静电纺丝是一种简单而高效制备高分子微纳米纤维的技术,由于设备和实验成本低、纤维产率高、制备出的纤维比表面积比较大、适用性广泛等独特的优势,近些年来备受关注。静电纺丝的应用是静电纺丝研究的***基本动力和***目标,因此成为研究者一直努力的方向。为了研究静电纺丝应用的研究现状和主要发展方向,本文综述了静电纺丝纳米纤维薄膜几个主要的应用领域,包括组织工程、药物缓释、纳米传感器、能源应用、生物芯片和催化剂负载等,并展望了未来可能的发展方向。

应用

1. 组织工程

组织工程是NFM的一个***重要也是发展***迅速的应用领域。NFM的三维多孔结构、高比表面积和微纳米尺寸形貌可以模拟组织工程中的细胞外基质(Extra-cellular matrix),用来培养细胞;纺丝薄膜骨架的高比表面积也促进了细胞的粘附和物质运输。近年来,各种天然材料,生物相容和生物可降解的高分子材料(如壳聚糖、胶原蛋白、聚己内酰胺(PCL)等)被电纺形成纤维支架。另外,具有一定取向性的NFM也可以诱导细胞定向生长和分化。

有学者研究有序的poly[P(LLA-CL)](75∶25)共聚物纳米纤维支架与人体冠状动脉平滑肌细胞(SMCs)之间的相互作用(如图2所示),得到了一些很有意思的结果:SMCs沿着有序排列的NFM的轴线方向粘附和转移,同时展现出梭形收缩表形(spindle-like contractilephenotype);SMCs中的骨架蛋白的分布和组织平行于纳米纤维的方向;与平面的聚合物薄膜相比,SMCs在有序纳米纤维支架上的粘附和增殖速度明显提高。这种有序NFM结合了生物可降解高聚物与纳米尺度的双重优点,模拟了天然细胞的微环境,并成功构筑了类似于血管的结构。

2.药物缓释

静电纺丝选材十分灵活,因此可以将很多药物(如抗生素、抗癌剂、氟美松等)添加在适当的溶液中进行静电纺丝。有学者将氟美松(dexamethasone)加入到聚(L-乳酸)(PLGA)中,经过电纺得到了纳米纤维,如图4(a)所示。图4(b)为纳米纤维经过水解降解,药物随之释放。如果将纳米纤维的表面通过电化学聚合的方法沉积上一层导电高聚物poly(PEDOT)[如图4(c)所示],那么当纤维水解后,由PEDOT纳米管的作用,可以减缓药物的释放[如图4(d)所示]。图4(e)是PEDOT纳米管处于电中性的条件下,由于PEDOT在外部的电刺激下可以膨胀或者收缩,因此可以通过调节外部电刺激来控制氟美松从PEDOT纳米管中的释放,如图(f)所示。利用纳米管的电刺激,可以在预定的位置精确地释放单个药物和生物活性分子。

3.纳米传感器

在静电纺丝得到的醋酸纤维素(CA)NFM上,组装上了一个水解的poly(H-PURET)荧光探针。而水溶液中极低含量(ppb)的methyl viologen(MV2+)和cytochrome c(cyt c)能够淬灭醋酸纤维素薄膜中的荧光。图5展示的是薄膜荧光强度的相对变化与淬灭剂浓度之间的关系。这种高敏感度归因于NFM大的比表面积和荧光共轭聚合物与被分析物高效率的相互反应。将静电纺丝和静电层层吸附两种方合起来,制作出了高敏感度的光学传感器。

4.能源应用

静电纺丝纳米纤维薄膜在能源利用方面有着不俗的表现。科学家们已经将静电纺丝纳米纤维薄膜在太阳能电池、燃料电池、超级电容器等领域进行了初步的尝试,并取得了不错的成果。其中,尤其是在太阳能电池方面的应用吸引了人们更多的关注。

5.生物芯片基质

鉴于静电纺丝纤维薄膜极大的比表面积,将其用作生物芯片的基质将大大提高蛋白质的吸收量,提高芯片的灵敏度。由静电纺丝得到的聚合物NFM作为固体基质,能够很好地改善微流控芯片免疫检测对HIV探测的灵敏度和信号噪声比。

实验表明,静电纺丝-微流控芯片对HIV检测的检测灵敏度相对与商用PC薄膜提高了一个数量级,整个检测过程在一个小时内可以完成,这是一项将纳米技术应用于疾病诊断领域的成功例子,该工作开辟了静电纺丝应用的一个新领域,同时这种结合微流控技术和静电纺丝的新芯片系统具有廉价、操作方便、便携、灵敏度高的特点,将推动重大流行疾病早期诊断的研究和产品开发。

6.催化剂负载

由于金属颗粒容易粘附在静电纺丝纤维上,且NFM基底具有大比表面积、对气/液流阻力低、容易操作、可重复利用等优点,NFM常用作氧化还原类催化剂负载材料。