焦體峰,劉 慧,馬金銘,劉志偉,高麗麗，李冰冰

(1.燕山大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 河北省應(yīng)用化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；3.中密歇根大學(xué) 化學(xué)系，美國(guó) 芒特普萊森特 48859)

0 引言

在日常的生產(chǎn)生活中，細(xì)菌微生物與我們共存。細(xì)菌、病毒等微生物粘附在空氣中的污染物顆粒上，形成微生物氣溶膠，這是引起空氣污染的原因之一。微生物氣溶膠中含有的致病性微生物如結(jié)核桿菌、金黃色葡萄球菌、曲霉菌、流感病毒等易通過(guò)皮膚創(chuàng)傷、呼吸道、消化道系統(tǒng)侵入人體，對(duì)人們的健康和生活產(chǎn)生巨大的危害[1-2]。生活用水中除了工業(yè)廢水排放化學(xué)污染物造成飲用水的污染外，生活污水和醫(yī)院廢水等都含有大量病原微生物或攜帶病毒，如果長(zhǎng)時(shí)間飲用被微生物污染的水會(huì)影響身體健康，甚至引起大面積的傳染性疾病[3]。這些細(xì)菌微生物迅速繁殖并傳播疾病，嚴(yán)重影響人類的生產(chǎn)生活環(huán)境，所以抗菌性能的纖維材料備受關(guān)注。

靜電紡絲法制備納米纖維的設(shè)備簡(jiǎn)單易操作，且對(duì)獲得的電紡聚合物纖維進(jìn)行負(fù)載、接枝等策略改性，可以獲得不同的功能性納米材料。通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備具有抗菌性能的納米纖維材料是抗菌材料的重要研究方向。

1 靜電紡絲技術(shù)及其應(yīng)用

聚合物納米纖維的比表面積大、可功能化，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前有多種制備聚合物納米纖維的方法，如自組裝法、模板聚合法、拉伸法、相分離法、靜電紡絲法等[4]。靜電紡絲法因其所需設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便是制備聚合物納米纖維常用的技術(shù)手段[5-6]。靜電紡絲法是通過(guò)在針頭和收集板之間施加高壓電場(chǎng)，當(dāng)聚合物液滴的靜電斥力大于液滴表面張力和粘彈性力時(shí)產(chǎn)生錐形射流，經(jīng)過(guò)一系列不穩(wěn)定拉伸振蕩，射流凝固并沉積在收集器上，從而獲得納米纖維(圖1、圖2)[7-8]。靜電紡絲法獲得的納米纖維，其孔隙率高、長(zhǎng)徑比大、比表面積大、纖維形態(tài)力學(xué)性能可調(diào)及易功能化，通過(guò)改變平行排列、中空等工藝參數(shù)可形成特殊的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。因此，靜電紡絲納米纖維在生物醫(yī)用材料、催化材料、儲(chǔ)能材料、水處理、空氣凈化、食品工業(yè)等領(lǐng)域及傳感器方面均有廣泛研究[9]。

圖1 靜電紡絲過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrospinning process

圖2 靜電射流路徑Fig.2 The path of an electrospun jet

靜電紡絲納米纖維在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在構(gòu)建組織工程支架[9]、藥物分子傳遞、傷口敷料、固定生物酶等。良好的生物相容性和生物可降解的纖維支架具有獨(dú)特的性質(zhì)和模仿天然細(xì)胞外基質(zhì)的特性，這有利于組織的再生與修復(fù)[10]。由于靜電紡絲納米纖維的內(nèi)部連接易通過(guò)交聯(lián)、共價(jià)鍵結(jié)合、包埋等方法固定生物酶并使其均勻分散，從而提高酶的催化活性[11]。在儲(chǔ)能材料領(lǐng)域，靜電紡絲納米纖維主要應(yīng)用于超級(jí)電容器、電池等儲(chǔ)能裝置中[12]，合適的靜電紡絲條件結(jié)合煅燒等后處理，制備獲得的高比表面積和獨(dú)特結(jié)構(gòu)的納米纖維可用于電池的電極、夾層材料和質(zhì)子交換膜等。在催化材料領(lǐng)域，靜電紡絲技術(shù)在光催化、熱催化、電催化等方向被廣泛研究，主要制備金屬氧化物/過(guò)渡金屬等納米顆粒、聚合物/碳等復(fù)合納米纖維催化劑、以及負(fù)載型纖維催化材料[13]。在水處理領(lǐng)域，納米纖維結(jié)構(gòu)有利于污染物的吸附和光催化活性[14-15]。靜電紡絲法制備殼聚糖、纖維素、海藻酸鹽、普魯蘭多糖、淀粉、透明質(zhì)酸等聚合物納米纖維能有效去除重金屬和染料。這是因?yàn)樯鲜鎏妓衔锞哂歇?dú)特的化學(xué)組成、分子量和功能化學(xué)基團(tuán)，如羥基、氨基和羧基，使其展現(xiàn)出優(yōu)異的染料和金屬離子螯合潛力[16]。

在空氣凈化領(lǐng)域靜電紡絲納米纖維的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，可控直徑、多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積、體積比、良好的內(nèi)部連通性、可控的形態(tài)等保證了低成本的、優(yōu)良的過(guò)濾吸附性能。目前主要研究以天然材料、生物合成聚合物、化學(xué)合成聚合物在內(nèi)的綠色可持續(xù)高分子材料進(jìn)行綠色電紡絲。使用水溶劑或無(wú)溶劑的綠色靜電紡絲制備納米纖維，用于多功能口罩、過(guò)濾棉、空氣凈化器等空氣過(guò)濾材料[17-18]。在食品工業(yè)領(lǐng)域通過(guò)靜電紡絲法制備的納米纖維材料對(duì)化合物進(jìn)行包封[19]，能保護(hù)生物活性物質(zhì)免受熱敏性和光照條件、儲(chǔ)存不穩(wěn)定性和化學(xué)降解的影響，提高了食品和營(yíng)養(yǎng)品的貨架期。靜電紡絲納米纖維還應(yīng)用于高性能傳感器[20]、柔性碳納米膜、防電磁輻射、可穿戴紡織品、吸聲降噪材料[21]等，可見(jiàn)靜電紡絲技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都備受關(guān)注，大多數(shù)合成聚合物和天然聚合物都能通過(guò)靜電紡絲得到連續(xù)均勻的納米纖維，獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)以及易功能化的特性，使其具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 靜電紡絲技術(shù)制備抗菌納米纖維

2.1 添加醫(yī)藥抗菌劑

添加醫(yī)藥抗菌劑即直接或間接在靜電紡絲過(guò)程中加入具有抗菌性能的物質(zhì)。生物醫(yī)用材料對(duì)抗菌性能要求高，抗生素由于具有較高的抗菌活性常直接作為抗菌劑加入靜電紡絲溶液中[22-23]。抗生素主要有氨基糖苷類、β-內(nèi)酰胺類、糖肽類、喹諾酮類、磺胺類和四環(huán)素類。不同濃度不同類型的抗生素已經(jīng)被摻入到多種聚合物混紡的納米纖維中，藥物釋放速率也被證明隨不同抗生素、特定抗生素被負(fù)載到纖維中的形式(酸、堿、鹽形式)、負(fù)載方式(嵌入、涂覆、表面沉積、芯鞘包埋等)以及各種添加劑的加入而變化[24]。He等人將不同質(zhì)量的恩諾沙星抗生素直接加入到聚偏氟乙烯(PVDF)紡絲液中，混合均勻后通過(guò)靜電紡絲將恩諾沙星吸附到PVDF納米纖維上，并研究了藥物的釋放擴(kuò)散過(guò)程。研究結(jié)果表明該納米纖維膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好的抑菌活性，恩諾沙星在堿性環(huán)境下釋放速度較快，先呈爆發(fā)式釋放后持續(xù)穩(wěn)定釋放(圖3)[25]，非常適用于創(chuàng)面愈合。

圖3 載藥纖維膜的釋放曲線Fig.3 Release curve of drug-loaded fibrous membranes

除了溶液靜電紡絲，熔融靜電紡絲也可以直接將抗菌劑加入電紡前驅(qū)體中，制備具有抗菌性能的電紡纖維。如He等[26]將不同共混比例的聚己內(nèi)酯(PCL)、聚乙二醇(PEG)和環(huán)丙沙星(Cip)加入注射器進(jìn)行熔融靜電紡絲，成功制備了含醫(yī)藥抗菌劑環(huán)丙沙星的復(fù)合納米纖維膜。該研究采用瓊脂擴(kuò)散法通過(guò)測(cè)量抑菌圈的大小測(cè)定抗菌性能，對(duì)于金黃色葡萄球菌，PCL/Cip、 5PEG/95PCL/Cip、10PEG/90PCL/Cip和15PEG/85PCL/Cip復(fù)合纖維氈的抑制圈分別為(1.92±0.22)、(1.86±0.13)、(2.32±0.18)和(2.65±0.15)mm，結(jié)果表明環(huán)丙沙星負(fù)載的復(fù)合纖維氈均具有不同程度的抗菌活性，而且聚乙二醇的存在改變了藥物的釋放機(jī)制。

2.2 添加天然抗菌劑

天然抗菌劑是指對(duì)殼聚糖、甲殼質(zhì)、蘆薈、艾蒿、透明質(zhì)酸、明膠及天然肽等本身具有抗菌活性的天然物質(zhì)簡(jiǎn)單改性作為主成分制得的抗菌劑。靜電紡絲殼聚糖或其他天然聚合物得到的復(fù)合納米纖維具有良好的生物相容性、生物可降解性、無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用[27-29]。殼聚糖可以溶于有機(jī)酸，其抗菌活性受溶劑影響，但已有研究表明，陽(yáng)離子殼聚糖衍生物可以在較大pH范圍內(nèi)溶解并增強(qiáng)抗菌性。通過(guò)陽(yáng)離子接枝可以提高殼聚糖正電荷密度，如引入季銨鹽基團(tuán)(圖4)[30-31]、多胺、胍基和氨基酸[32-33]。Wang等通過(guò)靜電紡絲制備了季銨鹽殼聚糖混合聚乙烯醇的復(fù)合納米纖維膜，其具有良好的抗菌效果。

圖4 季銨化殼聚糖改性聚丙烯腈納米纖維膜的抗菌活性Fig.4 Antibacterial activity of quaternified chitosan modified nanofiber membrane

天然抗菌劑蘆薈(AV)的機(jī)械強(qiáng)度差，是限制其應(yīng)用的因素之一。將AV與其他聚合物結(jié)合可以有效改善AV的生物降解率和優(yōu)化其機(jī)械性能。Aghamohamadi等[34]采用靜電紡絲法成功合成了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)與AV的復(fù)合納米纖維膜，經(jīng)過(guò)抗菌藥敏試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)細(xì)菌和病毒生長(zhǎng)。Yin等[35]采用斜坡式自由表面靜電紡絲裝置，制備了聚己內(nèi)酯/殼聚糖/蘆薈(PCL/CS/AV)納米纖維膜，該研究表明AV的加入增強(qiáng)了納米纖維膜的親水性和孔徑，進(jìn)而提高了納米纖維膜的抗菌性能和生物相容性，抑菌試驗(yàn)也表明，該纖維膜對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率均在96%以上，可作為新型抗菌創(chuàng)面敷料。

2.3 添加無(wú)機(jī)抗菌劑

由于抗生素的濫用導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性增強(qiáng)，無(wú)機(jī)抗菌劑得到更多關(guān)注。Zn、Ag、Cu和Au微納米形態(tài)及TiO2、ZnO、MgO等金屬氧化物都是無(wú)機(jī)抗菌劑，這些無(wú)機(jī)材料均具有一定抗菌性能[36-39]。Bhadra等人[40]在聚苯乙烯(PS)電紡膜上涂覆聚苯胺-銀納米粒子。Celebioglu等[41]采用溶液靜電紡絲法制備了環(huán)糊精和納米銀抗菌纖維。由于銀納米粒子的殺菌特性，這些納米纖維對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)有明顯抑制作用。除了納米銀，納米鋅、納米銅及納米金也常被引入靜電紡絲納米纖維中[42-44]，使其具有抗菌性。有研究表明引入不同的無(wú)機(jī)抗菌劑后聚乙烯醇縮丁醛納米纖維膜的抗菌性能依次為CuO>ZnO=ZnO/TiO2>AgNO3>ZrO2>TiO2>SrO2(圖5)[45]。

圖5 添加無(wú)機(jī)抗菌劑的纖維膜對(duì)大腸桿菌的抑制作用Fig.5 Inhibitory effect of fiber membrane with inorganic antimicrobial agent on E. coli

2.4 添加有機(jī)抗菌劑

有機(jī)抗菌劑主要是以季銨鹽類、雙胍類、醇類、有機(jī)鹵化物、有機(jī)金屬化合物等為主要成分的抗菌劑。如Bai等用靜電紡絲法制備含N—Br鍵的N-鹵胺納米纖維，其中含N—Br鍵的N-鹵胺化合物作為殺菌成分對(duì)殺滅大腸桿菌非常有效(圖6)[46]。氯己定、三氯生等常用有機(jī)抗菌劑對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌(如金黃色葡萄球菌)和革蘭氏陰性菌(如大腸桿菌)都是強(qiáng)效廣譜生物殺菌劑，大多已應(yīng)用于傳統(tǒng)纖維和紡織品中[47-48]。所以很多研究者將這些有機(jī)殺菌劑加入電紡前驅(qū)體溶液中，制備具有抗菌性能的納米纖維。

圖6 N-鹵胺的殺菌模式圖解：接觸殺菌、釋放殺菌和轉(zhuǎn)移殺菌Fig.6 Illustration showing the bactericidal modes of N-halamines: contact killing, release killing and transfer killing

2.5 其他功能化改性

抗菌劑與納米纖維間簡(jiǎn)單包埋、涂覆等物理吸附過(guò)程導(dǎo)致二者的結(jié)合并不牢固，如銀和納米纖維間要么具有離子相互作用形成離子鍵合銀，要么作為納米粒子嵌入聚合物復(fù)合材料中，納米粒子與聚合物沒(méi)有化學(xué)相互作用，也沒(méi)有引起任何化學(xué)變化[49]。許多聚合物納米纖維膜是惰性的，難以在其表面上改性以建立活性位點(diǎn)，金屬納米粒子易從納米纖維表面脫落，降低抗菌效果持久性。有研究提出將銀納米粒子固定在TiO2納米粒子上后負(fù)載到醋酸纖維素納米纖維中。與直接負(fù)載銀納米粒子相比，固定在TiO2上可以減少銀納米粒子的脫落，延長(zhǎng)抗菌時(shí)效[50]。除此之外芯鞘結(jié)構(gòu)的納米纖維外層作為物理屏障，也能防止抗菌劑的爆發(fā)性釋放。但要獲得較長(zhǎng)的釋放，納米纖維和抗菌物質(zhì)間需要很強(qiáng)的非共價(jià)結(jié)合，通常需要交聯(lián)過(guò)程。靜電紡絲法制備抗菌納米纖維，除了直接加入抗菌劑以外還可以在紡絲結(jié)束后對(duì)所得納米纖維進(jìn)行其他功能化，如共價(jià)聚合物接枝、等離子體處理、離子化射流沉積技術(shù)等[51-53]。

Chen等人采用等離子體預(yù)處理、紫外誘導(dǎo)接枝4-乙烯基吡啶及季銨化等工藝對(duì)靜電紡聚氨酯(PU)纖維膜進(jìn)行表面改性，制備了一種新型抗菌材料，改性后的纖維膜對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有高效的抗菌活性(圖7)[54]。Badaraev等[55]用磁控等離子體濺射銅修飾靜電紡含氟聚合物材料，在聚合物基體纖維上形成一層銅/氧化銅薄膜使其具有抑菌性能。Wang等[56]合成了一系列蒙脫石摻雜負(fù)載陽(yáng)離子光敏劑的復(fù)合納米纖維，這些納米纖維具有內(nèi)部和表面可功能化位點(diǎn)，用于固定陽(yáng)離子光敏劑。該研究成果表明在可見(jiàn)光下，這種材料能夠在30 min內(nèi)使革蘭氏陽(yáng)性金黃色葡萄球菌光致失活達(dá)99.997%。

圖7 各基質(zhì)在金黃色葡萄球菌懸浮液浸泡后SEM圖像Fig.7 SEM images of different matrices soaked in S. aureus suspension

殼聚糖的羥基基團(tuán)具有豐富的電子密度，可以螯合鈦離子，在納米粒子和納米纖維之間形成牢固的鍵。聚多巴胺具有大量的鄰苯二酚基團(tuán)和胺基，鄰苯二酚基團(tuán)有很強(qiáng)的粘附力，具有極強(qiáng)的還原性能，能夠還原金屬離子或與氨基官能團(tuán)反應(yīng)。因此，基于聚多巴胺的納米纖維膜后改性不僅可以為功能性改性提供更多的活性位點(diǎn)，還可以增強(qiáng)納米纖維和抗菌物質(zhì)之間的相互作用，進(jìn)一步提高抗菌納米纖維膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[57]。

抗菌納米纖維對(duì)于抗菌的需求分兩種，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性抗菌活性和短時(shí)間爆發(fā)性抗菌活性。對(duì)于靜電紡絲抗菌納米纖維，多應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)材料、食品包裝和空氣過(guò)濾材料，更需要持久性的抗菌活性。為避免爆發(fā)性釋放，可采用同軸電紡絲技術(shù)[58-59]，在這種技術(shù)中，外層溶液含有聚合物，而內(nèi)部溶液含有殺菌劑，聚合物形成一個(gè)鞘，將抗菌劑包裹在納米纖維中?？咕鷦┚徛尫?，抗菌效果更加持久。與同軸紡絲類似，制備多層包覆抗菌納米纖維同樣會(huì)延緩抗菌劑釋放。

3 靜電紡絲制備抗菌納米纖維應(yīng)用

3.1 納米纖維的抗菌特性

抗菌納米纖維通過(guò)多種作用機(jī)制可有效預(yù)防細(xì)菌繁殖和感染，包括抗菌金屬離子作用、抗菌藥物作用等[60]。Zn、Ag、Cu和Au微納米形態(tài)及TiO2、ZnO、MgO等金屬氧化物經(jīng)常通過(guò)包埋和表面涂覆等方法固定在納米纖維上。有研究表明金屬納米顆粒吸附在細(xì)胞壁上，引起膜張力增大導(dǎo)致細(xì)胞機(jī)械變形、細(xì)胞破裂、細(xì)胞死亡，從而達(dá)到抗菌效果[61]。銀及其納米粒子破壞細(xì)菌細(xì)胞壁膜，與脫氧核糖核酸(DNA)和蛋白質(zhì)在內(nèi)的含磷和含硫生物分子相互作用而滲透到細(xì)胞內(nèi)部造成破壞來(lái)有效抑制細(xì)菌。金屬氧化物大多以其離子形式起抗菌作用，其抗菌作用機(jī)理有兩種觀點(diǎn)，一是納米纖維釋放出金屬陽(yáng)離子引起微生物膜內(nèi)外離子濃度差，阻礙細(xì)胞維持生理所必須的小分子和大分子物質(zhì)的運(yùn)輸，且金屬離子易引起酶蛋白分子失活，破壞DNA的合成。二是使納米纖維表面產(chǎn)生催化活性中心，激活纖維表面空氣或水中的氧，產(chǎn)生羥基自由基和活性氧離子，從而破壞細(xì)菌細(xì)胞增殖能力。如ZnO在納米纖維表面形成的活性羥基自由基。這些自由基可以與細(xì)胞膜、DNA和細(xì)胞蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[62]。TiO2具有光誘導(dǎo)殺菌特性，在紫外線照射下，TiO2產(chǎn)生活性氧，如超氧化物、氧自由基等，破壞細(xì)菌細(xì)胞壁并阻斷其呼吸系統(tǒng)。

納米纖維含天然抗菌劑種類不同，抗菌機(jī)理不同，含殼聚糖納米纖維由于活性氨基和羥基的存在，表現(xiàn)出獨(dú)特的聚陽(yáng)離子、螯合和成膜性。殼聚糖聚陽(yáng)離子(質(zhì)子化氨基)可以與細(xì)胞表面的陰離子基團(tuán)相互作用，從而導(dǎo)致膜滲透性增加，生物蛋白和其他細(xì)胞內(nèi)成分滲漏，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[63]。另一種抗菌機(jī)制為與微量元素或必需營(yíng)養(yǎng)物形成殼聚糖螯合物，抑制細(xì)胞內(nèi)酶的活性[64]。含精油納米纖維對(duì)細(xì)菌細(xì)胞的殺菌作用包括：破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，干擾能量代謝系統(tǒng)，影響細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、DNA合成和代謝過(guò)程，改變細(xì)胞形態(tài)，影響細(xì)胞分裂，抑制生物膜形成，這主要與精油內(nèi)酚類化合物有關(guān)[65]。

有機(jī)抗菌劑、醫(yī)藥抗菌劑與聚合物混紡得到的抗菌納米纖維主要通過(guò)四種作用機(jī)制實(shí)現(xiàn)抗菌性能，破壞細(xì)菌細(xì)胞壁合成、核酸的合成和必需的蛋白質(zhì)合成，及阻礙主要代謝途徑[66]。如有機(jī)硅季銨鹽十八烷基二甲基三甲硅丙基氯化銨(QAS)是一種新型的陽(yáng)離子抗菌劑，通過(guò)QAS硅氧烷基團(tuán)和聚合物官能團(tuán)(如羥基)的相互作用，使納米纖維獲得了抗菌活性。QAS納米纖維可能的抗菌機(jī)制包括:帶正電荷的四價(jià)氮對(duì)帶相反電荷的細(xì)菌膜的靜電吸引，產(chǎn)生由不均勻的表面電荷分布引起的膜變形破裂；將QAS的疏水長(zhǎng)鏈烷基插入細(xì)菌膜中，改變膜理化性質(zhì)，釋放細(xì)菌內(nèi)物質(zhì)[67]。氯己定是帶正電荷的疏水親脂性分子，與細(xì)菌膜中負(fù)電荷磷酸基團(tuán)的相互作用，改變細(xì)胞的滲透平衡并導(dǎo)致膜滲漏[68]。將聚丙烯腈納米纖維膜在羥胺水溶液中進(jìn)行處理，制備偕胺肟納米纖維膜，偕胺肟基團(tuán)和金屬離子之間的配位將與細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)微生物生存所必需的金屬離子，從而抑制細(xì)胞復(fù)制和生長(zhǎng)?？咕钥赡茉从诤⒘蚧蜓醯纳锓肿訉?duì)電子供體基團(tuán)的強(qiáng)結(jié)合能力[69]。

3.2 生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用

細(xì)菌感染是造成慢性感染的主要原因之一[70]，所以抗菌材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域(如傷口敷料、生物組織支架等)一直是重要的研究方向。通過(guò)將藥物分子加入到電紡前驅(qū)體溶液中，或?qū)⑺幬锇陔娂徑z納米纖維表面等方法制備納米纖維支架，藥物分子利用孔隙結(jié)構(gòu)緩慢釋放作用于機(jī)體從而達(dá)到藥物傳遞[71]。到目前為止許多藥物，包括抗癌藥物、蛋白質(zhì)、抗生素、核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)已經(jīng)成功負(fù)載在靜電紡絲納米纖維上[72]。在靜電紡絲納米纖維前驅(qū)體溶液中可以加入用于促進(jìn)組織生長(zhǎng)皮膚愈合的藥物分子以及抗菌物質(zhì)，得到的靜電紡絲納米纖維用于傷口敷料有助于皮膚的治療[73]。

如Bakhsheshi-Rad等將慶大霉素(Gn)加入殼聚糖(CS)與海藻酸鈉(Alg)混合溶液后進(jìn)行靜電紡絲，制備了一種具有高抗菌性能的納米材料用于傷口敷料。慶大霉素含量為19%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的殼聚糖海藻酸鹽納米纖維的藥物累積釋放量在前12 h內(nèi)達(dá)到69.93%，初始爆發(fā)后，慶大霉素逐漸持續(xù)釋放直至第10天?？刮⑸飳?shí)驗(yàn)表明，負(fù)載慶大霉素的納米纖維具有良好的抗菌性能。慶大霉素濃度越高，殼聚糖海藻酸鹽納米纖維的抗菌性能越好(圖8)[74]。該課題組還進(jìn)行了體外細(xì)胞培養(yǎng)研究，添加1%慶大霉素的殼聚糖海藻酸鹽創(chuàng)面敷料對(duì)細(xì)胞粘附和增殖的促進(jìn)作用大于添加更高濃度慶大霉素的創(chuàng)面敷料。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)載3%慶大霉素的殼聚糖海藻酸鹽納米纖維可促進(jìn)小鼠模型皮膚再生，是藥物傳遞系統(tǒng)和皮膚再生應(yīng)用的良好候選材料。電紡納米纖維通過(guò)改變疏水性親水性材料、微觀結(jié)構(gòu)(非均質(zhì)結(jié)構(gòu)、核鞘結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu))或宏觀結(jié)構(gòu)，在控制藥物釋放速率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前，刺激響應(yīng)納米纖維的出現(xiàn)提供了一種時(shí)間和空間上控制藥物遞送和釋放的新策略[75]。

Wang等[76]采用靜電紡絲技術(shù)制備了乙烯-乙烯醇(EVOH)聚合物納米纖維，研究了該納米纖維用于傷口敷料的相關(guān)性能。研究結(jié)果表明該納米纖維具有較好的吸液能力，每單位重量比棉紗多吸22%的水。水蒸氣的透過(guò)率也與棉紗相當(dāng)。含銀粒子的納米纖維比含慶大霉素和碘的納米纖維具有更強(qiáng)的抗菌能力，這些特性均表明該納米纖維可作為傷口敷料的備選材料。而靜電紡絲支架目前已經(jīng)在皮膚、骨骼、血管、神經(jīng)組織工程等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了研究。此外，靜電紡絲材料還被應(yīng)用于其他組織工程，如軟骨、心臟、韌帶、呼吸、聲帶等也有相關(guān)研究報(bào)道[77-78]。

3.3 在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用

靜電紡絲還適用于制造智能食品包裝[79]。 Wang等[80]通過(guò)靜電紡絲法制備β-環(huán)糊精/槲皮素復(fù)合納米纖維膜，將具有抗菌性能的槲皮素包裹在β-環(huán)糊精的空腔結(jié)構(gòu)中形成包合物，實(shí)驗(yàn)表明靜電紡絲后得到的復(fù)合納米纖維對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均形成了抑菌圈，證明具備抗菌性，為后續(xù)抗菌包裝材料的研究提供依據(jù)。Liu等[81]以靜電紡絲明膠、殼聚糖和3-苯基乳酸制備了抗菌納米纖維膜。3-苯基乳酸在聚合物中的含量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，納米纖維膜具有最佳的熱穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和水蒸氣滲透性。添加3-苯基乳酸比不添加的明膠殼聚糖電紡納米纖維具有更好的抗菌效果，在30 min內(nèi)，明膠/殼聚糖/3-苯基乳酸纖維膜減少沙門氏菌和金黃色葡萄球菌約4 log CFU/mL，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明明膠/殼聚糖/3-苯基乳酸納米纖維膜可以作為優(yōu)異的食品包裝。通過(guò)引入抗菌劑、抗氧化劑、除氧劑、吸濕劑或氣味吸收劑及其他生物活性物質(zhì)改善納米纖維性能，得到的電紡納米纖維更適應(yīng)包裝環(huán)境。

3.4 在空氣過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用

空氣中除了有固體灰塵顆粒、CO、SO2等有害氣體，還有細(xì)菌、病毒等嚴(yán)重危害人們身體健康的微生物，所以對(duì)于具有抗菌性能的空氣過(guò)濾材料的研究是迫切必要的。在空氣過(guò)濾方面，靜電紡絲納米纖維的孔隙結(jié)構(gòu)具有很大優(yōu)勢(shì)，且易引入殺菌劑，以此用來(lái)制備抗菌性能纖維。Huang等[82]把1-氯-2,2,5,5-四甲基-4-咪唑烷酮作為鹵胺化合物引入聚丙烯腈納米纖維，電紡形成聚丙烯腈/1-氯-2,2,5,5-四甲基-4-咪唑烷酮納米纖維。實(shí)驗(yàn)表明該納米纖維對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均有良好的穩(wěn)定性和抗菌效果，在接觸1 min和10 min內(nèi)，對(duì)接種的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有滅活作用。且該納米纖維具有良好的透氣性，可用于防護(hù)口罩，阻擋空氣中的致病微生物。Almeida等[83]對(duì)靜電紡絲法制備的醋酸纖維素納米纖維和溴化十六烷基吡啶對(duì)氣溶膠納米粒子的過(guò)濾性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該納米纖維具有良好的通透性和對(duì)氣溶膠納米顆粒近100%的高效過(guò)濾，包括黑碳和新型冠狀病毒。該研究為可再生、無(wú)毒、可生物降解和具有抗菌特性的室內(nèi)空氣過(guò)濾器和口罩過(guò)濾介質(zhì)的設(shè)計(jì)提供選擇。

4 結(jié)論與展望

靜電紡絲技術(shù)通過(guò)將抗菌物質(zhì)均勻添加到電紡絲前驅(qū)體溶液中進(jìn)行紡絲，或?qū)鹊秒娂徏{米纖維后處理進(jìn)而得到具有抗菌性能的納米纖維?？咕幬飶募{米纖維中緩慢而有控制的釋放是靜電紡絲納米纖維應(yīng)用的一個(gè)重要考慮因素。一些方法如納米纖維的核鞘結(jié)構(gòu)、有機(jī)抗菌劑在纖維表面的共價(jià)鍵結(jié)合，可以用來(lái)維持幾天的釋放。盡管在短時(shí)間迅速釋放藥物可能會(huì)降低細(xì)菌生存率，但在迄今為止的大多數(shù)研究中仍不斷追求并希望實(shí)現(xiàn)可控逐漸釋放藥物。實(shí)驗(yàn)室中使用簡(jiǎn)單裝置來(lái)生微型納米纖維，單針和同軸電紡效率低，溶劑有毒性或成本過(guò)高而難以擴(kuò)大等阻礙了抗菌電紡纖維的大規(guī)模生產(chǎn)。專業(yè)化設(shè)備和工藝的進(jìn)一步發(fā)展將有可能提高納米纖維的生產(chǎn)速度，改善藥物釋放特性，研究制備刺激響應(yīng)型抗菌納米纖維，未來(lái)或?qū)?shí)現(xiàn)可控釋放抗菌物質(zhì)的電紡納米纖維，擴(kuò)大在生物醫(yī)用方面、食品包裝和空氣過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用。綜上所述，靜電紡絲技術(shù)在制備納米纖維特別是抗菌納米纖維方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。然而，要充分發(fā)揮抗菌納米纖維的潛力，還需要進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)。