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静电纺丝技术在纳米纤维制备中的应用指南随着纳米科技的发展，纳米纤维成为了研究和应用领域中的热门话题。
纳米纤维在医学、电子、材料科学等领域具有广阔的应用前景。
而其中一项被广泛使用的制备纳米纤维的技术就是静电纺丝技术。
本文将介绍静电纺丝技术在纳米纤维制备中的应用指南。
静电纺丝技术是一种通过利用静电力将溶液或熔融状态下的高分子聚合物拉伸成纤维的方法。
其优点在于可以制备出直径从纳米到亚微米范围内的纤维，且具有较高的比表面积和表面活性。
纳米纤维的这些特点使其在过滤材料、组织工程、传感器等领域发挥了巨大的作用。
首先，静电纺丝技术在过滤材料领域中具有重要的意义。
纳米纤维可以制备出较高的比表面积，因此可以用于制备高效的过滤材料。
静电纺丝技术可以制备出纤维直径为几十纳米的纳米滤膜，具有优异的过滤性能，可以有效地去除空气中的颗粒污染物和有害气体。
同时，这种滤膜还具有较高的机械强度和疏水性，延长了其使用寿命。
其次，静电纺丝技术在组织工程领域中有着广泛的应用。
纳米纤维具有与人体细胞相似的结构和尺寸，因此可以仿生地构建组织工程支架。
静电纺丝技术可以制备出具有纳米级孔隙结构的支架，这些孔隙可以提供细胞附着和生长的平台。
同时，采用静电纺丝技术制备的纳米纤维支架具有良好的生物相容性和可降解性，能够有效地促进组织再生。
此外，静电纺丝技术在传感器领域中也有广泛的应用。
纳米纤维具有高比表面积和较好的电导性能，可以用于构建敏感和响应快速的传感器材料。
静电纺丝技术可以制备出具有纳米级直径的导电纤维，这些纳米纤维可以用作传感器的工作电极。
通过修饰纳米纤维表面的功能化分子，可以实现对特定分子的高灵敏度检测。
然而，静电纺丝技术在纳米纤维制备中依然存在一些挑战和限制。
首先，静电纺丝过程中需要控制溶液或熔融聚合物的流动性和电导性，以获得理想的纤维形态和尺寸。
其次，制备出的纳米纤维往往呈现无序分布，难以控制其方向和排列方式。
此外，制备纳米纤维通常需要较高的电压和较长的纺丝时间，这给实际应用带来了一定的技术难度。
静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景引言：术语“电纺”来源于“静电纺丝”。
虽然电纺这一术语是20世纪90年代才开始使用，但是其基本思想可以追述到60年前。
1934一1944年间，FomalaS[1]申请了一系列的专利，发明了用静电场力来制备聚合物纤维的实验装置。
1952年，vonnegut和NeubauerI53)发明了电场离子化技术，得到了粒径(0.lmm)均匀、带电程度高的线流。
1955年，Drozin进行了不同液体在高电压下，形成气溶胶的研究。
1966年，Simons发明了一种装置，用静电场纺丝法制备出了很轻超薄的无纺织物，他在研究中发现，低浓度溶液纺出的纤维较短且细;高浓度溶液纺出的纤维长且连续[2]。
1971年，Baumgarten采用静电纺丝法制备出了直径在0.05u m一1.1um的丙烯酸纤维。
自从80年代，特别是近些年，由于纳米技术的兴起，使得静电纺丝技术再度引起了纳米材料研究人员的高度关注。
采用静电纺丝技术可以很容易的制备出直径在几百微米到几百纳米甚至几十纳米的高质量纤维。
目前为止，己经有近上百种高分子采用静电纺丝技术被纺成纳/微米纤维。
这些纳/微米纤维有些己经广泛应用于纳米复合材料、传感器、薄膜制造、过滤装置，以及生物医用材料的加工和制造上。
本文立足于静电纺丝技术的研究现状，分别从材料的化学组成、纤维的分布方式和特殊结构形态三个方面进行了阐述。
同时，概括并展望了纳米纤维的应用领域与前景。
1静电纺丝的基本原理在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。
在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。
当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的“泰勒锥”(Taylorcone)[3-6]。
而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会液体的表面张力，从“泰勒锥”中喷出。
喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。
静电纺丝制备纳米纤维膜的性能研究随着科学技术的不断发展，纳米材料的研究越来越受到人们的关注。
其中，纳米纤维膜作为一种重要的纳米材料，具有很多优良性能，如高比表面积、高孔隙度、优异的吸附性能等，已经广泛应用于化工、材料、生物医学等领域。
其中，静电纺丝是一种制备纳米纤维膜的有效方法，可以制备出直径从几纳米到数百纳米的纤维。
本文将对静电纺丝制备纳米纤维膜的性能研究进行探讨。
静电纺丝原理静电纺丝是一种通过静电作用将聚合物或者其他可纺丝物质电纺成纳米级纤维的技术。
静电纺丝过程中的主要设备包括高压电源、喷头、收集器等。
在静电纺丝过程中，首先将聚合物或者其他可纺丝物质溶解在适当的溶剂中，形成粘稠的溶液，然后将溶液注入喷头中。
通过高压电源，将喷头的一侧加高电压，使溶液成为电荷载体，产生电荷。
另一侧的收集器带有相反的电荷，因而在高压电场的作用下，会产生静电力，将带电的溶液喷出喷头，并在收集器上形成薄膜。
薄膜中的纳米纤维具有高比表面积和无序排列等特点，是一种非常有应用前景的材料。
性能研究静电纺丝制备纳米纤维膜具有良好的应用前景，因此其性能研究也已经成为了研究热点。
其中，纳米纤维的直径是一项非常重要的性能指标。
研究表明，在不同的电场强度下，纳米纤维的直径有所变化。
当电场强度增加时，由于聚合物分子在电场作用下产生的拉力增大，会使得纳米纤维的直径减小。
另一方面，溶液中聚合物分子的浓度也会影响纳米纤维的直径。
当溶液中的聚合物浓度升高时，纳米纤维的直径也会增加。
通过控制这些因素，可以自由地调节纳米纤维的直径，具有更好的应用前景。
此外，纳米纤维膜还有其他很多的性能指标，如比表面积、孔隙度、力学性能等。
在应用中，比表面积和孔隙度是非常重要的指标。
因为纳米纤维膜具有非常高的比表面积和孔隙度，所以具有非常优异的吸附能力，可以应用于催化、生物医学、环境等领域。
此外，纳米纤维膜的力学性能也是非常重要的，因为其力学性能可以直接影响其在应用中的稳定性和耐久性。
静电纺纳米纤维膜用于重金属离子吸附的研究进展摘要静电纺丝制备的纳米纤维膜具有较高的比表面积和孔隙率，在重金属离子吸附领域有着广泛的应用前景。
本文在简要阐述纳米纤维膜吸附重金属离子机理的基础上，主要从有机纳米纤维膜、有机-无机复合纳米纤维膜、及无机纳米纤维膜等3个方面，介绍了近年来静电纺纳米纤维膜对重金属离子的吸附性能及其相关的研究进展，并针对目前纳米纤维膜吸附重金属离子应用研究中存在的一些问题给出了建议，为纳米纤维膜吸附重金属离子的后续研究提供参考。
关键词静电纺；纳米纤维；吸附；重金属离子0 引言随着工业化进程的不断加快，由金属冶炼及化工生产废水排放等人为因素造成的重金属离子污染水源问题日益严峻，严重威胁到人类的健康[1,2]。
为此，相关科研人员对重金属离子的污染问题进行了深入的研究，采取了多种措施对受污染的水体进行处理和修复。
目前，已报道的去除水体中重金属离子的方法有：反渗透[3]、离子交换[4]、电化学沉降[5]、氧化还原[6]、生物处理及吸附技术[7]。
其中，吸附技术因易操作、高效、可重复利用、成本低而备受关注[8,9]。
而比表面积大的多孔材料对重金属离子具有良好的吸附效果[2]，通过静电纺丝制备的纳米纤维膜恰好具有高比表面积、高孔隙率以及内部连通的开孔结构等突出优势，从而使其在重金属离子的吸附分离方面表现出较好的吸附性能和循环利用性。
1纳米纤维膜吸附重金属离子机理同大多数吸附材料的原理相同，纳米纤维膜对重金属离子的吸附也是一种传质过程，重金属离子通过物理作用或化学反应从液相转移到纤维膜上[10]。
如图1所示[11]，纳米纤维膜对水溶液中重金属离子的吸附主要为物理吸附和化学吸附：其中物理吸附主要是通过静电相互作用（带正电荷的重金属离子与带负电基团之间的静电相互作用，约2～4个负性基团结合一个重金属离子），将重金属离子吸附到纤维表面。
而化学吸附则是纤维表面的功能基团对重金属离子的螯合吸附作用（由纤维膜上的功能基团提供孤对电子与重金属离子形成配位共价键）。
静电纺丝技术制备纳米纤维的实践与研究近年来，随着科技的发展和人类对新材料需求的不断增加，制备出具有优异性能的新材料成为了学术界和工业界研究的热点。
其中，纳米纤维是一种常见的新材料，因其独特的物理、化学、生物学等性质，被广泛应用于医学、电子、能源、环保等领域。
静电纺丝技术是制备纳米纤维常用的一种方法。
本文将对静电纺丝技术制备纳米纤维的实践与研究进行介绍。
一、静电纺丝技术概述静电纺丝技术是利用高电场的作用下，将高分子溶液或熔体从给定的毛细孔中顺利流出，在电场的作用下瞬间成为纳米级的连续纤维。
该技术具有简单、易于操作、成本低廉、制备出来的纳米纤维分散性好、比表面积大、孔隙结构和多孔性好等优点，很适合用于纳米纤维材料的制备。
二、实践应用1.医学领域静电纺丝技术制备的纳米纤维在医学领域中有着广泛的应用。
利用静电纺丝技术制备的生物可降解材料，如聚乳酸、聚酯等高分子材料，可用于制备修复膜、人工皮肤等医学材料。
同时，利用静电纺丝技术制备的纳米纤维膜还可以作为药物释放系统，以帮助治疗癌症、感染和其他疾病。
此外，静电纺丝技术还可以制备出具有抗菌、抗炎、促进愈合力等特性的纳米纤维材料，可以用于医疗用品的生产。
2.环境保护领域利用静电纺丝技术制备的纳米纤维，在环保领域中也有着重要的应用。
静电纺丝技术制备的高性能纳米纤维可以用于处理污染水和空气等，可制备出高效的吸附材料，如滤纸、空气过滤器、饮水管道等。
此外，纳米纤维材料还可以应用于纳米复合材料、防护材料、热障涂层等方面，降低了环境污染，提升了环保水平。
3.能源领域利用静电纺丝技术制备的纳米纤维在能源领域中也有着广泛的应用。
静电纺丝技术制备的纳米纤维材料可以应用于制备电池、超级电容器、太阳能电池等材料，具有良好的性能。
三、静电纺丝技术的研究进展静电纺丝技术制备纳米纤维的研究已经成为炙手可热的领域，许多研究者对其进行了深入的研究和探讨。
1.高性能材料制备研究者们开始探索利用静电纺丝技术制备出高性能材料。
静电纺丝技术应用现状及发展趋势概述静电纺丝技术是一种通过静电作用将高分子溶液或熔体纺丝成纤维的方法。
该技术具有高效、低能耗、易于操作等优势，因此在纺织、医疗、材料科学等领域得到广泛应用。
本文将以静电纺丝技术应用现状为基础，探讨其发展趋势。
一、静电纺丝技术应用现状1. 纺织领域静电纺丝技术在纺织领域得到了广泛应用。
通过调节溶液配方、纺丝参数等，可以制备出具有不同性能的纺织品，如细纤维滤材、高吸附性纤维、电磁屏蔽材料等。
此外，静电纺丝技术还可用于纤维增强复合材料的制备，提高材料的强度和导电性。
2. 医疗领域静电纺丝技术在医疗领域具有广阔的应用前景。
通过静电纺丝技术制备的纤维具有高比表面积和多孔结构，可以用于制备医用纺织品、修复组织工程支架、药物缓释系统等。
例如，静电纺丝技术制备的纤维材料可以用于制作创面敷料，具有良好的吸附性和渗透性，能够促进伤口的愈合。
3. 材料科学领域静电纺丝技术在材料科学领域发挥了重要作用。
通过调节纺丝参数和材料组分，可以制备出具有特殊结构和功能的纤维材料。
例如，静电纺丝技术可以制备出具有高比表面积和孔隙结构的纳米纤维薄膜，用于催化、传感和能源存储等领域。
此外，静电纺丝技术还可以用于制备纤维增强陶瓷材料、纤维增强金属复合材料等。
二、静电纺丝技术的发展趋势1. 工艺改进静电纺丝技术在溶液配方、纺丝参数等方面存在一些挑战，如纤维直径分布不均匀、低产率等问题。
因此，未来的发展趋势之一是改进静电纺丝工艺，提高纺丝的稳定性和一致性。
这可以通过优化溶液配方、改进纺丝设备和控制系统等措施实现。
2. 多功能材料开发随着对功能材料需求的增加，静电纺丝技术在制备多功能材料方面具有广阔的应用前景。
未来的发展趋势之一是开发具有多种功能的纤维材料，如光学性能、电子性能、力学性能等。
这可以通过改变纺丝参数、材料组分和纤维结构等方式实现。
3. 与其他制备技术结合静电纺丝技术在制备纤维材料方面具有独特的优势，但也存在一些限制。
材料科学与工程学科中静电纺丝技术制备TiO2纳米纤维薄膜的研究静电纺丝技术在材料科学与工程学科中具有广泛应用，其中之一是用于制备TiO2纳米纤维薄膜。
TiO2纳米纤维薄膜具有很高的比表面积和优异的光催化性能，在环境净化、光电催化制氢、染料敏化太阳能电池等领域具有重要的应用前景。
在本文中，我们将介绍静电纺丝技术制备TiO2纳米纤维薄膜的研究进展，并分析其在各个领域中的应用。
首先，静电纺丝技术是一种将高分子溶液通过高电压静电场作用下形成纤维的方法。
通过调整高分子聚合物的浓度、电场强度和纺丝距离等参数，可以获得不同直径和形态的纳米纤维。
在制备TiO2纳米纤维薄膜中，通常使用聚合物作为模板材料，将TiO2颗粒或前驱体分散在聚合物溶液中，然后通过静电纺丝技术制备纳米纤维薄膜。
制备的纳米纤维薄膜可以通过热处理或光照等后续步骤进行晶化，得到TiO2具有优异性能的薄膜。
在环境净化领域，TiO2纳米纤维薄膜具有良好的光催化性能。
光催化过程中，纳米纤维薄膜可以通过对有害气体的吸附和光解作用，将其分解为无害物质。
由于TiO2纳米纤维薄膜具有很高的比表面积和较好的可见光响应性能，可以有效提高光催化反应的效率。
此外，纳米纤维薄膜还具有良好的机械稳定性和低压降特性，可以实现高效的气体处理。
因此，TiO2纳米纤维薄膜在室内空气净化、有机废气处理等方面具有广阔的应用前景。
在光电催化制氢领域，TiO2纳米纤维薄膜可以作为光电极材料，用于水光电解制氢。
纳米纤维薄膜具有大量的活性表面，可以有效提高光生电子-空穴对的分离效率。
通过对纳米纤维薄膜的表面进行修饰，如导入负载剂、调整晶相结构等，可以进一步提高其催化活性和稳定性。
研究表明，静电纺丝制备的TiO2纳米纤维薄膜在光电催化制氢中具有良好的性能，在利用太阳能进行无污染氢能生产方面具有巨大潜力。
此外，TiO2纳米纤维薄膜还可以应用于染料敏化太阳能电池。
染料敏化太阳能电池是一种新兴的太阳能转化技术，其基本原理是通过将染料吸附在光电极上，利用光生电子-空穴对的分离产生电流。
收稿日期：2023-05-23基金项目：安徽省自然科学基金先进功能膜材料联合基金（2308085UM03）作者简介：万建升(1998-)，男，毕业于大连工业大学纺织科学与工程专业，硕士研究生，从事聚乙烯醇的生产与研发工作，*****************。
PVA 基静电纺丝纳米纤维膜空气过滤研究进展万建升，黄荣海（安徽皖维高新材料股份有限公司，安徽巢湖238002）摘要：通过静电纺丝制备的聚乙烯醇（PVA ）基纳米纤维膜具有多孔结构、高比表面积、形貌可控和可生物降解等特点，在空气过滤领域具有广阔的应用前景。
首先介绍了静电纺丝技术以及纳米纤维空气过滤机理，随后着重总结了PVA 与纳米粒子、壳聚糖、环糊精以及单宁酸共同制备静电纺丝纳米纤维膜在空气过滤领域的研究进展，最后对未来发展进行了展望。
关键词：聚乙烯醇；静电纺丝；纳米纤维；空气过滤doi ：10.3969/j.issn.1008-553X.2024.01.004中图分类号：TQ342+.41文献标识码：A文章编号：1008-553X （2024）01-0014-05安徽化工ANHUI CHEMICAL INDUSTRYVol.50，No.1Feb.2024第50卷，第1期2024年2月大气污染是当今世界发展的主要问题之一，引起了人们越来越多的关注。
空气中的污染物主要来自于工业废气、汽车尾气、森林火灾烟雾以及自然界中的细菌微生物等。
由于颗粒物的持续产生和扩散，空气质量正不断恶化，极易引发人类心血管和呼吸道系统疾病[1]。
据统计，每年由空气污染引发的疾病导致死亡的人数达到50万左右，如果不积极治理，这个人数到2050年甚至还会翻一番[2]。
同时，新冠病毒的肆虐使人们对个人防护装置的需求大大增加[3]。
因此，提供一种高效且绿色的空气过滤材料显得尤为重要。
目前，传统的无纺布纤维占据着空气过滤的主要市场。
与熔喷法[4]、离心纺丝法[5]以及模板法[6]等制备纳米纤维的方法相比，采用静电纺丝制备的纳米纤维膜具有纤维直径小、稳定的多孔结构、比表面积高、内部连通性好和形态可控等优点，在空气过滤方面有很好的应用前景[7]。
静电纺丝技术的研究进展一、概述随着纳米材料技术的快速发展，纳米材料的制备方法也得到了广泛应用。
静电纺丝技术是一种制备纤维状纳米材料的有效手段。
本文将详细介绍静电纺丝技术的原理、方法以及在不同领域的应用进展。
二、原理及方法静电纺丝技术是利用静电场将高分子材料或其它材料转化为纳米级尺度的纤维。
其主要过程包括电荷产生、电选择和电喷射等，整个过程的牵引力来自静电场的作用。
在静电纺丝过程中，首先将高分子材料或其它材料溶解或熔融于溶剂中，然后在一个高压电场的作用下，利用静电力使得溶液内部产生荷电的分子或离子。
当达到一定电荷量时，内部电荷相互排斥，使得材料分子形成细小的液滴。
此时，再利用另一个电场对液滴进行拉伸，当液滴尺寸减小到一定程度时，会形成细纤维，并集中成纤维束。
三、应用领域及进展静电纺丝技术在医学、生物技术、能源储存等领域中得到了广泛的应用。
1、生物医学领域在生物医学领域中，静电纺丝技术制备的纳米纤维材料能够用于制备生物材料。
例如，静电纺丝技术可以制备纤维状的生物吸附材料，用于分离纯化蛋白质和酶等生物大分子。
同时，利用静电纺丝技术制备的薄膜也可以用于治疗皮肤损伤、组织缺损等。
近年来，生物材料的研究越来越多地使用了静电纺丝技术。
2、能源领域静电纺丝技术制备的纳米材料可以用于制备锂离子电池、燃料电池等电池的电极材料。
此外，还可以制备超级电容器等储能材料。
静电纺丝技术能够制备具有较高电导率和储能性能较好的纳米纤维材料。
3、纳米材料领域静电纺丝技术可以制备出直径在纳米级别的纤维，进一步提升了材料的柔韧性和耐用性。
通过改变静电场的作用条件，还可以制备成不同类型、不同形态、不同性质的材料。
因此，这种技术成为纳米材料的重要制备方法之一。
四、存在问题及未来发展虽然静电纺丝技术在多个领域中得到了广泛应用，但是也存在一些问题。
例如，静电纺丝技术制备纳米纤维材料的产量较低，制备过程需要使用多种溶剂，对环境造成一定污染。
在未来，需要加强对静电纺丝机理的研究，并进行工艺改进，提高产量和生产效率。
基金项目:国家自然科学基金(20904037)、江苏省自然科学基金(BK2009141);作者简介:李蒙蒙(1988-),男,硕士研究生,主要从事静电纺丝制备纳米材料及其性质等方面的研究;＊通讯联系人,E -mail :dy yang2008@sinano .ac .cn .静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展李蒙蒙1,2,朱 瑛1,仰大勇1＊,蒋兴宇3,马宏伟1(1.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,苏州 215125;2.青岛大学物理科学学院,青岛 266071;3.国家纳米科学中心,北京 100190) 摘要: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最基本动力和终极目标,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。
关键词:静电纺丝;纳米纤维薄膜;应用进展引言静电纺丝是一种简便易行、可以直接从聚合物及复合材料制备连续纤维的方法,其制备的纳米纤维薄膜通常是以无纺布形式存在的。
静电纺丝技术具有一些突出的优点:设备和实验成本较低,纤维产率较高,制备出的纤维比表面积比较大(纤维直径在几十纳米到几个微米的范围内),并且适用于许多不同种类的材料。
这些优点使静电纺丝纳米纤维薄膜在许多领域具有广泛的潜在应用[1～6]。
静电纺丝的原理和设备如图1(a )所示[7],高压电源提供高压,正极接在医用注射器的不锈钢针头上,负极(接地)接在铝箔上。
电压一般在5kV 到30kV 之间,针头到收集极间的距离(工作距离)一般在5cm 到20cm 之间。
实验时,将纺丝溶液装入注射器内,并加上高压。
由于高压电场的作用,在针头处形成“泰勒锥”。
溶液在高电压作用下形成射流,并经过多次分裂,同时溶剂快速挥发,在收集板上就得到了微纳米尺度的纤维,如图1(b )&(c )所示。
图1 (a )静电纺丝的装置示意图及得到的聚合物纳米纤维的(b )数码照片和(c )电镜照片[7]Fig ure 1 (a )Schematic illustration of electr ospinning se t -up ;(b )Dig ital came ra imag e and (c )SEM imageo f electro spun nanofiber s co llected on an aluminum fo il [7]近年来,静电纺丝逐渐成为材料科学与纳米科技的研究热点之一,吸引着全世界的科技工作者。
纵观近期已发表的相关文献,研究的内容包括以下几个方面:(1)新材料静电纺丝的制备,主要包括生物材料、有机小分子以及无机材料[8～11];(2)不同微观形貌微纳米结构的制备,例如多孔微球、多孔微管等[12,13];(3)制备有序排列的纳米纤维[14～16]。
由于传统静电纺丝得到的纤维是随机排列的无纺布,阻碍了其在某些领域的应用,因此发展了一些制备有序排列的纳米纤维的方法。
此外,还有人致力于三维结构的尝试[17];(4)静电纺丝的机理。
虽然人们可以用高速照相机等研究手段来直观地研究纺丝现象中纤维的形成[18],但影响纺丝的因素太多,如何提供一个普遍接受的数学模型来定量地分析和解释静电纺丝现象是目前的重大难题之一;(5)实际应用。
任何材料制备的最终目的都是实际应用,以解决人类生活生产中的遇到的问题。
近年来,静电纺丝研究领域已经从形貌的控制发展到应用开发,科研工作者尝试了各种可能的应用领域,并取得了瞩目的成果。
作者认为静电纺丝形成的纳米纤维薄膜比单根静电纺丝纤维更能体现静电纺丝技术的特点和特长,而且纳米纤维薄膜的应用更为广泛,因此本文对于单根静电纺丝纤维的应用不做讨论,主要综述近年来静电纺丝纳米纤维薄膜在各个领域的应用进展。
1 应用进展静电纺丝纳米纤维薄膜(nanofibrous membrane,以下简写为NFM)的应用主要集中在以下几个方面:组织工程、药物缓释、纳米传感器、能源应用、生物芯片基质和催化剂负载。
1.1 应用之一:组织工程组织工程是NFM的一个最重要也是发展最迅速的应用领域,除了很多原创论文发表外,几篇综述文章对这个领域也做了及时的总结[19～23]。
N FM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[24～26]。
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[27]。
由于静电纺丝在组织工程中的研究结果众多,作者仅选取了近年来定向NFM在组织工程中应用的两个典型例子加以描述。
Xu等[28]详细研究了有序的poly(l-lactid-co-e-caprolactone)[P(LLA-C L)](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: SM Cs沿着有序排列的NFM的轴线方向粘附和转移,同时展现出梭型收缩表形(spindle-like contractile pheno ty pe);SMC s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, SM Cs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。
图2 (a)染色α-肌动蛋白微丝在有序的N F M上培养一天后的激光扫描共聚焦显微照片;(b)电镜照片显示SM Cs与P(LL A-C L)纳米纤维之间相互吸附[28]F ig ure2 (a)L SCM(L ase r sca nning co nfocal micro sco py)microg raph of immunostainedα-actin filaments inSM Cs af te r1day o f culture on aligned nanofibr ous scaffold;(b)S EM microg raph sho wing the cell-mat rixadhesion betw een the SM Cs and the alig ned P(L LA-CL)nano fibers[28]Yang等[29]将有序排列的poly(L-lactic acid)(PLLA)NFM支架应用到神经组织工程上。
图3说明,神经干细胞(NSCs)的伸长及其神经突生长的方向平行于有序排列的PLLA纳米纤维的方向(图3(a)),但在有序微米纤维上并没有排列的趋势(见图3(b))。
图3 培养在(a)有序纳米纤维和(b)有序微米纤维上的NSCs的激光扫描共聚焦显微照片[29] Figure3 LSCM microg raphs o f N SCs cultured on(a)alig ned nano fibers and(b)aligned micro fiber s[29]虽然NFM作为组织工程应用的生物支架有其明显的优势,但目前还没有突破性的进展,仍然存在很多挑战,比如,静电纺丝尺寸的进一步纳米化与形貌均一化,静电纺丝与细胞之间的力学匹配,从体外培养细胞到体外培养组织的跨越,体内植入的生物相容性等。
这些难题有待于材料学工作者、生物学工作者和临床医生共同合作攻克。
1.2 应用之二: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。
A bidian等[30]将氟美松(dex amethaso ne)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(3,4-ethy lenedio xy thiophene)(PEDOT)[如图4(c)所示],那么当纤维水解后,由于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PEDO T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。
1.3 应用之三:纳米传感器传感器在电子、化学、生物等领域都广泛应用,成为当前的一个热门研究领域。
为了提高敏感度,当前的研究趋势是制作纳米尺度的传感器[31],报道较多的是基于碳、硅、陶瓷一维材料的传感器[32,33]。
在众多制作传感器材料的方法中,静电纺丝有着操作简易、高效等显著的优点。
最初的电纺材料集中在TiO2、SnO2等陶瓷材料上[32,34],一般是通过电纺得到聚合物纤维,然后煅烧得到。
后来又出现了直接将导电聚合物电纺纤维应用于传感器。
Wang等[35]将静电纺丝和静电层层吸附(electrostatic layer-by-layer adsorptio n)两种方法结合起来,制作出了高敏感度的光学传感器。
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po ly[2-(3-thieny l)ethanol butox y carbo nyl-methy l ure thane](H-PURET)荧光探针。
而水溶液中极低含量(ppb)的methy l violog en(M V2+)和cy to chrome c(cy t 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。
虽然具有纳米结构的半导体金属氧化物和特殊的单根纳米线器件提供了非常好的气敏特性,却是以统计涨落和过大的噪音水平为代价的。
于是,一些科研工作者把目光转向将聚合物纤维薄膜作为传感器材料。
Kim研究小组[36～38]将丁二炔(DA)单体分散到有机溶剂中,然后进行静电纺丝。
在纤维形成的过程中,当溶剂挥发后,DA单体会发生自组装现象,这是因为DA单体之间的吸引力大于单体与高聚物之间的吸引力。
