何 勁,陳 莉,*,劉玉森

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710048；2.西安工程大學(xué) 功能性紡織材料及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710048；3.西安工程大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)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(dòng)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(zhì)層的物理結(jié)構(gòu)性屏障[1]。正常情況下,皮膚受到損傷時(shí),有一定的自愈能力,當(dāng)傷口較深或者較大時(shí)則需要提供無菌或者少菌的修復(fù)環(huán)境。醫(yī)用敷料的作用就是阻擋細(xì)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(lǐng)域表現(xiàn)出來的巨大潛力而受到研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[5]。但利用靜電紡絲技術(shù)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(fù)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(fù)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(diǎn),提升敷料的實(shí)用性。根據(jù)噴絲頭的不同,可分為溶液復(fù)合、同軸復(fù)合和多噴頭復(fù)合[6]。

1.1 溶液復(fù)合

溶液復(fù)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(fù)合后敷料膜的特點(diǎn)也會(huì)不同。例如膠原-殼聚糖復(fù)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(shù)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(xué)性能較差等缺點(diǎn)[8]。

李選等[9-10]利用靜電紡絲技術(shù)制備了膠原/殼聚糖復(fù)合抗菌敷料膜,利用SEM、PMI毛細(xì)孔徑分析儀、DSC、FTIR研究了膠原和殼聚糖的不同配比與復(fù)合抗菌敷料膜中纖維結(jié)構(gòu)、細(xì)度、熱學(xué)性能、基團(tuán)分布之間的關(guān)系,以及對革蘭氏陰菌、陽菌的抗菌性影響。研究結(jié)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(fù)合膜的孔徑在1μm左右,可有效防止細(xì)胞生長到敷料內(nèi)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(jié)合。膠原與殼聚糖比例的變化,會(huì)導(dǎo)致紅外圖譜中的各個(gè)集團(tuán)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(fù)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(xué)性能、抗菌性能等。研究結(jié)果表明:當(dāng)PVA/SA的比例為7∶3時(shí),纖維粗細(xì)均勻、細(xì)度最佳,為261.01 nm。隨著SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,纖維出現(xiàn)大量串珠,纖維膜的斷裂強(qiáng)力先增加后降低,斷裂伸長率逐漸下降,且當(dāng)PVA∶SA為6∶4時(shí),納米纖維膜的斷裂伸長率最小為8.09%。載有BER的PVA/SA的復(fù)合納米纖維膜表面光滑,隨著BER質(zhì)量分?jǐn)?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(fù)合納米纖維膜的斷裂強(qiáng)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(fù)合

同軸復(fù)合是將芯層和表層材料分別裝在2個(gè)不同的儲(chǔ)液罐(注射器)中,然后從同軸噴絲頭中噴出而得到復(fù)合納米纖維敷料[12-13]。同軸復(fù)合型醫(yī)用敷料可對纖維表面進(jìn)行改性而不影響內(nèi)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(shí)間[13-14]。同軸復(fù)合型醫(yī)用敷料膜適合用于易發(fā)生炎癥的傷口,可定點(diǎn)、長效給藥。

徐宏宇等[15]利用同軸靜電紡絲技術(shù)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(fù)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(yàn)機(jī)等儀器,分別對纖維膜的表面形貌、接觸角、力學(xué)性能和纖維同軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明:當(dāng)皮層溶液中PLGA的含量為15%,芯層溶液中PEI的含量為30%時(shí),纖維細(xì)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(jié)構(gòu),接觸角為72.45°±2.02°,拉伸強(qiáng)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(shù)進(jìn)一步探索了再生絲素蛋白在生物組織工程領(lǐng)域中的應(yīng)用前景,利用再生絲素蛋白包覆血管內(nèi)皮生長因子和胎牛血清,制備了核-殼結(jié)構(gòu)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(jìn)速度下纖維的外觀、結(jié)構(gòu)以及生長因子的釋放性能。結(jié)果表明:降低芯層推進(jìn)速度,纖維截面形態(tài)由扁平帶狀向圓柱轉(zhuǎn)變,芯層厚度降低、直徑變細(xì),但核-殼形態(tài)基本穩(wěn)定。與非核-殼結(jié)構(gòu)纖維相比,核-殼結(jié)構(gòu)載有生長因子和胎牛血清的纖維釋放時(shí)間更持久[12]。

1.3 多噴頭復(fù)合

多噴頭復(fù)合是將多種不同原料的紡絲溶液放入多個(gè)儲(chǔ)液罐(注射器)中,然后同時(shí)從不同的針頭中噴出的一種復(fù)合方式。與單噴頭相比多噴頭復(fù)合紡絲可提升紡絲效率[17],可通過推進(jìn)速度來控制纖維膜中各種成分的配比。但易導(dǎo)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(fù)合膜中2種物質(zhì)的比例對膜性能帶來的影響,魏士明等[20]將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%PVA水溶液和15%的PU/DMF溶液分別注入儲(chǔ)液罐中,同過控制2種紡絲液的推進(jìn)速度來控制PVA與PU的比例,如圖1所示。結(jié)果表明:通過觀察SEM掃描圖片,PVA與PU 2種纖維的交點(diǎn)處有粘連,DSC差熱掃描結(jié)果顯示復(fù)合膜中PVA的玻璃化溫度降低,表明2種纖維之間具有較強(qiáng)的聯(lián)系作用,該作用可使應(yīng)力在2種纖維之間傳遞,提高了復(fù)合纖維膜的強(qiáng)力,且PU優(yōu)良的韌性增加了復(fù)合膜的斷裂伸長率。2種材料性能的互補(bǔ)提升了PVA/PU在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的研究價(jià)值。

圖1 雙噴頭靜電紡絲設(shè)備示意圖

2 電紡多組分醫(yī)用敷料

2.1 纖維細(xì)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(xì)納米結(jié)構(gòu)與細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物功能具有相似性,因此可作為細(xì)胞的引導(dǎo)和支撐材料[21]。不僅如此,超細(xì)納米纖維膜孔隙小,對細(xì)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(hù),同時(shí)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(jī)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(xì)度細(xì)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(xì)度細(xì),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(jìn)行止血[23]。納米纖維因比表面積大,細(xì)度細(xì),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(shè)備進(jìn)行制備時(shí)存在紡絲困難。例如,利用靜電紡制備殼聚糖纖維時(shí)存在紡絲困難的問題,但與其他纖維材料混合后再進(jìn)行紡絲可提升可紡性[24]。某些纖維強(qiáng)度低,不利于靜電紡,但在制備核殼結(jié)構(gòu)的纖維時(shí)作為芯層材料,外層輔以其他纖維材料為支撐則可順利進(jìn)行紡絲。

3 多組分電紡醫(yī)用敷料的應(yīng)用

3.1 阻隔細(xì)菌與減輕疼痛

靜電紡制備的電紡纖維膜孔隙小,結(jié)構(gòu)致密,可有效阻擋各種灰塵、病菌等對傷口的入侵,同時(shí)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(jié)構(gòu)的電紡纖維膜。不僅阻擋了細(xì)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(shí)減少敷料的更換頻率,降低了患者的痛苦和感染的風(fēng)險(xiǎn)[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(shí)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(fù)合醫(yī)用敷料通常比單組分纖維膜具有更好的力學(xué)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(jié)構(gòu)的載藥纖維。與非核殼結(jié)構(gòu)的對照組比較后發(fā)現(xiàn)采用核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米載藥纖維具有更長時(shí)間的抑菌性和更穩(wěn)定的釋放周期。

3.3 促進(jìn)皮膚再生

靜電紡制備出的超細(xì)纖維可有效提升細(xì)胞的增值和分化能力,促進(jìn)細(xì)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(zhì)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(hù)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(xì)胞的相容性和對細(xì)胞增值能力的影響,結(jié)果表明生長在該敷料膜上的細(xì)胞呈三角和梭形向四周伸展。

4 結(jié)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(xué)技術(shù)的發(fā)展,更多復(fù)合方法將加入到靜電紡絲中來,屆時(shí)也將會(huì)迎來新型材料在醫(yī)用敷料中的應(yīng)用?，F(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(hù),還需要能夠減輕病人的痛苦,促進(jìn)傷口愈合,不產(chǎn)生疤痕。然而,單一的生物材料在機(jī)械性能和多功能上還存在很大的不足,限制了其應(yīng)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(jìn)行復(fù)合的同時(shí)也對功能進(jìn)行了集中,針對不同的傷口類型可定制適合護(hù)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(huì)有越來越多的功能在敷料中應(yīng)用。例如,將某些溫度、酸堿感應(yīng)材料加入敷料中,通過溫度、p H值的變化實(shí)時(shí)監(jiān)控傷口狀態(tài)。隨著靜電紡絲制備醫(yī)用敷料的相關(guān)設(shè)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。