静电纺丝压电纤维用于生物相容性设备

2020-01-11 易丝帮

DOI: 10.1002/adhm.201901287

纳米技术因其在开发新一代纳米材料方面具有前所未有的性能和增强的生物响应能力而获得了巨大的成功。使用纳米纤维尤其令人兴奋，因为它们的机械和形貌特征可以接近天然生物材料的特性。静电纺丝技术是制备具有压电等多功能特性的超细纤维和纤维网格的关键技术，这种技术可以在较小的长度范围内使用，因此可与亚细胞尺度相媲美，这使其在生物医学领域的应用越来越具有吸引力。其中包括基于生物相容性纤维的设备，如智能支架、生物传感器、能量采集器和人体纳米发电机。本文综述了近年来在制备超细聚合物和陶瓷压电纤维方面的研究进展，这些纤维专门设计用于生物医学应用，或有可能转化为生物医学应用。它提供了生物相容性压电纤维的应用和技术概述，以及实际和潜在的应用，对电纺丝工艺的了解以及纳米结构化纤维材料的特性，包括可用的建模方法。最终，本综述旨在使人们对这些纳米材料作为刺激反应装置在人体内的影响有一个未来的愿景。

图1.描述本文所涉及主题的示意图：通过静电纺丝加工的压电材料（陶瓷和聚合物）以产生特定于不同人体相关应用的压电纳米纤维。从原子尺度到宏观尺度的计算和数学模型是非常有用的工具，可以通过对静电纺丝过程进行建模来调整压电材料静电纺丝所涉及的几个参数，以及产生的压电纤维和纤维网格的机械和电学性能，从而有助于大大减少为达到预期目标而进行的实验活动。

图2.基于静电纺丝制备的压电聚合物纤维的电纺组织工程支架、能量采集器和生物传感器的生物医学应用研究现状。研究的电反应组织包括神经（大脑）、感觉神经（内耳）、心血管（心脏）、皮肤（表皮）和肌肉骨骼（横纹肌和骨骼）。压电纤维材料用于生物组织和智能器件的机械支撑和电刺激。

图3.通过使用MEK作为溶剂和高于40%湿度获得的P（VDF-TrFE）电纺超细纤维的纳米多孔表面的SEM图像。

图4.在PVDF电纺样品上培养的Saos-2细胞：a，b）分别为疏水和亲水PVDF电纺支架；c，d）分别在疏水和亲水电纺支架上生长的Saos-2细胞的SEM-FIB横截面。

图5.以3.7 m s-1的集电极切向速度获得的BTNP/PVDF 10/90电纺纤维的STEM图像，且放大倍数为10000至65000不等。a，b）BTNP在电纺纤维内部分散；a）BTNP聚集存在引起的磁珠；c）BTNP在电纺纤维内部聚集；d）BTNP在电纺纤维内部分散。

图6.细胞培养1和7天后，附着在P（VDF-TrFE）纤维上的人皮肤成纤维细胞的共聚焦荧光显微镜图像（40×目标；细胞骨架，绿色；核，蓝色；比例尺：50μm）。

图7.高度灵活的自供电传感元件（SSE）检测皮肤运动的性能。a）面部皮肤上的SSE图片。b）眨一只眼睛引起的传感器的输出电压和c）电流产生。

图8.可弯曲压电传感器的概念。

图9. SAW器件上P（VDF-TrFE）和P（VDF-TrFE）/ ZnO纳米复合材料的静电纺丝过程。

图10.包括施加在心脏组织上的压电纤维垫的细胞依赖性能量采集器的示意图。

图11.a）由定向纳米纤维组成的线圈和b）捻合构造的扫描电镜照片。

图12.a）通过静电纺丝制备的BaTiO3-PVP复合纤维的SEM图像。b）在空气中700℃煅烧3小时后，BaTiO3纳米纤维的SEM图像。插图中的比例尺为250 nm。

图13.用于定向纳米纤维静电纺丝的旋转芯轴装置，显示初生非晶纤维排列在旋转心轴的平行铜线上。

图14.Ce/Ba原子比为0.6%的单个BaTiO3纳米纤维的TEM图像和NBD模式：a）低倍率；b）（a）红色圆点的高分辨率TEM图像；c）（a）红色圆点的NBD模式。

图15.利用铁电纳米纤维制备羊毛角蛋白纳米发电机的工艺示意图。

图16.TiO2中空纤维单轴排列阵列的SEM图像。

图17. a）V2O5-TiO2-Ta2O5纳米纤维的SEM图像。

图18.在TiO2纤维上生长的ZnO纳米棒的高倍放大ZnO/TiO2异质结的SEM图像；在TiO2纤维上生长的ZnO纳米板的高倍放大ZnO/TiO2异质结的SEM图像。

图19.PVDF的α、β和γ相的链构象表示。

图20.电纺纳米纤维的形态随粘度的变化。

图21.不同类型盐的PVDF纳米纤维膜的FESEM图像：a）无盐（纯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。纺丝工艺参数：施加电压30 kV，针尖至集电极距离15 cm，挤出速率1 mL h-1。