靜電紡絲技術(shù)在創(chuàng)傷敷料領(lǐng)域的應(yīng)用進展

宋路平，閔爾君，王 旭

(安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

創(chuàng)傷敷料是一種覆蓋于燙傷、燒傷、潰瘍或其他受創(chuàng)的皮膚表面,對皮膚破損處起到暫時保護與治療作用的醫(yī)用材料,能保護傷口免受細菌等外源性污染并促進傷口愈合。傳統(tǒng)醫(yī)用敷料多為價格低廉的紗布和脫脂棉，在一定程度上起到保護受損處、降低創(chuàng)面感染風(fēng)險的作用，但該類敷料不能應(yīng)用于感染性傷口，且無法促進傷口愈合。同時，更換紗布易引起創(chuàng)面皮膚黏膜撕扯造成二次損傷，不利于傷口愈合[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和人們生活水平的不斷提高，開發(fā)新型醫(yī)用敷料逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點[2]。相比傳統(tǒng)醫(yī)用敷料，新型醫(yī)用敷料具有加速創(chuàng)面修復(fù)、減少傷口感染和縮短病程等優(yōu)點，可以有效減輕患者痛苦，市場潛力巨大。其中，基于靜電紡絲技術(shù)制備的醫(yī)用納米纖維膜是新型醫(yī)用敷料中的典型代表?；陟o電紡絲技術(shù)制備的納米纖維膜具有高比表面積、高孔隙率及良好的生物相容性等優(yōu)點，在醫(yī)用紡織材料領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[3]。近年來靜電紡絲納米纖維用于創(chuàng)面修復(fù)生物敷料的研究得到了廣泛關(guān)注，多種合成高分子及天然高分子已經(jīng)被紡制成納米纖維并用于創(chuàng)面敷料。本研究檢索并分析了近年來該領(lǐng)域的文獻，介紹了基于靜電紡絲方法的醫(yī)用創(chuàng)傷敷料的制備原理、工藝方法及應(yīng)用情況，以期為進一步開發(fā)并推廣該類材料提供參考。

1 創(chuàng)傷敷料的種類

創(chuàng)傷敷料的作用機制是通過吸收傷口滲出液來保護傷口免受外源性污染，為創(chuàng)面提供有利環(huán)境，從而促進傷口愈合[4]。理想的傷口敷料應(yīng)該具有良好的生物相容性，能為傷口提供濕潤的環(huán)境，允許氣體交換，保護傷口免受細菌等微生物的傷害，且無毒、無致敏性[5-6]。創(chuàng)傷敷料按其與傷口的作用可分為傳統(tǒng)敷料、相互作用型敷料和生物活性敷料3種類型[7-8]。傳統(tǒng)敷料被動放置于創(chuàng)面吸收滲出液，為創(chuàng)面提供的保護有限，治療效果不佳；相互作用型敷料通過其與創(chuàng)面之間不同形式的相互作用，如吸收有毒物質(zhì)及滲出液、允許氣體交換，從而促進創(chuàng)面愈合，達到阻隔外界污染、預(yù)防創(chuàng)面交叉感染的作用；生物活性敷料由高分子材料與生物活性材料經(jīng)高新技術(shù)方法加工制成，具有雙層或多層結(jié)構(gòu)，其外層以高分子材料為皮膚表面提供物理屏障，內(nèi)層選用吸水性、透氣性、抗菌性和止血效果較好且具有生物相容性的材料。

2 靜電紡絲技術(shù)原理及靜電紡絲納米纖維的特點

靜電紡絲是一種較為特殊的纖維制造技術(shù)，它首先將待紡絲材料制備成聚合物溶液或熔體，再對其施加強電場，使之在電場作用下噴射紡絲，制造出納米級直徑的纖維[9]。靜電紡絲裝置主要由高壓電源、噴絲頭及接收裝置(捕捉電極)等部分組成(圖1)。其原理是在加入紡絲溶液的噴嘴前端施加高電壓或者對紡絲溶液施加高電壓，在噴嘴前端的紡絲液滴表面，當(dāng)電荷聚集到一定程度進而相互排斥時，從噴嘴流出的小液滴逐漸變成圓錐狀。電荷排斥力不斷增強，當(dāng)排斥力超過紡絲液表面張力時液流從圓錐的尖端噴出，噴出的紡絲液流變細及表面積快速增大，液流受到進一步拉伸細化，此時溶劑揮發(fā)在接收裝置上形成納米纖維[10]。

圖1 靜電紡絲裝置

靜電紡絲纖維直徑可達到納米級別，具有比表面積大、孔隙率極高且生物相容性好等優(yōu)點[11-12]。比表面積大便于細胞黏附和增殖，利于創(chuàng)面愈合?？紫堵矢呖纱龠M細胞與外界進行氣液交換，加快傷口愈合。孔隙微結(jié)構(gòu)可以避免空氣中的灰塵等大顆粒物質(zhì)與傷口接觸造成感染，亦可防止傷口脫水。在生物相容性方面，靜電紡納米纖維膜的3D結(jié)構(gòu)與天然細胞質(zhì)基質(zhì)結(jié)構(gòu)相似，可促進細胞生長與繁殖，從而刺激組織再生。上述優(yōu)點使得基于靜電紡絲技術(shù)制備的醫(yī)用敷料相較于傳統(tǒng)醫(yī)藥敷料有著明顯優(yōu)勢。

3 靜電紡絲技術(shù)在創(chuàng)傷敷料領(lǐng)域的應(yīng)用

基于靜電紡絲方法制備的創(chuàng)傷敷料主要有天然高分子材料敷料、合成高分子材料敷料、添加藥物因子敷料及含銀敷料等。目前，以天然材料(殼聚糖、明膠、海藻酸鈣等)為內(nèi)部材料的敷料研究居多。這類敷料能有效吸收創(chuàng)面滲出液，維持創(chuàng)面氣體交換，且為創(chuàng)面提供了一個濕潤的環(huán)境，有利于細胞黏附和增殖，促進傷口愈合[13-14]。

3.1 以天然高分子材料為主的敷料

天然高分子材料如膠原、殼聚糖、海藻酸鈣等大多本身就具備抗菌、止血的功能，再經(jīng)靜電紡絲技術(shù)加工成納米纖維敷料后，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，能更好地促進細胞吸附與繁殖，進而加快傷口愈合。舒泉水等[16]、Safi等[17]以海藻酸鈣為基質(zhì)加入其他物質(zhì)進行靜電紡絲，得到的納米纖維具有良好的吸液性和體外抑菌效果。馬露等[18]利用靜電紡絲法制備了殼聚糖/聚丁二酸丁二醇酯復(fù)合納米纖維膜敷料，而且通過實驗表明當(dāng)殼聚糖質(zhì)量分數(shù)為90%時，纖維膜的凝血效果最好。陳華等[19]制備了一種靜電紡絲素納米纖維敷料并通過建立大鼠燙傷模型來觀察其治療效果，結(jié)果表明該種敷料能有效縮短創(chuàng)面愈合時間。白爽等[20]將含有膠原蛋白和殼聚糖的紡絲溶液通過靜電紡絲技術(shù)紡織在海藻酸鹽無紡布基布上，制備成新型傷口敷料(復(fù)合海藻酸鹽敷料)，并通過體外凝血等一系列實驗發(fā)現(xiàn)該復(fù)合敷料具有優(yōu)良的止血性能，促創(chuàng)傷愈合的效果明顯，有望開發(fā)成新型傷口敷料。以天然高分子材料為主的敷料具有很好的抗菌、止血效果，對傷口愈合具有很好的促進作用，主要用于組織工程和術(shù)后創(chuàng)口，但此類材料成分較為復(fù)雜，存在難以加工、紡絲和大規(guī)模生產(chǎn)等問題，目前多采用加入一些高機械強度物質(zhì)的方法來提高其可紡性。

3.2 以合成高分子為基質(zhì)的復(fù)合敷料

此類敷料多采用合成高分子材料摻雜天然高分子材料進行復(fù)合紡絲，以對天然高分子敷料的相關(guān)性能進行改善，或為紡出的納米纖維增加其他性能，進而制備出具備更高療效的傷口敷料。張祥愛[21]利用靜電紡絲的方法制備出一種膠原與聚乳酸-乙醇酸復(fù)合的納米纖維膜敷料，并對其作為傷口敷料的性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)該納米纖維膜不僅能為傷口提供保護，吸收傷口多余滲液，維持氣液交換，提供舒適、濕潤的環(huán)境，促進傷口愈合，而且有利于細胞黏附和增殖，與傳統(tǒng)敷料相比具有明顯優(yōu)勢。Levengood等[22]制備了一種靜電紡聚己內(nèi)酯/殼聚糖納米纖維膜并對其進行相關(guān)測試，發(fā)現(xiàn)該納米纖維膜與小鼠皮膚的彈性模量相近且生物相容性優(yōu)良，相較于其他聚合物敷料，對小鼠傷口的愈合具有更好的促進效果。韓超[23]借助靜電紡絲技術(shù)，以生物相容性良好的左旋-聚乳酸為基質(zhì)，利用多面體聚倍半硅氧烷中的硅元素可促進皮膚再生或修復(fù)的特性，制備了負載抗菌藥物的復(fù)合纖維膜，可實現(xiàn)抗菌與促修復(fù)雙功能。以合成高分子為基質(zhì)的復(fù)合敷料具有較好的機械強度且可紡性強，此類敷料主要應(yīng)用于各種滲出型傷口和出血性傷口。

3.3 添加藥物、細胞因子、生長因子等物質(zhì)的敷料

此類敷料主要是在紡絲液中加入具有抗菌止血功能的藥物(圖2)，或者細胞因子、生長因子等來提高敷料的性能，促進傷口愈合。吳倩倩等[24]采用靜電紡絲技術(shù)制備負載恩諾沙星的聚偏氟乙烯(PVDF)復(fù)合納米纖維膜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PVDF質(zhì)量分數(shù)為8%、恩諾沙星質(zhì)量分數(shù)為15%時，纖維膜釋藥速度平穩(wěn)、持續(xù)時間長且具備優(yōu)異的抗菌性能，適合用作傷口敷料。Thakur等[25]采用靜電紡絲技術(shù)將鹽酸利多卡因和莫匹羅星兩種藥物分別混入聚乳酸纖維膜中，通過一系列測試發(fā)現(xiàn)兩種藥物均有抑菌作用且效果顯著，有利于傷口愈合。石銳等[26]將三甲氧基硅基丙基十八烷基二甲氧氯化銨(QAS)改性聚己內(nèi)酯(PCL)/明膠復(fù)合材料(PG-Q)，通過靜電紡絲技術(shù)制備出一種非溶出廣譜抑菌型納米纖維膜，發(fā)現(xiàn)QAS質(zhì)量分數(shù)為15%和20%的樣品12 h后對金葡菌及綠膿桿菌的抑制率均超過99%，認為該PG-Q膜可作為一種抑菌型傷口敷料用于創(chuàng)面護理。Tracey等[27]采用靜電紡絲法，以殼聚糖、海藻酸鈉和聚乙烯醇為原料制備了去鐵胺(DFO)負載的雙層納米纖維氈并對其進行一系列測試，發(fā)現(xiàn)雙層納米纖維氈無細胞毒性，另外體外劃痕實驗顯示了傷口愈合的潛能。添加藥物、細胞因子、生長因子等的傷口敷料可提高敷料生物活性，但存在藥物或其他物質(zhì)與基質(zhì)材料難以復(fù)合紡絲，以及后期藥物釋放過程難以掌控等問題。

圖2 不同藥物分子結(jié)構(gòu)式

3.4 含銀敷料

銀離子具有很強的殺菌抗菌效果，銀離子敷料作為一種新型醫(yī)用傷口敷料，在傷口愈合過程中能持續(xù)釋放銀離子，有效預(yù)防創(chuàng)面交叉感染，促進傷口愈合[28-29]。徐海濤等[30]將海藻酸鈉和聚乙烯醇粉末及含磷酸鋯鈉銀的溶液混合制成紡絲液，通過靜電紡絲工藝制備成納米纖維膜敷料，并對制備的載銀敷料的力學(xué)性能、抗菌性能、細胞毒性等進行測試，發(fā)現(xiàn)該載銀敷料力學(xué)性能優(yōu)異，抗菌效果明顯且細胞毒性極其輕微，對大腸桿菌具有極強的抑制作用，適合臨床推廣。Melike等[31]經(jīng)過一系列實驗，在生產(chǎn)溶液中加入硝酸銀，開發(fā)出一種離心靜電紡絲熱交聯(lián)明膠基纖維生物材料，發(fā)現(xiàn)該種材料具有高度的透氣性，并對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出抗菌活性，可用于傷口敷料。含銀敷料主要應(yīng)用于開放性創(chuàng)口，能吸收滲出液，高效抑制細菌繁殖，促進傷口愈合。但是，目前市場上大多數(shù)含銀敷料存在抗菌時間短、換藥頻率高、價格昂貴的問題，且含銀敷料不能用于對銀過敏的患者。

4 靜電紡絲創(chuàng)傷敷料的制備工藝

靜電紡絲的工藝不同，其創(chuàng)傷敷料的制備方法也各不相同。根據(jù)靜電紡絲時紡絲液體系的不同，可將其分為溶液狀態(tài)的靜電紡絲和熔融狀態(tài)的靜電紡絲[32-33]。目前在靜電紡絲創(chuàng)傷敷料領(lǐng)域，采用溶液靜電紡絲來制備創(chuàng)傷敷料的研究較多，而在溶液靜電紡絲制備工藝中，又以同軸紡絲和共混紡絲居多。靜電紡絲一般采用一種聚合物溶液，通過一個孔噴出，形成單軸納米纖維。圖3為同軸靜電紡絲裝置示意圖。該裝置較普通的靜電紡絲裝置多一個注射器，目的是將兩種聚合物溶液分別置于不同的給液器中，再經(jīng)同心圓構(gòu)造的雙噴絲頭分別噴出，最后在噴絲頭出口形成殼-芯結(jié)構(gòu)的納米纖維[34-36]。

圖3 同軸靜電紡絲裝置

葉原豐等[37]將2 mg/mL的氧化石墨烯水溶液加入130 mg/mL的聚乙烯醇水溶液(聚乙烯醇水溶液與氧化石墨烯水溶液體積比10∶1)中，并加入適量藥物配成共混電紡溶液，在電壓15 kV、固化距離15 cm時，其具有優(yōu)異的可紡性，對制得敷料的藥物控釋能力進一步研究表明，敷料藥物負載量高，具有優(yōu)異的緩控釋性能。Gu等[38]以醋酸水溶液為溶劑制備出明膠/左旋聚乳酸(PLLA)復(fù)合納米纖維，其理化性能測試結(jié)果顯示，多結(jié)構(gòu)的明膠/PLLA電紡纖維墊能減少水分蒸發(fā)帶來的損失，提高排液能力。Sheng等[39]將維生素A和維生素E的水溶性衍生物(TPGS)通過同軸靜電紡絲技術(shù)摻入絲素納米纖維中，制成的納米纖維呈界面清晰的核-殼結(jié)構(gòu)，有望用于傷口愈合和皮膚再生。Jin等[40]利用同軸紡絲技術(shù)制備出一種具有核-殼結(jié)構(gòu)的表皮誘導(dǎo)因子(EIF)-明膠/聚乳酸核-聚己內(nèi)酯納米纖維，其中明膠/聚己內(nèi)酯為殼層、EIF為核層，核層中還封裝了胰島素、氫化可的松等藥物。

5 結(jié)語

靜電紡絲作為一種高新技術(shù)，因其制備的納米纖維膜具有高比表面積、高孔隙率及良好的生物相容性而被廣泛應(yīng)用于創(chuàng)傷敷料領(lǐng)域，但作為此類敷料的天然高分子材料存在可紡性差、機械強度差、難以大規(guī)模生產(chǎn)等問題，合成高分子材料存在生物相容性較差的問題。為了解決這些問題，可在靜電紡絲溶液或纖維基底中加入一些化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)來抑制感染、提高細胞活性、加速細胞黏附與增殖并促進傷口愈合。在工藝上，采用同軸紡絲或多噴頭紡絲可避免部分藥物等其他物質(zhì)與高分子材料共混時發(fā)生性質(zhì)變化，有助于提高高分子材料與藥物因子等物質(zhì)復(fù)合紡絲的成功概率。由此可見，添加化學(xué)物質(zhì)和生物活性劑的同軸或多噴頭復(fù)合靜電紡絲納米纖維將成為未來傷口敷料領(lǐng)域新的研究方向。