静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展
基金项目:国家自然科学基金(20904037)、江苏省自然科学基金(BK2009141);
作者简介:李蒙蒙(1988-),男,硕士研究生,主要从事静电纺丝制备纳米材料及其性质等方面的研究;*通讯联系人,E-mail:dyyang2008@sinano.ac.cn.静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展
李蒙蒙1,2,朱 瑛1,仰大勇1*,蒋兴宇3,马宏伟1
(1.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,苏州 215125;
2.青岛大学物理科学学院,青岛 266071;3.国家纳米科学中心,北京 100190)
摘要:静电纺丝是一种简单而高效制备高分子微纳米纤维的技术,由于设备和实验成本低、纤维产率高、制
备出的纤维比表面积比较大、适用性广泛等独特的优势,近些年来备受关注。静电纺丝的应用是静电纺丝研究
的最基本动力和终极目标,因此成为研究者一直努力的方向。为了研究静电纺丝应用的研究现状和主要发展
方向,本文综述了静电纺丝纳米纤维薄膜几个主要的应用领域,包括组织工程、药物缓释、纳米传感器、能源应
用、生物芯片和催化剂负载等,并展望了未来可能的发展方向。 关键词:静电纺丝;纳米纤维薄膜;应用进展
引言
静电纺丝是一种简便易行、可以直接从聚合物及复合材料制备连续纤维的方法,其制备的纳米纤维
薄膜通常是以无纺布形式存在的。静电纺丝技术具有一些突出的优点:设备和实验成本较低,纤维产率
较高,制备出的纤维比表面积比较大(纤维直径在几十纳米到几个微米的范围内),并且适用于许多不同
种类的材料。这些优点使静电纺丝纳米纤维薄膜在许多领域具有广泛的潜在应用[1~6]。
静电纺丝的原理和设备如图1(a)所示[7],高压电源提供高压,正极接在医用注射器的不锈钢针头上,
负极(接地)接在铝箔上。电压一般在5kV到30kV之间,针头到收集极间的距离(工作距离)一般在5
cm到20cm之间。实验时,将纺丝溶液装入注射器内,并加上高压。由于高压电场的作用,在针头处形
成/泰勒锥0。溶液在高电压作用下形成射流,并经过多次分裂,同时溶剂快速挥发,在收集板上就得到了
微纳米尺度的纤维,如图1(b)&(c)所示。
图1 (a)静电纺丝的装置示意图及得到的聚合物纳米纤维的(b)数码照片和(c)电镜照片[7]
Figure1 (a)Schematicillustrationofelectrospinningset-up;(b)Digitalcameraimageand(c)SEMimage
ofelectrospunnanofiberscollectedonanaluminumfoil[7]
近年来,静电纺丝逐渐成为材料科学与纳米科技的研究热点之一,吸引着全世界的科技工作者。纵
观近期已发表的相关文献,研究的内容包括以下几个方面:(1)新材料静电纺丝的制备,主要包括生物材#42#高 分 子 通 报2010年9月 料、有机小分子以及无机材料[8~11];(2)不同微观形貌微纳米结构的制备,例如多孔微球、多孔微管
等[12,13];(3)制备有序排列的纳米纤维[14~16]。由于传统静电纺丝得到的纤维是随机排列的无纺布,阻碍
了其在某些领域的应用,因此发展了一些制备有序排列的纳米纤维的方法。此外,还有人致力于三维结
构的尝试[17];(4)静电纺丝的机理。虽然人们可以用高速照相机等研究手段来直观地研究纺丝现象中纤
维的形成[18],但影响纺丝的因素太多,如何提供一个普遍接受的数学模型来定量地分析和解释静电纺丝
现象是目前的重大难题之一;(5)实际应用。任何材料制备的最终目的都是实际应用,以解决人类生活生
产中的遇到的问题。近年来,静电纺丝研究领域已经从形貌的控制发展到应用开发,科研工作者尝试了
各种可能的应用领域,并取得了瞩目的成果。作者认为静电纺丝形成的纳米纤维薄膜比单根静电纺丝纤
维更能体现静电纺丝技术的特点和特长,而且纳米纤维薄膜的应用更为广泛,因此本文对于单根静电纺
丝纤维的应用不做讨论,主要综述近年来静电纺丝纳米纤维薄膜在各个领域的应用进展。
1 应用进展
静电纺丝纳米纤维薄膜(nanofibrousmembrane,以下简写为NFM)的应用主要集中在以下几个方
面:组织工程、药物缓释、纳米传感器、能源应用、生物芯片基质和催化剂负载。
1.1 应用之一:组织工程
组织工程是NFM的一个最重要也是发展最迅速的应用领域,除了很多原创论文发表外,几篇综述
文章对这个领域也做了及时的总结[19~23]。NFM的三维多孔结构、高比表面积和微纳米尺寸形貌可以模
拟组织工程中的细胞外基质(Extra-cellularmatrix),用来培养细胞;纺丝薄膜骨架的高比表面积也促进
了细胞的粘附和物质运输。近年来,各种天然材料,生物相容和生物可降解的高分子材料(如壳聚糖、胶
原蛋白、聚己内酰胺(PCL)等)被电纺形成纤维支架[24~26]。另外,具有一定取向性的NFM也可以诱导细
胞定向生长和分化[27]。由于静电纺丝在组织工程中的研究结果众多,作者仅选取了近年来定向NFM在
组织工程中应用的两个典型例子加以描述。
Xu等[28]详细研究了有序的poly(l-lactid-co-e-caprolactone)[P(LLA-CL)](75B25)共聚物纳米纤
维支架与人体冠状动脉平滑肌细胞(SMCs)之间的相互作用(如图2所示),得到了一些很有意思的结果:
SMCs沿着有序排列的NFM的轴线方向粘附和转移,同时展现出梭型收缩表形(spindle-likecontractile
phenotype);SMCs中的骨架蛋白的分布和组织平行于纳米纤维的方向;与平面的聚合物薄膜相比,
SMCs在有序纳米纤维支架上的粘附和增殖速度明显提高。这种有序NFM结合了生物可降解高聚物与
纳米尺度的双重优点,模拟了天然细胞的微环境,并成功构筑了类似于血管的结构。
图2 (a)染色A-肌动蛋白微丝在有序的NFM上培养一天后的激光扫描共聚焦显微照片;
(b)电镜照片显示SMCs与P(LLA-CL)纳米纤维之间相互吸附[28]
Figure2 (a)LSCM(Laserscanningconfocalmicroscopy)micrographofimmunostainedA-actinfilamentsin
SMCsafter1dayofcultureonalignednanofibrousscaffold;(b)SEMmicrographshowingthecel-lmatrix
adhesionbetweentheSMCsandthealignedP(LLA-CL)nanofibers[28]
Yang等[29]将有序排列的poly(L-lacticacid)(PLLA)NFM支架应用到神经组织工程上。图3说
明,神经干细胞(NSCs)的伸长及其神经突生长的方向平行于有序排列的PLLA纳米纤维的方向(图3#43# 第9期高 分 子 通 报(a)),但在有序微米纤维上并没有排列的趋势(见图3(b))。
图3 培养在(a)有序纳米纤维和(b)有序微米纤维上的NSCs的激光扫描共聚焦显微照片[29]
Figure3 LSCMmicrographsofNSCsculturedon(a)alignednanofibersand(b)alignedmicrofibers[29]
虽然NFM作为组织工程应用的生物支架有其明显的优势,但目前还没有突破性的进展,仍然存在
很多挑战,比如,静电纺丝尺寸的进一步纳米化与形貌均一化,静电纺丝与细胞之间的力学匹配,从体外
培养细胞到体外培养组织的跨越,体内植入的生物相容性等。这些难题有待于材料学工作者、生物学工
作者和临床医生共同合作攻克。
1.2 应用之二:药物缓释
静电纺丝选材十分灵活,因此可以将很多药物(如抗生素、抗癌剂、氟美松等)添加在适当的溶液中进
行静电纺丝。Abidian等[30]将氟美松(dexamethasone)加入到聚(L-乳酸)(PLGA)中,经过电纺得到了纳
米纤维,如图4(a)所示。图4(b)为纳米纤维经过水解降解,药物随之释放。如果将纳米纤维的表面通过
电化学聚合的方法沉积上一层导电高聚物poly(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT)[如图4(c)所
示],那么当纤维水解后,由于PEDOT纳米管的作用,可以减缓药物的释放[如图4(d)所示]。图4(e)是
PEDOT纳米管处于电中性的条件下,由于PEDOT在外部的电刺激下可以膨胀或者收缩,因此可以通过
调节外部电刺激来控制氟美松从PEDOT纳米管中的释放,如图(f)所示。利用纳米管的电刺激,可以在
预定的位置精确地释放单个药物和生物活性分子。
1.3 应用之三:纳米传感器
传感器在电子、化学、生物等领域都广泛应用,成为当前的一个热门研究领域。为了提高敏感度,当
前的研究趋势是制作纳米尺度的传感器[31],报道较多的是基于碳、硅、陶瓷一维材料的传感器[32,33]。在
众多制作传感器材料的方法中,静电纺丝有着操作简易、高效等显著的优点。最初的电纺材料集中在
TiO2、SnO2等陶瓷材料上[32,34],一般是通过电纺得到聚合物纤维,然后煅烧得到。后来又出现了直接将
导电聚合物电纺纤维应用于传感器。
Wang等[35]将静电纺丝和静电层层吸附(electrostaticlayer-by-layeradsorption)两种方法结合起来,
制作出了高敏感度的光学传感器。在静电纺丝得到的醋酸纤维素(CA)NFM上,组装上了一个水解的
poly[2-(3-thienyl)ethanolbutoxycarbony-lmethylurethane](H-PURET)荧光探针。而水溶液中极低
含量(ppb)的methylviologen(MV2+)和cytochromec(cytc)能够淬灭醋酸纤维素薄膜中的荧光。图
5展示的是薄膜荧光强度的相对变化与淬灭剂浓度之间的关系。这种高敏感度归因于NFM大的比表面
积和荧光共轭聚合物与被分析物高效率的相互反应。
虽然具有纳米结构的半导体金属氧化物和特殊的单根纳米线器件提供了非常好的气敏特性,却是以
统计涨落和过大的噪音水平为代价的。于是,一些科研工作者把目光转向将聚合物纤维薄膜作为传感器
材料。Kim研究小组[36~38]将丁二炔(DA)单体分散到有机溶剂中,然后进行静电纺丝。在纤维形成的过
程中,当溶剂挥发后,DA单体会发生自组装现象,这是因为DA单体之间的吸引力大于单体与高聚物之
间的吸引力。DA单体自组装的聚合会导致聚丁二炔(PDA)的形成,并嵌入到聚合物纤维里面。图6即
为嵌有PDA的微米纤维的形成示意图。
他们用10,12-Pentacosadiynoicacid(PCDA,一种常用的DA单体)来验证提出的方法。有意思的#44#高 分 子 通 报2010年9月
静电纺丝纳米纤维的制备工艺及其应用
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 综述与专论合成纤维工业,2009,32(4):48CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY
收稿日期:2008209217;修改稿收到日期:2009205227。
作者简介:董晓英(1956—),教授。从事纳米材料的教学
和科研工作。静电纺丝纳米纤维的制备工艺及其应用
董晓英1 董 鑫2
(1.江苏技术师范学院,江苏常州 213001;2.慕尼黑大学,德国慕尼黑 80539)
摘 要:简述了静电纺丝制备纳米纤维的原理;探讨了静电纺丝电压、流速、接收距离、溶剂浓度等工艺条
件;介绍了同轴静电纺丝制备皮芯结构的超细纤维及中空纤维技术以及静电纺丝纳米纤维毡在生物医药方
面的应用。指出静电纺丝纳米纤维材料在生物医用方面具有广阔的应用前景,进一步实现低压纺丝、开发无
毒溶剂,控制同轴静电纺丝纳米纤维的释放性能是今后静电纺丝的研发方向。
关键词:静电纺丝 纳米纤维 工艺 生物 医药 应用
中图分类号:TQ340.64 文献识别码:A 文章编号:100120041(2009)0420048204
静电纺丝法是一种高速制备纳米纤维的有效
方法,其装置简单,成本低廉,供选择的基体材料
和所载药物种类众多,可通过改变电压、流速、接
收距离、溶液浓度配比等纺丝工艺控制纤维形貌,
从而控制药物的释放。静电纺丝纳米纤维在生
物、医药方面有着广泛的应用。
1 静电纺丝及其工艺条件
静电纺丝技术最早报道于1934年的美国专
利[1],发明人Formhals用静电斥力的推动成功纺
出醋酸纤维素纤维,溶剂为丙酮和乙醇。后来,
Formhals改进了静电纺丝设备,通过多个针头纺
丝或复合纺丝[2]。
1969年,英国Taylor[3]研究了强电场作用下
静电纺丝技术制备纳米纤维的基本原理与应用
静电纺丝技术制备纳米纤维的基本原理与应用
静电纺丝技术是近年来较为成熟的纳米纤维制备技术之一，具有高效、简便、易操作等特点。本文将介绍静电纺丝技术的基本原理，探讨其应用领域，并简单举例说明。
一、静电纺丝技术的基本原理
静电纺丝技术是指将高分子溶液通过高压电场作用，形成纳米级的纤维。其工作原理基于三个主要因素：高分子的表面张力、电荷密度和电场强度。在电场的作用下，载有电荷的高分子溶液会形成电荷分布，随后在电场的作用下，溶液中的高分子链状分子朝向电极移动而形成了纳米级的纤维。这些纳米纤维以径向跟随电场分布，并且由于高分子链间的极性相互作用力、表面张力等因素的固化作用下逐渐形成完整的纳米纤维膜。
二、静电纺丝技术的应用领域
(一) 高分子工业
静电纺丝技术在高分子工业上有着广泛的应用。由于其纳米纤维的特殊性质，可以增强高分子材料的机械性能、光学性能、电学性能等特征。高分子纳米纤维的应用范围涉及到纺织品、防辐射针织品、过滤器、滤清器、气凝胶、船用材料等。
(二) 食品科学
静电纺丝技术在食品科学中也有着广泛的应用。利用静电纺丝技术制备的纳米纤维对于食品中的油脂、营养成分、气味等具有吸附、封存、保护的效果。同时，纳米纤维膜具有较高的透气性能和大表面积，可以被应用于保鲜、包装、防霉、防菌等方面。
(三) 医药领域
静电纺丝技术在医药领域中的应用较为广泛。制备高分子纳米纤维材料用于医疗设备的制造，例如口罩、医用手套、敷料等。此外，静电纺丝在药物传输、生物识别、细胞培养、组织修复等方面也有着广泛的应用。
三、例子详解——静电纺丝技术制备抗菌口罩
随着新型冠状病毒的传播，口罩成为了人们必备的生存物品。传统的口罩材料往往有着较为严重的缺陷，无法对抗空气中的病原体产生作用，再加上长时间佩戴，出现细菌和真菌的滋生。基于静电纺丝技术的口罩材料则可以有效地解决上述问题。利用静电纺丝技术，制备的口罩材料具有高度的表面积，并且具有极佳的抗菌和透气性能。该口罩材料能够在医疗领域使用，有效地防止病毒和细菌的传播。
静电纺丝技术及其应用前景
静电纺丝技术及其应用前景
静电纺丝技术是一种快速、简单和低成本的纺织工艺，在纺织、医疗、能源、环境等领域有着广阔的应用前景。它利用高压电场作用于高分子溶液或熔体，使其成线状或膜状，并在收集器上固化，从而制备出纳米、亚微米级别的纳米纤维或纳米膜。本文将从静电纺丝技术的原理、优势、应用等方面进行论述，阐明其应用前景。
静电纺丝技术的原理
静电纺丝技术是一种利用高压电场将高分子聚合物或其它材料成线状或膜状的制备技术，其主要原理是在高压电场作用下，高分子溶液或熔体中的电荷在电场作用下向电场强度方向移动，引起流体分子的动态变化，形成电荷密集层，并在电场强度足够大的情况下形成喷雾，最终固化在收集器上。
静电纺丝技术的优势
静电纺丝技术具有一系列显著的优点：①制备简单、成本低，纺织过程几乎不需要化学剂及其它附加助剂，避免了传统纺织过程中可能存在的有害物质；②可制备纳米级纤维和纳米膜，表面积大，比表面积高，活性和反应性大，应用前景广阔；③可以制备无纺布、药物缓释材料、3D 及仿生材料等多种功能性材料；④制备过程快速、高效，操作简便快速，纺丝过程可以在常温下完成，不需要耗费过高能量。
静电纺丝技术的应用前景
静电纺丝技术在新材料领域的应用前景十分广阔，下面列举几个典型应用场景：
1. 纳米纤维材料
静电纺丝技术制备的纳米纤维材料具有独特的微观结构和物理化学性质，具有非常广泛的应用前景。如生物医药领域中使用纳米纤维制备的药物缓释材料、伤口敷料、封膜材料、组织工程支架材料等；在环境污染治理方面使用纳米纤维材料制备的过滤材料、防护材料等等。
2. 功能性膜材料
静电纺丝技术的另一个典型应用是制备膜材料。静电纺丝技术可以制备出超滤、气体分离、催化反应、压电、光学等多种性能的功能膜材料，应用广泛。
3. 纳米复合材料
利用静电纺丝技术可以将不同材料的纳米粒子制备成复合材料，增强材料的力学性能，例如制备的纳米复合材料可以用于高性能增强材料、透明导电膜、光电材料以及石墨烯增强材料等领域。
静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维膜的研究
静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维膜的研究
聚合物纳米纤维膜是一种新型的材料，由于其具有优异的物理和化学性质而受到越来越多的关注。目前，研究人员开展了大量的工作，以开发制备这种材料的新方法。静电纺丝技术是一种被广泛应用于聚合物纳米纤维膜制备的方法。该方法以高压静电场为驱动力，通过将聚合物分子从液态转变为固态，从而制备具有纳米级尺度的聚合物纤维。本文将介绍静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维膜的原理、优点以及应用。
一、静电纺丝技术的原理
静电纺丝技术是指将含有聚合物溶液的“滴”，通过高压静电场的作用，使溶液从液态转变为纳米级尺度的聚合物纤维的过程。该技术涉及两个相反的过程：传输和荷电。在传输过程中，溶液从喷嘴中被喷出，形成溶液“滴”，然后通过高压静电场的作用，这些滴获得了荷电，移动到地面或由电极吸附。在荷电过程中，因为这些荷电粒子被静电力所吸引，所以它们沿着高压电极向下运动。当这些荷电粒子接近到一定距离，它们之间的静电引力就足以克服表面张力，形成纳米级尺度的聚合物纤维。
二、静电纺丝技术的优点
制备聚合物纳米纤维膜的传统方法包括溶液浸渍、熔融拉伸等技术，但这些方法都存在着一些局限性，如工艺复杂、成本高等。相比之下，静电纺丝技术具有如下优点：
1.高效性：该技术可在较短时间内制备大量的纳米级聚合物纤维，并可实现连续性生产。
2.灵活性：静电纺丝技术可以制备出不同形态、大小和形状的聚合物纳米纤维。 3.高质量：该技术制备的聚合物纳米纤维具有高度纯度、尺寸一致性好和结构紧密等特点，使其应用广泛。
三、聚合物纳米纤维膜的应用
聚合物纳米纤维膜由于其纳米级尺度的尺寸和优良的物理化学性质，在多个领域中都有着广泛的应用。下面简要介绍其主要应用领域。
1.过滤和分离领域：聚合物纳米纤维膜由于其纤维间距非常小，同样尺寸的纳米级颗粒、蛋白质等大分子物质可以被过滤掉，这使其在液体过滤和气体过滤领域有广泛的应用。
2.生物医学领域：在不同细胞之间建造三维聚合物纳米纤维膜支架，使得细胞能够依附并形成新的组织，有利于修复受损的组织和器官。
静电纺丝纳米纤维的制备工艺及其应用 2
综述与专论合成纤维工业，２００９，３２（４）：４８ＣＨＩＮＡＳＹＮＴＨＥＴＩＣＦＩＢＥＲＩＮＤＵＳＴＲＹ
静电纺丝纳米纤维的制备工艺及其应用
董晓英１董鑫２
（１．江苏技术师范学院，江苏常州２１３００１；２．慕尼黑大学，德国慕尼黑８０５３９）
摘要：简述了静电纺丝制备纳米纤维的原理；探讨了静电纺丝电压、流速、接收距离、溶剂浓度等工艺条件；介绍了同轴静电纺丝制备皮芯结构的超细纤维及中空纤维技术以及静电纺丝纳米纤维毡在生物医药方面的应用。指出静电纺丝纳米纤维材料在生物医用方面具有广阔的应用前景，进一步实现低压纺丝、开发无毒溶剂，控制同轴静电纺丝纳米纤维的释放性能是今后静电纺丝的研发方向。关键词：静电纺丝纳米纤维工艺生物医药应用中图分类号：ＴＱ３４０．６４文献识别码：Ａ文章编号：１００１—００４１（２００９）０４—００４８—０４
静电纺丝法是一种高速制备纳米纤维的有效方法，其装置简单，成本低廉，供选择的基体材料和所载药物种类众多，可通过改变电压、流速、接收距离、溶液浓度配比等纺丝工艺控制纤维形貌，从而控制药物的释放。静电纺丝纳米纤维在生物、医药方面有着广泛的应用。
１静电纺丝及其工艺条件静电纺丝技术最早报道于１９３４年的美国专利…，发明人Ｆｏｒｍｈａｌｓ用静电斥力的推动成功纺出醋酸纤维素纤维，溶剂为丙酮和乙醇。后来，Ｆｏｒｍｈａｌｓ改进了静电纺丝设备，通过多个针头纺丝或复合纺丝旧ｏ。１９６９年，英国Ｔａｙｌｏｒ旧。研究了强电场作用下水／油界面的形成。首先，从理论计算上考虑电场、重力和溶液粘度的影响，建立了锥状物模型，即在高压电场下溶液喷出前的形状称为Ｔａｙｌｏｒ锥。Ｔａｙｌｏｒ还根据其模型计算了喷出时的临界锥角为９８．６。。静电纺丝纤维喷出针头后，在空中弯曲回转，最后落在接收器上，给人多股纤维同时喷出的印象。阿克隆大学的Ｄｏｓｈｉ等Ｈ１假设带电高分子溶液在喷出后互相排斥，克服表面张力而分裂成若干股纤维，落到接收器上形成无纺纤维毡。但是麻省理工学院的Ｓｈｉｎ等∞ｏ和以色列的ＹａｒｉｎＭｌ等通过高速成像，只有１股纤维从喷丝口喷出，然后在电场力作用下快速弯曲旋转，给人以很多股纤维的假象。１９７１年，杜邦公司的Ｂａｕｍｇａｒｔｅｎ…研究了纺丝工艺参数对丙烯酸在Ｎ，Ｎ．二甲基甲酰（ＤＭＦ）胺溶液中静电纺丝纤维直径的影响。纺丝工艺参数主要包括喷射距离、溶液粘度、环境气体、流速和电压等。１．１电压足够的电压是形成连续稳定纤维的先决条件。如果电压过小，则产生静电喷射，形成独立的珠状物。随着电压的增加，逐渐形成串珠结构，电压进一步增大，串珠逐渐减少，直至形成连续稳定的纤维。Ｄｅｉｔｚｅｌ等旧１研究了聚氧化乙烯（ＰＥＯ）／水体系中电压对喷丝口Ｔａｙｌｏｒ锥表面的影响。结果表明，当电压较小时，Ｔａｙｌｏｒ锥形成于针头外悬挂液滴的表面；随电压增加，液滴体积逐渐变小，直至液滴和Ｔａｙｌｏｒ锥相继消失。同时，纤维上串珠的分布密度也随电压增大而增加。因此，一般适宜电压为１０一２５ｋＶ。１．２流速流速是影响静电纺丝纤维形貌的另一重要参数。Ｍｅｇｅｌｓｋｉ∽１等研究了静电纺丝流速对聚苯乙烯／四氢呋喃（ＴＨＦ）体系的影响，随着流速增大，纤维直径增加，纤维表面的孔径也增大。同时，流速增大也促进了更明显的串珠结构，其原因是溶剂在到达接受装置前不能完全挥发。目前所采用的流速为ｌ一３ｍＬ／ｈ。１．３接收距离接收距离也会在一定程度上影响静电纺丝的纤维形貌。Ｊａｅｇｅｒ¨叫等研究了ＰＥＯ／水溶液的静电纺丝行为，随着接收距离由ｌｅｍ增大到３．５ｅｍ，纤维直径从１９斗ｍ下降到９斗ｍ。根据Ｍｅｇｅｌ一
电纺温敏纳米纤维及其生物医学应用研究进展
2017年第36卷第12期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·4475· 化 工 进 展
电纺温敏纳米纤维及其生物医学应用研究进展
穆齐锋1，高鲁2，储智勇2，沈红豆2，邓玲利2，张青松1，陈莉1
（1天津工业大学材料科学与工程学院，分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387；2天津工业大学纺织
学院，天津 300387）
摘要：近年来，随着纳米技术的发展，刺激响应性纳米纤维在药物控释、生物支架等生物医学方面的应用受到
广泛关注。本文针对静电纺温敏纳米纤维（electrospun thermo-responsive nanofibers，ETRN）的制备方法和生物
医学应用，对静电纺丝领域常用的温敏性高分子进行详细分类，选取具有代表性的聚N-异丙基丙烯酰胺和聚N-
乙烯基己内酰胺，详细综述了基于静电纺丝技术制备温敏纳米纤维的化学改性及物理共混方法，对比以上两种
方法的优缺点，并探讨温敏纳米纤维在药物控释、伤口敷料、生物触发器及细胞支架等领域的具体应用，点明
静电纺温敏纳米纤维在发展过程中存在的问题，提出进一步提高其性能的解决方案，对其在智能催化、温控过
滤等领域的应用前景进行展望。
关键词：静电纺丝；温敏；药物控释；组织支架
中图分类号：TQ342.8 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）12–4475–11
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0431
Electrospun thermo-responsive nanofibers for biomedical applications
MU Qifeng1，GAO Lu2，CHU Zhiyong2，SHEN Hongdou2，DENG Lingli2，
ZHANG Qingsong1，CHEN Li1
（1State Key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Processes，School of Materials Science and
静电纺丝纳米纤维的应用汇总
序号可用领域实际应用应用原理特点图例设备信息（举例）
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创伤修复利用静电纳米纤维膜的高孔隙率、透气性及过滤性，避免伤口感染透气、高效吸收、抑制细菌手持式静电纺丝仪2医用敷料（具体包括体外创伤护理、皮肤再生、定向药物释放、皮肤护理面膜等）主要利用静电纺丝纳米纤维孔隙率高、透气性好、过滤性高，良好的生物相容性特性，成分可控等特性透气抑菌，与皮肤粘附性好，促进细胞生长，提高药物疗效等3组织工程支架利用静电纳米纤维技术的连续性、独特的微观结构和适当的力学性能模仿天然细胞外基质的特征，提高组织的再生能力4药物控释利用静电纺丝纳米纤维的生物相容性及高比表面积，形成药物载体包埋的药物无损失，防止药物失去活性、药效5固定生物酶利用静电纺丝纳米纤维膜比表面积打、结构丰富、持久耐用等特点，作为载体对生物酶进行固定（纤维表面或纤维内部）与生物酶充分接触，提高酶的催化效率和重复利用率6生物传感器内、外层纺丝溶液共同电纺成纤维膜，制成生物传感器稳定性好、灵敏度高7个体防护材料（口罩、防护服）孔径小、比表面大特点，可以过滤微米颗粒物，兼顾物理过滤和静电吸附效果防护时效长、防水防潮，耐常规消毒，透气8保暖材料利用湿度诱导静电纺丝技术，赋予静电纳米纤维三维蓬松结构储热、保暖性，隔热静电纺丝设备和温湿度调控设备防护生物医药大规模静电纺丝设备（MF01-009）静电纺丝纳米纤维的应用汇总表
生物医用材料静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形（即“泰勒锥”），并从圆锥尖端延展得到纤维细丝，这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。静电纺丝纳米纤维特点：高的比表面积、可调控的孔径和延展性，且纤维的组成成分具有可控性，可根据需要获得不同的特性和功能9过滤家用、商用及汽车等空气净化借助纤维细度机械拦截粉尘颗粒物过滤效率高、阻力低10新能源电极、电池材料利用静电纺丝技术结合聚合物制备锂电池电极或赋予纤维三维立体结构，形成电池隔膜孔隙率和导电率高、电化学性能稳定、安全11电子信息传感器、电路、微流体芯片等///12国防军工导弹隔热、轻质隔热、电磁屏蔽等电磁屏蔽：静电纺丝技术结合后处理工艺（电磁屏蔽添加剂）屏蔽效果高/13废物处理污染废物处理物理过滤、催化降解、催化氧化、重金属离子吸附、小分子污染物吸附、酸碱水处理、有机废气处理、有机废水处理/14化妆品面膜等纳米纤维丝径小、比表面积大、孔隙率高，有很强的负载和吸附能力贴合度高、氧气和水浸透能力强 纳米纤维面膜生产线15水处理海水淡化纳米纤维膜的过滤特性和疏水性防止纳米纤维膜在蒸馏中润湿问题，提高膜蒸馏过程的稳定性全能型静电纺丝机E0516纺织品功能性产品利用静电纺丝技术，赋予服装面料各种功能，防水、抗菌、吸湿等/防水透湿膜/MBRDF1500 智能化静电纺丝设备/MBRDF1500-008 大型静电纺丝机
静电纺丝技术在纺织领域中的应用
静电纺丝技术在纺织领域中的应用
一、引言
纺织领域一直是人类社会发展中的重要产业之一。随着科技的进步和创新，新的纺织技术不断涌现，为纺织行业带来了许多新的机遇和挑战。本文将重点介绍静电纺丝技术在纺织领域中的应用，探讨其优势和发展前景。
二、静电纺丝技术概述
静电纺丝技术是一种新兴的纺织加工技术，利用静电力将纤维材料牵引出来并使其形成纤维状，然后沉积在收集器上，最终形成纤维薄膜或纤维纱线。静电纺丝技术具有纺织工艺简单、制备速度快、纤维直径细、纤维间距可调等优点，得到了越来越多纺织研究机构和企业的关注。
三、静电纺丝技术在纺织领域中的应用
1. 纳米纤维材料生产
静电纺丝技术能够制备出直径在纳米尺度的纤维材料，这些纤维具有高比表面积和独特的结构，因此在过滤材料、医疗材料、能源存储等领域中有着广泛的应用潜力。例如，在空气过滤领域，纳米纤维材料可以有效去除细菌、病毒和颗粒物，提高空气质量。
2. 仿生纺织品制备 静电纺丝技术可以制备出具有仿生结构和性能的纺织品。比如，模仿蜘蛛丝的纤维材料可以具有很高的强度和韧性，而类似莲花叶片的纤维结构可以具有自清洁能力。这些仿生纺织品在服装、医疗和环境保护等领域中有着广泛的应用前景。
3. 功能纤维制备
利用静电纺丝技术可以将功能性物质纳入纤维中，使纤维具有吸湿、抗菌、防紫外线等功能。这些功能纤维广泛应用于运动服装、家纺产品和医疗材料等领域。例如，添加了纳米银颗粒的纤维具有很好的抗菌性能，可以制作成医用口罩和抗菌袜等产品。
4. 纳米纤维薄膜制备
利用静电纺丝技术可以制备出大面积、均匀的纳米纤维薄膜，应用于过滤、分离和传感器等领域。纳米纤维薄膜具有高比表面积、孔隙结构可调和优异的吸附性能。这些特性使得纳米纤维薄膜被广泛应用于颗粒物过滤、化学品分离和生物传感器等方面。
四、静电纺丝技术的发展前景
静电纺丝技术具有简单、高效和可控性高的特点，使得其在纺织领域中的应用前景广阔。随着纤维材料的不断创新和技术的不断进步，静电纺丝技术在纺织领域中有望实现更多的突破和应用。未来，静电纺丝技术有望应用于材料设计、智能纺织品制备以及环境保护领域，为纺织行业的可持续发展带来新的机遇。 五、结论
静电纺丝技术及其应用
静电纺丝技术及其应用
一、静电纺丝技术的原理与发展
静电纺丝技术是一种自然界广泛存在的电纺技术，是利用电场作用将高分子液体或熔融高分子材料拉细，形成纤维的方法。它与传统纺织方法不同，不需要梳理、捻合等步骤，能够制备纤维直径极小、比表面积极大的材料，并实现单纤维生产。
最早使用静电纺丝技术的是工业领域，在聚合物纺织品、人造革、电子产品等领域得到广泛应用。但随着纳米科技的发展，静电纺丝技术也逐渐被应用于纳米材料的制备领域，如纳米纤维、纳米颗粒、纳米管、纳米膜等。现在，静电纺丝技术已成为制备纳米材料的一种重要方法之一。
二、静电纺丝技术的优点
与传统纺丝技术相比，静电纺丝技术的优点主要有以下几个方面：
1、制备出的材料具有高比表面积和高通量；
2、生产的纤维具有较小的直径和高的拉伸强度；
3、制备出的纤维可以进行多级处理，并且可以降解；
4、生产的成本相对较低，同时可以进行大规模生产。
三、静电纺丝技术在各个领域的应用
1、纺织领域
静电纺丝技术可以制备出具有高性能、高强度的纤维，这些纤维可以应用于高科技纺织品、航空航天材料、医用纺织品等领域。
2、药物载体
静电纺丝技术可以制备出具有高比表面积和大孔径的微纳米纤维，这些纤维可以作为一种药物载体，有利于药物的缓释和控制释放。
3、环保领域
静电纺丝技术可以应用于制备过滤材料，可以去除空气中的PM2.5等有害物质，同时可以制备海绵材料，具有吸油、吸水、吸附等功能。
4、能源领域
静电纺丝技术可以制备出具有多孔结构的纳米材料，这些材料可以用于能源储存和转换，如制备锂离子电池、柔性太阳能电池等。
四、静电纺丝技术未来的发展
随着纳米科技的不断发展，静电纺丝技术也在不断地完善和发展。未来，它有望进一步提高产量、降低成本、改善稳定性，进而在更多领域得到广泛应用。
此外，近年来，一些新型静电纺丝技术不断涌现，如强场静电纺丝技术、高速静电纺丝技术等，这些新技术的出现将促进静电纺丝技术的进一步发展和应用。
静电纺纳米纤维的研究及应用进展
第２９卷第３期 ２００６年６月 台成纤维工业 ＣＨＩＮＡ ＳＹＮＴＨＥ Ｉ＇ＩＣ ＦＩＢＥＲ ＩＮＤＵＳＴＲＹ Ｖ０１．２９ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２ｏｏ６
静电纺纳米纤维的研究及应用进展
刘娜杨建忠
（西安工程科技学院，陕西西安７１００４８）
摘 要：简述了静电纺丝基本原理及纺丝过程中射流存在的儿种不稳定性形式；探讨了静电纺丝制备纳米 纤维的主要影响因素。回顾了静电纺丝的发展历程，介绍了纳米纤维在电了器件、生物医学领域、滤材、防护 服用材料纤维增强复合材料及传感器感知膜等方面的应用。指出静电纺纳米 维性能优异、应用广泛，应用 于生物 学领域是研发热点，必将进一步产业化。 关键词：静电纺丝纳米纤维应用进展 中图分类号：ＴＱ３４０．６４ 文献识别码：Ａ 文章编号：１００１．００４１（２００６）０３．００４６．０４
２０世纪９０年代后期，科学家们对于纳米纤
维制备及应用的研究达到高潮，开发了一系列制 备聚合物纳米纤维的方法¨“ｊ，如纺丝、模板合成
法、相分离法、自组装法以及静电纺丝法等。与上
述方法相比，静电纺制备聚合物纳米纤维具有设 备简单、操作容易以及高效等特点，冈此它被认为
是制备聚合物连续纳米纤维最有效的方法。
１静电纺丝技术
１．１静电纺丝基本原理
静电纺丝法 即聚合物喷射静电拉伸纺丝 法，与传统方法截然不同。首先将聚合物溶液或
熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物
液滴在电场力的作用下在毛细管的Ｔａｙｌｏｒ锥顶点
被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴克服表 面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸
发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造 布状的纤维毡 。
在静电纺丝过程中，液滴通常具有一定的静
电压并处于一个电场当中，因此，当射流从毛细管
末端向接收装置运动时，都会出现加速现象，从而 导致了射流在电场中的拉伸。 １．２静电纺丝中射流的不稳定性
不稳定性是一种所谓的传递现象，即导致流 动不稳定性的每一种模式可能起源于某一扰动或