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    生物医学领域

    一般的癌症使用化疗或放射疗法,但是由于其对癌细胞的选择性较差,通常具有一定的副作用。因此研究者开始将目光转向纳米技术,并且进行实际应用,例如,脂质递送药物系统微胶粒和微脂囊。磁热疗氧化铁( Fe3O4)纳米粒子( IONPs)在用于癌症治疗的磁热疗方面已经取得了实质性的进展。但是, IONPs由于存在肿瘤目标靶向性差,从死亡的癌细胞中泄露的IONP会扩散进周围健康的组织中等缺点,使其进一步应用仍然面临着重大挑战。Huang, C.制备得到了 含有IONPs的静电纺丝纤维网,这种纤维的高负荷容量使其可应用于交变磁场中,从而加热其周围环境。此外,磁性纤维可以在无热量损失和 IONPs泄露的情况下重复加热。用胶原蛋白将纤维表面进行了功能化处理,可以使人的SKOV-3 卵巢癌细胞更好地附着于纤维上。如果每隔10 min往纤维网上加一个交变磁场,就可杀死与纤维相连的癌细胞。与使用温水浴相比,这个方法更有效。因为纤维网不仅可以负载特定量的IONPs,并且可通过磁共振成像定位于身体内部。因此,磁性静电纺纤维有望成为一种具有高度重复加热活体癌组织的理想材料。

    Huang, C.; Soenen, S. J.; Rejman, J.etc.Magnetic Electrospun Fibers for Cancer Therapy. Advanced Functional Materials 2012, 22 (12), 2479-2486.

    静电纺丝是一种制备超长直径可控纳米纤维简单通用的纳米纺织技术。除了制备一些具有不同的溶解性和熔融性的聚合物(例如:PVP, PUPVAc)之外,还可以向这些聚合物中加入一些无机添加剂(如:TiO2ZnO,然后通过高温煅烧使其中的有机组分分解,从而得到纯无机纳米纤维材料。这也是目前利用静电纺丝技术制备无机纳米纤维的通用方法。

    受到细胞内表面组分和细胞外基质支架的纳米特征的启发,人们对活细胞和纳米结构材料的相互作用进行了大量研究,发现它们在实际应用中可以影响细胞的行为。如粘附、生存力、迁移、分化以及形态等。在此基础上,后期又对细胞捕捉实验中纳米结构材料和细胞间独特的相互作用进行了探索。细胞捕捉实验一项最重要的应用就是隔离并且检测处于不同阶段的癌症患者血液中流通的肿瘤细胞(CTCs)。近些年来,一些灵敏性或特殊的检测CTCs的技术也已经形成,如免疫磁性分离、微流控技术、微量微滤器等。和以上方法相比,基于纳米结构材料的CTC富集检测方法诠释了一个独特的概念,即,模仿生物中常见的纳米级相互作用的本性。

    因此,Zhang, N.等人将静电纺纳米纤维存储基质与细胞捕捉基质进行嫁接,该工作主要探索超长无机纳米纤维的水平富集应用。即将静电纺n-丁醇钛(TBT/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)复合纳米纤维煅烧, 得到TiO2无机纳米纤维。研究发现,该静电纺TiO2纳米纤维能够更好地模仿这些水平定向的纳米结构,从而增强细胞外基质的亲和性。基于静电纺丝二氧化钛纳米纤维储存基质这个技术平台希望可以找到以下几个方面的潜在应用:隔离目前检测技术无法识别的稀有细胞系;癌症的早期诊断和监测;捕捉稀有细胞的分子生物学分析。

    Zhang, N.; Deng, Y.; Tai, Q.; etc. Electrospun TiO2 Nanofiber-Based Cell Capture Assay for Detecting Circulating Tumor Cells from Colorectal and Gastric Cancer Patients. Advanced Materials 2012, 24 (20), 2756-2760.

    静电纺丝是一种将纤维进行图案化的有效手段,它可以修饰具有不同化学结构和物理性能、纤维直径在200-550nm之间的壳聚糖(CS)和聚己酸内酯(PCL)超微米膜。Simsek, M.等人以直径为200nm左右的PCL纤维对CSPCL两种膜进行了修饰,以评价底层膜化学行为,结果发现只有CS膜被图案化了。此外,也可以将胶原加入PCL纤维结构中改变其化学组成。将具有不同的形态学特征的两个细胞系,成纤细胞 MC3T3-E1MDBK细胞在已经图案化的纤维上进行培养,结果表明,底层膜化学行为若与图案化的纤维相同,那么细胞形态学的控制主要取决于纤维的取向度。通过改变形态,MDBK细胞更倾向于附着且扩散到纤维结构上,随着纤维在取向图案化,原上皮细胞形态被完全改变。MC3T3-E1的成纤细胞形态在取向图案化现为上有所改变,并且沿着纤维方向呈现出了纺锤形态。纤维中胶原结构的存在主要影响两种细胞肌动蛋白纤维的合成。

    Simsek, M.; Capkin, M.; Karakecili, A.; Gumusderelioglu, M., Chitosan and polycaprolactone membranes patterned via electrospinning: Effect of underlying chemistry and pattern characteristics on epithelial/fibroblastic cell behavior. Journal of biomedical materials research. Part A 2012, 100 (12), 3332-43.

    研究发现,人在发生心脏衰竭导致心肌梗死(MI)之后,心肌组织缺乏明显的再生能力。目前,心肌梗死的治疗方法只能延缓疾病的进展而无法得到彻底的修复,因此,找到可以促进MI修复的组织工程材料很有必要。Ravichandran, R.等人主要探究了一种可体外注射的生物材料其体外特性及其对心肌的再生能力。他们用聚甘油癸二酸酯(PGS)作为核层材料,聚左旋乳酸(PLLA)作为壳层材料,通过同轴静电纺制备得到PGS/PLLA纳米纤维。然后用比例为2:1的二氯甲烷/己烷的混合溶剂将PGS/PLLA中的PLLA除去,从而得到只有PGS的短纤维。这种PGS短纤维为MI的再生提供了一种优势的微创注射技术。Ravichandran, R.等用SEM, FTIR对血管支架以及心肌细胞和支架间的相互作用进行了表征,结果表明,与PLLA纳米纤维相比,在PGS短纤维上表达出的心脏标记蛋白辅助肌动蛋白,肌钙蛋白,肌球蛋白重链和联接蛋白43的数量更多。与通常的细胞注射系统相比,沿着短纤进行细胞注射可以增强细胞的移植记忆且细胞不会因梗塞而死亡。这一实验结果对组织工程的未来研究具有很重大的意义,特别是在减少手术创伤和相关的住院治疗方面。

    Ravichandran, R.; Venugopal, J. R.; Sundarrajan, S.; etc,.Minimally invasive injectable short nanofibers of poly(glycerol sebacate) for cardiac tissue engineering. Nanotechnology 2012, 23 (38), 385102.

    可以通过对材料的化学表面或形态学的修饰而控制细胞-生物材料的相互作用,从而诱导需要的细胞增殖和变异。Cohen-Karni, T.将两种方法结合起来,首先制备得到了包裹黄金纳米粒子(AuNPs)的银纳米纤维(SNFs),然后对纤维进行化学改性。银丝蛋白和黄金纳米粒子混合进行静电纺丝可以形成涂覆有黄金纳米粒子的SNFseed随着黄金粒子逐渐减少,会出现一个以纳米直径大小增加的双层皱褶,这个也通过出现在525 nm处的强吸收峰得以证实。银纳米纤维中含有AuNPs称为 SNFsAu,其杨氏模量比SNFs的几乎高70%。与在纯SNFs上培养的细胞相比,在用RGD修饰的 SNFsAu上培养的细胞具有一个大于双层皱褶的细胞面积,同时也使细胞尺寸有所增加。这种方法可用于组织工程中改变细胞与材料接触界面的微环境,也可用于光敏器或光学活性的基质。

    Cohen-Karni, T.; Jeong, K. J.; Tsui, J. H.; etc,. Nanocomposite Gold-Silk Nanofibers. Nano Letters 2012, 12 (10), 5403-5406.

    早期的引导组织修复膜材料多为不可吸收膜,如聚缩醛,聚四氟乙烯,钛合金等,这类材料生物惰性强,性质稳定;但由于不能被组织吸收,需要进行二次手术,增加创伤机会,因此逐渐被可吸收膜材料取代。目前,临床采用的GTR膜主要有胶原膜和聚乳酸-羟基乙酸膜。这类材料具有良好的生物相容性,无抗原干扰,不需要二次手术等特点。然而,胶原膜材料价格偏高,机械性能差,降解吸收过快;而聚乳酸类人工合成材料降解速度缓慢,引导组织再生效果不理想。

    Ji, W.等人主要通过用细胞聚集和骨形成的趋化因子,对膜的功能化进行评估,从而开发了一种应用于引导骨再生(GBR)的生物活性膜。通过静电纺丝制备得到混有B型明胶的聚己内酯(PCL)纤维,利用物理吸附手段用基质细胞衍生因子-1αSDF-1α)对其进行功能化处理,最终得到GBR膜。首先,用SDF-1α的体外释放和对骨髓基质细胞的趋化效应,接着,在缺损的鼠颅骨内,对与体内骨髓基质干细胞的聚集和骨再生有关的相应的PCL/明胶电纺膜负载的SDF-1α进行了评估。结果表明, PCL/明胶电纺膜提供了一种扩散控制SDF-1α释放的机制。此外,加载有不同剂量的SDF-1α50-400 ng)膜,能够不同程度上诱导骨髓基质干细胞体外无剂量依赖性的趋化迁移现象。虽然体内BMSCs的聚集对骨再生的作用目前还不能确定,但是研究发现,在植入大鼠缺损的颅骨八周之后,与裸膜相比,SDF-1α加载膜在骨形成量方面产生了双位数的数量增加。总之,该研究表明,SDF-1α加载PCL/明胶电纺膜在作为一种生物活性膜方面具有潜在的应用价值,这也有利于优化GBR策略的临床应用。

    Ji, W.; Yang, F.; Ma, J.; etc, Incorporation of stromal cell-derived factor-1alpha in PCL/gelatin electrospun membranes for guided bone regeneration. Biomaterials 2013, 34 (3), 735-45.

    在过去十几年里,利用植物提取物治疗烧伤和伤口是一种惯例的做法,并且它也是卫生管理的一个重要方面,许多药用植物在伤口愈合方面具有很好的疗效。通过静电纺丝技术,结合植物提取物的优势以纳米纤维垫的形式将其作为皮肤移植替代物,由于其具有孔隙率高、比表面积大等特点,因而更适合细胞附着、营养渗透、气体交换和废物排泄等。Jin, G.等人对四种不同植物提取物进行静电纺丝的可能性进行了探究,即Indigofera aspalathoidesAzadirachta indica, Memecylon edule (ME) Myristica andamanica分别与生物可降解高分子PCL共纺用于皮肤组织工程。通过细胞含量分析人真皮成纤细胞(HDF)在静电纺纳米纤维支架上的增殖能力,研究发现,在细胞培养的9天后,HDFPCL/ME纳米纤维支架上增值率最高,比纯PCL纳米纤维高出31%,并且PCL/ME的细胞毒性最低。因此,在 PCL/ME支架上进行了脂肪干细胞的表皮分化,并获得早期和中间阶段的表皮分化细胞。该研究表明了静电纺PCL/ME纳米纤维在作为皮肤组织工程基质方面,具有很大的潜在应用价值。植物本身是自然界中存在的,低污染、成本低、无需化学合成,如果未来可以完全以植物替代我们现有的化学材料用于生物医学领域,对人类来说将会是一个福音。

    Jin, G.; Prabhakaran, M. P.; Kai, D.; etc., Tissue engineered plant extracts as nanofibrous wound dressing. Biomaterials 2013, 34 (3), 724-34.

    能源与光电磁及其它领域

    Cu纳米纤维网状物由于具有成本低,灵活性,表面电阻小和透光性高等特点,使其成为最初透明电极——ITO最有前景的替代材料。但是,Cu纳米纤维的化学活性导致其表面电阻在热氧化或化学腐蚀后会大幅度增加。Hsu, P.-C.通过原子层沉积技术用Al-ZnOAZO)和AlO对静电纺Cu纳米纤维表面进行钝化处理,可使其耐受性显著增强。他们制备的AZO-Cu纳米纤维无论是在160 ℃的干燥空气中,还是在80 ℃相对湿度为80%的潮湿空气中,发生热氧化后电阻仅增长10%。与之相比,裸露的Cu纳米纤维却很快变为绝缘体。此外,纤维经过焙烧之后,表面的酸性涂层PEDOTPSS使未经过处理的 Cu纳米纤维表面电阻以106倍率增加,而AZO-Cu纳米纤维却只增加了原来的18%

    近期,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的博士生赵亮与胡勇胜研究员提出了一种新型成本低廉的有机材料——对二苯甲酸二钠(Na2C8H4O4)作为钠离子电池负极材料,该材料具有约250mAh/g的可逆储钠容量,平均脱嵌纳电位0.43V,且循环稳定,是一种有前途的负极材料。由于该材料导电性极差,使用时需要混合大量的导电添加剂,导致其首周库伦效率降低。他们进一步利用原子层沉积技术(ALD)对其电极表面进行几个纳米的Al2O3包覆,部分抑制了SEI膜的生长,提高了其首周库伦效率、倍率性能和循环性能。因此,运用静电纺丝技术制备Cu纳米纤维,同时运用ALD技术可以有效解决Cu纳米纤维在太阳能电池中的降解问题,从而应用于导电材料的开发,具有很重要的意义。

    Hsu, P.-C.; Wu, H.; Carney, T. J.; etc,. Passivation Coating on Electrospun Copper Nanofibers for Stable Transparent Electrodes. Acs Nano 2012, 6 (6), 5150-5156.

    与当前商业产品中石墨阳电极相比,硅具有很多无可比拟的优点,是一种很有前景的锂电池阳极材料,特别是在电动交通工具和公共事业企业网络的大规模的储能应用。但是,硅有使用寿命短、电极制造的规模限制等缺点。因此,Hwang, T. H.使用双喷头静电纺丝的方式制备了核-壳结构纤维电极材料,壳层为碳,核层为工业化生产的纳米粒子。这种独特的核-壳结构解决了硅作为阳极在实际应用中的各种问题,如:易碎、硅和碳导体之间的接触不良、固体电解质界面不稳定……,因而显示出优越的电池性能:质量容量高达1384 mAh/g5 min的放电率同时保持721 mAh/g的质量容量,300个循环寿命几乎无能量损失……这种静电纺核-壳一维纤维提出了一种新的设计原理用于强力可扩展锂电池电极,避免体积膨胀。

    Hwang, T. H.; Lee, Y. M.; Kong, B.-S.; Seo, J.-S.; Choi, J. W., Electrospun Core-Shell Fibers for Robust Silicon Nanoparticle-Based Lithium Ion Battery Anodes. Nano Letters 2012, 12 (2), 802-807.

    PVA已经广泛用于医药,化妆品,食品,制药和包装行业,以及细胞和酶的固定化作用方面。PVA/PAA是一种无毒,具有生物相容性和水溶性,以及化学和热力学稳定性的的低成本合成高分子材料,可通过共聚物的氢键作用而达到分子水平混溶的混合体系。因此,Basturk, E.等人首次进行了将α-淀粉酶共价固定到热交联静电纺PVA/PAA纳米纤维上。即用静电纺丝制备了直径范围在100-150 nm的聚乙烯醇/聚丙烯酸( PVA/PAA)纳米纤维, PVA/PAA纳米纤维通过热诱导的酯化反应进行交联,从而形成水溶性的纳米纤维垫,并通过激活1,1-羰二咪唑上的胺基,使 α-淀粉酶以共价键的形式固定到PVA/PAA纳米纤维的表面。研究发现,固定的 α-淀粉酶比游离的α-淀粉酶更能抵抗温度失活,并且在50 ℃活性最大;游离酶的最大活性pH6.5,而固定酶的最优pH值为6.0;固定酶在重复利用15次后仍保持其81.7%的活性;游离酶15天就基本上丧失了其全部活性,而固定酶30天其活性却仅仅丧失17.1%。由此可见,通过选择带有特定官能团的高分子材料,利用静电纺丝技术制备成不同形状的纳米纤维,从而负载不同类型的酶,去进一步开发拓展酶领域的研究,也是非常有意义的。

    Basturk, E.; Demir, S.; Danis, O.; Kahraman, M. V., Covalent immobilization of a-amylase onto thermally crosslinked electrospun PVA/PAA nanofibrous hybrid membranes. Journal of Applied Polymer Science 2013, 127 (1), 349-355.

    Chen, M用静电纺丝技术制备出了封装有 Chitos/siRNA纳米粒子(NPs)的可生物降解PLGA复合纳米纤维。为了得到持久高效基因沉默的最佳释药性,对酸/碱性水解和体相/表面降解机理进行了探究。通过热控制AFM原位成像不仅显示了胶囊化Chitos/siRNA聚合物的完整性,而且也清晰表达了在释放过程中纤维表面PLGATg下降过程。另外,在 pH=7.4的条件下获得了基于骨架腐蚀的三相释药分布,而在pH=5.5的条件下取得了同时具有表面腐蚀和骨架腐蚀的三相释药分布,进一步研究发现,短暂的碱预处理可以形成均相水解而产生一个近乎零阶的释药分布。Chen, M.又用siDNA转染对这种有趣的释药分布进行了进一步探究,发现了胶囊化的Chitos/siRNA NPsH1299细胞株转染48 h之后仍表现出高达50%EGFP基因沉默活性。这一实验结果对基因表达的研究进展有不一样的意义,既拓宽了人们的研究思路,也确定了静电纺丝在这一领域的积极影响。

    Chen, M.; Gao, S.; Dong, M.; etc,. Chitosan/siRNA Nanoparticles Encapsulated in PLGA Nanofibers for siRNA Delivery. Acs Nano 2012, 6 (6), 4835-4844.

    pH敏感染料对纳米纤维进行功能化将有助于刺激响应性材料的发展。生物医用材料的生物相容性是其能否应用在(生物)医学方面的重要影响因素,因此,Vander Schueren, L.等人主要对pH敏感的聚己酸内酯(PCL)纳米纤维结构, 20%CSPCL/CS混合纳米纤维进行了开发和表征。研究发现,在静电纺丝过程中添加硝嗪黄分子是一种制备pH响应性非织造布的很好方法。与PCL纳米纤维表现出的缓慢而广泛的响应时间(滞后时间超过3h)相比,混有CSPCL纳米纤维由于亲水性增加,因此具有更高的敏感性和较短的响应时间(滞后时间5 min)。另外,理论计算结果和实验观察也表明,染料和CS之间具有更强的静电作用。因此,由于CS所具有的特殊性质,将PCL/CS混合材料应用于pH敏感性生物相容纳米纤维传感器,具有重要的意义。

    Van der Schueren, L.; De Meyer, T.; Steyaert, I.; etc,.Polycaprolactone and polycaprolactone/chitosan nanofibres functionalised with the pH-sensitive dye Nitrazine Yellow. Carbohydrate polymers 2013, 91 (1), 284-93.

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