醫用納米纖維拉脹膜

A. Six

瑞士聯邦材料科學與技術研究所(瑞士)

材料受拉伸會變厚，這似乎與物理定律相矛盾。然而，這種發生在自然界的拉脹效應在許多應用領域頗具吸引力。瑞士聯邦材料科學與技術研究所(Empa)的一項新研究展示了如何將這種特殊的拉脹效應應用于損傷組織的治療中。

小牛從母牛的由拉脹組織組成的乳房中吮吸乳汁即是大自然生物體中存在的一種拉脹效應。這些拉脹組織在拉伸時并不會如橡皮筋一樣變窄，而是向拉伸方向的垂直方向變寬。因此，乳汁可暢通無阻地流過乳頭。目前，Empa的學者已從專門為此開發的醫用納米纖維膜中證實了這種特殊的拉脹效應。該研究指出了拉脹材料廣泛的應用前景，包括應用醫用納米纖維拉脹膜，使人體受傷的組織再生。

皮膚或內部器官組織損傷時，可通過細胞的移植和生長形成替代型組織，如皮膚上一個小切口能輕而易舉地愈合。但有些組織的再生則超出了人體的能力范圍，如燒傷形成的復雜傷口則需要大面積的再生組織，此時可通過制備合適的支架，使所需細胞依附并沿著預定的結構生長而促進組織的再生。

Empa的研究人員在瑞士圣加倫仿生膜和紡織品實驗室溶解具有與人體細胞外基質性能相近的聚合物，并采用靜電紡絲工藝，開發出超薄型且具有拉脹性能的細絲。這使采用納米纖維生產多層膜成為可能。這種膜具有生物相容性，可植入人體。如果在靜電紡絲過程中使用聚乳酸等聚合物，則所得納米纖維膜可被人體吸收和降解。此外，可將生物活性物質或藥物加入納米纖維膜的紡絲溶液中，從而達到藥物緩釋的目的。

1 吸引人的孔隙尺寸

目前最大的挑戰是使所得聚合物納米纖維膜上的孔隙尺寸有助于人體細胞依附。最初所得聚合物膜的孔隙尺寸僅為幾微米，支架上的較大的組織細胞(約20 μm)無法緊貼在聚合物的膜上。

經優化紡絲參數，可生產出具有神奇拉脹性能的由聚合物網構成的納米纖維膜。該膜在平緩的拉力作用下，拉伸約10%時，其厚度不僅沒有減小，反而增加10倍(圖1)，體積約增加5倍。可以用橫向應變與縱向應變的比值(泊松比，負值)來量化該膜的拉脹效應。

圖1 拉脹膜的厚度增加了約10倍(來源：Empa)

在拉伸試驗中，納米纖維膜的拉脹效應源于纖維受拉伸時其內部分子重新排列，對膜的橫向纖維施加的壓力使纖維被迫向上或向下彎曲，從而導致膜的體積增加。

2 “按需擴展”

靜電紡制備的納米纖維膜可用于人體不同部位的傷口和組織損傷的治療，如皮膚、血管和內部器官，甚至是骨頭。需根據需求選擇合適的聚合物和紡絲參數加工具有不同性能的納米纖維膜。拉脹效應引起膜的體積變大，有利于人體細胞的吸附，從而促進傷口愈合。

該納米纖維膜的制備工藝已申請專利，除了在生物醫學中的應用，這一纖維膜還可應用于其他許多領域。研究人員提到，這種膜經壓力激活后可釋放封閉的顆粒物質，適用于制備可調節過濾器或填充材料，僅在使用時才擴展到所需的最終體積，即“按需擴展”。因此，該納米纖維膜具有潛在的應用前景。

3 納米纖維的結構

單根納米纖維的結構對膜的性能有重要影響。用特定的溶劑處理納米纖維后，可分析纖維的結構。Empa的研究人員發現，采用不同的紡絲參數可加工出具有不同結構的納米纖維，如在電子顯微鏡下，結構呈堆疊狀，類似于烤肉串狀的纖維(圖2)。納米纖維的結構對膜的力學性能有很大的影響，從而也對拉脹效應產生一定的影響。

圖2 烤肉串結構的納米纖維(來源：Empa)