胡一為，劉鐵龍

（1.寧波大學醫(yī)學院，浙江 寧波；2.寧波市鄞州第二醫(yī)院，浙江 寧波）

0 引言

廣義上，納米纖維指的是直徑在1微米以下的纖維。與普通生物材料支架相比，納米纖維生物支架具有高比表面積、高孔隙率等優(yōu)異性能，其相互連接的纖維狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與天然組織的細胞外基質(zhì)相似，能夠促進細胞的黏附，為細胞提供三維空間結(jié)構(gòu)支持并影響細胞的行為[1,2]。近年來，人們開發(fā)了一系列功能化的納米纖維生物支架用于組織工程研究[3]。目前，納米纖維的制備方法主要包括離心紡絲法[4]、靜電紡絲法和溶液噴射法等。其中，靜電紡絲法應(yīng)用最為廣泛，其原理是在高壓靜電場中，將聚合物溶液輸送至紡絲針頭，在電場力作用下聚合物溶液被拉伸和細化，從而在接收端得到納米級纖維。為了得到粗細均勻一致的纖維，靜電紡絲必須配備一個強電場，且纖維制造效率極低（紡絲速度往往低至1mL/h），這些缺陷限制了靜電紡絲技術(shù)的推廣應(yīng)用[5,6]。溶液噴射紡絲（Solution blowing spinning，SBS）是另一種新興的納米纖維制造工藝。與靜電紡絲技術(shù)相比，SBS無需電場，用簡單的設(shè)備即可完成。SBS的纖維制作效率比靜電紡絲高10倍，安裝成本卻比靜電紡絲設(shè)備低100倍[6]，自從2009年問世以來得到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[7]。本文介紹了溶液噴射紡絲的技術(shù)原理和SBS納米纖維形態(tài)的影響因素，并綜述了對SBS納米纖維支架在組織工程中的應(yīng)用。

1 SBS的原理

SBS是一種納米纖維制造技術(shù)，其原理是將聚合物溶解在易揮發(fā)溶劑中，利用環(huán)繞在聚合物溶液周圍的高速氣流，將紡絲溶液進行拉伸，得到沿氣流方向固化沉積的超細纖維。SBS系統(tǒng)的核心是壓縮氣體源和噴嘴。SBS無需搭建電場，操作安全、簡便。噴嘴通常設(shè)計為同心圓狀結(jié)構(gòu)，分內(nèi)外兩個通道，外部通道包繞內(nèi)部通道。溶液從內(nèi)部通道射出，高速氣流從外部通道進入，包繞在溶液四周以產(chǎn)生拉伸作用[8]。在SBS過程中，聚合物溶液以穩(wěn)定的速率從噴嘴輸出，在周圍高速氣流的帶動下發(fā)生軸向拉伸，形成直線射流。隨著射流被進一步拉伸細化，溶液的比表面積急劇增加，溶劑迅速揮發(fā)，聚合物固化沉積為纖維。形成的纖維在風場的彎曲擾動作用下發(fā)生螺旋運動，最后沉積在接收端形成纖維網(wǎng)絡(luò)[9]。

2 SBS納米纖維形態(tài)的影響因素

基于SBS技術(shù)的原理，紡絲溶液的性質(zhì)和工藝參數(shù)的調(diào)整決定了SBS纖維的形態(tài)。

2.1 紡絲溶液的性質(zhì)

聚合物溶液射流能否形成纖維取決于高分子聚合物鏈的纏結(jié)作用。足夠高的聚合物分子量是保證聚合物鏈之間產(chǎn)生有效纏結(jié)的前提[10]。此外，聚合物鏈之間的纏結(jié)作用隨聚合物濃度的提高而增大。Tang等[11]在制備聚丙烯腈納米纖維的實驗中探究了聚合物溶液濃度對纖維形成的影響。他們發(fā)現(xiàn)，純?nèi)軇┰诟咚贇饬鞯臓可熳饔孟滦纬煞稚⒌囊旱?，隨著聚合物濃度的提高，分散的液滴逐漸集中直至形成穩(wěn)定射流。然而，SBS納米纖維的直徑會隨聚合物濃度的提高而增大。Oliveira等人[12]在制備SBS聚乳酸（PDLLA）納米纖維的過程中，將聚合物濃度從4% w/v提高到8%w/v后，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的平均纖維直徑明顯增大。另外一項采用SBS技術(shù)制備聚環(huán)氧乙烷（PEO）納米纖維的研究中也得到了類似的結(jié)果[13]。因此，足夠高的聚合物分子量和聚合物濃度是保證成功SBS的前提。在此基礎(chǔ)上，提高聚合物的濃度將得到更大直徑的SBS纖維。

2.2 工藝參數(shù)的調(diào)整

SBS工藝參數(shù)包括氣壓和噴嘴直徑等。增加氣壓能提高溶液周圍氣流的速率，產(chǎn)生直徑更加均一的纖維，能夠滿足精細紡絲的要求[12,14]。然而，過大的氣壓將降低風場的溫度，溶劑揮發(fā)受限，導致成型的纖維發(fā)生粘連。因此，提高風場溫度可以彌補這些不足，在噴嘴和接收端之間安裝溫度控制箱體是一個可行的策略。Zhuang等學者[15]研究了溫度控制箱體對SBS纖維成型的作用，他們發(fā)現(xiàn)將溫度從37℃提高到45℃后，SBS纖維之間的粘連消失并得到表面光滑且直徑均一的納米纖維。通常，溶液噴射紡絲在室溫下進行，雖然溫度控制是調(diào)控纖維形態(tài)的重要手段，但提高了SBS的成本和操作復雜性。因此提高聚合物溶液的溫度可能是更為方便的策略[16]。另外，減小噴嘴直徑能得到直徑更細的SBS纖維。韓萬里等人研究了噴嘴直徑對纖維形態(tài)的影響，結(jié)果表明噴嘴內(nèi)通道的直徑越小，外通道的環(huán)繞氣流直徑越大，得到的纖維直徑就越細[17]。但是，過細的噴嘴將導致溶液不穩(wěn)定和針頭堵塞的頻繁發(fā)生?？傊苽淅硐胫睆降腟BS纖維必須選擇合適直徑的噴嘴。

3 SBS納米纖維在組織工程中的應(yīng)用

相比于靜電紡絲，SBS無需考慮聚合物溶液的導電性，不需配備高壓電場和保護裝置，操作更為靈活、安全。SBS能夠?qū)⒓{米級纖維沉積在各種材料的表面，這極大地擴展了SBS技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍。種子細胞、生物支架材料和生長因子構(gòu)成了組織工程的三要素。生物支架材料的主要功能是為細胞提供合適的微環(huán)境，促進細胞的黏附、增殖和浸潤。SBS技術(shù)生產(chǎn)的纖維支架孔隙極為豐富，納米纖維形成不規(guī)則的三維卷曲，有助于細胞的黏附和遷移。

3.1 SBS納米纖維支架用于骨組織工程

骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSC）能分化為成骨細胞，是骨組織工程最主要的種子細胞。納米纖維生物支架材料能夠為BMSC的黏附和浸潤提供合適的環(huán)境，并且增強成骨分化[18]。Tutak等[6]利用SBS技術(shù)制備了4種不同材料的納米纖維支架材料，用于培養(yǎng)人骨髓間充質(zhì)干細胞（hBMSC）。他們采用DNA定量分析明確了hBMSC在各種支架上均增殖良好。在培養(yǎng)了21天后，茜素紅染色和酶聯(lián)免疫吸附測定法（ELISA）測定骨鈣素（OCN）的結(jié)果顯示，SBS納米纖維支架材料能夠促進hBMSC的成骨分化。在另一項研究中發(fā)現(xiàn)，hBMSC在SBS納米纖維支架上的浸潤深度達到78.75±18.46 μm，幾乎是在靜電紡絲納米纖維支架上浸潤深度的兩倍（34.75±8.77 μm）[19]。因此，相比于靜電紡絲，SBS技術(shù)能夠生產(chǎn)出具有高孔隙率和細胞滲透率的納米纖維支架材料，加強hBMSC的遷移和浸潤，為骨組織工程支架材料的制備提供了理想的選擇。

3.2 SBS納米纖維支架用于心肌組織工程

傳統(tǒng)培養(yǎng)（聚苯乙烯培養(yǎng)瓶）的心肌細胞是完全隨機定向的。然而在活體中，心肌細胞在體內(nèi)相互連接形成肌纖維，心肌細胞的排列也決定了電信號傳導的方向。隨機排列的心肌細胞不利于細胞間信號傳導，將導致細胞表型和功能的喪失。納米纖維支架材料能通過纖維結(jié)構(gòu)的調(diào)控影響心肌細胞的排列取向。研究表明，在SBS納米纖維支架上培養(yǎng)的心肌細胞會根據(jù)纖維的方向排列并維持與活體心臟心肌細胞相似的表型[20]。因此，SBS納米纖維支架能模仿體內(nèi)環(huán)境培養(yǎng)心肌細胞，對心肌組織工程有重要意義。

3.3 SBS納米纖維支架用于其他類型的組織工程

除了骨組織和心肌組織工程，SBS納米纖維支架材料還用于培養(yǎng)其他類型的組織細胞。Behrens等人[14]將SBS制作的PLGA納米纖維用于人冠狀動脈細胞（HCAEC）和鼠成纖維細胞（L929）的培養(yǎng)，證實了支架良好的生物相容性，為動脈組織工程研究的開展提供了理論基礎(chǔ)。

4 小結(jié)和展望

SBS作為一種新型的納米纖維制造工藝，具有成本低、效率高、能在任意表面原位沉積納米纖維等優(yōu)勢，在生物醫(yī)學領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。通過改變聚合物溶液的性質(zhì)、調(diào)整氣壓等工藝參數(shù)，人們能方便地制作出預(yù)期直徑的納米纖維。雖然SBS納米纖維支架材料在組織工程領(lǐng)域已經(jīng)得到了很多令人欣喜的研究成果，但是相對于技術(shù)成熟的靜電紡絲技術(shù)，其基礎(chǔ)理論還未完善，進一步的臨床轉(zhuǎn)化和應(yīng)用研究也尚需進行。隨著醫(yī)工交叉觀念的普及和生物材料領(lǐng)域的發(fā)展，相信SBS技術(shù)將在組織工程支架搭建、器官表面止血、抗感染性傷口敷料等方面展現(xiàn)出強大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>