趙小紅，劉桂陽，段春梅

(江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226006)

靜電紡纖維在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用

趙小紅，劉桂陽*，段春梅

(江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226006)

靜電紡絲技術(shù)是目前為止制備納米級超細(xì)纖維的最簡單有效方法之一。靜電紡纖維超細(xì)的纖維細(xì)度賦予纖維網(wǎng)較小的纖維網(wǎng)孔，較高的孔隙率以及較大的比表面積，使其在生物醫(yī)用領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。介紹了靜電紡纖維在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

靜電紡纖維；生物醫(yī)用；應(yīng)用

靜電紡絲技術(shù)是使帶電的高分子溶液(或熔體)在靜電場中流動(dòng)變形，經(jīng)溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻而固化，從而得到纖維的一種方法。靜電紡絲技術(shù)制得的纖維直徑可達(dá)納米級，纖維精細(xì)程度與均一性高，其纖維網(wǎng)具有孔隙率高、比表面積大，從而賦予靜電紡絲纖維廣泛的應(yīng)用前景。將生物相容性好的材料經(jīng)靜電紡絲技術(shù)制備成纖維網(wǎng)可用于生物醫(yī)用領(lǐng)域，適用于人體內(nèi)外，包括組織工程支架、表面敷料、藥物緩釋、醫(yī)用繃帶、呼吸面罩等各方面。本文對靜電紡纖維在生物醫(yī)用領(lǐng)域中的應(yīng)用作一綜合介紹。

1 人體組織工程支架

組織工程就是應(yīng)用生命科學(xué)與工程學(xué)的原理和技術(shù)，在正確認(rèn)識(shí)哺乳動(dòng)物正常及病理2種狀態(tài)下的組織結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系基礎(chǔ)上，研究開發(fā)用于修復(fù)、維護(hù)、促進(jìn)人體各種組織或器官損傷后功能和形態(tài)的生物替代物的一門新興學(xué)科。目前應(yīng)用于生物組織工程支架,因其在結(jié)構(gòu)和功能上與天然細(xì)胞外基質(zhì)相似,且有較好的生物相容性及一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在組織修復(fù)領(lǐng)域，靜電紡絲納米纖維支架材料的應(yīng)用范圍已經(jīng)很廣，如骨、軟骨、肌腱、神經(jīng)、血管、皮膚等的修復(fù)和再生[1]。

1.1 骨組織

隨著人口增加，外傷及骨病的發(fā)病率上升，臨床行骨重建手術(shù)迫切需要一種理想的材料替代自體移植或同種異體移植。生物材料研究及制備工藝的快速發(fā)展，越來越多的新材料、新工藝被用于組織修復(fù)用支架材料的研究，其中靜電紡絲納米纖維材料已經(jīng)受到眾多研究者的關(guān)注，并成為組織工程材料研究的熱點(diǎn)。靜電紡絲技術(shù)制備的三維結(jié)構(gòu)組織修復(fù)支架材料有利于骨細(xì)胞的浸潤生長、干細(xì)胞分化和組織形成，從而達(dá)到骨缺損組織再生的目的。目前，利用靜電紡絲方法制備出了具有三維結(jié)構(gòu)的羥基磷灰石纖維及其支架材料。羥基磷灰石納米粒子與聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)共混合，利用靜電紡絲方法制備了復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米纖維，并通過熱處理制備了羥基磷灰石納米纖維三維多孔支架[2]，該支架在體外的細(xì)胞培養(yǎng)過程中與細(xì)胞間具有良好的相互作用，包括細(xì)胞的黏附和增殖行為。此外，利用靜電紡絲技術(shù)復(fù)合聚乳酸和無定形磷酸鈣也成功制備出具有快速礦化功能的復(fù)合納米纖維[3]。與聚合物材料需要數(shù)周的礦化時(shí)間相比，該材料的礦化周期可縮短在24 h之內(nèi)，且制備的礦化纖維表面為片狀羥基磷灰石包覆的結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)成骨樣細(xì)胞的黏附、伸展和增殖。具有三維結(jié)構(gòu)的生物支架材料在近年骨組織工程中越來越受到關(guān)注，被視為理想的骨替代材料。靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維具有孔隙率高、孔徑可調(diào)、高比表面積、生物相容性好等特點(diǎn)。隨著細(xì)胞培養(yǎng)和移植技術(shù)的發(fā)展以及生物材料學(xué)的進(jìn)步，組織工程化人工肌腱成為研究熱點(diǎn)之一，并有望最終解決肌腱缺損問題[4]。然而制備理想的生物材料，包括骨誘導(dǎo)、血管化、生物相容性、可降解性等功能是骨組織工程面臨的難題，隨著材料學(xué)的進(jìn)步和制作工藝的發(fā)展，靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用于骨組織工程可得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

1.2 軟骨組織

退變、創(chuàng)傷等導(dǎo)致的關(guān)節(jié)軟骨損傷是骨科常見病，也是臨床治療的難點(diǎn)[5-7]。修復(fù)缺損的關(guān)節(jié)軟骨，對于恢復(fù)關(guān)節(jié)生理解剖的完整性和維持生物力學(xué)的穩(wěn)定性具有決定性作用[8]。然而關(guān)節(jié)軟骨周圍無血管和淋巴管，依靠關(guān)節(jié)液營養(yǎng)，其自我修復(fù)能力有限，所以一旦損傷難以修復(fù)[9]，目前臨床上關(guān)節(jié)軟骨損傷的修復(fù)仍未得到很好的解決[10]。組織工程技術(shù)的發(fā)展為解決軟骨損傷修復(fù)這一難題提供了可能性[11-12]。Li等[13]采用靜電紡絲法制成聚己內(nèi)酯納米纖維支架，將骨髓干細(xì)胞接種于支架表面，在不同培養(yǎng)環(huán)境中分別誘導(dǎo)形成了脂肪組織、軟骨組織、骨組織，說明該技術(shù)制成的聚己內(nèi)酯支架可用于多種組織工程構(gòu)建。為了能使電紡的纖維支架具有生物活性物質(zhì)緩釋功能，研究人員開發(fā)出了同軸共紡技術(shù)。Jiang等[14]通過同軸共紡技術(shù)制備以聚乙內(nèi)酯為殼，牛血清蛋白為芯的纖維，結(jié)果表明牛血清蛋白可以從殼-芯式結(jié)構(gòu)中緩慢釋放出來。但該方法制作支架耗時(shí)長，支架的大批量生產(chǎn)較困難，并且對于較大支架的制備仍有許多技術(shù)難題需要克服[15]。

1.3 肌腱組織

肌腱是一類典型的規(guī)則致密結(jié)締組織，其功能是使肌肉附著于骨或筋膜上，以保證機(jī)體的正常運(yùn)動(dòng)[16-17]。肌腱損傷為臨床上常見的損傷，美國每年有75 000例前交叉韌帶拉傷和5 000 000例腕短伸肌脫傷[18]。肌腱組織自身修復(fù)能力有限，缺損后常無法自行修復(fù)，肌腱修復(fù)的傳統(tǒng)方法主要有自體肌腱移植、同種異體肌腱移植和異種肌腱移植等，但由于存在供體肌腱缺乏或免疫排斥反應(yīng)等問題，損傷肌腱的修復(fù)是臨床上面臨的難題之一[19]。利用靜電紡絲獲得的支架材料在納米尺度上模仿天然細(xì)胞外基質(zhì)，可促進(jìn)細(xì)胞的遷移和增殖，具有孔隙率高、精細(xì)程度高、比表面積大、均一性好等優(yōu)點(diǎn)，通過不同的物質(zhì)共混，可以獲得不同特性的生物支架材料[20]。Lucy等[21]利用靜電紡絲技術(shù)制備出聚己內(nèi)酯納米纖維，用于再生肌腱損傷的修復(fù)。靜電紡絲技術(shù)可較容易地產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)細(xì)胞外基質(zhì)及可控的機(jī)械性能和體系結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的支架結(jié)構(gòu)類似于組織細(xì)胞外基質(zhì)，可為細(xì)胞和組織提供更好的成長環(huán)境[22]。組織工程上要求某些材料具有各向異性，即在制備材料的時(shí)候使其微結(jié)構(gòu)在某一方向上有序，但靜電紡絲常形成無規(guī)取向的非織造布，在一定程度上限制了其在組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用[23]。目前尚未找到與肌腱力學(xué)性能、降解速度等相匹配的材料。

1.4 神經(jīng)組織

神經(jīng)系統(tǒng)再生能力有限，外傷、腫瘤切除、先天畸形等原因造成的神經(jīng)損傷均會(huì)導(dǎo)致其支配區(qū)的感覺喪失、運(yùn)動(dòng)障礙及神經(jīng)源性疼痛等不適。對于長段周圍神經(jīng)缺損，采用自體神經(jīng)移植修復(fù)雖然效果尚可，但是存在來源受限、殘留供區(qū)感覺功能障礙、增加供區(qū)創(chuàng)傷、需要多次手術(shù)等缺點(diǎn)[24-25]。隨著組織工程學(xué)的發(fā)展，利用組織工程技術(shù)制作各種支架，為神經(jīng)損傷修復(fù)帶來了新希望。在神經(jīng)再生過程中軸突生長和神經(jīng)細(xì)胞遷移是不可或缺的，可通過引導(dǎo)神經(jīng)軸突的定向生長來形成突觸間連接，幫助神經(jīng)功能恢復(fù)。神經(jīng)細(xì)胞定向遷移至損傷部位后，可以分泌神經(jīng)生長因子(NGF)支持神經(jīng)元再生，恢復(fù)神經(jīng)功能。神經(jīng)細(xì)胞能分泌多種NGF，對神經(jīng)功能發(fā)揮起重要的調(diào)控作用。Li等[26]用靜電紡絲法制備了能持續(xù)釋放NGF的納米纖維支架，該支架可促進(jìn)細(xì)胞軸突生長。但目前大部分仍停留于對細(xì)胞和支架生物相容性等的研究，要將該類支架材料用于臨床修復(fù)神經(jīng)損傷，還有很多問題需要解決。

1.5 血管組織

目前，全球每年約1 700萬人死于心腦血管疾病，預(yù)計(jì)到2020年每年死亡人數(shù)將達(dá)2 500萬人[27]。隨著心血管疾病發(fā)病率的上升以及機(jī)械外傷的頻發(fā)，臨床急需各種直徑的血管替代物修復(fù)損傷血管。自體血管和人工血管是目前臨床應(yīng)用的主要血管移植物。自體血管受供體來源、直徑及長度等限制，人工血管雖來源豐富，但與天然血管順應(yīng)性不匹配，植入后易形成血栓、導(dǎo)致內(nèi)膜增生，遠(yuǎn)期通暢率低，尤其不適合小直徑血管移植。血管組織工程為解決血管移植物來源問題提供了有效途徑，是近年研究熱點(diǎn)。2002年日本研究人員首次報(bào)道組織工程方法構(gòu)建血管移植物，采用聚己內(nèi)酯PCL、PLA和PGA制備多孔網(wǎng)狀支架，種植自體骨髓細(xì)胞后植入人體內(nèi)，臨床隨訪結(jié)果顯示，植入體內(nèi)32個(gè)月后血管移植物仍保持通暢[28-29]。支架是血管組織工程臨床應(yīng)用前需解決問題之一，滿意的支架材料應(yīng)盡可能模擬天然血管ECM三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及生理功能，具有良好的生物相容性(包括抗凝血、抗炎、非免疫原性、允許細(xì)胞黏附和生長等生物學(xué)性能)，可模擬天然血管彈性和順應(yīng)性，易于加工成形，并具有縫合性和滅菌性等特點(diǎn)。靜電紡絲是通過聚合物溶液或熔體在強(qiáng)電場作用下形成噴射流，噴射流凝固后形成納米纖維，可模仿ECM納米纖維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，制備直徑在500 nm以內(nèi)的纖維，且制備的納米纖維具有高孔隙率和比表面積，有利于細(xì)胞黏附、生長及增殖。與其他納米纖維制備方法相比，靜電紡絲能夠制備小直徑(<6 mm)的管狀結(jié)構(gòu)[30]，并具有良好的機(jī)械性能。這些特點(diǎn)使靜電紡絲技術(shù)在組織工程血管支架構(gòu)建領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢，為近年血管組織工程支架研究的熱點(diǎn)。為制備具有血管形態(tài)和機(jī)械性能的支架結(jié)構(gòu)，Vaz等[31]通過靜電紡絲法制備了PLA/PCL雙層管狀支架，它由外層剛性且取向一致的PLA纖維和內(nèi)層柔韌但取向不一致的PCL纖維構(gòu)成，通過分層紡絲和控制纖維取向得到具有分層組織的血管支架。Xu等[32]成功地應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)制備了具有可控宏觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)的三維管狀纖維材料。靜電紡絲技術(shù)制備的支架雖然能模擬體內(nèi)ECM的結(jié)構(gòu)和功能，但如何使支架材料降解時(shí)快速內(nèi)皮化和減少炎癥發(fā)生，如何提高小直徑血管替代物遠(yuǎn)期通暢率，順應(yīng)性不匹配導(dǎo)致血栓形成和動(dòng)脈瘤等，尚需長期深入的研究。

1.6 皮膚組織

創(chuàng)傷、燒傷、燙傷等以及一些疾病所引起的皮膚缺損是人體最常見的體表創(chuàng)傷，缺損后自體往往很難恢復(fù)原有的形態(tài)和功能，尤其是當(dāng)缺失面積較大時(shí)，取自體皮膚進(jìn)行移植治療會(huì)造成供皮部位的額外損傷，增加感染概率。納米纖維支架在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是接近天然細(xì)胞外基質(zhì)，比表面積巨大，能提供大量的細(xì)胞接觸點(diǎn)，可使單位體積內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量增加，為細(xì)胞的黏附、增殖、維持生理功能提供更好的微環(huán)境，并可改善蛋白質(zhì)吸附，更有利于藥物和生物大分子的釋放，因而有利于細(xì)胞的黏附和生長。此外納米支架材料所特有的尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)使其能更有效地為引導(dǎo)組織再生與修復(fù)提供理想的細(xì)胞生長微環(huán)境。靜電紡絲法是近年來興起的一種能快速、簡便制備納米纖維支架材料的方法。由于同種異體、自體或異種皮移植，存在供區(qū)損傷、供皮來源受限等問題，因此動(dòng)物源敷料在治療燒傷及皮膚移植時(shí)使用較多[33]。在用作止血處理材料時(shí)，采用靜電紡絲技術(shù)制備成納米纖維敷料或與其他材料復(fù)合成生物敷料[34]。如明膠與醋酸纖維素共混采用靜電紡絲法制備納米纖維膜，表皮細(xì)胞在明膠與醋酸纖維素比例為75/25的膜上增殖率高，因此適合作為細(xì)胞支架使用；明膠與醋酸纖維素比例為25/75的膜因其表皮細(xì)胞增殖率低而適合作為生物敷料[35]。近年來，已有很多研究將電紡作為支架材料的制備手段應(yīng)用于皮膚組織工程領(lǐng)域，如電紡膠原制成的納米纖維皮膚替代物各方面的性能明顯優(yōu)于目前臨床上經(jīng)常使用的膠原海綿產(chǎn)品[36]。Kenawy[37]利用外用酒精作為溶劑，在電場的輔助下,將EVOH(乙烯/乙烯醇共聚物)直接紡到人的手上。以此為啟發(fā)，可將帶功能性的聚合物直接紡到皮膚的損傷部位,形成修復(fù)性納米纖維膜。在用作止血處理材料時(shí)，采用靜電紡絲方式，直接將生物可降解原料的納米纖維網(wǎng)噴附在人體的創(chuàng)傷部位，形成纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包扎，可促進(jìn)正常皮膚生長，易于傷口愈合，并大大降低了傳統(tǒng)創(chuàng)傷處理中常見的瘢痕組織。能夠生物降解的超細(xì)纖維聚合物被直接噴涂到皮膚創(chuàng)傷或燒傷的位置而形成纖維敷料，它通過促進(jìn)正常皮膚的生長來加快傷口的愈合，且愈合后不會(huì)形成傳統(tǒng)治療中的疤痕[38]。該納米纖維孔隙直徑小到能夠保護(hù)傷口不受細(xì)菌侵入，而高的表面積有利于傷口液體吸收和皮膚正常的呼吸，聚合物納米纖維網(wǎng)可用于創(chuàng)傷處理和人體皮膚燒傷救治。隨著研究的進(jìn)一步深入，采用電紡制備的納米纖維支架必將在組織工程皮膚的構(gòu)建中發(fā)揮更大的作用。如何制備出孔隙結(jié)構(gòu)與表皮真皮組織相當(dāng)、孔道貫通性良好的支架材料，使細(xì)胞在支架中的分布更加均勻，能最大限度的獲取營養(yǎng)物質(zhì)、生長因子或藥物活性分子；如何根據(jù)特殊需要使特定應(yīng)力方向上的力學(xué)強(qiáng)度得到顯著提高，防止治療過程中材料的脫落與崩解，得到進(jìn)一步的仿生生物材料；如何在一些外科手術(shù)和需要防止粘連的場合抑制細(xì)胞黏附和防止細(xì)胞激活，是未來需要逐一解決的問題和發(fā)展方向[39]。

1.7 尿道組織

泌尿系統(tǒng)損傷、炎癥、腫瘤、先天性畸形等疾病在治療時(shí)往往需要進(jìn)行組織修復(fù)和重建，組織工程的發(fā)展為泌尿系統(tǒng)的修復(fù)和重建帶來全新理念，是目前富有前景的生理性修復(fù)技術(shù)。MCMANUS等[40]將人體膀胱平滑肌細(xì)胞種植在纖維蛋白原的電紡紗纖維材料上，結(jié)果顯示，平滑肌細(xì)胞能夠種植在上面并通過沉淀膠原基質(zhì)來重構(gòu)電紡紗材料，細(xì)胞增殖速度隨著改造的進(jìn)行而增加，改造速度可由培養(yǎng)液中的抑肽酶濃度所決定，抑肽酶濃度越高，則改造速度越慢，這為靜電紡紗在泌尿系統(tǒng)組織重建的應(yīng)用提供了前提。SELIM等[41]進(jìn)一步報(bào)道了由PLGA(85∶15)制成的靜電紡紗材料作為尿道重建材料有一定的前景。具有三維納米纖維結(jié)構(gòu)的支架可更好地仿生ECM結(jié)構(gòu)，促進(jìn)細(xì)胞的黏附與增殖，實(shí)現(xiàn)與機(jī)體組織的完全整合，因此研究者致力于三維支架的建立。GREGORY等[42]將脂肪干細(xì)胞和三維支架材料人工復(fù)合構(gòu)建膀胱平滑肌細(xì)胞進(jìn)行嘗試。他先用PLGA(PLA∶PGA，85∶15)鑄型，內(nèi)附多空明膠海綿，制備成三維支架材料，脂肪干細(xì)胞粘附發(fā)育良好，并在膀胱微環(huán)境下，表達(dá)平滑肌細(xì)胞的表型和蛋白。LAWRENCE等利用PLGA(PLA∶PGA，50∶50)和多孔殼聚糖組成的三維復(fù)合生物材料與小腸黏膜下脫細(xì)胞基質(zhì)進(jìn)行了對比研究，拉伸強(qiáng)度分析和退化分析試驗(yàn)證實(shí)該復(fù)合材料具有與SIS相似的力學(xué)性能，可作為膀胱修復(fù)替代的理想材料。最近由ROMANO等[43]提出利用蛋白質(zhì)重組技術(shù)制成納米級別三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)生物工程材料，這種材料細(xì)胞兼容性好，可再生且完全可定制，但還未應(yīng)用于泌尿系統(tǒng)，這種設(shè)想無疑為泌尿系統(tǒng)重建支架原料提供新的遠(yuǎn)景。

1.8 心臟瓣膜組織

心臟瓣膜損壞或缺陷所導(dǎo)致的疾病已成為危害人類健康的主要疾病之一。由纖維材料成型技術(shù)制備的組織工程支架具有良好的可設(shè)計(jì)性和較好的力學(xué)和生物性能，逐漸成為組織工程心臟瓣膜支架的主要制備方法。在西方國家，2.5%的人患有瓣膜功能不全或瓣膜病變[44]，主動(dòng)脈瓣和肺動(dòng)脈瓣是最常見的受損心臟瓣膜，并主要通過人工瓣膜替換來治療[45]。人工瓣膜移植物會(huì)產(chǎn)生感染和血栓并發(fā)癥，生物瓣膜抵抗結(jié)構(gòu)損傷能力較差[46]，耐久性有待提高，目前生物瓣膜能夠持續(xù)使用時(shí)間為10～15年。人工瓣膜在體內(nèi)均不具備生長、修復(fù)和重塑能力，不適合兒科患者。然而，全球新生兒中，大約1%患有先天性心臟缺陷，需要進(jìn)行外科心臟手術(shù)，包括心臟瓣膜替換[47]。因此，研發(fā)更適合的材料和方法以替換病變心臟瓣膜是十分重要的。心臟瓣膜由內(nèi)皮細(xì)胞、間充質(zhì)細(xì)胞和主要成分為膠原、彈性纖維以及糖胺聚糖的細(xì)胞外基質(zhì)組成。靜電紡絲膜具有相互貫通的三維孔洞結(jié)構(gòu)和較高的孔隙率以及表面積，能夠模擬細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)，有助于細(xì)胞的黏附。靜電紡絲法制備的組織工程心臟瓣膜支架具有良好的可設(shè)計(jì)性和力學(xué)以及生物性能，能夠接近滿足人體內(nèi)對心臟瓣膜的要求，有望成為受損或病變心臟瓣膜的主要替代物。但細(xì)胞在靜電紡絲支架上的滲透性能較差，生物力學(xué)性能有待提高，其中抗彎剛度大是目前最突出的問題，對于體內(nèi)組織工程應(yīng)用，靜電紡絲溶劑的毒性也需要關(guān)注[48]。

1.9 食管組織

食管疾病引起食管梗阻而不能進(jìn)食，嚴(yán)重威脅人類生命健康。中國是食管癌高發(fā)地區(qū)，在消化道腫瘤中每年因食管癌死亡的人數(shù)僅次于胃癌，而且食管癌的發(fā)病率呈逐年上升趨勢。組織工程與再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展為食管修復(fù)重建帶來了希望，運(yùn)用組織工程技術(shù)，體外模擬構(gòu)建具有功能的食管替代物是一個(gè)非常有前途的治療方法，有望減輕患者痛苦，提高生活質(zhì)量，甚至延長生命。有關(guān)研究學(xué)者[49]運(yùn)用自行研發(fā)的電紡絲系統(tǒng)(發(fā)明專利ZL 200810062323.8)制備無規(guī)和有序的納米級多孔纖維，為食管組織工程研究提供構(gòu)建黏膜組織和肌組織的支架。根據(jù)食管中上皮層和肌層組織的微觀構(gòu)造，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室自行研制的電紡絲系統(tǒng)，對聚己內(nèi)酯、絲素蛋白和明膠的復(fù)合纖維的制備條件進(jìn)行了探索，獲得了均勻無規(guī)和有序取向的電紡絲纖維膜，纖維直徑介于250～550 nm之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為明膠和絲素蛋白的加入明顯提高了聚合物聚己內(nèi)酯的成纖能力。由于明膠和絲素蛋白均為具有良好生物相容性的生物大分子，這已在實(shí)驗(yàn)中得到多次證實(shí)[50-51]，由明膠和絲素蛋白與聚己內(nèi)酯組成的電紡絲支架也將具有良好的細(xì)胞相容性。另一方面，由于均勻無規(guī)律和有序取向的纖維結(jié)構(gòu)分別模擬了食管中基膜和肌層組織的構(gòu)造，這將為以后的組織工程技術(shù)體外構(gòu)建人工食管提供支架樣品。

2 藥物控釋

藥物使用的局限性，不僅存在于見效慢和使用范圍小等方面，更多存在于現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)無法克服的毒副作用方面。若將控釋體系進(jìn)行改良，減少藥物用量，控制藥物作用區(qū)域，提高藥物作用效率，降低毒副作用，無疑是一種非常好的手段，便于人們對藥物利用更加充分。徐秀玲等[52]通過靜電紡絲制備小分子水溶性藥物，觀察阿霉素的緩釋作用效果。R.A.Thakur等[53]成功地紡制了一種雙藥物釋放的靜電紡絲骨架，該骨架包含2種藥物麻醉劑利多卡因(lidocaine)和抗生素莫匹羅星(mupirocin)。使用雙噴絲頭紡絲裝置，將分別含2種不同藥物的聚L-乳糖酸溶液紡制到同一個(gè)骨架中，2種藥物從骨架上的釋放顯示出不同的特性，麻醉劑lidocaine在開始時(shí)發(fā)生突釋(前1 h釋放80%)，然后在接下來的幾個(gè)小時(shí)中平穩(wěn)釋放，抗生素mupirocin在第1 h中只釋放5%，在接下來的72 h中更持續(xù)的釋放。與單噴絲頭紡絲進(jìn)行比較測試該醫(yī)用敷料的藥物釋放性能，發(fā)現(xiàn)雙噴絲頭法是比單噴絲頭法更好的紡制定向藥物釋放傷口敷料的方法。Nicholson等[54]將活細(xì)胞配制成生物懸浮液作為芯層，用聚二甲基硅烷(PDMS)作為外層物質(zhì)進(jìn)行同軸靜電紡絲，將同軸靜電紡纖維與對照組(不加電壓，相同流速)同時(shí)進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在同軸靜電紡絲過程中并未失去活性，靜電紡纖維中芯層的細(xì)胞依然是活細(xì)胞，如果將纖維外層PDMS換為其他生物材料直接敷到傷口上，由于活性細(xì)胞的作用會(huì)促進(jìn)傷口的愈合。靜電紡納米纖維材料可以按照設(shè)計(jì)要求，提供快速、中速、遲緩或可調(diào)節(jié)的溶解性能，以實(shí)現(xiàn)藥液持續(xù)或脈沖式輸送，作為藥劑和載體的材料可以用于藥液控釋的聚合物納米纖維。研究表明，聚合物納米材料的藥液控釋分為3種方式：藥物包敷于膠囊內(nèi)使用、聚合物納米纖維復(fù)合物直接使用、藥物包敷于聚合物納米纖維空隙內(nèi)使用。

3 藥物載體(以癌癥治療為例)

化療主要用于癌癥患者中、晚期的保守治療。對于腫瘤不可切除的患者，為了提高生存率和生存質(zhì)量，人們致力于提高藥物在病灶處的生物利用度，以減少全身副反應(yīng)[55-56]。多數(shù)化療藥的缺點(diǎn)是由于其疏水性不能用于靜脈給藥，解決方法是將其變成可溶的前體藥物或是用含有表面活性劑的溶液將其溶解。但是這2種方法都會(huì)降低其生物利用度，引起其他副作用[57]。目前近距離放射療法已經(jīng)被證實(shí)為一種有效的局部治療方式，應(yīng)用于不能施行手術(shù)切除的腫瘤及預(yù)防腫瘤復(fù)發(fā)，但該種方法會(huì)出現(xiàn)給藥繁瑣、癌旁正常組織的損傷、放射性毒性等原因[58-61]。作為制備納米纖維最普遍和最受歡迎的技術(shù)，靜電紡絲具有多種優(yōu)點(diǎn)，如簡便、廉價(jià)、靈活、易于批量生產(chǎn)。有關(guān)研究學(xué)者用動(dòng)物做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)帶藥電紡纖維被插入酸性的腫瘤內(nèi)部后，纖維膜的降解加快，促進(jìn)了羥基喜樹堿的釋放，從而更有效地抑制了腫瘤的生長，顯著延長了動(dòng)物生存時(shí)間[62]。通過靜電紡絲技術(shù)可以將抗癌藥載入電紡纖維里，因其具有較高的載藥能力和包裹效率，可以同時(shí)輸送多種不同的藥物。從而達(dá)到治療癌癥效果。新的研究趨勢表明，載藥電紡納米纖維膜技術(shù)可進(jìn)一步減緩藥物釋放，達(dá)到改善療效目的。雖然載藥電紡納米纖維膜技術(shù)有許多優(yōu)勢，但仍需進(jìn)一步研究來更好地理解其性質(zhì)和功能。靜電紡絲納米纖維作為一種新型載藥劑型在腫瘤局部治療方面有著巨大的應(yīng)用潛力。

4 皮膚貼膜

美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)的研究者[63]用電紡法制造出了由天然凝血因子纖維蛋白原所制成的新繃帶,這種繃帶摸上去像一件法蘭絨襯衫,由一條長長的纖維蛋白原織成了網(wǎng)狀、纖維性織物,是一種天然繃帶,能幫助外傷患者(如槍傷或刺傷)盡快止血,這對生存非常重要，稍小的繃帶可用于手術(shù)中的局部止血。普通的紗布繃帶由棉類等天然纖維性纖維制成,只能像隔膜一樣來止血，容易與滲出物結(jié)痂，造成傷口粘連，換藥時(shí)引發(fā)疼痛及新的創(chuàng)傷，以及細(xì)菌滋生、保濕及止血性能不佳等問題。為此，學(xué)者們研究出了生物敷料，其能與傷口緊密貼合，而用天然纖維制成的繃帶可以增強(qiáng)機(jī)體形成天然血栓的能力，從而立即減少失血和減輕紗布貼附在破損處的痛感。另外這種繃帶不必拆除，因?yàn)槠涑煞菖c真的血凝塊一樣，機(jī)體可以在愈合過程中自行分解。近年來，研究人員通過靜電紡絲方法制備了聚乳酸(PLLA)、明膠/PLLA、殼聚糖/PLLA、聚氨酯(PU)電紡膜等類型的納米纖維氈。這些復(fù)合納米電紡膜孔隙率高且孔徑極小，具有可控的水蒸氣蒸發(fā)速率、良好的氧氣透過性，用這種電紡膜制成的傷口敷料與皮膚粘附好且吸收性強(qiáng)，避免滲出物在患處大量聚積，還能有效阻止外界病菌的入侵。實(shí)驗(yàn)證實(shí)此類納米纖維膜能夠加速上皮細(xì)胞遷移，對傷口愈合有促進(jìn)作用的吸水和保水性能都有明顯提高，水蒸氣通透性略有下降，可以作為理想的創(chuàng)面敷料材料[64]。研究利用靜電紡絲制備可以儲(chǔ)存、釋放可分化細(xì)胞的支架，對于傳統(tǒng)創(chuàng)可貼和紗布治療皮膚破損和恢復(fù)具有重大意義。已有專業(yè)研究者利用靜電紡絲，制備了內(nèi)載多種藥物的皮膚貼膜，所得制品的優(yōu)點(diǎn)是比表面積大，提高了載藥量，且孔隙率高，利于被遮蓋的皮膚表面與大氣交換空氣和水分。當(dāng)前在我國各種醫(yī)療機(jī)構(gòu)還大量使用傳統(tǒng)的紗布敷料，這種敷料容易變干，更換頻繁，浪費(fèi)大量的棉紗資源，也給病人帶來痛苦。因此，加大技術(shù)含量高的功能性敷料的研發(fā)，以提高治療效果、加快傷口愈合、減輕廢棄敷料對環(huán)境的污染，成為科研工作者急迫的任務(wù)。

5 防護(hù)口罩

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，空氣污染、病毒傳播途徑以及傳染病類型、傳染病患者日益增多。目前普通的過濾材料已經(jīng)不滿足于僅過濾氣體、液體及油等微小顆粒的目的，而應(yīng)具有過濾有毒顆粒，防護(hù)潛在感染性的飛沫、血液、體液和分泌物的功能，從而達(dá)到保護(hù)人體肺部健康的作用?，F(xiàn)在我國市場上銷售的各類紗布口罩，質(zhì)量、性能良蕎不齊，例如普通手術(shù)用平面口罩，經(jīng)檢測過濾效率只有20%左右[65]。這樣的口罩只能防塵，對醫(yī)護(hù)人員起不到防護(hù)作用，特別是對飛沫、空氣傳播的病毒更是無效，特別是醫(yī)用口罩防護(hù)性更是比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功能有很大差距。身處救援一線的醫(yī)護(hù)人員，為有效防御病毒侵害，經(jīng)常不得不帶上多層紗布口罩，醫(yī)護(hù)人員在很短時(shí)間常會(huì)出現(xiàn)呼吸困難等不舒適的感覺。這類防護(hù)性能較差的醫(yī)用口罩，由于不能有效地抵御病毒的侵害，造成許多醫(yī)護(hù)人員的感染。我國采用常規(guī)工藝生產(chǎn)的纖維濾材，作為空氣濾材目前僅做到了對大顆粒物質(zhì)的過濾，但要做到對微小的病毒具有良好的過濾防護(hù)效果，現(xiàn)有采用常規(guī)熔噴工藝生產(chǎn)的纖維濾材還無法達(dá)到[66]。但是研究人員發(fā)現(xiàn)靜電紡絲法制得的纖維材料通常具有納米尺寸，具有較高的過濾效果和較低的空氣阻力[67]。姚春梅等[68]以聚乳酸熔噴非織造布為基布，采用靜電紡絲法制備了平均直徑在620 nm左右的聚乳酸纖維覆蓋在基布上，得到了復(fù)合空氣過濾材料，說明納米纖維層對小粒徑粒子的過濾精度起到了關(guān)鍵作用。由于電紡絲法制得的纖維材料通常具有納米尺寸,具有較高的過濾效果和較低的空氣阻力,因此以該法制備具有過濾病毒防護(hù)效果的纖維濾材應(yīng)具有廣闊的前景。

6 結(jié)語

靜電紡絲作為一種可生產(chǎn)超精細(xì)纖維、簡便高效的技術(shù)，已在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但其因?yàn)榉稚⑿圆睿茈y以固體形式存在，首要問題就是要解決其載體問題。目前靜電紡絲應(yīng)用于生物醫(yī)用敷料的研究還處于初級階段,未來靜電紡的研究重點(diǎn)主要是:調(diào)整靜電紡絲過程中各個(gè)因素的協(xié)同關(guān)系及合適的工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)纖維尺寸、取向方向及形貌可控；尋求更好的綠色溶劑以避免靜電紡絲由于混有溶劑帶來的毒性及實(shí)現(xiàn)靜電紡絲的工業(yè)化等。靜電紡絲纖維的獨(dú)特優(yōu)勢必將使其在功能材料領(lǐng)域里大有作為，特別是在組織工程支架材料制備中的獨(dú)特性正引起人們越來越多的關(guān)注。目前國內(nèi)微米尺度的纖維已可大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，相信隨著研究工作的逐步開展和不斷深入，靜電紡絲將成為功能材料領(lǐng)域中最重要的加工方法之一。

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Application of Electro-spinning Fibers on Biomedical

ZHAO Xiao-hong, LIU Gui-yang*, DUAN Chun-mei

(Jiangsu College of Engineering and Technology, Nantong 226006, China)

Electro-spinning was one of the simplest and effective methods for the nanofiber preparing at present. The nanofiber nets were provided with smaller mesh, higher porosity and larger specific surface area, and it had good application prospects in biomedical field. The application of electrospinning fibers in biomedical field was reviewed.

electro-spinning fiber; biomedical; application

2015-11-10

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510958008Y)；中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)性項(xiàng)目(2015030)；江蘇工院自然科學(xué)研究基金項(xiàng)目(GYKY/2015/2)

趙小紅(1994-)，女，本科在讀，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)紡織品。

*通信作者：劉桂陽(1980-)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)用紡織品，E-mail:liuguiyang2003@163.com。

TS101.4

B

1673-0356(2016)02-0023-08