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中山大學吳鈞教授課題組:從一維到三維的靜電紡絲納米纖維在生物材料中的應用
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中山大學吳鈞教授課題組:從一維到三維的靜電紡絲納米纖維在生物材料中的應用

  • 來源:原創
  • 瀏覽次數:
  • 日期:2021-11-11 20:52

【概要描述】

中山大學吳鈞教授課題組:從一維到三維的靜電紡絲納米纖維在生物材料中的應用

【概要描述】

  • 分類:學術動態
  • 作者:輕子納米科技
  • 來源:原創
  • 發布時間:2021-11-11 20:52
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詳情

背景介紹

靜電紡絲是一種流行且有效的生產多孔納米纖維的方法,制備的納米纖維具有大表面積、優異的物理和化學性質,孔徑可控。由于具備這樣的特性,靜電紡絲納米纖維可以通過對纖維進行改良,模擬細胞外機制和人體組織結構。電紡納米纖維作為生物材料的重要應用,對從二維(2D)生物敷料到三維(3D)組織支架的研究越來越深入。不同的纖維結構或者不同孔徑的纖維可以提供不同的功能以及搭載不同的藥物。中山大學吳鈞教授、杜健航副教授課題組對不同類型的納米纖維在生物材料的的應用進行了綜述。

 

目錄

1.一維納米纖維結構

2.二維納米纖維膜

3.三維納米纖維支架

4.靜電紡絲納米纖維在生物組織中的應用

 

1.一維納米纖維結構

各種水溶液或有機可溶性聚合物和生物大分子,特別是那些具有良好生物相容性和生物降解性能的,如聚乙烯醇(PVA)、聚己內酯(PCL)和明膠,都可以用作紡絲溶液。

單根纖維的一維微納米結構可以具有不同的形態。通過改進傳統的靜電紡絲納米技術,制造具有核殼結構、中空結構和多通道結構的納米纖維,稱為同軸靜電紡絲技術。同軸纖維內部結構復雜,各向異性獨特,比表面積大;因此,它們具有很高的傳輸效率。由于它們可用于實現藥物控制釋放,同軸納米纖維已在生物技術和藥物輸送等領域廣泛流行。

圖1 纖維多孔結構

 

圖2 中空纖維和核殼結構

 

串珠結構的納米纖維因于表面張力變化引起的噴射過程中長絲的拉伸不足。纖維連接的完整結構的串珠纖維可提供更有效的受控和持續藥物釋放。此外,復合材料的強度和韌性可以通過引入珠狀纖維來提高。

圖2 中空纖維和核殼結構

 

除了以上三種結構,還有螺旋結構和取向纖維。螺旋和扭曲的納米纖維比較常見,結構特性可以模擬雙鏈 DNA 或螺旋藻的結構特性。取向纖維的特點是擁有物理強度和機械性能。隨著纖維長度的增加,增強效果也同時隨著水平的升高而增加。

 

2.二維納米纖維膜

納米纖維膜有著50% 至 90% 以上的高孔隙率,是所有粘性多孔材料中表面積與體積比最高的材料之一。這種結構可用于保護傷口表面,同時允許空氣滲透,并且通常用作傷口愈合中的水凝膠。排列整齊的納米纖維膜可以通過定制的收集器、高速旋轉的收集器或對齊的針代替傳統的電紡收集器來制造連續的、線性排列的紗線。
具有梯度的納米纖維支架的制造需要使用專門的技術或設備,例如熔體靜電紡絲直寫和 3D 打印技術,以產生合適的 3D 梯度結構。此類支架能夠模擬組織間的梯度結構。

纖維的孔徑對藥物的輸送也存在影響,小孔會限制細胞遷移、營養供應和代謝廢物的去除,而過大的孔會對細胞粘附和細胞內信號表達產生負面影響。合適的孔徑可以促進工程組織內外的營養物質和代謝物的運輸。

 

3.三維納米纖維支架

靜電紡絲已廣泛用于制備二維的纖維膜,其通常用作傷口敷料。相比之下, 3D 組織工程支架上的應用是有限的。而多層支架具有更好的生物力學、生物相容性、生物降解性等。3D 打印具有通過計算機輔助設計和層打印實現3D模型構建的優勢,大大提高了支架的可定制化程度。而近場直寫技術可在特定范圍內沉積單根纖維,可用來制造特定圖案和支撐的纖維支架。這種技術在制造組織工程支架方面具有潛力。

 

圖3 血管3D打印支架和近場直寫

 

4.靜電紡絲納米纖維在生物組織中的應用

靜電紡絲納米纖維在生物醫藥領域的應用廣泛,物質傳輸是最常用的功能之一,可保證物質的活性和控制釋放,可用于藥物的傳輸。而因為纖維具有的生物特性,可通過使用生物相容性的材料制造皮膚組織、血管組織和骨組織。結合其導電性,可制造皮膚傳感器。還可用納米復合材料改善機械、電氣和熱性能,并將生物功能植入生物醫學工程和傳感器的支架中。

圖2 靜電紡絲納米纖維在人體組織中的應用

 

原文鏈接:

http://doi.org/10.1007/s12274-021-3593-7

 

輕子納米以靜電紡絲設備和新材料制備為核心的高新技術企業,新材料制備涉及微納米材料、生物材料、環保材料等領域,在靜電紡絲領域具有多項專利技術。公司推動實驗研發向實際產業應用,目前可提供科教型電紡設備、靜電紡絲中試設備、近場直寫設備和量產納米纖維生產線。公司最新研發的生物3D打印設備可實現微納米生物材料制備,可由軟件控制打印路徑,配備溶液/熔體/靜電噴霧/靜電紡絲等模塊,是一款科研實驗的好助手。鏈接:http://wcidee.com/product/179.html

 

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