楊海貞 魏肅桀 馬闖 周澤林 王蒙佳 付源

摘 要：纖維素具有生物相容性、生物可降解性和與其他物質(zhì)的高親和力等優(yōu)點，通過靜電紡絲技術(shù)將纖維素與其他聚合物進(jìn)行混紡，可以獲得具備生物降解性、生物相容性、低免疫原性和抗菌活性等多種性能的納米纖維材料，非常適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。本文綜述了近年來國內(nèi)外通過靜電紡絲制備纖維素及其衍生納米纖維的研究進(jìn)展，主要介紹了纖維素及其衍生納米纖維在組織工程支架、傷口敷料、藥物釋放/傳遞領(lǐng)域、抗菌領(lǐng)域和醫(yī)療器械等領(lǐng)域的研究進(jìn)展，分析了存在的問題并展望了未來的研究趨勢。

關(guān)鍵詞：靜電紡絲；纖維素；衍生物；生物醫(yī)學(xué)；復(fù)合納米纖維

中圖分類號：TS199

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）03-0212-13

基金項目：河南省科技攻關(guān)項目（222102230065）;中原工學(xué)院青年人才創(chuàng)新能力基金項目（K2020QN003）; 國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202210465036）

作者簡介：楊海貞（1989—），女，河南新鄉(xiāng)人，講師，博士，主要從事功能性納米纖維紡織品的制備及應(yīng)用方面的研究。

纖維素作為儲量最豐富的高分子材料、生物基聚合材料生產(chǎn)中最具潛力的候選原料，具有多種獨特的性能，包括機(jī)械強(qiáng)度、孔隙率、高保水性、高表面功能性和纏結(jié)纖維網(wǎng)絡(luò)，已引起廣泛關(guān)注［1-2］。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，定向排列的納米纖維素纖維的應(yīng)用已成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上的重要組成部分［3-4］。研究表明，定向排列的納米纖維素纖維促進(jìn)了靜電紡絲納米纖維的應(yīng)用，特別是在藥物輸送系統(tǒng)、組織工程、疾病診斷、醫(yī)療保健和再生醫(yī)學(xué)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。納米纖維素復(fù)合材料在環(huán)境方面也有著重要的應(yīng)用［5-6］。而靜電紡絲法因其具有制造裝置簡單、紡絲成本低廉、可紡物質(zhì)種類繁多和工藝可控等優(yōu)點成為制備納米纖維素復(fù)合材料的首要制備方法［7-8］。本文主要介紹了靜電紡絲制備納米纖維素在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 纖維素及其紡絲性能

纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，是自然界中分布最廣、儲量最大的天然高分子材料。由于其良好的生物相容性、適應(yīng)性、可再生和可生物降解性，使其具有極佳的性狀維持能力，是新型高分子醫(yī)用材料的研究熱點。此外，纖維素本身具有獨特的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其納米纖維素原纖具備了超強(qiáng)的力學(xué)性能，但難以溶于常規(guī)溶劑，通過靜電紡絲直接制備納米纖維素纖維較為困難。然而，纖維素可以很容易地轉(zhuǎn)化為衍生物（如醋酸纖維素、纖維素醚和纖維素酯等），為纖維素的發(fā)展提供了新的空間。

利用纖維素紡絲可通過靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行，靜電紡絲技術(shù)是一種從聚合物基材制備具有可調(diào)性能的納米纖維的技術(shù)，是迄今最為有效的制備連續(xù)納米纖維的方法之一。通過靜電紡絲法制備纖維時，可以根據(jù)聚合物分子量、分子結(jié)構(gòu)、溶液性質(zhì)（如濃度、黏度、電導(dǎo)率、表面張力）等改變電位差和電動勢大小以產(chǎn)生所需的形態(tài)。近年來，通過靜電紡絲法制備纖維素納米纖維主要有兩種方法，第一種，首先通過靜電紡絲易溶的纖維素衍生物，然后將該衍生物水解成纖維素來制備纖維素納米纖維。第二種，纖維素溶于合適的溶劑后，通過靜電紡絲法直接制備纖維素納米纖維。例如，將纖維素溶解在N-甲基嗎啉-N-氧化物/H2O （NMMO/H2O）中，制成一種環(huán)保的紡絲溶液，該溶液與其他復(fù)合納米纖維材料混紡，以完成優(yōu)良的改性并改變自身的性質(zhì)。

2 納米纖維素纖維在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 組織工程支架

組織工程支架是目前最有效的細(xì)胞外基質(zhì)替代物，它可以在結(jié)構(gòu)和功能上高度模擬細(xì)胞外基質(zhì)，為細(xì)胞黏附、營養(yǎng)輸送和代謝提供三維載體，為新細(xì)胞的生長和增殖提供充足的空間［9］。因此，它可以有效替換受損的組織或器官，是生物醫(yī)學(xué)研究的重點。

纖維素酯是通過纖維素酯化制備的纖維素衍生物，具有高溶解度、高玻璃化溫度和生物降解性。醋酸丁酸纖維素酯（CAB）是一種常見的纖維素衍生物。然而，CAB的疏水性阻礙了細(xì)胞黏附，限制了其在組織工程中的應(yīng)用。Tan等［10］通過靜電紡絲法制備了CAB/聚乙二醇（PEG）復(fù)合納米纖維，如圖1所示。為了改善CAB納米纖維的性能，制備了不同比例的CAB和PEG復(fù)合納米纖維。結(jié)果表明，當(dāng)CAB和PEG的比例為2∶1時，可以得到光滑無珠的CAB/PEG納米纖維，且纖維表現(xiàn)出更高的結(jié)晶度和更好的拉伸強(qiáng)度。拉伸試驗表明，CAB/PEG納米纖維的拉伸強(qiáng)度是純CAB納米纖維的2倍，纖維的疏水性也有所降低。由于表面潤濕性的改善，復(fù)合納米纖維的溶脹能力增加2倍，生物降解速度更快。細(xì)胞活力測試表明，CAB/PEG納米纖維無毒，并且比純CAB納米纖維表現(xiàn)出更好的細(xì)胞黏附性，說明CAB/PEG納米纖維有望作為組織工程支架。

靜電紡纖維素納米纖維及其微磷酸化產(chǎn)物被評價為誘導(dǎo)羥基磷灰石（HAP）晶體仿生生長的模板。為了仿生天然骨中膠原纖維/HAP的形成，Li等［11］在模擬體液（SBF）中合成了靜電紡絲纖維素納米纖維/HAP復(fù)合材料，該材料具有2～18 nm的中孔和1.03～2.0 nm的微孔，比表面積為51.08 m2/g。由于纖維素納米纖維在誘導(dǎo)HAP生長方面表現(xiàn)出較低的生物活性，為了改善這種性能，將纖維素納米纖維輕度磷酸化，并與Ca2+相互作用形成Ca—P核，磷酸基取代度為0.28。改性后的纖維素納米纖維可以有效地引導(dǎo)HAP沿纖維方向生長，并且可以在改性纖維素納米纖維上生長尺寸和形態(tài)均勻的HAP晶體，晶粒尺寸約為24 nm。這種纖維素納米纖維/HAP復(fù)合材料是一種有前途的骨組織工程材料。

Ao等［12］以棉花纖維素和納米羥基磷灰石（HAP）為原料，通過靜電紡絲法制備了纖維素/納米HAP復(fù)合納米纖維（ECHNN），用于骨組織工程支架。通過測試ECHNN的形態(tài)、熱性能和力學(xué)性能，得出ECHNN與人牙囊細(xì)胞（HDFCs）具有良好的生物相容性。隨著納米HAP負(fù)載的增加，ECHNN的平均直徑增加，約為50～500 nm。ECHNN具有優(yōu)異的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別達(dá)到70.6 MPa和3.12 GPa。此外，納米HAP的加入提高了ECHNN的熱穩(wěn)定性，不會對ECHNN支架產(chǎn)生細(xì)胞毒性，并可以促進(jìn)細(xì)胞增殖。細(xì)胞培養(yǎng)實驗表明，ECHNN支架對HDFCs的附著和增殖具有良好的生物相容性，可作為骨組織工程支架材料。

目前，通過靜電紡絲法制備的組織工程支架可以幫助修復(fù)自然組織，與單一材料相比，多功能復(fù)合支架可以為組織再生提供更合適的微環(huán)境。Abdullah等［13］通過使用纖維素微纖絲（CNFs）來增強(qiáng)聚乳酸（PLA）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）基體，制備了靜電紡絲復(fù)合支架。通過制備不同比例的PLA/PBS纖維支架，發(fā)現(xiàn)等比例的PLA和PBS有利于獲得良好的纖維形態(tài)、可持續(xù)的機(jī)械強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)臐櫇裥?。將CNFs引入PLA/PBS支架，發(fā)現(xiàn)PLA/PBS基質(zhì)和支架中CNFs之間存在較強(qiáng)的折疊長鏈分子相互作用，從而提高了PLA/PBS支架的力學(xué)性能。所開發(fā)的復(fù)合支架能夠滿足血管組織再生的一些基本要求，表現(xiàn)出最佳的細(xì)胞附著和增殖性能，并且纖維結(jié)構(gòu)均勻、尺寸理想。此外，復(fù)合支架在蛋白酶作用下表現(xiàn)出較快的生物降解速率，并能從抗菌酶中吸附溶菌酶，表明其在血管組織工程中具有一定的應(yīng)用潛力。

Hrdelin等［14］用不同濃度的離子液體和助溶劑對纖維素進(jìn)行靜電紡絲。首先將醋酸纖維素（CA）溶解在丙酮/二甲基乙酰胺（DMAc）或N，N-二甲基甲酰胺（DMF）或二甲基亞砜（DMSO）混合物中，然后通過靜電紡絲法制備了纖維素基支架，并研究了DMF、DMAc或DMSO的溶液參數(shù)與可紡性和纖維形成的關(guān)系。其結(jié)果表明，DMSO體系的黏度高于DMAc和DMF體系，DMSO對溶劑混合物的表面張力影響較小。此外，DMSO體系具有最明顯的剪切稀釋行為，也是最佳的纖維形成溶液，這與纖維素在具有不同共溶劑的離子液體中的溶解度有關(guān)。與DMSO相比，DMAc和DMF具有共振形式的分子結(jié)構(gòu)，因此，離子液體與共溶劑（DMAc或DMF）之間的相互作用比離子液體與DMSO之間的相互作用更強(qiáng)。

由于細(xì)胞具有歸巢效應(yīng)和接觸導(dǎo)向，納米纖維的排列對支架的物理特性和生長分化影響較大。Zhang等［15］通過靜電紡絲得到負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）的纖維素/纖維素納米晶體（CNCs）復(fù)合納米纖維（ECCNNs），負(fù)載BMP-2的ECCNNs支架具有良好的生物相容性。隨著體外茜素紅染色、堿性磷酸酶活性和鈣含量的增加，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的生長方向遵循納米纖維的排列形態(tài)。此外，定向纖維素納米纖維可在體外誘導(dǎo)定向骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的生長和礦化結(jié)節(jié)的形成，并可在體內(nèi)誘導(dǎo)組裝膠原蛋白和皮質(zhì)骨的形成。因此，BMP-2和定向ECCNNs支架的結(jié)合在骨再生中具有巨大潛力。謝佳璇等［16］發(fā)現(xiàn)通過超臨界二氧化碳（SC-CO2）靜電紡絲法可以減少有機(jī)溶劑的引入，避免了引入有機(jī)溶劑后難以去除的問題。此外，其溫和的條件、較快的運(yùn)行速度和靈活的生產(chǎn)條件使其成為一種優(yōu)良的支架材料，在醫(yī)療領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

Gunes等［17］通過靜電紡絲制備了由3D印刷聚乳酸（PLA）支架和纖維狀的纖維素組成的殼聚糖-膠原水凝膠復(fù)合支架，用于半月板軟骨組織工程。結(jié)果表明，水凝膠復(fù)合支架具有相互連接的微孔結(jié)構(gòu)，其溶脹率約為400%，含水量在77%至83%之間，與天然軟骨細(xì)胞外基質(zhì)相似，抗壓強(qiáng)度也相似，適用于軟組織工程應(yīng)用。體外分析結(jié)果表明，這種水凝膠復(fù)合支架對兔間充質(zhì)干細(xì)胞沒有毒性作用，使細(xì)胞能夠附著和增殖，并通過支架的內(nèi)部區(qū)域遷移，在半月板組織工程中具有良好的應(yīng)用前景。

Thunberg等［18］通過原位聚合吡咯對電紡纖維素納米纖維進(jìn)行改性，其SEM照片如圖2所示。圖2中纖維素納米纖維的直徑為300～1500 nm，聚吡咯（PPy）小顆粒附著在纖維表面，纖維素/PPy 0.05和纖維素/PPy 0.15納米纖維相似，纖維表面具有PPy小顆粒，而纖維素/PPy 0.45納米纖維中具有更多的PPy顆粒。PPy顆粒的聚集降低了納米纖維的孔隙率。此外，纖維素/PPy納米纖維的導(dǎo)電性比未改性纖維素納米纖維提高了105倍，且纖維素/PPy納米纖維沒有細(xì)胞毒性。人神經(jīng)母細(xì)胞瘤（SH-SY5Y）細(xì)胞體外培養(yǎng)表明，PPy增強(qiáng)了SH-SY5Y細(xì)胞的黏附性，并能保證細(xì)胞在15天內(nèi)的存活率，細(xì)胞黏附在納米纖維上將其形態(tài)改變?yōu)楦裆窠?jīng)元的表型。這項研究為纖維素基材料用作神經(jīng)組織工程支架提供了新的途徑。

近年來，組織工程支架在醫(yī)學(xué)仿生領(lǐng)域的研究已成為熱點，而研究的關(guān)鍵是構(gòu)建具有仿生基質(zhì)的結(jié)構(gòu)。組織工程支架作為連接細(xì)胞和組織的框架，為細(xì)胞和組織再生長或遷移提供了良好的環(huán)境，是組織工程的重要組成部分之一。傳統(tǒng)組織工程聚合物支架制備技術(shù)存在有機(jī)溶劑殘留、孔隙連通性差等問題，極大地限制了其應(yīng)用。靜電紡絲法制備的材料范圍較廣，通過聚合物改性可以滿足更多的需求，非常適合組織工程支架的制備。此外，靜電紡纖維素納米纖維因其良好的細(xì)胞相容性和細(xì)胞活性而更適合細(xì)胞生長。由三維纖維材料構(gòu)建的支架在結(jié)構(gòu)上與天然細(xì)胞基質(zhì)相似，更利于細(xì)胞生長和繁殖，符合細(xì)胞生物的活性環(huán)境。

2.2 傷口敷料

慢性傷口是主要的醫(yī)療負(fù)擔(dān)，確定傷口類型的最佳敷料是促進(jìn)傷口愈合的重要因素。慢性傷口的表現(xiàn)往往是動態(tài)的，選擇合適的敷料可以縮短愈合時間，并提高患者的生活質(zhì)量［19］。

為了評價醋酸纖維素（CA）/明膠（Gel）/納米羥基磷灰石（HAP）復(fù)合墊作為創(chuàng)面敷料的效果，Samadian等［20］通過靜電紡絲法制備了CA/Gel/HAP納米纖維敷料。研究發(fā)現(xiàn)，CA/Gel/HAP敷料的傷口閉合率高于無菌紗布，其膠原合成、上皮再生和血管新生效果較好，表明這種敷料對創(chuàng)面治療具有良好的適用性。糖尿病足潰瘍（DFU）是梅糖尿病的主要致殘并發(fā)癥之一，對傷口護(hù)理非常重要。因此，具有一定理化和生物學(xué)特性的功能性創(chuàng)面敷料對于治療糖尿病足潰瘍至關(guān)重要。Samadian等［21］通過靜電紡絲得到負(fù)載黃連素的CA/Gel納米纖維敷料，觀察了鏈脲佐菌素對糖尿病大鼠傷口愈合的影響。實驗中，膠原密度為（88.8±6.7）%，血管生成評分為19.8±3.8，這種納米纖維可以促進(jìn)DFU的愈合，有望作為糖尿病的傷口敷料。

利用天然高分子材料制備透明、可視化皮膚傷口愈合敷料，在醫(yī)用天然高分子材料和多功能紗布敷料設(shè)計領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。Xia等［22］通過電紡獲得殼聚糖（CS）/纖維素納米纖維。研究發(fā)現(xiàn)，CS溶液由于分子間電荷排斥而極化成納米纖維，在CS/纖維素納米纖維膜上形成連續(xù)的纖維氈。此外，CS/纖維素納米纖維膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有良好的生物相容性和抗菌活性。小鼠體內(nèi)創(chuàng)面愈合模型表明，CS/纖維素納米纖維促進(jìn)了傷口創(chuàng)面愈合，可作為臨床創(chuàng)面敷料。

傷口愈合需要仔細(xì)、定向和有效的治療，以防止感染和加速組織再生。Abdel Khalek等［23］使用丙酮和甲酸將CA與聚氧化乙烯（PEO）混合，通過靜電紡絲法得到CA/PEO納米纖維，作為慢性傷口愈合的藥物輸送敷料。研究發(fā)現(xiàn)，CA/PEO納米纖維的直徑為400～600 nm，親水性強(qiáng)，對金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌和銅綠假單胞菌具有良好的抗菌活性。此外，治療組的細(xì)菌存活率、生物膜質(zhì)量和產(chǎn)生的綠膿桿菌素分別下降了90%、80%和3倍，表明載藥CA/PEO敷料可應(yīng)用于多模式慢性傷口愈合。

為了促進(jìn)糖尿病創(chuàng)面愈合，Lei等［24］通過電紡獲得負(fù)載替拉扎特的CA支架。實驗發(fā)現(xiàn)，在正常和氧化應(yīng)激條件下，負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的替拉扎特的CA支架具有較高的細(xì)胞增殖和細(xì)胞活力。創(chuàng)傷愈合結(jié)果表明，載藥敷料可顯著促進(jìn)創(chuàng)傷愈合，降低了谷胱甘肽過氧化物酶的分泌速率。表明負(fù)載替拉扎特的CA傷口敷料通過調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)和保護(hù)機(jī)體免受氧化損傷，促進(jìn)了糖尿病傷口愈合。

積雪草的提取物可以治愈傷口、燒傷和皮膚潰瘍異常，是傷口敷料的一種理想材料。Suwantong等［25-26］以丙酮/二甲基乙酰胺為溶劑，通過靜電紡絲法制備了負(fù)載積雪草中積雪草苷（AC）/純物質(zhì)（PAC）和AC/粗提物（CACE）的CA納米纖維氈。結(jié)果表明，負(fù)載AC/PAC和AC/CACE的CA納米纖維的平均直徑為301～545 nm，在室溫或40 ℃下陳化4個月后，負(fù)載AC/PAC和AC/CACE的CA納米纖維氈仍然穩(wěn)定，不釋放對正常人皮膚成纖維細(xì)胞有害的物質(zhì)，具有作為外用/透皮或傷口敷料的潛力。

Doostan等［27］采用離子凝膠法制備了負(fù)載紅霉素（Ery）/殼聚糖（CS）納米顆粒，并將其摻入到CA溶液，通過靜電紡絲得到Ery/CS/CA納米纖維墊，用于感染傷口敷料。結(jié)果表明，當(dāng)Ery被裝入CS納米顆粒中，其包封率高達(dá)95%。Ery/CS/CA纖維外觀光滑均勻，平均直徑為（141.7±91.7） nm，具有良好的持水能力和孔隙率。這種纖維墊能夠抑制革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細(xì)菌的生長，對人皮膚成纖維細(xì)胞沒有毒性，可以應(yīng)用于感染傷口敷料。

金屬及其納米顆粒、海藻酸鈉、蜂蜜和細(xì)菌纖維素由于其良好的生物相容性而被廣泛應(yīng)用于支架和創(chuàng)面敷料?；前粪奏ゃy（SSD）是一種主要的外用抗菌劑，主要用于治療燒傷創(chuàng)面感染。Khan等［28］將SSD與CA混合，通過靜電紡絲法得到具有高抗菌活性的CA/SSD傷口敷料。研究發(fā)現(xiàn)，CA/SSD納米纖維的直徑分布均勻，具有良好的吸水性和可重復(fù)使用的優(yōu)點。此外，這種納米纖維對革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性枯草芽孢桿菌表現(xiàn)出良好的抗菌活性和可重復(fù)使用性，有望應(yīng)用于創(chuàng)面敷料。

石墨烯敷料由于其生物相容性和抗菌性能，在傷口愈合方面引起廣泛關(guān)注。Prakash等［29］通過靜電紡絲法得到CA/氧化石墨烯（GO）/TiO2/姜黃素納米纖維，其合成方法示意如圖3所示。圖3中CA/GO/TiO2/姜黃素纖維的平均直徑為（180.54±3.22） nm，其中姜黃素可有效調(diào)節(jié)纖維直徑，增加其比表面積。這種纖維具有良好的溶脹、降解、拉伸和體外創(chuàng)面愈合性，對創(chuàng)面病原體具有顯著的抗菌活性，促進(jìn)了創(chuàng)面愈合。此外，該纖維具有良好的血液相容性和生物相容性，姜黃素的持續(xù)釋放促進(jìn)了皮膚再生和傷口愈合，具有作為傷口敷料的潛力。

Wutticharoenmongkol等［30］通過靜電紡絲法得到?jīng)]食子酸（GA）/CA納米纖維墊，并分別在醋酸緩沖溶液和生理鹽水中通過豬皮法進(jìn)行全浸泡和透皮擴(kuò)散，用來測定GA的釋放性能。在全浸法中，醋酸鹽緩沖液中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%和40% GA的纖維墊釋放的GA最大量為初始GA重量的97%和71%，而釋放到生理鹽水中的GA的最大量分別為96%和81%。此外，GA/CA纖維墊對金黃色葡萄球菌具有抗菌活性，可以用作傷口敷料。朱吉昌等［31］通過靜電紡絲法制備了聚乳酸（PLA）/細(xì)菌纖維素（BC）/殼聚糖（CS）多級結(jié)構(gòu)纖維敷料，這種纖維敷料具有微米級和納米級的纖維結(jié)構(gòu)，滿足多級纖維敷料尺度要求。所制備的敷料具有良好的透濕透氣性和吸水性，可以避免傷口炎癥潰爛，并抑制了傷口愈合初期產(chǎn)生的滲液。此外，這種纖維敷料具有良好的柔韌性，能夠緊密貼合皮膚，有利于傷口修復(fù)。

通過靜電紡絲法將低成本的纖維素制備成納米纖維用于傷口敷料，其在成本、傷口愈合程度和傷口愈合速度方面優(yōu)于傳統(tǒng)傷口敷料。目前，納米技術(shù)在傷口敷料的研發(fā)得到重視。由于納米技術(shù)的影響，它在工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中仍然受到限制，無法投入生產(chǎn)使用，然而，它在傷口處理后藥物降解方面具有巨大的優(yōu)勢。

2.3 藥物釋放/傳遞

藥物輸送在輔助輸送材料、賦形劑和允許藥物快速或緩慢釋放的技術(shù)方面創(chuàng)新性極高，而納米纖維制備方法的突破，為藥物釋放和傳遞領(lǐng)域提供了新思路。納米纖維的高比表面積可以改善藥物摻入和質(zhì)量傳遞特性，提升了藥物釋放/傳遞效率，得到了廣泛應(yīng)用［32］。

Hivechi等［33］以高分子量纖維素為原料，合成了纖維素納米晶體（CNCs），并將合成的CNCs加入聚己內(nèi)酯（PCL）溶液中，通過靜電紡絲法得到了CNCs/PCL納米纖維。其結(jié)果表明，在紡絲電壓為17 kV和紡絲速率為0.9 mL/h的條件下對PCL溶液進(jìn)行紡絲，可獲得直徑為233 nm的納米纖維。CNCs的加入提高了CNCs/PCL納米纖維的生物降解性。隨著PCL納米纖維中CNCs含量的增加，藥物釋放速度減慢。因此，CNCs/PCL納米纖維可應(yīng)用于藥物可控釋放方面。

Tungprapa等［34］以CA/丙酮/N，N-二甲基乙酰胺（DMAc）溶液為紡絲液，通過靜電紡絲得到載藥CA超細(xì)纖維氈。其結(jié)果表明，載藥CA納米纖維氈的平均直徑為263～297 nm，將其在37℃的醋酸鹽緩沖溶液中浸泡24 h，納米纖維氈膨脹性增加。藥物釋放結(jié)果表明，其對藥物最大釋放量從大到小依次為：萘普生（NAP）、 布洛芬（IBU）、 吲哚美辛（IND）和舒林酸（SUL）。Wu等［35］以丙酮/DMAc/乙醇為溶劑，通過靜電紡絲制備了負(fù)載萘普生酯前藥（包括甲酯、乙酯和異丙酯）的CA納米纖維。其研究表明，CA與3種前藥具有良好的相容性，3種前藥的纖維直徑為100～500 nm；體外釋放結(jié)果表明，該纖維在6天內(nèi)持續(xù)釋放藥物。前藥被成功包裹在纖維中，該體系釋放效果穩(wěn)定。

Huang等［36］通過靜電紡絲得到鄰苯二甲酸醋酸纖維素（CAP）納米纖維，用來預(yù)防艾滋病毒傳播。紡絲過程中，抗病毒藥物很容易摻入到CAP纖維中。CAP纖維在pH小于4.5的陰道液中非常穩(wěn)定，而加入少量pH在7.4～8.4的人類精液，CAP纖維立即溶解，導(dǎo)致被包裹的藥物釋放，這種納米纖維可有效預(yù)防艾滋病毒。

以多種纖維素為原材料，通過靜電紡絲制備纖維素納米纖維作為藥物輸送載體，提高了藥物輸送效率和穩(wěn)定性，也可以在合適時機(jī)用于藥物降解。然而，纖維素納米纖維在藥物釋放領(lǐng)域的技術(shù)尚不成熟，藥物釋放不完全，這限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，新型纖維素納米纖維在藥物釋放領(lǐng)域的研究是未來的發(fā)展趨勢。

2.4 抗菌領(lǐng)域

纖維素作為世界上儲量最豐富的聚合物，具有生物可再生、生物相容、生物可降解和生物安全等特性，是制備抗菌材料的理想原料［37］。

Pereira等［38］在靜電紡CA納米纖維上沉積殼聚糖納米晶須（CsNWs），可以實現(xiàn)表面電荷完全逆轉(zhuǎn)，使CA納米纖維從攜帶負(fù)電荷（-40 mV）轉(zhuǎn)為攜帶正電荷（+8 mV）。在紡絲過程中，CsNW沒有改變CA納米纖維的形態(tài)。生物試驗表明，CsNWs/CA納米纖維對革蘭氏陰性桿菌大腸桿菌有很好的抗菌活性，可在24 h內(nèi)減少99%的菌落形成單位，對健康的凍干人用狂犬病疫苗（Vero細(xì)胞）無毒。Sharaf等［39］通過靜電紡絲得到CA/蜂膠提取物（HBP）納米纖維。與CA納米纖維比，CA/HBP納米纖維的熱穩(wěn)定性提高，有效抑制了大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長。體外釋放實驗表明，HBP的釋放可以在中性pH值下持續(xù)和控制。

Phan等［40］發(fā)現(xiàn)AgNPs和柑橘精油（OEO）對革蘭氏陽性枯草芽孢桿菌和革蘭氏陰性大腸桿菌具有優(yōu)異的抗菌活性，并證明了OEO與電紡纖維素納米纖維上的AgNPs之間的可控釋放特性和協(xié)同抗菌作用。Srivastava等［41］通過靜電紡絲法得到CA-g-AgNPs納米纖維墊。研究表明，CA-g-AgNPs納米纖維墊對革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌具有較高的療效，可以增強(qiáng)AgNPs的內(nèi)化。用小鼠巨噬細(xì)胞系統(tǒng)監(jiān)測纖維墊的生物相容性，發(fā)現(xiàn)這種纖維墊顯著抑制了生物膜的形成，使生物膜減少50%，表明這種納米材料對生物膜具有良好的活性。

Tomasz等［42］以丙酮和蒸餾水（9：1 v/v）混合溶劑和不同濃度的CA（即10%～21%）為原料，通過靜電紡絲法制備了CA納米纖維，并在CA濃度為17%的溶液中加入亞甲基藍(lán)（MB），得到具有可見光殺菌性能的CA/MB納米纖維。實驗發(fā)現(xiàn)，CA/MB納米纖維直徑小于900 nm?？梢姽鈿⒕钚裕ǜ哌_(dá)180 min）結(jié)果證實，CA/MB納米纖維可以有效地滅活金黃色葡萄球菌細(xì)胞，細(xì)胞數(shù)量的減少量為（99.99±0.3）%，為開發(fā)具有自殺菌特性的創(chuàng)新材料提供了新思路。

Nthunya等［43］通過原位靜電紡絲技術(shù)制備了負(fù)載Ag和Ag/Fe納米粒子的β-環(huán)糊精（β-CD）/CA納米纖維。然后，將含有Ag+/Fe3+的納米纖維在惰性氣氛和水蒸氣條件下進(jìn)行UV光化學(xué)還原，以將離子還原至零價態(tài)。還原后β-CD/CA納米纖維的平均直徑為（382.12±30.09） nm，且Ag和Ag/Fe納米粒子對所有菌株都表現(xiàn)出良好的殺菌效果。Jatoi等［44］通過熱處理和DMF作為還原劑在纖維素納米纖維上生成AgNPs。通過電紡醋酸纖維素（CA）納米纖維的脫乙?；苽淅w維素納米纖維，隨后使用AgNO3進(jìn)行銀涂覆，然后進(jìn)行熱還原和DMF誘導(dǎo)還原過程。發(fā)現(xiàn)纖維素/AgNPs對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有優(yōu)異的抗菌性能。

Ullah等［45］采用靜電紡絲法制備了負(fù)載香草精油的CA納米纖維墊。結(jié)果表明，香草精油的加入增加了纖維直徑，導(dǎo)致醋酸纖維素聚合物鏈錯位，并降低了其拉伸強(qiáng)度和孔隙率。負(fù)載香草精油的CA納米纖維墊具有很好的抗氧化能力，小鼠胚胎細(xì)胞的存活率達(dá)到了92%。此外，這種CA納米纖維墊對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出良好的抗菌作用。

Xiao等［46］通過靜電紡絲法制備了負(fù)載Cu（II）離子的纖維素/聚丙烯腈（PAN）/Cu（II）納米纖維。結(jié)果表明，當(dāng)Cu（II）離子濃度為0.01 mol/L時，纖維素/PAN/Cu（II）納米纖維表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌良好的抗菌活性。Sawicka等［47］通過兩種不同濃度的原位方法在橙色精油（OEO）溶液中制備了CA的脫乙?；虯gNPs涂層，并通過將OEO和AgNPs沉積在CA納米纖維墊上，實現(xiàn)了藥物的可控釋放和抗菌性能的提升。結(jié)果表明，AgNPs成功沉積在OEO中。經(jīng)過良好處理的納米纖維墊對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌具有良好的抗菌活性。

將抗菌劑和金屬納米粒子與靜電紡纖維素納米纖維相結(jié)合，所制備的纖維素納米纖維具有優(yōu)異的抗菌活性和獨特的空間結(jié)構(gòu)，相較于其他的抗菌技術(shù)，具有相對成熟、殺菌快、殺菌強(qiáng)和價格低的優(yōu)點，在抗菌材料方面具有獨特優(yōu)勢。然而，由于納米纖維素的提取和加工困難，所制備的抗菌劑能力有限，是納米纖維素在抗菌領(lǐng)域發(fā)展的主要障礙。如何豐富納米纖維素抗菌劑的種類和優(yōu)化加工手段是未來研究的主要方向。

2.5 醫(yī)療器械領(lǐng)域

納米纖維素以一種特殊的方式將纖維素的重要特性與納米材料結(jié)合在一起，可以作為新型醫(yī)療器械植入物的主要材料［48］。

由于對具有增強(qiáng)機(jī)械性能的醫(yī)療器械的高需求，納米顆粒在生物材料中的摻入引起了廣泛關(guān)注。Hivechi等［49］通過靜電紡絲法制備了纖維素納米晶體（CNCs）/明膠（Gel）納米纖維。結(jié)果表明，當(dāng)CNCs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，納米纖維墊的模量和拉伸強(qiáng)度顯著增加。當(dāng)CNCs質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5%，力學(xué)性能下降，主要是由于納米顆粒開始團(tuán)聚，但納米顆粒在CNCs質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%時具有良好的分散性。加入CNCs后，交聯(lián)后CNCs/Gel納米纖維的生物降解性略有增加，CNCs對細(xì)胞生長和增殖沒有顯著影響。

醋酸纖維素（CA）納米纖維網(wǎng)因其良好的保水性能而值得特別關(guān)注。在某些應(yīng)用中，基于CA納米纖維的生物傳感器會接觸各種液體，因此需要較高的芯吸速率才能將液體輸送到目的地。Khatri等［50］通過靜電紡絲得到CA/聚乙烯醇（PVA）納米纖維。將CA/PVA共混納米纖維網(wǎng)在堿性水溶液中脫乙?；詫A轉(zhuǎn)化為再生纖維素并從原網(wǎng)中去除PVA納米纖維。結(jié)果表明，改變PVA溶液的濃度可以提高芯吸速率，因此，這種納米纖維網(wǎng)可用于需要高芯吸速率的生物傳感器和醫(yī)療器械。

Cao等［51］通過浸漬干燥工藝在水解的二維電紡CA納米纖維膜上沉積一維黃麻纖維素納米晶須，制備了纖維素納米復(fù)合材料。結(jié)果表明，纖維素納米晶須沉積在纖維表面和纖維之間，使纖維表面變得粗糙。紅外光譜表明，纖維素D-葡萄糖重復(fù)單元中的羥甲基成功轉(zhuǎn)化為羧基。熱重分析表明，復(fù)合材料的熱性能沒有顯著變化，這可能是由于纖維素納米晶須含量較低。此外，復(fù)合膜的強(qiáng)度提高到5.5 MPa，斷裂應(yīng)變略有降低。雖然該復(fù)合膜尚未完全優(yōu)化，但在超濾、醫(yī)療應(yīng)用、催化劑載體等醫(yī)療器械方面具有潛在的應(yīng)用。

隨著疫情常態(tài)化，口罩已成為人們生活中不可或缺的醫(yī)療物資，而濾芯作為口罩的重要組成部分，對口罩的過濾性能尤為重要。張雅寧等［52］通過靜電紡絲法制備了PAN/金屬有機(jī)骨架材料（MIL-53（Fe））/纖維素口罩過濾層，這種口罩過濾層具有除濕、透氣和高效過濾空氣顆粒物的優(yōu)點。研究表明，在PAN中加入MIL-53（Fe）與纖維素后，對于尺寸大于2 μm的顆粒物過濾效果明顯，拉伸性能也大幅提升。與普通口罩比，這種口罩的斷裂強(qiáng)力增加到104.85 N，滿足日常生活中的佩戴需求，在當(dāng)前疫情形勢下具有良好的應(yīng)用前景。

Bulota等［53］開發(fā)了一種制備輕質(zhì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的簡便方法，即使用非揮發(fā)性纖維素溶劑離子液體1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽（［C4mim］［OAc］）的靜電紡絲方法。通過快速去除溶劑，可以有效防止纖維融合。整個過程產(chǎn)生了微型纖維和多孔纖維素基質(zhì)，進(jìn)一步浸漬以制備聚合物復(fù)合材料。結(jié)果表明，去除離子液體和接枝硅可以降低親水性。與純丙烯酸樹脂比，復(fù)合材料的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度分別提高了10%和50%，可用于增強(qiáng)聚合物基體和細(xì)胞培養(yǎng)容器等，在醫(yī)療器械領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

細(xì)菌纖維素（BC）是一種用途廣泛的生物材料，主要應(yīng)用于醫(yī)療器械。BC的納米結(jié)構(gòu)與膠原蛋白形態(tài)相似，使BC具有細(xì)胞固定化和細(xì)胞支持作用。

Maria Manzine Costa等［54］制備了一種不含導(dǎo)電添加劑的靜電紡細(xì)菌纖維素墊。結(jié)果表明，細(xì)菌纖維素墊在細(xì)菌纖維素中呈現(xiàn)出更對稱的納米孔結(jié)構(gòu)，這主要是由于電紡過程中的快速拉伸效應(yīng)和孔隙沿著纖維縱向方向的定向排列。通過DMAc/LiCl機(jī)制溶解，與未改性BC比，改性的細(xì)菌纖維素在氯仿/丙酮溶劑中更容易紡絲。紅外光譜測試結(jié)果與纖維素與DMAc/LiCl溶劑體系之間的相互作用一致。證實BC是理想的支架材料，其多孔結(jié)構(gòu)能最大限度地與細(xì)胞和體液結(jié)合，有利于細(xì)胞黏附在納米結(jié)構(gòu)表面。

傳統(tǒng)醫(yī)療器械材料存在價格高、彈性模量低和機(jī)械性能差等問題，特別是在疫情的影響下，中國醫(yī)療器械暴露出諸多弊端，如應(yīng)急響應(yīng)供應(yīng)鏈產(chǎn)能低、技術(shù)儲備不足等。通過靜電紡絲法可以綜合不同材料的優(yōu)勢而制備出性能較好和成本較低的纖維素復(fù)合材料，提高了纖維素的生物降解性，解決了材料不穩(wěn)定性問題。但仍然存在產(chǎn)率低、產(chǎn)量小、制備工藝繁瑣和周期長等缺點，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

2.6 其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

磁性醋酸纖維素在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有許多潛在的新應(yīng)用，如細(xì)胞和蛋白質(zhì)分離、磁共振成像造影劑和磁過濾器等。Munaweera等［55］合成了釔鐵石榴石和釓取代的釔鐵石榴石納米粒子，應(yīng)用于制備磁性濾紙。將分散在醋酸纖維素聚合物溶液中的石榴石納米粒子作為獨立的非織造纖維墊進(jìn)行靜電紡絲，并在纖維素濾紙襯底上進(jìn)行靜電紡紗，進(jìn)而形成磁性濾紙。由此產(chǎn)生的磁性聚合物納米復(fù)合材料可以很容易地被液體介質(zhì)中的外部磁鐵拾取。用磁性濾紙從溶液中分離熒光素異硫氰酸鹽（FITC）標(biāo)記的牛血清白蛋白（BSA）。

Rojanarata等［56］以丙酮/N，N-二甲基乙酰胺（DMAc）為溶劑，通過靜電紡絲得到均勻、無珠CA納米纖維，然后將CA纖維與比例為40∶60的乙醇/水混合，篩選傳統(tǒng)藥物和營養(yǎng)產(chǎn)品中摻雜的類固醇。由于CA納米纖維具有良好的分離性能，是薄層色譜分離介質(zhì)的有效替代品。通過靜電紡絲制備纖維素納米纖維的研究及在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域，對部分文獻(xiàn)進(jìn)行綜合分析，匯總列于表1。

3 結(jié)論與展望

纖維素的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用遇到了許多障礙，包括在一般有機(jī)溶劑中的溶解度有限，以及由于分子間和分子內(nèi)的氫鍵作用而無法熔化、在人體內(nèi)不能完全生物降解等。隨著對靜電紡纖維素基礎(chǔ)認(rèn)識和控制水平的提高，人們對纖維素衍生物進(jìn)行了廣泛研究，以克服這些障礙，靜電紡纖維素及其衍生納米纖維應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性和可持續(xù)性將不斷提高。本文主要介紹了靜電紡纖維素納米纖維在組織工程支架、傷口敷料、藥物釋放/傳遞領(lǐng)域、抗菌領(lǐng)域、醫(yī)療器械領(lǐng)域的研究進(jìn)展。這些日益增長的應(yīng)用、生物精煉廠和纖維素的商業(yè)化，證明了它作為一種可持續(xù)技術(shù)材料的發(fā)展?jié)摿?。相信在未來，隨著纖維素聚合物納米纖維的深入研究，它們必將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域大放異彩，但仍有一些問題有待進(jìn)一步研究和完善：

a）在組織工程應(yīng)用上，需要解決該納米纖維較低的生物活性、疏水性以及所制備的納米纖維功能單一性。

b）在傷口敷料應(yīng)用上，根據(jù)傷口的需求，必須選擇理想的敷料，理想的傷口敷料應(yīng)該具有可生物降解性、生物相容性和多孔結(jié)構(gòu)，并且避免傷口部位脫水。

c）在藥物釋放方面，需要解決部分釋放藥物延遲，釋放藥物的環(huán)境受限，纖維素納米纖維的藥物釋放后難以水解的問題。

d）關(guān)于抗菌方面，需要解決纖維素納米纖維抗菌效果單一，制備抗菌納米纖維較為繁瑣，以及在可控抗菌方面的應(yīng)用。

e）在醫(yī)療器械領(lǐng)域，需要解決制備周期長，制備醫(yī)療器械的復(fù)合納米纖維性能沒有明顯變化，以及制備產(chǎn)率小的問題。

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Abstract： Cellulose is a macromolecular polysaccharide composed of glucose， boasting good biocompatibility， degradability and compatibility with other substances. Cellulose derivatives are the products of cellulose esterification or etherification， which makes up for the limitations of the physical and chemical properties of cellulose， and can better meet the different needs of the medical field after modification. Therefore， cellulose and its derived nanofibers have good application prospects in tissue engineering scaffolds， wound dressings， drug delivery/delivery， antibacterial and medical devices.

Cellulose is a rich renewable resource， which can inhibit the growth of saprophytic bacteria， cholic acid and anaerobic bacteria， reduce the cholesterol content in the blood， reduce the deposition of cholesterol on the blood vessel wall， and prevent arteriosclerosis. However， due to the strong hydrogen bond network between cellulose molecular chains and highly crystalline aggregation structure， it is difficult to process cellulose， and other materials are also difficult to adsorb on cellulose. With the development of electrospinning technology， the treatment steps of cellulose have been simplified， and its position in the medical field has also been improved.

Nanocellulose can be matched with human skeleton， which improves the mechanical properties of the derivative antibacterial film and makes it have good antibacterial activity against Staphylococcus aureus and Escherichia coli. In the simulated cell solution， it is highly similar to the extracellular matrix， and there is no rejection in the human body. Due to its low toxicity and excellent degradability， cellulose derivatives can control the drug delivery rate and deliver drugs to target cells in drug carriers. In recent years， nano cellulose has made great progress in the field of human motion monitoring. The research shows that three-dimensional nano cellulose in the form of aerogel can be used as a medical wearable human monitoring system to simulate the characteristics of human skin for comprehensive monitoring of the human body.

The research of cellulose electrospinning and its derived nanofibers is an effective way to strengthen the short board in the biomedical field. Studies confirm that electrospun cellulose nanofibers are smaller than cells in diameter and can simulate the structure and biological function of natural extracellular matrix. How to functionalize cellulose in the biomedical field has become a research hotspot.

At present， natural polymer materials are widely used in the field of biomedicine， and cellulose， as an important part of them， has great application potential. It is a research hotspot in the field of biomedicine to functionalize inanimate materials and transform them into living tissue materials to reduce the rejection of materials in the human body. Cellulose has unique advantages for its good biocompatibility and high controllability. However， due to the hydrogen bond network structure of cellulose itself， it is difficult to dissolve cellulose. How to dissolve cellulose efficiently has been the focus of research. Therefore， it is necessary to conduct more in-depth research on the dissolution mechanism， develop a clean and efficient cellulose dissolution technology， and form cellulose derived materials through electrospinning reconstruction or blend with other materials to improve the application of cellulose nanofibers in the biomedical field.

Keywords： electrospinning; cellulose; derivant; biomedicine; composite nanofibers.