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静电纺丝纳米纤维的应用进展

来源:动视网 责编:小OO 时间:2025-09-30 21:14:44
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静电纺丝纳米纤维的应用进展

静电纺丝纳米纤维的应用进展*李岩1,2,仇天宝2,周治南2,徐小燕1,2(1同济大学先进土木材料教育部重点实验室,上海201804;2同济大学材料科学与工程学院,上海201804)摘要近年来静电纺丝技术在制备纳米纤维领域得到了广泛应用,被认为是制备纳米纤维最简单有效的方法之一。通过静电纺丝法制备的纳米纤维具有长径比大、孔隙率高、比表面积大等优点,在过滤材料、生物医学、传感器以及其他特殊领域都有着良好的应用前景。主要介绍了近几年来国内外静电纺丝纤维在过滤吸附膜、生物医学、传感器、防护应用及其他一
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导读静电纺丝纳米纤维的应用进展*李岩1,2,仇天宝2,周治南2,徐小燕1,2(1同济大学先进土木材料教育部重点实验室,上海201804;2同济大学材料科学与工程学院,上海201804)摘要近年来静电纺丝技术在制备纳米纤维领域得到了广泛应用,被认为是制备纳米纤维最简单有效的方法之一。通过静电纺丝法制备的纳米纤维具有长径比大、孔隙率高、比表面积大等优点,在过滤材料、生物医学、传感器以及其他特殊领域都有着良好的应用前景。主要介绍了近几年来国内外静电纺丝纤维在过滤吸附膜、生物医学、传感器、防护应用及其他一
静电纺丝纳米纤维的应用进展*

李 岩1,2,仇天宝2,周治南2,徐小燕1,

(1 同济大学先进土木材料教育部重点实验室,上海201804;2 同济大学材料科学与工程学院,上海201804)摘要  近年来静电纺丝技术在制备纳米纤维领域得到了广泛应用,被认为是制备纳米纤维最简单有效的方法之一。通过静电纺丝法制备的纳米纤维具有长径比大、孔隙率高、比表面积大等优点,在过滤材料、生物医学、传感器以及其他特殊领域都有着良好的应用前景。主要介绍了近几年来国内外静电纺丝纤维在过滤吸附膜、生物医学、传感器、防护应用及其他一些特殊领域中的研究现状,并展望了静电纺丝纳米纤维的发展趋势和研究方向。

关键词  静电纺丝 纳米纤维 过滤材料 生物医学 传感器

Application Development of Electrosp

un NanofibersLI Yan1,

2,QIU Tianbao2,ZHOU Zhinan2,XU Xiaoy

an1,

(1 Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry 

of Education,Tongji University,Shanghai 201804;2 School of Materials Science and Engineering,Tongji University,Shang

hai 201804)Abstract  Electrospining technology has been widely used in the fabrication of nanofibers in recent years,which is perceived as one of the simplest and most effective methods to prepare nanofibers.Nanofibers fabricated byelectrospining have many advantages,such as large aspect ratio,high porosity and high specific surface area,whichenable nanofibers to have potential applications in the fields of filtration,biomedicine,sensors and other specific areas.Some research fields both at home and abroad as filtration,biomedicine,sensors,protection and so on are introduced.In addition,the developing 

trend and research direction of the electrospun nanofibers are prospected.Key 

words  electrospining,nanofiber,filtration,biomedicine,sensor *上海市自然科学基金(

11ZR1439300) 李岩:女,1974年生,博士,副教授,研究方向为聚合物的静电纺丝及聚合物加工改性 Tel:021-69582101 E-mail:yanl@tongji.edu.cn

0 引言

纳米纤维主要是指在三维尺度上有两维的尺寸处于纳米范围(1~100nm)

内的线(管)状材料。目前制造纳米纤维的方法有很多,如拉伸法[1]、模板合成法[2]、微相分离法[3]

、自

组装法

[4]

、静电纺丝法

[5-7]

等。其中静电纺丝法具有价格低

廉、设备简单、操作简易、高效等优点[6]

,是目前能够直接连

续制备纳米纤维唯一有效的方法。通过静电纺丝法制得的纳米纤维具有比表面积大、

孔隙率高、长径比大、力学性能好等优点[6,8],许多材料包括天然聚合物[9,10]、合成聚合物[11,12]

以及它们的混合物[13]

都可以通过静电纺丝成功制备纳米纤

维,因此吸引了人们在众多领域对静电纺丝纳米纤维进行广

泛地研究。目前,静电纺丝纳米纤维在过滤材料[14]

、药物传递[15]、伤口防护[16]、骨架组织工程[17,18]

等领域都有广泛的应

用,本文综述了近几年静电纺丝纳米纤维在这些领域的一些研究进展。

1 过滤吸附膜

1.1 过滤膜

静电纺丝纳米纤维直径小、比表面积大,由其制得的过

滤膜具有较高的过滤效率和较低的空气阻力,研究表明[19]

电纺丝纳米纤维膜的过滤效率一般随着纤维直径的减小而

增大。然而最近Zhang等[20]

的研究结果表明过滤效率不仅

取决于纳米纤维的直径,而且与纳米纤维的直径分布密切相关。Zhang通过静电纺丝得到尼龙-6超细纳米纤维,比较了该纳米纤维过滤效率与纤维直径的关系,发现平均直径为50nm的纳米纤维膜的过滤效率的确要优于平均直径为

100nm的纳米纤维膜的过滤效率,但同时发现纤维直径分布变宽时纤维膜会具有更高的过滤效率。

过滤效率高的优点使得静电纺丝纳米纤维膜可以用来过滤饮料。传统的饮料是采用过滤设备或者物理沉降技术来过滤的,这些工艺不仅成本高、效率低,而且有可能导致果

汁营养成分发生变化。Beatriz 

Veleirinho等[21]

通过静电纺丝制备具有良好力学性能的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纳米纤维膜,发现经过厚度为0.2mm PET纳米纤维过滤膜过滤得到的苹果汁在营养成分上并没有发生显著变化,而且与传统过滤方法相比,过滤效率提高了20倍。该方法过滤效率更高,过程更简单,成本更低廉。

除了用于传统的液体过滤之外,静电纺丝纳米纤维过滤膜还可以应用在其他诸如废气或污染物过滤等领域。如

·48·材料导报A:综述篇  2

011年9月(上)第25卷第9期

1.2 吸附膜

静电纺丝纳米纤维表面粘合性强,吸附力好,具有良好的阻隔性,因此还可用作吸附材料。目前大多应用在水和空气的净化与处理领域,可以吸附其中的杂质,尤其是重金属离子和污染物颗粒,从而起到净化水质和空气的作用。吸附是一种极其有效的除去水溶液或空气中金属离子和污染物的方法,因此廉价易得的吸附剂成为人们争相研究的对象。近年来关于静电纺丝纳米纤维吸附膜的研究主要集中在静电纺丝制备壳聚糖及其他一些廉价易纺聚合物如聚丙烯腈的纳米纤维膜方面,并研究这些纳米纤维膜对溶液中重金属离子和空气中污染物的吸附。

壳聚糖静电纺丝纳米纤维膜对水溶液中重金属离子的吸附能力很强。Sajjad Haider等[23]用碳酸钾中和的壳聚糖静电纺丝纳米纤维膜对Cu2+的吸附量可达到485.44mg/g,主要是由于冷冻干燥后的壳聚糖纳米纤维具有多孔结构,孔内部的物理吸附和外部基团螯合作用导致吸附量急剧增加,远高于珠粒状壳聚糖及片状壳聚糖对Cu2+的吸附量(分别为80.71mg/g[24]和45.20mg/g[25])。

静电纺丝聚丙烯腈得到的纳米纤维经过偕胺肟改性之后对金属离子具有高度的亲和力,因此很适合用来进行金属离子的吸附。实验研究表明[26],偕胺肟改性聚丙烯腈纳米纤维膜的最大饱和吸附量为52.70mg/g(Cu2+)、263.45mg/g(Pb2+),且在1mol/L的HNO

溶液中浸泡1h后90%的已吸附金属离子会被解吸附。因此偕胺肟改性聚丙烯腈纳米纤维膜在解吸附之后可以被反复使用。

Keyur Desai等[27]静电纺丝高分子量壳聚糖(脱酰度80%)和聚环氧乙烷的混合物(90/10),成功地在无纺聚丙烯基质上制得了连续纳米纤维过滤膜。该纳米纤维过滤材料可以吸附空气中的污染颗粒,对粒径3μm的聚苯乙烯乳胶粒进行吸附发现,1g/m2纳米纤维膜的吸附效率为50%,3g/m2纳米纤维膜的吸附效率则达到了70%,都可以除去1/2以上甚至更高的污染物颗粒,因此壳聚糖/聚环氧乙烷的纳米纤维膜可用于污染物颗粒的过滤。

2 生物医学

2.1 药物传递

医学上为了达到最佳的治疗效果,人们希望在某些治疗过程中体内的药物逐步释放到身体组织中[28],而某些治疗过程则需要非常快速的药物释放速率[29]。利用载药纳米纤维精确控制药释系统就可以达到这种要求。近些年的研究已经从口服、大剂量的快速释药系统转而研究采用载药的生物相容性静电纺丝纳米纤维来进行小剂量、慢速、载入身体内

部的药物传递治疗。

Xu等[28]进行了抗癌药卡氮芥(BCNU)在静电纺丝乙二醇-L-乳酸共聚物(PEG-PLLA)纳米纤维膜中的控制释放实验。通过PEG-PLLA纳米纤维膜中的BCNU释放对神经胶质瘤C6细胞的影响研究发现,自由BCNU的抗癌性在48h内即消失,而载有BCNU的PEG-PLLA纤维膜在72h后仍有较好的抗癌性。且实验证明随着载药量BCNU的增加,药物的释放速率和初始的突释效应都会明显增加。因此可通过改变载药BCNU的含量来获得所需要的最佳药释时间,从而达到最理想的治疗效果。

Bolgen等[29]静电纺丝聚己内酰胺(PCL)(13%)的氯仿/二甲基甲酰胺(30/70)溶液得到了纳米纤维膜。该纳米纤维膜浸入抗生素溶液,药物被吸附在静电纺丝膜的表面。对释放速率的研究发现该载药纳米纤维在初始3h内有近80%的药物被释放,18h后完全释放干净。这对于治疗外伤感染非常有利,因为外伤感染基本是在外伤发生后的几小时内发生的,采用这种载药纳米纤维可在极短时间内就达到药物治疗的效果。

Jiang[30]研究了载有聚乙二醇-g-壳聚糖(PEG-g-chi-tosan)的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)静电纺丝纳米纤维用于控制布洛芬药物的传递。PEG-g-chitosan的存在极大地改善了PLGA纳米纤维膜中的布洛芬释放速率。实验证明共轭连接到PEG-g-chitosan侧链上的布洛芬释放时间超过2周,因此在较长的一段时间内对病人有较好的治疗作用。利用静电纺丝制备聚乳酸-羟基乙酸共聚物/壳聚糖(PLGA/壳聚糖)纳米纤维并用来制备PLGA/壳聚糖纳米骨架[31],随着纳米骨架中壳聚糖的含量增加,载药释放速率会加快,这主要是由于壳聚糖带有羟基和氨基使得纳米骨架的亲水性增强所致。因此,也可以通过改变PLGA/壳聚糖纳米骨架中本身壳聚糖的含量来调节药物释放速率。

同轴静电纺丝技术是近年来发展起来的静电纺丝新技术,可用来制备壳-芯结构的药物包覆纳米纤维。何创龙[32]成功地采用同轴共纺技术将脂溶性的白藜芦醇、水溶性的硫酸庆大霉素和盐酸四环素包覆到两种生物可降解的聚合物PCL和PLLA超细纤维中。这些复合纤维的壁厚在100nm左右,可以被直接包埋在人体组织中,并且在较短时间内完全降解,生物相容性好,没有明显副作用,可在医疗等领域发挥重要作用。

2.2 支架组织

静电纺丝纳米纤维制得的人工支架组织由于其长久使用性和特殊功能性,要求使用的聚合物与生物组织必须要具有良好的生物相容性和结构相容性。纳米纤维人工支架的主要机理是纳米纤维支架能够提供细胞依附和增殖的三维环境,从而引导成长中的细胞融合进入复杂的生物组织中。近些年,静电纺丝在支架组织方面的研究主要集中在制备具有较高强度和较好生物相容性的支架组织,在人体内协助甚至取代原有器官的生物性作用。

文献[33]报道了PVA、PLGA无规共聚物、PLA-β-PEGVβ-PLA三嵌段共聚物及乳酸的混合物静电纺丝纳米纤

·

·

静电纺丝纳米纤维的应用进展/李 岩等维制备支架组织。该支架组织既有合适的降解时间、力学强度以及良好的亲水性,又有高孔隙率和可调生物降解性,因此已用于细胞储存和传递。Shalumon[34]通过静电纺丝几丁质衍生物(CMC)和PVA的混合物成功制得了CMC/PVA纳米纤维支架,该支架与生物体具有良好的相容性,已被应用于生物支架工程。Inoguchi等[35,36]利用静电纺丝聚(L-乳酸钴-ε-己内酯)制得用于血管移植的管状支架,通过改变该管状支架的厚度可获得更兼容的骨架来模仿脉动流,从而更好地模仿原生动脉,静脉内皮细胞黏附测试结果表明该骨架有很好的细胞黏附特性。

2.3 干细胞的研究

近年来对于静电纺丝纳米纤维在干细胞培养方面的研究日渐升温,但是目前报道的文献数量较少。有研究表明静电纺丝制备的聚己内酯(PCL)支架能够支持体外培养的干细胞分化为软骨细胞,维持细胞表型并促进细胞增殖。Kun等[37]在室温条件下以1∶1的质量比混合PLGA和骨胶原粉末进行静电纺丝,制得骨胶原/PLGA纳米纤维膜。通过对比实验发现,1h后骨髓造血干细胞对聚苯乙烯培养基质的吸附量仅为1.9%,但骨胶原混合的PLGA纳米纤维膜对骨髓造血干细胞捕获吸附能力明显提高,可以达到29%,因此该纳米纤维可以作为骨髓造血干细胞的捕获和携带基质。Xin等[38]静电纺丝PLGA制得平均直径为(760±210)nm的无纺纳米纤维。在该纳米纤维膜上植入密度为2×106细胞/mL的间质干细胞,经过2周的培养后发现间质干细胞仍对hKL12抗体具有免疫作用。同时SEM结果表明间质干细胞已黏附到PLGA纳米纤维骨架上,且PLGA骨架上间质干细胞的DNA浓度变大,表明间质干细胞在该骨架上发生了增殖。

3 伤护应用

与传统织物相比,静电纺丝纳米纤维膜具有更好的气体交换能力和湿蒸气的扩散能力,可以充分吸收分泌物,透气透湿性好,因此可将其应用于伤护领域。早期研究主要集中在防护服、防毒口罩等外部防护织物领域,近年来则越来越多地倾向于作为可降解内敷料的伤护应用,将其作为生物敷料、可降解绷带等内敷性物料用来取代原有的外部防护用品,且与生物组织有高度的相容性,不会产生感染等副作用。

Torres Vargas等[39]通过静电纺丝带有金盏的超支化聚甘油(HPGL)的甲醇/二甲基甲酰胺溶液得到具有生物活性的HPGL纳米纤维膜。皮肤刺激性测试结果表明该纳米纤维膜对兔子的皮肤没有刺激性,且膜与生物组织之间具有良好的整合效应。实验发现在皮肤伤口外部涂敷这种纤维膜后第二天就开始产生皮肤再生效应,第五天后皮肤再生过程基本全部完成。因此该膜可以作为一种良好生物相容性的创口愈合剂在伤护领域得到应用。

黄争鸣等[40]采用同轴共纺技术成功制得以乙酰螺旋霉素片剂和明胶蛋白质为芯质材料,以可生物降解的聚己内酯为皮层材料的复合纳米纤维。实验发现可以将药物包覆在壁厚小于100nm的超细纤维中,这种纳米纤维衬垫可用作体

内手术伤口缝合线或大面积创伤如烧伤伤口的敷布,其可以生物降解在体内而无需取出。

夏苏等[41]指出采用可降解静电纺丝纳米纤维代替纱布等敷料,不仅可使伤口免受细菌、灰尘的感染,而且又能让受体有效地与外界进行物质和能量交换,有利于伤口愈合,还能使皮肤不留疤痕。Chen等[42]静电纺丝骨胶原、壳聚糖和环氧乙烷的混合乙酸溶液,纳米纤维在戊二醛蒸气中进行交联,交联后的纳米纤维膜具有良好的耐水性。伤口愈合实验中在老鼠的背部剪下2cm×2cm的区域,并分别用3种同样大小的不同材料(静电纺丝纳米纤维膜、纱布以及胶原蛋白海绵)进行覆盖,在不同时间测定伤口的面积,比较3种材料下的愈合效果。研究发现21天后静电纺丝纳米纤维膜覆盖的伤口面积已经减小到5%以下,并且同时间内纳米纤维膜的愈合效果要好于纱布和胶原蛋白海绵。

4 传感器

传感器的灵敏度与每单位质量膜的表面积成正比,静电纺丝纳米纤维的比表面积很大(约为1000m2/g),因此可将纳米纤维用在传感器方面来大大提高其灵敏度[43]。

纳米纤维作为传感器的应用主要集中在两方面,一是对空气中有毒气体如CO等的探测。Lin等[44]通过静电纺丝醋酸铟/PVA(物质的量比1/10)的混合溶液得到纳米纤维膜,煅烧该纳米纤维膜就可以得到多孔的氧化铟纳米纤维传感器,该传感器具有很大的比表面积,对CO的吸收吸附具有较大的响应,可用来探测空气中CO的含量。Bin等[45]以石英晶体为基质,静电纺丝聚丙烯酸(PAA)与PVA的混合溶液,得到的纳米纤维膜可以用来制备对NH

非常敏感的气体传

感器,用于工厂车间中NH

的探测。

纳米纤维作为传感器的另一大应用则是将其用作生物传感器来探测生物体内的有毒细胞,从而更广泛地应用于医疗领域。Luo等[46]静电纺丝8%(质量分数)纤维素的THF和DMF(60/40)混合溶液,在聚偏二氯乙烯基质上得到纳米纤维无纺膜,并在戊二醛蒸气中进行交联。病原性细菌测试的结果表明,静电纺丝生物传感器的响应与大肠杆菌的浓度成正比,响应极限浓度可低至61CFU/mL。同样对牛病毒性腹泻病毒(BVDV)的响应测试表明,BVDV浓度仅为1000CCID/mL生物传感器就有响应。可以看出纤维素纳米纤维膜制备的生物传感器具有非常高的灵敏度,可用于探测人体中存在的病毒性细胞。

5 某些特殊领域的研究应用

静电纺丝纳米纤维的优异性能使其在某些特殊领域也有着非常广阔的应用前景。如静电纺丝聚丙烯腈-聚吡咯的纳米纤维碳化后得到的碳化纳米纤维能作为能量储存器(如超级电容器或可充电锂离子电池)的电极[47]。借助活性磁电子喷射技术在静电纺丝硅纳米纤维表面覆盖一层氮化铝薄膜,可获得质轻、高表面积的弹性纳米纤维[48]。还可用特殊的聚合物或选择一些溶剂涂层的静电纺丝纳米纤维膜制作分子过滤器,用于化学和生物武器试剂的探测和过滤[49]。

·

·材料导报A:综述篇  2011年9月(上)第25卷第9期6 结语

由于静电纺丝纳米纤维膜在生物医学,包括骨架组织、药物传递、干细胞等领域有着其他材料所无法比拟的优点,因此它在生物医学领域的应用将是未来静电纺丝纳米纤维研究与发展的主要方向。此外,尽管静电纺丝技术具有设备简单、操作性强、高效等优点,但大范围的工业化生产尚未解决,预计未来随着静电纺丝技术从实验室走向车间生产流水线,静电纺丝纳米纤维将会得到更加广泛的推广和应用。

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·88·材料导报A:综述篇  2

011年9月(上)第25卷第9期

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静电纺丝纳米纤维的应用进展

静电纺丝纳米纤维的应用进展*李岩1,2,仇天宝2,周治南2,徐小燕1,2(1同济大学先进土木材料教育部重点实验室,上海201804;2同济大学材料科学与工程学院,上海201804)摘要近年来静电纺丝技术在制备纳米纤维领域得到了广泛应用,被认为是制备纳米纤维最简单有效的方法之一。通过静电纺丝法制备的纳米纤维具有长径比大、孔隙率高、比表面积大等优点,在过滤材料、生物医学、传感器以及其他特殊领域都有着良好的应用前景。主要介绍了近几年来国内外静电纺丝纤维在过滤吸附膜、生物医学、传感器、防护应用及其他一
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