J. Future Foods | 碳水化合物聚合物静电纺丝纳米纤维的新兴应用-行业新闻-2026苏州国际静电纺丝技术与纳米纤维展览会

纳米纤维由于其独特的特性，如高表面积和多孔性，长期以来一直是纳米技术领域的兴趣，并因其在各种应用领域的潜力获得了研究兴趣。生产这些纤维最有效的方法之一是静电纺丝。静电纺丝是目前已知的最通用的方法之一，用于从各种各样的材料(从合成材料到天然生物聚合物)中制造微纳米纤维。目前，由于静电纺丝的多功能性、简单性和经济可行性，静电纺丝引起了大量的研究关注，该主题的年度科学出版物数量从1995年的2篇增加到2021年的4 163 篇，如图1所示。图1 根据Web of Science, 1995年至2021年，以“静电纺丝”为关键词的科学论文发表数量在实验室中，一个基本的静电纺丝装置只需要三个基本工具: 高压电源、喷丝板和接地收集器(图2)。喷丝板上装有纺丝涂料，并插入纺丝泵中。高电压附着在喷丝头的钝针尖上，收集器直接放置在喷丝头的下方。纺丝泵将纺丝涂料以恒定的速度推出喷丝头，在喷丝头处，涂料进入电场。在这里，电荷开始在刚出现的液滴表面下建立，直到达到临界电压，在这里收集的电荷的排斥力大于液滴的表面张力。一旦达到临界电压，一个泰勒锥与射流从尖端形成。在经历弯曲不稳定性之前，射流在短时间内沿直线飞行，然后开始螺旋飞行。这种不稳定性是延长喷流和给溶剂从喷流蒸发的时间的原因。因此，当纤维形成在收集器上，他们是干燥和准备使用。然而，根据所用溶剂的挥发性，纤维在准备进行进一步测试或最终实施之前，可能必须进行空气干燥或在烘箱中干燥。纳米纤维的电可纺性和性能是由许多固有的材料性质和外在的工艺参数决定的。这一过程的不同变体，已经被开发出来，以实现某些应用所需的各种光纤形态。图2 实验室使用的基本静电纺丝装置示意图除了前面列出的纳米纤维有益的形态特性外，静电纺丝在其过程中提供了多功能性和灵活性，因此，它能够生产的纤维。此外，纤维的形态特性可以通过改变静电纺丝工艺参数(如施加电压、流量、纺丝距离、集热器类型等)来调节和调整。目前，关于调节参数如何导致形态变化的研究正在进行中。实现这一目标将增强纳米纤维的能力，使其能够专门用于所需的应用。碳水化合物聚合物的静电纺丝在众多可以静电纺丝的材料中（聚合物、小分子、胶体粒子和复合材料），碳水化合物聚合物代表了天然、大量可用、环保和低成本的一类材料，这标志着它们在各种应用领域的潜力。具体来说，碳水化合物聚合物（如淀粉、纤维素、甲壳素等）是地球上最丰富的生物聚合物。尽管对碳水化合物聚合物的静电纺丝研究越来越多，但由于其结构的复杂性和异质性，在实际应用中仍存在许多困难。与合成聚合物相对简单和经常可设计的结构相比，碳水化合物聚合物的单体组成和序列，即使是同一类型，也会因生物的来源和生长条件而发生很大的变化。此外，为某些碳水化合物聚合物寻找合适的溶剂是一个巨大的挑战。静电纺丝，特别是干式静电纺丝，需要使用一种相对易挥发的溶剂，这种溶剂容易蒸发，这样就可以收集干燥的纤维，而不会过度熔融或粘连。虽然一些碳水化合物聚合物，如普鲁兰，可溶于水，但其他大多数需要使用各种有机溶剂。使用有机溶剂确实引起了一些安全问题。当考虑在工业层面上升级静电纺丝时，如果使用有机或有毒溶剂，可能会对工人造成危险，并对环境造成巨大负担。此外，残留溶剂也是使用有机溶剂时的一个主要问题，特别是当纤维是针对生物医学领域时，因为残留溶剂可能对患者有害。因此，开发不需要有机溶剂的纺丝剂是非常重要的。之前的综述文章关注的是最近在提高碳水化合物聚合物的可电纺性方面的研究成果，而这篇文献综述将探索静电纺丝碳水化合物生物聚合物纤维的新兴应用，如组织工程、药物输送、伤口敷料、环境和能源应用。还有保护织物。新兴应用组织工程组织工程是指修复或替换非功能性组织和/或器官，最常见的方法是通过以下三项来实现，如图3所示: 播种细胞、调节因子(如生长因子或生物分子)和能够模仿细胞自然环境的支架。该支架的形态对支架的成功有着重要的影响，而用于制作该支架的制作方法直接影响着支架的形态。静电纺丝可能是目前研究最广泛的支架生产技术。通常，为了获得最佳的功能，支架最好是3D的、生物兼容的、能够模仿细胞外基质(ECM)、能够支持质量转移、成功展示所需水平的机械性能和可生物降解的。为此，由于其潜在的可伸缩性、相对可控的形态、孔隙率以及从多种材料中生产纤维的能力，静电纺丝是一种理想的支架生产工艺。图3 基于静电纺丝生物聚合物纳米纤维的组织工程的基本成分对合成材料，如聚乳酸-乙醇酸(PLGA)、聚乙二醇/聚乳酸(PEG/PLA)、乙烯乙烯醇(EVOH)和聚己内酯(PCL)的应用进行了研究，聚合物和天然生物聚合物，如透明质酸、海藻酸盐、胶原蛋白、丝、蛋白、纤维蛋白原、壳聚糖、甲壳素、淀粉、纤维素等，在选择支架基底材料时，重要的是要考虑生物聚合物的某些特性，如强度、亲水性与疏水性、药物黏附性、释放倾向和孔隙度。例如，细胞通常在亲水性材料中更容易扩散和增殖，而多糖由于其低刚性和强度，通常更适合于软组织工程。在设计支架时，最需要考虑的三个物理化学特性是表面特性(表面积、化学和外形)、降解特性和机械特性(孔隙度、结构完整性、弹性和吸收)。由于组织工程依赖于细胞在支架上的锚定能力，增加支架表面面积和表面粗糙度可以增强支架的功能。支架的降解速率应与组织生长速率相对相等。为了进一步优化支架的成功潜力，支架应根据组织类型(如骨骼、心血管、皮肤等)进行设计，并将其与组织类型相结合。尽管存在设计上的并发症和障碍，但通过静电纺丝支架进行组织工程的研究表明，在以下组织中具有很高的潜力: 软骨、真皮、骨骼、血管和乳房组织。此外，还研究了静电纺支架在硬植入物上的直接应用，如膝关节、肩部或髋关节置换器。这些支架将作为患者组织和植入物之间的界面，以帮助降低两个表面之间的刚度差异，这将有助于降低植入物失败的可能性。为了更好地了解碳水化合物聚合物静电纺丝在组织工程应用方面的进展，表1总结了2020年以来发表的10篇论文。表1 利用静电纺丝碳水化合物应用于组织工程的最新研究药物输送静电纺纤维在药物传递方面的应用已经引起了人们的关注。理想的给药系统能够将药物输送到特定的位置，具有可预测和可控制的释放模式，并且在患者体内表现出持续、高效的药物释放，而副作用可忽略不计。由于其高比表面积、高柔韧性和孔隙率以及良好的机械性能，静电纺纤维在实现上述质量方面具有巨大的潜力，并且已经表现出优于溶剂铸造薄膜的释放性能。图4举例说明了静电纺丝纤维如何用于药物的拓扑传递的基本原理。图4 用于拓扑给药的药物从静电纺纳米纤维中扩散静电纺丝工艺是通用的，灵活的，并提供了一个很好的可控性有关形态和特性的纳米纤维。使用收集器修饰，可以控制纤维的方向，这可以有利于设计药物传递系统。纤维也可以通过设计有一种以上的聚合物组成的纺丝涂料和/或在溶液中掺杂各种溶剂来实现多功能。例如，通过在纺丝液中掺入两种不同的药剂，可以使纤维具有抗菌和抗癌的能力。有益的是，静电纺丝也已经证明了其封装多种药物的能力，包括抗癌药物、抗生素、蛋白质(例如各种生长因子)、脂质体、DNA和RNA。此外，同轴静电纺丝技术的发展也开辟了新的优势。同轴静电纺丝能够封装更广泛的生物活性剂，并显示出比掺杂纺丝溶液更高的封装效率。此外，同轴纤维进一步抑制其含量的释放速率，通常表现为零级释放动力学。最终，药物传递的成功取决于用于传递药物的系统的功能。这种纤维基聚合物具有生物可降解性、生物相容性，并能引起患者的低免疫反应。通过控制光纤的形态和封装模式，可以改变和控制光纤的释放轮廓。这种操作很重要，因为药物的理想释放曲线因患者的需要而异。例如，急性微生物感染的最佳治疗方法是在相对较短的时间内使用大剂量药物，但慢性感染或癌症的最佳治疗方法是长期、持续的药物释放。药物释放受纤维特性和环境因素的影响。影响其含量释放的纤维特性有纤维直径、药物的载药效率、药物与聚合物的相容性、聚合物的降解性和生物降解性。结果表明，药物与聚合物类型的配伍性对药物的初始爆轰影响最大，而聚合物降解速率对缓释影响最大。相比之下，在环境因素方面，pH和温度都对药物的释放有影响，但每种因素对药物释放谱的影响取决于聚合物和药物类型。静电纺丝纤维在药物传递方面的应用已被研究用于伤口敷料、组织工程、缝合和癌症治疗技术。然而，尽管静电纺丝技术前景广阔，但目前它所生产的纤维的大小和形状、纺丝剂中常用的有毒溶剂、生产过程中使用的高压以及生产速度慢都限制了静电纺丝技术的发展。表2展示了碳水化合物聚合物静电纺丝在给药应用方面的最新进展。表2 利用静电纺丝碳水化合物给药应用的最新研究伤口敷料伤口愈合是一个复杂的动态过程，包括止血、炎症、迁移、增殖和成熟五个相互重叠的阶段。传统的伤口敷料只能提供一个基本的愈合环境来支持，它只是作为一个蒸发和潜在有害的外部因素的屏障。它们使用方便，价格也相对便宜，但必须经常更换。具有生物功能的伤口敷料优于传统敷料，因为它们可以通过气体交换调节提供支持软组织再生的环境，同时充当外部药剂的物理屏障。因此，这些生物敷料可促进止血，减少患者的瘢痕数量。表3总结了最近利用碳水化合物聚合物静电纺丝应用于伤口敷料的研究。表3 最近利用静电纺丝碳水化合物应用于伤口敷料的研究静电纺丝是一种用于生产生物功能敷料的流行技术，因为它简单、快速，能够形成现成的膜，可以成功地操纵多种聚合物，并在产生的纤维形态和整体结构方面提供可控性。图5显示了静电纺丝纳米纤维作为伤口敷料的功能的简化图。具体来说，在垫状结构方面，非对称敷料已经证明了增加伤口愈合的高潜力。致密的表层有助于保护伤口免受进一步的物理伤害和病原体穿孔，而内层是多孔的，有助于保持潮湿的环境，促进愈合过程。此外，静电纺纤维本身具有较高的表面积与体积比和孔隙率，良好的机械强度，以及促进人体对成纤维细胞的反应的能力; 所有这些特性在伤口护理应用中都是非常理想的。图5 静电纺纳米纤维作为生物创面敷料的原理图静电纺丝能够通过一个步骤将抗菌剂融入到产生的纤维中，这对于生产能够抑制感染的伤口敷料非常有利。由于静电纺纳米纤维的直径小，比表面积大，因此其释放速率优于本体扩散。然而，环境pH值、离子强度、聚合物类型、环境温度、磁性和生物分子的存在都可以改变释放速率。由于愈合过程的动态性，这在设计伤口敷料时显得很复杂。例如，一个慢性伤口的pH值预计会下降到7.15~8.90，但随着伤口的愈合，它会在变成酸性之前接近中性。因此，在愈合过程中，纤维分布其内容物的释放速率将发生变化。最近，通过便携式静电纺丝将敷料直接应用于伤口处的研究已经开展。直接敷料应用提供了快速的敷料应用，使敷料针对特定病例更加个性化，有助于减轻患者的疼痛程度，并由于纤维可以直接贴合创面床，使敷料与伤口更好地接触。最近发展的两项技术对直接敷料应用程序至关重要，它们是在几分钟内就地形成敷料的能力和增加对纤维沉积面积的控制。然而，尽管这项技术潜力巨大，残留溶剂存在的危险是一个重要的担忧。这种残留的溶剂会干扰愈合过程。此外，在此技术中使用的任何溶剂必须是无毒的，以免对患者造成进一步的伤害。无论是否直接使用，静电纺丝敷料的一个重要考虑因素是去除敷料。如果必须拆除敷料，它可能会撕裂伤口，使伤口恶化。解决这个问题的一个简单方法是只用生物可降解和生物相容的聚合物制造敷料。这样，当伤口愈合时，敷料就会降解，从而消除了拆除敷料的需要。此外，多糖的生物降解性和生物相容性是非常有益的，特别是对多糖和其他生物医学应用。过滤和其他环境应用一般来说，非生物医学工程的应用，正如下面几节所讨论的，仍然是一个发展中的领域，目前没有像以前的应用那样得到很好的研究。因此，表4总结了最近关于静电纺丝碳水化合物聚合物非生物医学应用的研究。获得清洁、可用的水是一个重要的、当前的问题，与社会和经济发展有关，影响着全球数十亿人。工业排放物、城市径流、石油泄漏、矿井排水和卤水排放等污染物常常污染干净的水，使之无法使用。有机水污染物是致癌物，能够导致疾病和死亡，而无机污染物则降低水质，使其无法用于消费、灌溉和工业应用。由于静电纺丝纤维的特性以及静电纺丝的可扩展性和柔韧性，静电纺丝技术已被广泛应用于水卫生领域。表4 碳水化合物聚合物静电纺成的纳米纤维的新兴应用静电纺丝已被研究用于生物修复和过滤器、生物传感器和化学传感器的生产。如图6所示，静电纺丝是生产过滤器的理想工艺，因为产生的毡通常具有高孔隙率、小纤维直径、大表面积、在一步生产过程中加入纳米颗粒(NP)的能力、高分离效率、优越的防污性能。易于使用和操作，具有物理阻挡和化学吸收污染物的双重功能。具体来说，已经证明静电纺丝过滤器能够捕获尺寸小于0.5µm的极小颗粒。此外，当涉及到传感应用时，静电纺丝纤维的大表面积是一个非常理想的特性。增加表面积增加了灵敏度，提高了响应时间，降低了必要的检测浓度，并增加了纤维的稳定性。此外，静电纺丝纤维可以通过操纵表现出超润湿性。由于垫子的自由表面能和微/纳米结构，这一特性对上述许多应用都是有利的。图6 静电纺纳米纤维毡作为水卫生过滤器的示意图如前所述，静电纺丝在单步过程中产生纳米粒子(NPs)纤维的能力对于水清洗应用非常有利。当与纤维结合时，NPs有助于在纤维中建立各种所需的性能，进而增加纤维在某些应用中的功能。例如，二氧化硅(SiO2) NPs可显著提高纤维的疏水性，是最受欢迎的用于水清洗应用的NPs之一，部分原因是其低反应性和稳定的化学性质。相比之下，银(Ag) NPs有助于减少过滤器表面和孔隙上生物膜的形成，从而有助于减少过滤器污染。此外，Ag NPs通常对微生物具有毒性，这有利于水清洗和生物医学目的。对于二氧化钛(TiO2) NPs，其特性是其大小的函数。具体而言，小型TiO2 NPs可以增加疏水表面的亲水性，从而降低疏水有机物的表面吸附性，有利于水清洗应用。能源应用随着全球能源需求的不断增加，可再生能源的需求量也越来越大。化石燃料是有限的，对环境有负面影响，如加剧全球变暖和污染水和空气，因为它们产生的污染物和温室气体。无毒、低成本的纳米材料因其电荷传导机制和尺寸而成为最有前途的能量材料介质之一。通过静电纺丝形成的纳米纤维有助于能量储存和发电和热。关于静电纺丝纤维用于其他基于能源的应用的能力也做了一些工作，例如将太阳能转化为用于海水淡化的热能。纳米纤维为能源应用提供了许多理想的特性。它们具有高的表面积体积比、高的纵横比、短的离子输运长度，并表现出定向输运。此外，纳米纤维在经济上比纳米管更可行。具体来说，静电纺丝是生产这些纳米纤维用于能源应用的理想方法，因为它能够创造具有高长度直径比和相对可控的形态的连续纤维，并可以创造具有核-壳结构的纤维。此外，静电纺丝简单，经济友好，适合于高档制造。静电纺丝纤维的应用已经得到了研究，如染料敏化太阳能电池(DSSCs)、燃料电池、锂离子电池(LIBs)和用于热能转换和存储的相变纤维(PCFs)。DSSCs利用光伏效应直接将阳光转化为电能，因此，在可持续解决日益增长的能源需求方面具有很大的潜力。静电纺纤维表面积大，可增加染料敏化剂暴露在阳光下的量。在DSSCs中，人们研究了静电纺丝纤维产生光阳极、对电极和电解质的能力。燃料电池通过化学反应产生电能，特别是氢或富氢燃料的电化学氧化。从理论上讲，燃料电池可以无限期地运行，而且对环境友好、价格低廉、表现出良好的效率和稳定性。研究了静电纺丝纤维在燃料电池电解液膜中的应用。这种膜的生产通常有两种方式: 1)对一种相对不导电的聚合物进行静电纺丝，形成多孔的增强基质，然后用一种对质子具有高导电性的材料填充基质的孔隙; 2)使用一种对质子高度导电的材料对垫子进行静电纺丝，同时使用一种二级聚合物来增加结构的稳定性。锂离子电池是一种很有前途的能源存储设备。尽管它们有潜力和积极的特性，但它们的电力能力较差，在循环过程中会经历大量的体积变化，并形成不稳定的电解质界面。人们已经研究了静电纺丝纳米纤维，因为其具有较大的表面积，有可能提高LIBs的电化学性能。由于电化学反应速率与比表面积成正比，静电纺丝具有很高的应用潜力。在锂离子电池中，人们研究了静电纺丝生产阳极、阴极、电解质和分离器的能力。自2006年以来，静电纺丝技术一直在研究其通过pcf储存热能的能力。热能储存技术的功能是储存多余的热能，这些热能可以在以后用于各种用途。热储存的三种一般类型是感热、潜热和热化学储存。潜热储能被认为是最具竞争力的蓄热方式，因为其储能密度大，在蓄热过程中温度波动小，而且价格低廉，无腐蚀性，化学稳定性较好。pcf属于潜热存储的范畴。pcf一般采用单轴、溶液-溶液或溶液-熔体同轴以及多流复合射流静电纺丝的方式形成。 Conclusion 静电纺丝技术虽然已经出现了几十年，但由于其能够有效地、简单地生成微米到纳米直径范围内的纤维而受到越来越多的关注。通过改变基本的静电纺丝装置，并根据最终的应用专门定制纺丝涂料，静电纺丝纤维可以为各种各样的功能进行特别定制。目前，许多研究正在研究静电纺丝纤维在生物医学(如组织工程、药物输送和伤口敷料)、环境和能源应用以及防护织物等领域的潜力。在生物医学应用方面，由天然生物聚合物制成的纤维具有很高的潜力，因为它们能够安全地与人体患者相互作用，几乎不会引起免疫反应。然而，在静电纺丝能够在工业或商业水平上有效地进行之前，确定一种提高其产量和减少有机溶剂使用的方法是至关重要的，应该进一步研究。