡絲裝置可以將電場線分成兩部分,分別指向上下感應板的邊緣。然后納米纖維沿著電場線移動,懸浮并排列在平行的感應板之間。最后,這種排列良好的納米纖維可以很容易地轉移到其他基底上進行進一步的表征和應用。利用PIES技術成功實現了平均直徑為(469±115)n m、長度為140 mm的取向納米纖維。此外,還可以方便地得到不同交角的納米纖維陣列和由排列的納米纖維形成的三維薄膜。

2 取向納米纖維在組織工程領域的應用研究

組織工程是當今比較熱門的跨學科和多學科研究領域之一。它涉及使用活細胞,通過細胞外環境或基因控制,以開發植入體內的生物替代物或以某種積極的方式促進組織重塑。組織工程的核心技術可分為3個領域:細胞技術、支架構建技術和體內集成技術。支架構建技術專注于設計、制造和表征用于細胞接種和體外或體內培養的三維支架。組織工程中理想的支架材料應滿足以下要求:(1)具有高孔隙率和適當的孔徑分布;(2)需要高表面積;(3)通常需要生物降解性,降解速率應與新組織形成速率相匹配;(4)支架必須具有所需的結構完整性,以防止支架孔隙在新組織形成過程中坍塌,并具有適當的機械性能。除此之外,支架還應具有無毒、生物相容的特點,與細胞之間有著積極的相互作用,以促進細胞在支架中的粘附、增殖、遷移和分化[16]。

人體具有各種組織,它們微觀結構有序,細胞排列規整,如肌肉、骨骼肌、血管、皮膚、神經等。近年來,靜電紡取向納米纖維因其超細直徑、超高比表面積、超高孔隙率、良好的力學性能和尺寸穩定性等特點,在組織工程領域的應用取得較大進展。憑借著這些特性它可以代替天然的細胞外基質纖維,能夠起到促進細胞生長、引導組織再生有序排列的作用[17]。隨著研究的不斷深入,目前已證實取向納米纖維可用于組織工程中的修復和再生。

2.1 血管組織

心血管類疾病給人們帶來的危害不可小覷,因而血管重建的研究非常重要。臨床外科針對血管組織工程研究提出兩種主要的重建方法:自體血管移植和假體血管移植,但兩種方法都存在一定的問題。自體血管移植會受到患者血管疾病或血管缺失等方面的限制,且術后發病率較高。而假體血管移植會出現生物相容性問題且可能會形成血栓。因而用組織工程方法制造的小口徑血管,有望解決以上問題[18]。

Xu等[19]研究了在靜電紡納米纖維墊上培養血管內皮細胞。通過比較電紡PLLA納米纖維和鑄造光滑PLLA膜上的細胞生長,發現血管內皮細胞在光滑PLLA膜上功能增強。由于靜電紡納米纖維墊能夠很好地支持血管平滑肌蚌細胞的生長,因此,平滑膜與靜電紡納米纖維墊結合在一起可以形成用于血管組織工程的良好3D支架。

Xu等[20]通過靜電紡絲制備了一種獨特的可生物降解的聚合物納米纖維支架。細胞形態學、粘附和增殖研究表明,冠狀動脈平滑肌細胞與該支架之間存在良好的相互作用,細胞沿纖維方向定向生長。與平面聚合物膜相比,平滑肌細胞在定向納米纖維支架上的粘附和增殖率顯著提高。試驗結果表明這種合成的定向基質結合了合成的可生物降解聚合物、模仿天然平滑肌細胞的納米尺寸和復制血管特定結構的優點,是一種理想的組織工程支架,尤其是在血管組織領域。

2.2 神經組織

神經組織是取向納米纖維在組織工程領域中應用最為廣泛的。神經系統結構和功能的復雜性,以及其緩慢的再生速度,使得在發生損傷時,與人體其他組織相比,治療難度更大。如今研發的對于神經系統的治療方法包括自體移植、異體移植和藥理學藥物的使用,都存在一些問題,不能完全修復損傷[21]。近年來,納米技術應用于組織工程的方法吸引了許多研究者以有效的方式指導組織再生。

WANG等[22]通過一種先進的干濕靜電紡絲方法制備了定向導電納米纖維束,并組裝成定向納米纖維紗后與水凝膠復合,形成水凝膠為“殼”,導電納米纖維紗線為“芯”的“芯-殼”結構支架,以模擬天然神經組織的3D層次排列結構,水凝膠殼模擬神經外膜層,在3D環境中起到保護神經細胞組織的作用。這種納米纖維結構的三維定向支架具有在三維環境中誘導神經突起定向延伸及誘導神經細胞沿納米纖維方向遷移的能力。

JIA等[23]通過研究首次證明納米纖維排列差異調節巨噬細胞的形狀和極化,從而影響周圍神經再生的結果。研究結果表明,排列整齊的納米纖維支架可顯著誘導巨噬細胞伸長,并使巨噬細胞極化,形成促進愈合的表型。此外,經定向納米纖維支架極化的巨噬細胞在體外可以促進雪旺細胞的增殖和遷移,由取向納米纖維構建的神經引導導管在體內能顯著提高促愈合巨噬細胞、雪旺細胞浸潤和軸突再生的比例。這些發現表明,至少有部分取向納米纖維通過調節巨噬細胞表型來促進周圍神經再生。

2.3 骨骼肌組織

體外骨骼肌組織的創建是近年來生物醫學研究領域最感興趣的課題之一,使用生物材料支撐結構或支架促進體外肌肉的形成也是一個活躍的研究領域。骨骼肌疾病的性質是復雜的,包括影響骨骼系統不同結締組織的廣泛病理學,包括骨骼、軟骨、肌肉、肌腱和韌帶。由于對許多此類疾病的病因缺乏了解,在大多數情況下,治療選擇僅限于控制癥狀,而非治療或預防[24]。一種可能的解決方案是使用電紡支架,因為其用于肌肉可能滿足骨骼肌疾病的需要,突出可能促進細胞組織的排列。

Par k等[25]開發了一種用來評估隨機排列和定向排列的電紡納米纖維的滲透性和取向對骨骼肌細胞的影響的策略,制備了隨機排列和定向排列的納米纖維的雜化支架,定向排列的納米纖維在支架表層指引細胞生長,隨機排列的納米纖維在支架底層起到支撐穩定的作用,有效模擬了由排列整齊的細胞外基質原纖維和隨機的膠原纖維網組成的結締組織。通過小鼠成肌細胞的研究表明該支架具有高孔隙率和滲透性,適用于骨骼肌組織工程。Thiers等[26]通過靜電紡絲和氧化石墨烯進一步表面改性制備了具有隨機取向和定向取向的可生物降解聚己內酯納米纖維,并將其用作骨骼肌細胞支架。通過掃描電鏡觀察細胞形態,研究表明,氧化石墨烯改性聚己內酯納米纖維支架影響細胞伸長,骨骼肌細胞與用氧化石墨烯修飾的生物相容性聚合物納米纖維的相互作用,可用于細胞支架和組織工程。

Perez Puyana等[27]選用聚己內酯作為制備支架的合成聚合物,顯示了其在組織工程中的應用潛力。研究人員選擇不同濃度的膠原和明膠作為蛋白質,與膠原支架相比,明膠支架的蛋白質含量更高。由于蛋白質的親水性,在初始配方中添加明膠可以增強支架的親水性,降低支架的纖維尺寸和力學性能,因此孔隙率較低,較低的纖維尺寸也更適合獲得更大的細胞粘附表面。根據形態學、力學和生物學評價,揭示了使用生物反應器制造離體骨骼肌組織的可能性,可促進細胞的增殖和分化。纖維排列不影響細胞體外增殖且纖維的排列對細胞的生長和活力起著重要作用。

2.4 骨組織

骨組織是人體的主要結構及支撐性結締組織,具有高度復雜的層次結構,以礦化膠原纖維為主要構建塊[28]。如今人們出現骨病骨損傷的情況比較普遍,組織工程技術結合納米技術和細胞再生功能為骨組織的修復再生提供了方法,通過靜電紡絲構建的新型支架為外科醫生提供了新的選擇。

Shao等[29]通過靜電紡絲和傳統紡織方法制備了聚乳酸/柞蠶絲素蛋白的納米纖維新型支架,模擬天然板層骨中膠原纖維基質的層次結構。當該混合物中聚乳酸和柞蠶絲素蛋白的比例為9∶1時,可以連續電紡成具有均勻直徑分布和良好拉伸強度的納米纖維紗線。基于該混合物的支架,力學性能非常優異,楊氏模量為417.65 MPa,抗拉強度為180.36 MPa。由相同材料制成的非織造支架的楊氏模量和拉伸強度分別為該編織支架的1/2和1/4。除此之外復合支架具有良好的細胞相容性、骨誘導性和再生活性,它不僅支持充質干細胞的粘附和增殖,也能促進成骨、堿性磷酸酶活性和礦化,重要的是它還能顯著促進兔股骨髁部損傷后新骨的形成,有望廣泛應用于骨組織工程。

El khouly等[30]將納米技術與骨組織工程相結合,以聚己內酯和明膠為基礎納米纖維層制備具有增強生物、物理和力學性能的雙層支架。分析表明,成功形成了無珠狀的均勻纖維,并在纖維內部摻入了納米顆粒。與復合單層支架相比,雙層支架的比表面積和總孔容均有所提高,而且增強了支架的性能,為骨組織工程領域的發展提供了潛在的途徑。

3 結語與展望

隨著納米技術的發展與進步,靜電紡絲作為一種簡便有效的納米材料制備技術在組織工程等領域中扮演了重要角色。通過科學家和研究工作者的努力,現有多種可以進行靜電紡和制備取向納米纖維的工藝和方法,但目前尚存在一些困難和問題。靜電紡取向納米紗線的力學性能會因為紡絲液濃度的增加而變差,因為在低濃度時出現的粘連現象會起到增大紗線強度的作用[31]。目前大多數制備納米纖維的方法仍處于實驗室階段,難以進行大規模批量化生產。相信研究人員今后通過一系列的技術改進能有效解決以上問題,利用取向納米纖維的特性和紡織結構優勢,豐富紗線類紡織品的種類,提升傳統紡織品附加值和內涵,在更多領域顯示出良好的應用前景。靜電紡絲取向納米纖維作為一種復雜的多功能納米材料,憑借著它自身纖維整齊有序的排列結構、良好的生物相容性促使納米纖維與細胞相互作用,有望在血管組織、神經組織、骨組織等領域中取得更好的進展,有著廣闊的應用前景。