一、研究背景

在過(guò)去的幾十年里，納米技術(shù)得到了廣泛的研究，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。通過(guò)納米技術(shù)獲得的納米材料以其優(yōu)異的性能受到廣泛關(guān)注，并對(duì)各行各業(yè)，尤其是醫(yī)療行業(yè)產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響。

電紡絲技術(shù)作為一種制備連續(xù)微納米聚合物纖維的簡(jiǎn)單而低成本的方法，已逐漸成為研究的重點(diǎn)。電紡絲工藝?yán)脭?shù)千伏至數(shù)萬(wàn)伏的高壓靜電斥力，從聚合物溶液中制備纖維，并合成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。目前，已有明膠、蠶絲纖維素、殼聚糖、膠原蛋白等 200 多種天然聚合物和復(fù)合材料，以及聚己內(nèi)酯（PCL）、聚乳酸、聚乳酸-共聚乙醇酸等大量合成聚合物被應(yīng)用于電紡絲技術(shù)系統(tǒng)。

利用靜電力生產(chǎn)纖維的方法已有 100 多年的歷史。1902 年，Morton 和 Cooley 申請(qǐng)了兩項(xiàng)電紡絲專利，并描述了電紡絲裝置的原型。1934 年，Formhals 發(fā)明了一種利用靜電力制備聚合物纖維的實(shí)驗(yàn)裝置并申請(qǐng)了專利。他的專利公布了聚合物溶液如何在電極之間形成噴流；這是第一個(gè)詳細(xì)描述利用高壓靜電制備纖維的裝置的專利，被認(rèn)為是利用電紡絲技術(shù)制備纖維的開端。自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，在 Reneker 等人證明了用幾種聚合物制備電紡納米纖維的可行性后，有關(guān)電紡的出版物數(shù)量急劇增加。

電紡絲已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。一方面得益于納米技術(shù)的飛速發(fā)展，另一方面得益于其獨(dú)特的材料特性。電紡獲得的納米纖維具有可塑性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)柔韌、表面積體積比大等特點(diǎn)，能增強(qiáng)細(xì)胞的粘附、增殖和分化活性。最新文獻(xiàn)表明，電紡技術(shù)可對(duì)組織工程材料進(jìn)行納米表面修飾，控制蛋白質(zhì)吸附和蛋白質(zhì)層的生化構(gòu)建，從而建立 “自下而上 ”的納米級(jí)特征，可用于引導(dǎo)表面親水性、氧化層厚度或功能基團(tuán)分布，形成類似細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的納米結(jié)構(gòu)，模擬生物環(huán)境，影響細(xì)胞行為、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和營(yíng)養(yǎng)輸送。因此，它們?cè)诮M織工程領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注和研究。此外，靜電紡絲納米纖維膜材料在構(gòu)建藥物輸送系統(tǒng)方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，這不僅是因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫纳锵嗳菪院桶踩裕€因?yàn)樗鼈兙哂休^大的比表面積-體積比，可以使藥物以較低的成本保持較高的有效表面積。更值得注意的是，靜電紡絲納米纖維膜還能靈活選擇載藥材料，并提供多種載藥方法，如涂層和封裝。值得一提的是，在冠狀病毒疫情不斷對(duì)人們的生活造成重大影響的今天，電紡絲納米纖維膜具有孔隙率高、孔徑大小可調(diào)、纖維直徑小等優(yōu)點(diǎn)，為醫(yī)療防護(hù)用品的生產(chǎn)提供了許多新思路。最近，越來(lái)越多由電紡絲納米纖維制成的生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品被批準(zhǔn)用于臨床。

近年來(lái)，隨著電紡絲技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電紡絲設(shè)備從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。一些制造商通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電紡絲進(jìn)行改造，開發(fā)出了提高電紡絲產(chǎn)品生產(chǎn)能力的新方法，并成功地使電紡絲納米纖維產(chǎn)品以相對(duì)安全的方式、相對(duì)簡(jiǎn)單的操作走向市場(chǎng)。在醫(yī)療領(lǐng)域，一些電紡納米纖維膜材料已成功申請(qǐng)專利并投入商業(yè)生產(chǎn)，用于外科植入物、敷料和醫(yī)療器械。

本綜述簡(jiǎn)要介紹了電紡納米纖維膜制備的基本原理，并對(duì)近年來(lái)電紡納米纖維膜在各個(gè)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了分類和討論。下文將介紹電紡絲技術(shù)的基本原理及其近年來(lái)的改進(jìn)和發(fā)展。在第 3-6 節(jié)分別詳細(xì)介紹了近年來(lái)電紡納米纖維膜在支架工程、傷口敷料、腫瘤診療傳感器開發(fā)、防護(hù)設(shè)備開發(fā)等醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。最后，我們從更廣泛的角度總結(jié)了電紡納米纖維膜在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，并探討了電紡技術(shù)的發(fā)展前景。

二、摘要

電紡絲是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、靈活、可行的連續(xù)微納米聚合物纖維制備技術(shù)，由于其多功能性和制造高度可調(diào)納米纖維網(wǎng)絡(luò)的能力，在過(guò)去幾十年中引起了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛興趣。利用電紡絲設(shè)備制備的納米纖維膜材料具有適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的優(yōu)良特性，如高比表面積、強(qiáng)可塑性，以及能夠操縱其納米纖維成分以獲得所需的特性和功能。本世紀(jì)以來(lái)，隨著納米材料的日益普及，電紡納米纖維膜逐漸被廣泛應(yīng)用于各個(gè)醫(yī)療領(lǐng)域。本文綜述了電紡納米纖維膜材料的研究進(jìn)展，包括電紡的基本工藝、材料的發(fā)展及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。本綜述的主要目的是討論電紡納米纖維膜材料的最新研究進(jìn)展，以及近年來(lái)在醫(yī)療領(lǐng)域各種應(yīng)用中出現(xiàn)的各種新型電紡技術(shù)。近年來(lái)電紡納米纖維膜材料在組織工程、傷口敷料、癌癥診斷和治療、醫(yī)療防護(hù)設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用是本綜述討論的主要內(nèi)容。最后，系統(tǒng)總結(jié)了電紡納米纖維膜材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，并討論了其前景。總的來(lái)說(shuō)，電紡絲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因?yàn)樗且环N用于制造微纖維和納米纖維的實(shí)用而靈活的技術(shù)。

三、結(jié)論

與使用其他技術(shù)獲得的納米纖維膜材料相比，使用電紡絲技術(shù)獲得的納米纖維膜材料具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（高可塑性、比表面積和多孔性）。利用電紡絲設(shè)備獲得納米纖維膜支架比其他大多數(shù)技術(shù)更簡(jiǎn)單、更便宜。大型儀器公司正在探索其工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，各種新的電紡絲技術(shù)也正在開發(fā)中（各種新型電紡絲技術(shù)也在不斷開發(fā)中）。納米表面改性的簡(jiǎn)易性和紡絲材料選擇的多樣性使研究人員能夠探索新的支架結(jié)構(gòu)，并在骨和軟骨、血管移植物、人工心臟瓣膜和仿生心肌組織方面取得了突破性進(jìn)展。靜電紡絲納米纖維薄膜直徑小、孔徑可調(diào)，在制造傷口敷料和醫(yī)療防護(hù)用品方面也顯示出優(yōu)勢(shì)。無(wú)溶劑或綠色溶劑電紡絲方法近年來(lái)也備受關(guān)注，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域。利用綠色溶劑電紡絲獲得納米纖維結(jié)構(gòu)，能夠用化學(xué)成分替代納米纖維成分，可有效避免一系列副作用，并能有效提高藥物療效。由此可見，電紡納米纖維膜材料的應(yīng)用應(yīng)繼續(xù)發(fā)展下去。

圖1.典型靜電紡絲裝置示意圖

圖2.a 通過(guò)電紡絲和逐步原位生物合成法制備了納米纖維細(xì)菌纖維素（BC）和亞微纖維醋酸纖維素（CA）的小直徑復(fù)合血管移植物。b 制造微加工聚甘油癸二酸酯（PGS）薄片；將 PGS 薄片置于兩個(gè)鋁電極之間并接地。在 PGS 層的兩側(cè)放置 PGS/聚己內(nèi)酯（PCL）纖維，進(jìn)行電紡絲。這種纖維膜支架用于瓣膜修復(fù)。c PCL 和 PGS 纖維已用于心臟組織工程。

圖3.a 用于體內(nèi)修復(fù)顱骨缺損的shish-kebab（SK）結(jié)構(gòu)電紡絲支架的制備和應(yīng)用。b 組織工程骨膜用于修復(fù)骨缺損。c 制作同軸 PGS-KGN/PCL 對(duì)齊納米纖維并將纖維膜應(yīng)用于軟骨修復(fù)。

圖4.a 電紡絲 PPY/SF 導(dǎo)電復(fù)合納米纖維膜支架及其促進(jìn)神經(jīng)再生的可能機(jī)制。b 采用電紡絲方法制備了殼聚糖（CH）、聚乙烯醇（PVA）和絲墊混合材料，并應(yīng)用于全厚傷口 6 切口大鼠模型，評(píng)估了移植 CH-PVA + 絲墊預(yù)植間充質(zhì)干細(xì)胞衍生角質(zhì)細(xì)胞的傷口愈合潛力。

圖5.a 蜂蜜/SA/PVA 納米纖維膜的生產(chǎn)過(guò)程和照片 。b UTG-PVDF 納米復(fù)合膜的合成過(guò)程及其在近紅外光照射下的滅菌原理。c 癌癥抗原-125 免疫傳感器的構(gòu)造及作用原理示意圖。

圖6.a 利用該溶液通過(guò)電紡絲法制備了 PMMA/ZnO-Ag 納米粒子（Ag NFS），并將其用于制作防護(hù)服。b 通過(guò)無(wú)針電紡制備聚乳酸納米纖維過(guò)濾層，用于制造三層棉-聚乳酸-棉分層生物可降解面膜。