静电纺丝：一种迷人的纤维制造技术外文翻译资料

 2023-01-05 14:09:04

静电纺丝：一种迷人的纤维制造技术

Nandana Bhardwaj, Subhas C. Kundu ⁎

Department of Biotechnology, Indian Institute of Technology, Kharagpur-721302, India

摘要：随着纳米技术的出现，关于纳米尺度材料的独特性质的研究日益受到重视。而静电纺丝技术（electrospinning），作为一种利用静电场制备纤维的技术，近年来因其可纺物质种类繁多和静电纤维在不同领域的应用潜力引起了广泛的关注。其主要应用领域包括组织工程，生物传感器，过滤，伤口敷料，药物输送和酶的固定化等。通过对聚合物溶液或熔体施加强电场可获得纳米尺寸的纤维。与常规技术相比，通过该技术获得的纳米纤维无纺布结构与细胞外基质形态非常接近。通过该方法也可获得亚微米尺寸的纺丝纤维，具有比表面积高，孔隙率可调和结构-性能可控等优点，至今已有200多种聚合物可用于静电纺丝，并且数量还在逐渐增加中。基于此，本文中主要对静电纺丝技术的优势及前景进行综述 。我们讨论了静电纺丝原理，可纺聚合物种类，对纤维形态有显著影响的参数（溶液参数和工艺参数），溶剂性质和熔体静电纺丝技术（替代溶液静电纺丝的技术）等。最后，我们对静电纺丝在不同领域的应用以及前景进行了展望。

关键字：静电纺丝、纳米纤维、无纺布、电喷射流、聚合物溶液、溶剂、接收器

目录

1.简介

1.1.静电纺丝的历史

1.2.静电纺丝的工艺

2.用于静电纺丝的聚合物

2.1.天然和合成聚合物

2.1.1.丝素蛋白

2.1.2.壳聚糖

2.1.3.胶原蛋白

2.1.4.透明质酸

2.1.5.明胶

2.1.6.纤维蛋白原

2.2.共聚物

3.各种参数对静电纺丝的影响

3.1.溶液参数

3.1.1.浓度

3.1.2.分子量

3.1.3.粘度

3.1.4.表面张力

3.1.5.电导率/表面电荷密度

3.2.工艺参数

3.2.1.施加电压

3.2.2.推注速度/流速

3.2.3.接收装置类型

3.2.4.接收距离

3.3.环境参数

4.用于静电纺丝的溶剂

5.熔体静电纺丝

6.静电纺丝纳米纤维的表征

6.1.形态表征

6.2.化学结构表征

6.3.机械性能表征

7.应用领域

7.1.组织工程应用

7.1.1.组织工程支架

7.1.2.伤口敷料

7.1.3.药物输送载体

7.2.过滤

7.3.生物传感器

7.4.防护服装

7.5.能源生产

7.6.酶的固定化

7.7.亲和膜

7.8.化妆品

8.前景展望

9.结论

致谢

参考文献

1.简介

静电纺丝是一种广泛使用的制备静电纤维技术，利用电力来生产直径范围从2纳米到几微米的聚合物纤维，使用天然和合成聚合物的聚合物溶液，在过去的十年中研究和商业关注度大幅增加(Ahn et al., 2006; Lannutti et al., 2007; Hunley and Long,2008; Reneker and Yarin, 2008)。该工艺为生产具有可控孔结构的新型天然纳米纤维和织物提供了独特的能力(Zussman et al., 2003; He et al., 2005)。自本世纪初以来，世界各地的研究人员一直在重新研究静电纺丝过程(Cooley, 1902;Morton, 1902; Teo and Ramakrishna, 2006)。这种静电纺丝过程在过去十年中受到了很多关注，这不仅是因为它具有多种聚合物纤维纺丝的多功能性，而且还因为它始终如一地生产亚微米范围内的纤维，否则使用标准难以实现机械纤维纺丝技术 (Reneker et al.,2000; Schreuder-Gibson et al., 2002; Huang et al., 2003; Theron et al.,2005; Ma et al., 2005a)。静电纺丝纤维具有比常规纤维更小的孔隙和更高的比表面积，已成功应用于纳米催化，组织工程支架，防护服，过滤，生物医学，制药，光电子，医疗保健，生物技术，国防和安全等各个领域和环境工程(Luu et al., 2003; Subbiah et al., 2005; Ramakrishna et al., 2006; Cui et al., 2006; Wuet al., 2007; Barnes et al.,2007; Welle et al., 2007)。总的来说，这是一种相对稳健且简单的技术，可以从各种聚合物中生产纳米纤维。纺丝纳米纤维还提供了几个优点，例如极高的比表面体积，可调的孔隙率，延展性以符合各种尺寸和形状，并且能够控制纳米纤维组合物以从其性能获得期望的结果和功能。由于这些优点，静电纺丝纳米纤维在过去几年被广泛研究用于各种应用，如过滤、光学和化学传感器，电极材料和生物支架(Liang et al., 2007)。该技术在纺织工业中用于制造无纺纤维织物已有60多年的历史。最近几年，人们越来越关注利用这种技术生产纳米级纤维，特别是用于从各种用于组织工程的天然和合成聚合物制备纳米纤维支架(Chong et al., 2007)，例如聚乳酸(Yang et al., 2005)，聚氨酯(Stankus et al., 2004)，丝素蛋白(Ohgo et al., 2003; Min et al., 2004a,b; Zarkoob et al., 2004; Alessandrino et al., 2008)，胶原蛋白(Matthews et al., 2002)，透明质酸(Um et al., 2004)，纤维素(Ma et al., 2005b)，壳聚糖/胶原蛋白(Chen et al., 2007)。尽管静电纺丝提供了几个优点，纳米纤维的产量一直是严重的瓶颈问题，限制了它们的应用。为了提高这些纺丝纤维的生产率，采用两层静电纺丝系统，下层为铁磁悬浮液，上层为聚合物溶液，多个喷丝板或喷嘴系统排列成线/圆/矩阵底部。(Yarin and Zussman, 2004; Theron et al., 2005; Tomaszewski and Szadkowski, 2005; Liu and He, 2007)已经研究过喷气静电纺丝（气泡静电纺丝）。纳米纤维通过单喷射的放大并不是很可行，并且在各种应用中都需要大量的纤维。各种研究小组使用多孔中空管以获得多个射流，在这种情况下，通过增加管长度和孔数可以提高生产率(Dosunmu et al., 2006; Varabhas et al., 2008)。除了取得巨大成功之外，静电纺丝法和纺丝纳米纤维的优点还存在一些需要适当考虑的挑战。使用静电纺丝和支架进行组织工程时遇到的主要挑战是在正常的被动播种条件下，支架上的细胞分布不均匀以及深度增加时细胞迁移不足。细胞渗入纤维结构的问题正在迅速引起关注，因为它在静电纺丝网孔或支架在各种组织工程应用中停滞的进一步应用中具有潜力。通过使用传统的静电纺丝技术，纳米纤维可以以简单且便宜的方式获得。但是，随着时间的推移，这种方法会形成具有巨大纤维密度的网格。据报道，随着静电纺丝纤维直径的减小，每单位长度的纤维与纤维接触的数量增加并且网孔中的平均孔半径减小(Eichhorn and Sampson, 2005)。由于所有这些因素，在结构中的小孔与细胞的大小之间存在较大尺寸的不匹配，并且这在细胞的大小转向限制了细胞在支架内部迁移和居住的能力。这些限制可能会限制静电纺丝纤维的发展和应用，特别是对于3D组织/器官。制定一种允许使用静电纺丝技术制造可透过细胞的支架的方法是非常重要的。已经报道了几种方法来解决这些问题。Ekaputra et al. (2008) 研究了三种改善细胞浸润的方法及其可行性。第一种方法是共同静电纺丝，他们使用医用级聚（ε-己内酯）/胶原蛋白（mPCL / Col）作为主要纤维与水溶性聚合物PEO和明胶，以增加结构中的空隙体积，从中选择性去除固体材料网格。与常规静电纺丝纤维相比，与细胞浸润相比，与水溶性聚合物混合的方法提供非常有限的改进。第二种方法是使用微米级mPCL / Col（mu;mPCL/ Col）来增加纤维与纤维之间的距离，从而增加孔隙尺寸。第三种方法包括使用mu;mPCL/ Col与肝素共同沉积。Heprasil是一种基于化学修饰的透明质酸的合成ECM(Cai et al., 2005)，其已经开发用于三维细胞培养和组织工程（Prestwich, 2007）。由于包含肝素（葡萄糖胺聚糖水凝胶），已经在密集组装的纤维内生产可以酶促降解的基质袋，细胞可以通过其迁移。他们发现微米纤维与肝素联合使用是最成功的方法。除了更好的细胞迁移外，肝素还可以促进特定组织工程应用的生物活性因子的可控释放(Ekaputra et al., 2008)。Kidoaki et al. (2005)也提出了选择性浸出的概念来产生微孔。也有类似的方法报道，将明胶混入PCL静电纺丝溶液中以提高由于明胶快速溶解增强细胞迁移进入PCL网格的能力(Zhang et al., 2005b, c)。

还有其他方法，这些方法被各种研究小组用于改善3D静电纺丝支架中的细胞浸润。 Nam et al. (2007) 使用了一种有趣的技术，其中涉及NaCl颗粒的机械分散和纤维的静电纺丝以及随后的盐浸。然而，这种方法创造了非常大的孔隙，但他们已经观察到在创建的大孔之间存在非常致密的纤维鞘层，这仅有助于表面迁移而不是纤维内部。Pham et al. (2006) 使用微纤维（直径约5-10mu;m）与动态流灌注培养结合使用，并报道了细胞渗透到静电纺丝网中的优异渗透性。他们利用多层技术构建了由微米纤维和纳米纤维交替层组成的双峰支架。通过使用这种策略，可以在单个支架中实现纳米纤维和微纤维的固有优势。在这种双层支架中，顶层由纳米纤维和底部微纤维层组成。这已被用作大鼠MSC附着和增殖的模型系统。 Kidoaki et al. (2005) 也证明了多层静电纺丝。其中分层支架通过静电纺丝依次用不同的聚合物制造。在另一种方法中，细胞溶液伴随着聚（酯氨基甲酸乙酯）尿素的静电纺丝，使得细胞散布在支架内 (Stankus et al., 2006) 。然而，与传统静电纺丝系统相比，所用设备的复杂性限制了这种方法。Chen et al. (2009) 使用了不同的真空接种技术来增强成纤维细胞在不同深度的接种和增殖。他们使用了聚己酸内酯静电纺丝支架。已经发现细胞附着和增殖的动力是改变真空压力以及纤维直径的参数。最近，Ekaputra et al. (2009) 使用静电纺丝法制造了聚ε-己内酯（PCL）及其胶原复合共混物（PCL / Col）。他们已经表明纤维表面上的胶原结合促进猪骨髓间充质细胞（pBMMCs）的附着和增殖。Gui-Bo et al. (2010)通过多层静电纺丝制备了聚L-乳酸（PLA）/丝素蛋白（SF）- 明胶纳米纤维复合支架，并对其孔隙率，力学性能和生物相容性进行了体外和体内研究。通过使用这种工艺，支架已达到理想的柔韧性水平（弹性高达7.3％应变），合适的断裂强度（2.22 MPa）并具有生物相容性。最近对静电纺丝纤维的研究一直在探索各种可静电纺丝的材料，纤维的表征以及为这些纤维寻找新的​​应用（Teo and Ramakrishna，2006）。在这篇综述中，我们讨论了静电纺丝工艺的基础知识，可纺聚合物和影响纤维形态的显着参数（溶液参数和处理参数）。最后，我们强调了多功能纺丝工艺的各种应用及其未来前景。

1.1.静电纺丝的历史

静电纺丝是一种古老的技术。它于1897年由Rayleigh首次观察到，1914年由Zeleny（1914）详细研究了电喷射，并于1934年被Formhals(1934）授予专利。Taylor (1969)关于电流喷射的工作为静电纺丝奠定了基础。 “静电纺丝”一词起源可以追溯到60多年前。从1934年到1944年，Formhals发表了一系列专利，描述了使用静电力生产聚合物长丝的实验装置(Huang et al., 2003)。第一个关于静电纺丝的专利（美国专利号：2116942）发布用于制造纺织纱线，并且使用57kV的电压用丙酮和乙二醇单甲醚作为溶剂，静电纺丝纤维素乙酸酯。这个过程在1934年获得了Antonin Formhals的专利，后来又在1938年，1939年和1940年授予了相关专利（美国专利2116942,2160962和2187306）(Pawlowski et al., 2004)。 Formhals的纺纱工艺包括一个可移动的纱线收集装置，用于收集处于拉伸状态的纱线，如传统纺纱中的纺纱鼓（Subbiah et al.,2005）。在过去的60年里，约有50个静电纺丝聚合物熔体和溶液的专利已经提交（Li and Xia，2004）。Vonnegut和Newbauer（1952）发明了一种简单的电子雾化装置，并产生直径约0.1mm的高度电化的均匀液滴流。之后，Drozin（1955）研究了在高电位下一系列液体分散到气溶胶中的情况，Simons（1966）专利了一种用于生产非织造织物的设备，该设备超薄且重量轻，电动旋转。 1971年，Baumgarten（1971）制造了一种直径在0.05-1.1mu;m范围内的静电纺丝腈纶纤维的设备。自20世纪80年代以来，特别是近年来，静电纺丝过

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