靜電紡絲壓電纖維用于生物相容性設備

2020-01-11 易絲幫

DOI: 10.1002/adhm.201901287

納米技術因其在開發新一代納米材料方面具有前所未有的性能和增強的生物響應能力而獲得了巨大的成功。使用納米纖維尤其令人興奮，因為它們的機械和形貌特征可以接近天然生物材料的特性。靜電紡絲技術是制備具有壓電等多功能特性的超細纖維和纖維網格的關鍵技術，這種技術可以在較小的長度范圍內使用，因此可與亞細胞尺度相媲美，這使其在生物醫學領域的應用越來越具有吸引力。其中包括基于生物相容性纖維的設備，如智能支架、生物傳感器、能量采集器和人體納米發電機。本文綜述了近年來在制備超細聚合物和陶瓷壓電纖維方面的研究進展，這些纖維專門設計用于生物醫學應用，或有可能轉化為生物醫學應用。它提供了生物相容性壓電纖維的應用和技術概述，以及實際和潛在的應用，對電紡絲工藝的了解以及納米結構化纖維材料的特性，包括可用的建模方法。最終，本綜述旨在使人們對這些納米材料作為刺激反應裝置在人體內的影響有一個未來的愿景。

圖1.描述本文所涉及主題的示意圖：通過靜電紡絲加工的壓電材料（陶瓷和聚合物）以產生特定于不同人體相關應用的壓電納米纖維。從原子尺度到宏觀尺度的計算和數學模型是非常有用的工具，可以通過對靜電紡絲過程進行建模來調整壓電材料靜電紡絲所涉及的幾個參數，以及產生的壓電纖維和纖維網格的機械和電學性能，從而有助于大大減少為達到預期目標而進行的實驗活動。

圖2.基于靜電紡絲制備的壓電聚合物纖維的電紡組織工程支架、能量采集器和生物傳感器的生物醫學應用研究現狀。研究的電反應組織包括神經（大腦）、感覺神經（內耳）、心血管（心臟）、皮膚（表皮）和肌肉骨骼（橫紋肌和骨骼）。壓電纖維材料用于生物組織和智能器件的機械支撐和電刺激。

圖3.通過使用MEK作為溶劑和高于40%濕度獲得的P（VDF-TrFE）電紡超細纖維的納米多孔表面的SEM圖像。

圖4.在PVDF電紡樣品上培養的Saos-2細胞：a，b）分別為疏水和親水PVDF電紡支架；c，d）分別在疏水和親水電紡支架上生長的Saos-2細胞的SEM-FIB橫截面。

圖5.以3.7 m s-1的集電極切向速度獲得的BTNP/PVDF 10/90電紡纖維的STEM圖像，且放大倍數為10000至65000不等。a，b）BTNP在電紡纖維內部分散；a）BTNP聚集存在引起的磁珠；c）BTNP在電紡纖維內部聚集；d）BTNP在電紡纖維內部分散。

圖6.細胞培養1和7天后，附著在P（VDF-TrFE）纖維上的人皮膚成纖維細胞的共聚焦熒光顯微鏡圖像（40×目標；細胞骨架，綠色；核，藍色；比例尺：50μm）。

圖7.高度靈活的自供電傳感元件（SSE）檢測皮膚運動的性能。a）面部皮膚上的SSE圖片。b）眨一只眼睛引起的傳感器的輸出電壓和c）電流產生。

圖8.可彎曲壓電傳感器的概念。

圖9. SAW器件上P（VDF-TrFE）和P（VDF-TrFE）/ ZnO納米復合材料的靜電紡絲過程。

圖10.包括施加在心臟組織上的壓電纖維墊的細胞依賴性能量采集器的示意圖。

圖11.a）由定向納米纖維組成的線圈和b）捻合構造的掃描電鏡照片。

圖12.a）通過靜電紡絲制備的BaTiO3-PVP復合纖維的SEM圖像。b）在空氣中700℃煅燒3小時后，BaTiO3納米纖維的SEM圖像。插圖中的比例尺為250 nm。

圖13.用于定向納米纖維靜電紡絲的旋轉芯軸裝置，顯示初生非晶纖維排列在旋轉心軸的平行銅線上。

圖14.Ce/Ba原子比為0.6%的單個BaTiO3納米纖維的TEM圖像和NBD模式：a）低倍率；b）（a）紅色圓點的高分辨率TEM圖像；c）（a）紅色圓點的NBD模式。

圖15.利用鐵電納米纖維制備羊毛角蛋白納米發電機的工藝示意圖。

圖16.TiO2中空纖維單軸排列陣列的SEM圖像。

圖17. a）V2O5-TiO2-Ta2O5納米纖維的SEM圖像。

圖18.在TiO2纖維上生長的ZnO納米棒的高倍放大ZnO/TiO2異質結的SEM圖像；在TiO2纖維上生長的ZnO納米板的高倍放大ZnO/TiO2異質結的SEM圖像。

圖19.PVDF的α、β和γ相的鏈構象表示。

圖20.電紡納米纖維的形態隨粘度的變化。

圖21.不同類型鹽的PVDF納米纖維膜的FESEM圖像：a）無鹽（純PVDF），b）0.10 mol L-1 TBAC，c）0.10 mol L-1 TBAB，d）0.10 mol L-1 TEAC ，e）0.10 mol L-1 LiCl，f）0.05 mol L-1 AlCl3，g）0.05 mol L-1 CaCl2。紡絲工藝參數：施加電壓30 kV，針尖至集電極距離15 cm，擠出速率1 mL h-1。