A. Six

瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所(瑞士)

材料受拉伸會(huì)變厚，這似乎與物理定律相矛盾。然而，這種發(fā)生在自然界的拉脹效應(yīng)在許多應(yīng)用領(lǐng)域頗具吸引力。瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所(Empa)的一項(xiàng)新研究展示了如何將這種特殊的拉脹效應(yīng)應(yīng)用于損傷組織的治療中。

小牛從母牛的由拉脹組織組成的乳房中吮吸乳汁即是大自然生物體中存在的一種拉脹效應(yīng)。這些拉脹組織在拉伸時(shí)并不會(huì)如橡皮筋一樣變窄，而是向拉伸方向的垂直方向變寬。因此，乳汁可暢通無阻地流過乳頭。目前，Empa的學(xué)者已從專門為此開發(fā)的醫(yī)用納米纖維膜中證實(shí)了這種特殊的拉脹效應(yīng)。該研究指出了拉脹材料廣泛的應(yīng)用前景，包括應(yīng)用醫(yī)用納米纖維拉脹膜，使人體受傷的組織再生。

皮膚或內(nèi)部器官組織損傷時(shí)，可通過細(xì)胞的移植和生長(zhǎng)形成替代型組織，如皮膚上一個(gè)小切口能輕而易舉地愈合。但有些組織的再生則超出了人體的能力范圍，如燒傷形成的復(fù)雜傷口則需要大面積的再生組織，此時(shí)可通過制備合適的支架，使所需細(xì)胞依附并沿著預(yù)定的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)而促進(jìn)組織的再生。

Empa的研究人員在瑞士圣加倫仿生膜和紡織品實(shí)驗(yàn)室溶解具有與人體細(xì)胞外基質(zhì)性能相近的聚合物，并采用靜電紡絲工藝，開發(fā)出超薄型且具有拉脹性能的細(xì)絲。這使采用納米纖維生產(chǎn)多層膜成為可能。這種膜具有生物相容性，可植入人體。如果在靜電紡絲過程中使用聚乳酸等聚合物，則所得納米纖維膜可被人體吸收和降解。此外，可將生物活性物質(zhì)或藥物加入納米纖維膜的紡絲溶液中，從而達(dá)到藥物緩釋的目的。

1 吸引人的孔隙尺寸

目前最大的挑戰(zhàn)是使所得聚合物納米纖維膜上的孔隙尺寸有助于人體細(xì)胞依附。最初所得聚合物膜的孔隙尺寸僅為幾微米，支架上的較大的組織細(xì)胞(約20 μm)無法緊貼在聚合物的膜上。

經(jīng)優(yōu)化紡絲參數(shù)，可生產(chǎn)出具有神奇拉脹性能的由聚合物網(wǎng)構(gòu)成的納米纖維膜。該膜在平緩的拉力作用下，拉伸約10%時(shí)，其厚度不僅沒有減小，反而增加10倍(圖1)，體積約增加5倍。可以用橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值(泊松比，負(fù)值)來量化該膜的拉脹效應(yīng)。

圖1 拉脹膜的厚度增加了約10倍(來源：Empa)

在拉伸試驗(yàn)中，納米纖維膜的拉脹效應(yīng)源于纖維受拉伸時(shí)其內(nèi)部分子重新排列，對(duì)膜的橫向纖維施加的壓力使纖維被迫向上或向下彎曲，從而導(dǎo)致膜的體積增加。

2 “按需擴(kuò)展”

靜電紡制備的納米纖維膜可用于人體不同部位的傷口和組織損傷的治療，如皮膚、血管和內(nèi)部器官，甚至是骨頭。需根據(jù)需求選擇合適的聚合物和紡絲參數(shù)加工具有不同性能的納米纖維膜。拉脹效應(yīng)引起膜的體積變大，有利于人體細(xì)胞的吸附，從而促進(jìn)傷口愈合。

該納米纖維膜的制備工藝已申請(qǐng)專利，除了在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，這一纖維膜還可應(yīng)用于其他許多領(lǐng)域。研究人員提到，這種膜經(jīng)壓力激活后可釋放封閉的顆粒物質(zhì)，適用于制備可調(diào)節(jié)過濾器或填充材料，僅在使用時(shí)才擴(kuò)展到所需的最終體積，即“按需擴(kuò)展”。因此，該納米纖維膜具有潛在的應(yīng)用前景。

3 納米纖維的結(jié)構(gòu)

單根納米纖維的結(jié)構(gòu)對(duì)膜的性能有重要影響。用特定的溶劑處理納米纖維后，可分析纖維的結(jié)構(gòu)。Empa的研究人員發(fā)現(xiàn)，采用不同的紡絲參數(shù)可加工出具有不同結(jié)構(gòu)的納米纖維，如在電子顯微鏡下，結(jié)構(gòu)呈堆疊狀，類似于烤肉串狀的纖維(圖2)。納米纖維的結(jié)構(gòu)對(duì)膜的力學(xué)性能有很大的影響，從而也對(duì)拉脹效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。

圖2 烤肉串結(jié)構(gòu)的納米纖維(來源：Empa)