静电纺丝技术在生物医学领域的应用研究8900字论文

静电纺丝技术在生物医学领域的应用研究现如今，科技技术已经进入了蓬勃发展时期，为了匹配人民日益增长的生产生活需要，新兴的纳米材料走入了大家的视野。静电纺丝技术还是目前世界上效率最高，制备方法最简单的材料之一，也因此，其能够广泛的在全世界传播应用，纳米纤维膜作为其产物之一，具有纳米尺度效应和巨大的比表面积以及孔隙率。值得一提的是，由于其结构特点，人们可以较为自由的根据生产生活需要去设计他。基于上述特点，本文总结了其在止血领域的广泛应用前景。并分别从腹腔镜手术，心脏止血和户外快速止血抗菌领域进行阐述。关键词：静电纺丝技术；纳米纤维膜；止血；抗菌目录第一章静电纺丝技术概述 21.1静电纺丝技术介绍 21.2静电纺丝的设备和原理 21.3影响静电纺丝的因素 3第二章纳米止血材料 42.1止血方法 42.2纳米止血材料的优势 42.3壳聚糖类纳米纤维 52.3.1纯壳聚糖纳米纤维膜 52.3.2壳聚糖基复合物纤维膜 52.4明胶类止血材料 52.4.1明胶复合物纤维膜 52.4.2明胶类纤维膜的同轴静电纺丝制备法 62.5蛋白类纳米纤维 6第三章静电纺丝技术在生物医学领域的应用 63.1基于静电纺丝技术下辅助腹腔镜手术的研究简述 63.1.1前沿 63.1.2实验部分 63.1.3实验步骤与方法简述 73.1.4电极辅助静电纺纤维的精确沉积 73.1.5体内快速止血及分析 83.2静电纺丝技术在心脏止血方面的应用简述 83.3纳米纤维应用于户外快速止血的应用研究简述 1600年代，英国皇家科学院物理学家WilliamGilbert偶然间发现了在电场的纺丝装置的原型被两位科学家发表的专利里详细地介绍过。1934年，人们终于了此项技术的相对滞后。这种情况一直持续到1990年前后，美国的一所实验室的广阔的应用前景也终于被人所重视和熟知起来。图1.1简要总结了静电纺丝发展的主要里程碑1诸如像模版法22气相沉积法32和溶剂热法4³等都可以制备纳米纤维，可是图1.1静电纺丝的发展历史"首先探讨一下传统的静电纺丝设备，其主要由三部分组成：高压电源；装载注射针管的推进泵；接地的收集极(图1.2)。其中高压电场是由于在电压范围V图1.2静电纺丝装置结构示意图-----------VV图1.2静电纺丝装置结构示意图1.3影响静电纺丝的因素静电纺丝是一种涉及空气动力学，电动力学，流体力学和静电学等学科的过程，所以纺丝溶液自身的性质，环境，纺丝的情况都会改变最终纺丝的结果。具体原因我总结了以下几点：(1)纺丝溶液的性质：其主要影响因素有，溶液的黏度(142,物质的相对分子质量(133·溶液的浓度15,液滴的表面张力'167、电导率172、溶剂的性质'187、溶液的温度19等。聚合物形成的小液滴在电场力的作用下被拉伸的条件是，聚合物的相对分子质量适中，浓度，黏度适中。否则只能形成小液滴，或者在电场力的拉伸作用下，导致断裂难以形成连续的纳米纤维结构。(2)纺丝参数情况：其影响因素大体有，电压(这决定着电场力的大小),纺丝溶液的推进速度，出丝工具部位(一般为针头)的直径大小，出丝处与接收集之间的距离和接收集的材料等。例如，高压电源提供的电压越大，电场力对射流的拉伸力便越强，这就使得最后制成的纳米纤维结构较为纤细，但是电压也不宜过大，这是由于如果电场力过大，会使得射流很快的便移动到接收集上，射流还没被电场力拉伸完全，同样会使得，最后接收集上的纳米纤维结构变粗，影响使用。更重要的是，电压过大可能会使得射流不稳定，徒增很多不必要的实验误差。其次，如果溶液的推进速度过快，射流变得不到充分的拉伸，同样会影响纳米纤维的粗细结构。第三，枕头的粗细大小选择也很重要，过大会使得溶液推进过程中溶剂的挥发而造成枕头堵塞，或是增大针头与空气的接触面积，从而影响制备结果。所以针头的大小选择也要尽可能的适宜。最后，针头与收集极的距离把握也会影响着出丝结果，如果距离过远，会影响电场力的大小，从而使得制得的纳米纤维结构较粗。(3)环境参数：其主要是指纺丝过程当中，周围环境的温度和湿度，众所周知，溶液的挥发取决于温度的大小，若没有很好的控制温度，使周围环境温度较高的话，容易使得溶剂挥发过快，从而影响制得的纳米纤维结构。而湿度过高的话，会增加溶剂挥发的难度，严重者甚至造成纺丝失败。第二章纳米止血材料2.1止血方法纳米材料可以辅助人们现在常用的止血方法和临床相关手术。目前，如何解决创伤和内伤的出血问题是人们亟待解决的问题。图1.3总结了一些方法是关于物理止血的。对于创伤的止血手段已经广泛地应用于军事领域，并且效果良好[201。其中肢体的创伤和交界处创伤最为典型。最为有效的用于肢体出血止血的工具便是军用止血带(CAT),其阻断血流的工作机理便是通过压迫动脉血管。而止血卡尺和交界处止血带是用于帮助交界处伤口的止血工具。手术后，人们经常使用其他材料来解决手术时的细菌感染等问题，但是这些材料在使用时，多多少少的都会出现一些弊端。理想的缓冲系统首先可以保护人类的的四肢驱赶以及大脑免于受伤，更重要的是可以解决止血困难的诸多问题。目前，电凝和消融电极20可以暂时关闭血管，但伤口的封闭效果不好。图1.3物理止血方法应用优点缺点四肢暂时性止血单向性的伤口易继发性出血或感染结扎血管血管安全拆除缝线电凝法表面的小出血点闭合大面积伤口超声刀大出血不适用消融止血闭合大面积伤口2.2纳米止血材料的优势尽管对于用于止血的各种医疗设备已经有了长足的进步和频繁的更迭，但是者棉絮是手术的最先选择，人们更习惯于应用这些材料虾，蚕蛹等的外表皮是出现壳聚糖成分的主要部位。带正电荷的特质，是壳痕。而且，壳聚糖能够通过吸附带负电荷的红细胞来促进形成血栓。壳聚糖-PVP-Ag₂O的止血膜被Archana等人成功利用壳聚糖-PVP-纳米Ag₂O(CPS)生产出来了。止血膜的强度被PVP提高了，这可以改善其机械性，并大大减小开支。此外，该材料具有双重的抗菌作用这是因为其包含着纳米银的优越的抗菌性能和壳聚糖本身固有的抗菌性能。人们通过研究表明，伤口再经过止血膜的处理后，可以在两周之后基本上完全痊愈。这比起其他的止血材料来说，已经大大缩短了愈合时间。2.3.1纯壳聚糖纳米纤维膜壳聚糖纳米纤维膜是用电纺的方法制备的，并且其还有不错的止血性能。研究表明，其有着对血细胞的粘附作用，也正因此其作为止血材料非常合适，而且如果进行超声处理后，止血效果会进一步得到提升，吸水时间能够大幅度减小。最重要的是，实验表明纤维细胞的增长繁殖能力可以被壳聚糖纳米纤维膜提高，因此在止血和组织修复上，壳聚糖纳米纤维膜是不二选择。大多数科研工作者都会将它作为首要选择。2.3.2壳聚糖基复合物纤维膜氧化银-壳聚糖复合纤维材料是由科学家们用电纺丝方法制备的。制备的过程是通过将氧化银粒子，加入壳聚糖的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液中。不错的抗菌特性是其一大特点，更重要的是它具有良好的膨胀性，能够解决创面脱水的问题。动物创伤实验表明，与其他传统的止血材料相比，氧化银-壳聚糖复合材料能更快的帮助创伤进行更好的愈合。姚玉华等【21】通过一系列方法，成功制备了壳聚糖纳米纤维。在电镜观察下，制备的复合材料结构良好，其生物医学性能优越，是新型的止血及皮肤修复的未来材料选择趋势。2.4明胶类止血材料高分子材料：明胶。其结构很像在大自然中固有的生物体的结构，也正是由于这种原因，它的与天然界的生物能够很好的相融合。其是可降解材料，也是一种水溶性的生物，这种材料优点有两个，第一就是可以吸收已分解的产物，第二就是在吸收之后不产生相应的病症反应，明胶可吸收重量数倍于其自身的水，基于这一特点，明胶海绵十分适合临床止血。2.4.1明胶复合物纤维膜Gu等【22】制备了明胶纳米纤维膜，人们通过分析其关于制作流程的数据发现，对纺丝过程和纤维形态有着比较显著作用的有两个因素，第一就是醋酸的浓度，第二就是明胶的浓度，当醋酸浓度和明胶浓度都各自合适时，可以得到滑腻纤维的无珠形态，通过一系列的测试结果说明，其持有水分的能力可以被很大程度上的保证。这一特性也使得它与其他材料的比较之下，脱颖而出。2.4.2明胶类纤维膜的同轴静电纺丝制备法一种具有核-壳结构纳米纤维材料问世了，其刚一问世，就引起了不小的震动，而发现者就是Jin等科学家【23】,值得一提的是，材料内部包含了胰岛素等特性药物，其结构的形貌及组分被扫描和透射电镜分析后，发现这种材料在两个领域都有宽阔的发展空间，第一就是止血领域，第二就是其与皮肤修复相结合的医用材料领域。2.5蛋白类纳米纤维胶原蛋白和聚氧化乙烯(PEO)被LeiHuang等【24】混合，溶剂是10mM的盐酸溶液，止血敷料就这样被静电纺丝法制备出来，人们又研究了不同比例的混合夜的黏度和导电性。止血的能力是胶原蛋白这种材料最值得一提的特点，正是以为它在此方面的特殊价值，加之由于结构特点而陡升的吸水能力，它的止血效率是非其他一般材料可比拟的。聚合物PEO的加入，纤维膜有两个特质被大大增强，第一就是机械性能，第二则是粘附作用。这样制备的止血敷料开始被众多研究者争相研究。第三章静电纺丝技术在生物医学领域的应用3.1基于静电纺丝技术下辅助腹腔镜手术的研究简述众所周知，现在兴起了一种创伤小，术后恢复快，住院时间短的微创手术 (MIO),基于上述优点，其已成为了外科患者的首选。MIO与传统手术的区别是，其是通过细长的腹腔镜导管进行的，虽说它有着一系列操作上的优势，但是这也造就了其需要更精确的手术操作能力。因为其手术条件的天然限制，必然造就了与传统手术相比，MIO难以实施的手术技术，比如说缝合和打结。如果操作不正确恐怕会造成更多的手术风险【25】,这就对医生的能力和经验有着较高的要求。因此一般手术时都要配备经验丰富的操作员。人们为了对切口进行止血，通常会像传统手术一样，将止血棉直接伸入腹腔镜中，但这势必会消耗大量时间，但是也是不可忽视的。可如果选用原位静电纺丝的话，究一个能解决上述问题的新方法是一件困难重重!但又肯聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇缩丁醛等，还有医用胶水，雄性SD大鼠，用于体外作者辅助实验研究者，设计了长针静电纺丝设备，它使用了39.9cm长的针头，进行SEM的拍摄。3.1.4电极辅助静电纺纤维的精确沉积为了生产出有着更小的沉积面积和更细的直径的电纺丝纤维，研究者设计了一种长针的静电纺丝设备。值得一提的是，长注射器针头外覆盖了一层绝缘塑料管，其目的是防止静电对腹腔镜和电纺设备造成干扰，以帮助其能稳定的工作。实验中，研究者发现当针的长度能够使距离“a”(图2.1a)达到零时，就可以产出纤维，而且诸多材料的电纺成功也证明了此装置的普适性(图2.2)。此外，研究者还发现了锥体结构，当添加这种结构后，沉积面积(D)减小(图2.4和图2.1b)DFroquency(%)dFroquency(%)dCbC3.1.5体内快速止血及分析为了对止血效果进行比较，研究者使用了诸如缝合或者涂抹NOCA等常规腹腔镜手术中普遍用的止血法对肝脏切口进行止血。研究表明，电纺纳米纤维没有沉积在周围器官上，并且，电纺法的止血时间约为5s,远远小于其他常规止血方法所需时间。aa纺丝方法。总之，笔者协助研究者将长针静电纺丝与腹腔镜结合使用，通过腹腔镜稳定的制造静电纺丝纳米纤维，并在微创手术中将其直接原位沉积在活猪的肝脏上。此外，还在枕头末端引入了锥形结构，能够在不增加纤维直径的情况下减小沉积面积。通过实验表明，这种材料具有良好的附着力和卓越的沉积优势，相比于传统的止血方法，此法止血更快，炎症反应少，恢复快，所以其在微创手术领域具有广阔的应用前景。3.2静电纺丝技术在心脏止血方面的应用简述众所周知，生物体之所以能够血液循环是由于心脏的存在，因此它也被称为是生物体最重要的器官之一，当心脏受伤更严重的是受到穿透性创伤时，由于高压搏动是心脏器官的主要特点，所以心脏出血问题的及时解决相当困难。由于人体自身凝血机制的局限性，导致难以短时间内迅速完成凝血过程，这将造成心脏出血失控，使成功救治伤员，病人的概率大大减小。严重情况的话，甚至会导致伤员、病人的死亡。就目前来说，临床上较好的妥善解决心脏出血的方法是手术缝合，但是，手术难度大，缝合时间长，更何况是对于心脏伤口缝合这样的大型且易对心脏造成二次伤害出现渗血等问题的手术。因此，人们在面对突发情况时，通常不会选择手术缝合这种不可控性过大的方式进行救治。更重要的是，传统的止血材料，止血效果不甚理想并且在潮湿的组织表面上粘附性较差，因此，将其作为心脏止血的应对措施显然不明智，所以在解决此类问题上，研究新型止血材料和有效止血方案迫在眉睫。我们可以试想一下，一个心脏挽救的不仅仅是一名患者的性命，更重要的是拯救了一个家庭，是能够促进我们人类社会更加和谐的重大里程碑的事件。笔者协助实验研究者采用图3.1所示的实验装置制备止血材料，其组成部分是PLA/止血微球复合纳米纤维膜。止血微球的围观图像如图3.2a所示，图3.2b是SEM图像，其显示的是PL啊/止血微球复合纤维膜，上述图片成功证明了，研究者成功将止血微球掺杂到PLA纤维膜中。随后，我们又将锥形塞子(取决于伤口大小)内(图3.2c)卷入复合纤维膜，当心脏受到穿透性损伤时，首先堵塞伤口(使用锥形塞子),目的是阻断大规模的出血，然后在伤口周围用医用胶 (氰基丙烯酸酯)纤维电纺，这么做有两个目的，一是对塞子进行加固，二是封闭伤口周围，避免渗血。众所周知，医用胶以卓越的组织粘附性著称，而且其可以承受较高的爆破压力，因此止血塞的加固和封闭创面其是可以胜任的。如图医用止血药物(可吸收止血微球)与生物可降解材料(PLA)相结合。通过实验当人们由于某种原因出现在户外丛林，或是遇到战争时，不可避免的会遇到癌治疗领域，在室外，出血和感染往往同时发生。所以需要一个更简单有效的治疗方式去解决户外出血和伤口感染的问题。纳米纤维材料就是非常可取的材料，良好的膜与粘附性可以促进止血的功效，研究者开发了一种便携式静电纺丝装置，并将其用于户外，即可实现Cus复合纳米纤维沉积在伤口上，结果表明，其不仅仅能加速止血，而且缩短了感染伤口的愈合时间，可谓一举两得。第四章结论及展望目前大规模制备纳米纤维的手段主要就是纳米纤维技术，其原料的选择性广，可依据所需的功能进行设计，再加上其本身在尺度和结构上的优势，造就了纳米纤维膜在止血领域具有极大的发展潜力。静电纺丝纳米纤维膜结构上的不同使其成功解除了二维材料的桎梏，更能满足临床需求。1.为了解决微创手术中的止血问题，特别是止血方法过于冗杂的问题，笔者协助研究者设计了一种静电纺丝装置，其是由长针头(包裹着绝缘塑料管)、高压电源组成。纺丝的材料是N-辛基-2-氰基丙烯酸酯(NOCA),这种材料可以满足我们在潮湿环境下进行微创手术止血的条件，相较于传统的止血方法，其止血更加快速，手术之后不易产生炎症，而且术后恢复的效果也较为理想。最重要的是，装置较为简单，也易于操作，十分适合微创手术。2.为了解决人体中最重要的器官一—心脏的出血问题，我们也进行了相应的研究。首先若心脏出血则通常情况下会对人类有着不可挽救的后果，但由于其高压搏动的特性，导致对其进行止血相当困难，因此我们将医用止血药物与PLA相结合，用纺丝技术制备了一种快速止血材料，值得一提的是这种材料是生物可降解的。通过实验已经成功证明了其卓越的止血能力，假以时日，一定能够在未来有效解决心脏出血问题。3.为了解决野外工作造成的出血问题，我们发现原位沉积CuSNPs复合纳米纤维可以对伤口进行止血，并且在一定程度上消杀超级细菌，更重要的是，其相较于传统的纳米材料具有更好的创面贴合性，不仅可以加快止血，还可以缩短愈合时间。在未来的医疗发展领域有着广阔的应用前景。参考文献[1]XueJ,WuT,DaiY,etal.ElectrospinningandElectroMaterials,andApplications[J].Che[2]EomS