靜電紡絲技術(shù)在生物醫(yī)學領域的應用研究現(xiàn)如今，科技技術(shù)已經(jīng)進入了蓬勃發(fā)展時期，為了匹配人民日益增長的生產(chǎn)生活需要，新興的納米材料走入了大家的視野。靜電紡絲技術(shù)還是目前世界上效率最高，制備方法最簡單的材料之一，也因此，其能夠廣泛的在全世界傳播應用，納米纖維膜作為其產(chǎn)物之一，具有納米尺度效應和巨大的比表面積以及孔隙率。值得一提的是，由于其結(jié)構(gòu)特點，人們可以較為自由的根據(jù)生產(chǎn)生活需要去設計他。基于上述特點，本文總結(jié)了其在止血領域的廣泛應用前景。并分別從腹腔鏡手術(shù)，心臟止血和戶外快速止血抗菌領域進行闡述。關(guān)鍵詞：靜電紡絲技術(shù)；納米纖維膜；止血；抗菌目錄第一章靜電紡絲技術(shù)概述 21.1靜電紡絲技術(shù)介紹 21.2靜電紡絲的設備和原理 21.3影響靜電紡絲的因素 3第二章納米止血材料 42.1止血方法 42.2納米止血材料的優(yōu)勢 42.3殼聚糖類納米纖維 52.3.1純殼聚糖納米纖維膜 52.3.2殼聚糖基復合物纖維膜 52.4明膠類止血材料 52.4.1明膠復合物纖維膜 52.4.2明膠類纖維膜的同軸靜電紡絲制備法 62.5蛋白類納米纖維 6第三章靜電紡絲技術(shù)在生物醫(yī)學領域的應用 63.1基于靜電紡絲技術(shù)下輔助腹腔鏡手術(shù)的研究簡述 63.1.1前沿 63.1.2實驗部分 63.1.3實驗步驟與方法簡述 73.1.4電極輔助靜電紡纖維的精確沉積 73.1.5體內(nèi)快速止血及分析 83.2靜電紡絲技術(shù)在心臟止血方面的應用簡述 83.3納米纖維應用于戶外快速止血的應用研究簡述 1600年代，英國皇家科學院物理學家WilliamGilbert偶然間發(fā)現(xiàn)了在電場的紡絲裝置的原型被兩位科學家發(fā)表的專利里詳細地介紹過。1934年，人們終于了此項技術(shù)的相對滯后。這種情況一直持續(xù)到1990年前后，美國的一所實驗室的廣闊的應用前景也終于被人所重視和熟知起來。圖1.1簡要總結(jié)了靜電紡絲發(fā)展的主要里程碑1諸如像模版法22氣相沉積法32和溶劑熱法43等都可以制備納米纖維，可是圖1.1靜電紡絲的發(fā)展歷史"首先探討一下傳統(tǒng)的靜電紡絲設備，其主要由三部分組成：高壓電源；裝載注射針管的推進泵；接地的收集極(圖1.2)。其中高壓電場是由于在電壓范圍V圖1.2靜電紡絲裝置結(jié)構(gòu)示意圖-----------VV圖1.2靜電紡絲裝置結(jié)構(gòu)示意圖1.3影響靜電紡絲的因素靜電紡絲是一種涉及空氣動力學，電動力學，流體力學和靜電學等學科的過程，所以紡絲溶液自身的性質(zhì)，環(huán)境，紡絲的情況都會改變最終紡絲的結(jié)果。具體原因我總結(jié)了以下幾點：(1)紡絲溶液的性質(zhì)：其主要影響因素有，溶液的黏度(142,物質(zhì)的相對分子質(zhì)量(133·溶液的濃度15,液滴的表面張力'167、電導率172、溶劑的性質(zhì)'187、溶液的溫度19等。聚合物形成的小液滴在電場力的作用下被拉伸的條件是，聚合物的相對分子質(zhì)量適中，濃度，黏度適中。否則只能形成小液滴，或者在電場力的拉伸作用下，導致斷裂難以形成連續(xù)的納米纖維結(jié)構(gòu)。(2)紡絲參數(shù)情況：其影響因素大體有，電壓(這決定著電場力的大小),紡絲溶液的推進速度，出絲工具部位(一般為針頭)的直徑大小，出絲處與接收集之間的距離和接收集的材料等。例如，高壓電源提供的電壓越大，電場力對射流的拉伸力便越強，這就使得最后制成的納米纖維結(jié)構(gòu)較為纖細，但是電壓也不宜過大，這是由于如果電場力過大，會使得射流很快的便移動到接收集上，射流還沒被電場力拉伸完全，同樣會使得，最后接收集上的納米纖維結(jié)構(gòu)變粗，影響使用。更重要的是，電壓過大可能會使得射流不穩(wěn)定，徒增很多不必要的實驗誤差。其次，如果溶液的推進速度過快，射流變得不到充分的拉伸，同樣會影響納米纖維的粗細結(jié)構(gòu)。第三，枕頭的粗細大小選擇也很重要，過大會使得溶液推進過程中溶劑的揮發(fā)而造成枕頭堵塞，或是增大針頭與空氣的接觸面積，從而影響制備結(jié)果。所以針頭的大小選擇也要盡可能的適宜。最后，針頭與收集極的距離把握也會影響著出絲結(jié)果，如果距離過遠，會影響電場力的大小，從而使得制得的納米纖維結(jié)構(gòu)較粗。(3)環(huán)境參數(shù)：其主要是指紡絲過程當中，周圍環(huán)境的溫度和濕度，眾所周知，溶液的揮發(fā)取決于溫度的大小，若沒有很好的控制溫度，使周圍環(huán)境溫度較高的話，容易使得溶劑揮發(fā)過快，從而影響制得的納米纖維結(jié)構(gòu)。而濕度過高的話，會增加溶劑揮發(fā)的難度，嚴重者甚至造成紡絲失敗。第二章納米止血材料2.1止血方法納米材料可以輔助人們現(xiàn)在常用的止血方法和臨床相關(guān)手術(shù)。目前，如何解決創(chuàng)傷和內(nèi)傷的出血問題是人們亟待解決的問題。圖1.3總結(jié)了一些方法是關(guān)于物理止血的。對于創(chuàng)傷的止血手段已經(jīng)廣泛地應用于軍事領域，并且效果良好[201。其中肢體的創(chuàng)傷和交界處創(chuàng)傷最為典型。最為有效的用于肢體出血止血的工具便是軍用止血帶(CAT),其阻斷血流的工作機理便是通過壓迫動脈血管。而止血卡尺和交界處止血帶是用于幫助交界處傷口的止血工具。手術(shù)后，人們經(jīng)常使用其他材料來解決手術(shù)時的細菌感染等問題，但是這些材料在使用時，多多少少的都會出現(xiàn)一些弊端。理想的緩沖系統(tǒng)首先可以保護人類的的四肢驅(qū)趕以及大腦免于受傷，更重要的是可以解決止血困難的諸多問題。目前，電凝和消融電極20可以暫時關(guān)閉血管，但傷口的封閉效果不好。圖1.3物理止血方法應用優(yōu)點缺點四肢暫時性止血單向性的傷口易繼發(fā)性出血或感染結(jié)扎血管血管安全拆除縫線電凝法表面的小出血點閉合大面積傷口超聲刀大出血不適用消融止血閉合大面積傷口2.2納米止血材料的優(yōu)勢盡管對于用于止血的各種醫(yī)療設備已經(jīng)有了長足的進步和頻繁的更迭，但是者棉絮是手術(shù)的最先選擇，人們更習慣于應用這些材料蝦，蠶蛹等的外表皮是出現(xiàn)殼聚糖成分的主要部位。帶正電荷的特質(zhì)，是殼痕。而且，殼聚糖能夠通過吸附帶負電荷的紅細胞來促進形成血栓。殼聚糖-PVP-Ag?O的止血膜被Archana等人成功利用殼聚糖-PVP-納米Ag?O(CPS)生產(chǎn)出來了。止血膜的強度被PVP提高了，這可以改善其機械性，并大大減小開支。此外，該材料具有雙重的抗菌作用這是因為其包含著納米銀的優(yōu)越的抗菌性能和殼聚糖本身固有的抗菌性能。人們通過研究表明，傷口再經(jīng)過止血膜的處理后，可以在兩周之后基本上完全痊愈。這比起其他的止血材料來說，已經(jīng)大大縮短了愈合時間。2.3.1純殼聚糖納米纖維膜殼聚糖納米纖維膜是用電紡的方法制備的，并且其還有不錯的止血性能。研究表明，其有著對血細胞的粘附作用，也正因此其作為止血材料非常合適，而且如果進行超聲處理后，止血效果會進一步得到提升，吸水時間能夠大幅度減小。最重要的是，實驗表明纖維細胞的增長繁殖能力可以被殼聚糖納米纖維膜提高，因此在止血和組織修復上，殼聚糖納米纖維膜是不二選擇。大多數(shù)科研工作者都會將它作為首要選擇。2.3.2殼聚糖基復合物纖維膜氧化銀-殼聚糖復合纖維材料是由科學家們用電紡絲方法制備的。制備的過程是通過將氧化銀粒子，加入殼聚糖的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液中。不錯的抗菌特性是其一大特點，更重要的是它具有良好的膨脹性，能夠解決創(chuàng)面脫水的問題。動物創(chuàng)傷實驗表明，與其他傳統(tǒng)的止血材料相比，氧化銀-殼聚糖復合材料能更快的幫助創(chuàng)傷進行更好的愈合。姚玉華等【21】通過一系列方法，成功制備了殼聚糖納米纖維。在電鏡觀察下，制備的復合材料結(jié)構(gòu)良好，其生物醫(yī)學性能優(yōu)越，是新型的止血及皮膚修復的未來材料選擇趨勢。2.4明膠類止血材料高分子材料：明膠。其結(jié)構(gòu)很像在大自然中固有的生物體的結(jié)構(gòu)，也正是由于這種原因，它的與天然界的生物能夠很好的相融合。其是可降解材料，也是一種水溶性的生物，這種材料優(yōu)點有兩個，第一就是可以吸收已分解的產(chǎn)物，第二就是在吸收之后不產(chǎn)生相應的病癥反應，明膠可吸收重量數(shù)倍于其自身的水，基于這一特點，明膠海綿十分適合臨床止血。2.4.1明膠復合物纖維膜Gu等【22】制備了明膠納米纖維膜，人們通過分析其關(guān)于制作流程的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對紡絲過程和纖維形態(tài)有著比較顯著作用的有兩個因素，第一就是醋酸的濃度，第二就是明膠的濃度，當醋酸濃度和明膠濃度都各自合適時，可以得到滑膩纖維的無珠形態(tài)，通過一系列的測試結(jié)果說明，其持有水分的能力可以被很大程度上的保證。這一特性也使得它與其他材料的比較之下，脫穎而出。2.4.2明膠類纖維膜的同軸靜電紡絲制備法一種具有核-殼結(jié)構(gòu)納米纖維材料問世了，其剛一問世，就引起了不小的震動，而發(fā)現(xiàn)者就是Jin等科學家【23】,值得一提的是，材料內(nèi)部包含了胰島素等特性藥物，其結(jié)構(gòu)的形貌及組分被掃描和透射電鏡分析后，發(fā)現(xiàn)這種材料在兩個領域都有寬闊的發(fā)展空間，第一就是止血領域，第二就是其與皮膚修復相結(jié)合的醫(yī)用材料領域。2.5蛋白類納米纖維膠原蛋白和聚氧化乙烯(PEO)被LeiHuang等【24】混合，溶劑是10mM的鹽酸溶液，止血敷料就這樣被靜電紡絲法制備出來，人們又研究了不同比例的混合夜的黏度和導電性。止血的能力是膠原蛋白這種材料最值得一提的特點，正是以為它在此方面的特殊價值，加之由于結(jié)構(gòu)特點而陡升的吸水能力，它的止血效率是非其他一般材料可比擬的。聚合物PEO的加入，纖維膜有兩個特質(zhì)被大大增強，第一就是機械性能，第二則是粘附作用。這樣制備的止血敷料開始被眾多研究者爭相研究。第三章靜電紡絲技術(shù)在生物醫(yī)學領域的應用3.1基于靜電紡絲技術(shù)下輔助腹腔鏡手術(shù)的研究簡述眾所周知，現(xiàn)在興起了一種創(chuàng)傷小，術(shù)后恢復快，住院時間短的微創(chuàng)手術(shù) (MIO),基于上述優(yōu)點，其已成為了外科患者的首選。MIO與傳統(tǒng)手術(shù)的區(qū)別是，其是通過細長的腹腔鏡導管進行的，雖說它有著一系列操作上的優(yōu)勢，但是這也造就了其需要更精確的手術(shù)操作能力。因為其手術(shù)條件的天然限制，必然造就了與傳統(tǒng)手術(shù)相比，MIO難以實施的手術(shù)技術(shù)，比如說縫合和打結(jié)。如果操作不正確恐怕會造成更多的手術(shù)風險【25】,這就對醫(yī)生的能力和經(jīng)驗有著較高的要求。因此一般手術(shù)時都要配備經(jīng)驗豐富的操作員。人們?yōu)榱藢η锌谶M行止血，通常會像傳統(tǒng)手術(shù)一樣，將止血棉直接伸入腹腔鏡中，但這勢必會消耗大量時間，但是也是不可忽視的?？扇绻x用原位靜電紡絲的話，究一個能解決上述問題的新方法是一件困難重重!但又肯聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇縮丁醛等，還有醫(yī)用膠水，雄性SD大鼠，用于體外作者輔助實驗研究者，設計了長針靜電紡絲設備，它使用了39.9cm長的針頭，進行SEM的拍攝。3.1.4電極輔助靜電紡纖維的精確沉積為了生產(chǎn)出有著更小的沉積面積和更細的直徑的電紡絲纖維，研究者設計了一種長針的靜電紡絲設備。值得一提的是，長注射器針頭外覆蓋了一層絕緣塑料管，其目的是防止靜電對腹腔鏡和電紡設備造成干擾，以幫助其能穩(wěn)定的工作。實驗中，研究者發(fā)現(xiàn)當針的長度能夠使距離“a”(圖2.1a)達到零時，就可以產(chǎn)出纖維，而且諸多材料的電紡成功也證明了此裝置的普適性(圖2.2)。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)了錐體結(jié)構(gòu)，當添加這種結(jié)構(gòu)后，沉積面積(D)減小(圖2.4和圖2.1b)DFroquency(%)dFroquency(%)dCbC3.1.5體內(nèi)快速止血及分析為了對止血效果進行比較，研究者使用了諸如縫合或者涂抹NOCA等常規(guī)腹腔鏡手術(shù)中普遍用的止血法對肝臟切口進行止血。研究表明，電紡納米纖維沒有沉積在周圍器官上，并且，電紡法的止血時間約為5s,遠遠小于其他常規(guī)止血方法所需時間。aa紡絲方法。總之，筆者協(xié)助研究者將長針靜電紡絲與腹腔鏡結(jié)合使用，通過腹腔鏡穩(wěn)定的制造靜電紡絲納米纖維，并在微創(chuàng)手術(shù)中將其直接原位沉積在活豬的肝臟上。此外，還在枕頭末端引入了錐形結(jié)構(gòu)，能夠在不增加纖維直徑的情況下減小沉積面積。通過實驗表明，這種材料具有良好的附著力和卓越的沉積優(yōu)勢，相比于傳統(tǒng)的止血方法，此法止血更快，炎癥反應少，恢復快，所以其在微創(chuàng)手術(shù)領域具有廣闊的應用前景。3.2靜電紡絲技術(shù)在心臟止血方面的應用簡述眾所周知，生物體之所以能夠血液循環(huán)是由于心臟的存在，因此它也被稱為是生物體最重要的器官之一，當心臟受傷更嚴重的是受到穿透性創(chuàng)傷時，由于高壓搏動是心臟器官的主要特點，所以心臟出血問題的及時解決相當困難。由于人體自身凝血機制的局限性，導致難以短時間內(nèi)迅速完成凝血過程，這將造成心臟出血失控，使成功救治傷員，病人的概率大大減小。嚴重情況的話，甚至會導致傷員、病人的死亡。就目前來說，臨床上較好的妥善解決心臟出血的方法是手術(shù)縫合，但是，手術(shù)難度大，縫合時間長，更何況是對于心臟傷口縫合這樣的大型且易對心臟造成二次傷害出現(xiàn)滲血等問題的手術(shù)。因此，人們在面對突發(fā)情況時，通常不會選擇手術(shù)縫合這種不可控性過大的方式進行救治。更重要的是，傳統(tǒng)的止血材料，止血效果不甚理想并且在潮濕的組織表面上粘附性較差，因此，將其作為心臟止血的應對措施顯然不明智，所以在解決此類問題上，研究新型止血材料和有效止血方案迫在眉睫。我們可以試想一下，一個心臟挽救的不僅僅是一名患者的性命，更重要的是拯救了一個家庭，是能夠促進我們?nèi)祟惿鐣雍椭C的重大里程碑的事件。筆者協(xié)助實驗研究者采用圖3.1所示的實驗裝置制備止血材料，其組成部分是PLA/止血微球復合納米纖維膜。止血微球的圍觀圖像如圖3.2a所示，圖3.2b是SEM圖像，其顯示的是PL啊/止血微球復合纖維膜，上述圖片成功證明了，研究者成功將止血微球摻雜到PLA纖維膜中。隨后，我們又將錐形塞子(取決于傷口大小)內(nèi)(圖3.2c)卷入復合纖維膜，當心臟受到穿透性損傷時，首先堵塞傷口(使用錐形塞子),目的是阻斷大規(guī)模的出血，然后在傷口周圍用醫(yī)用膠 (氰基丙烯酸酯)纖維電紡，這么做有兩個目的，一是對塞子進行加固，二是封閉傷口周圍，避免滲血。眾所周知，醫(yī)用膠以卓越的組織粘附性著稱，而且其可以承受較高的爆破壓力，因此止血塞的加固和封閉創(chuàng)面其是可以勝任的。如圖醫(yī)用止血藥物(可吸收止血微球)與生物可降解材料(PLA)相結(jié)合。通過實驗當人們由于某種原因出現(xiàn)在戶外叢林，或是遇到戰(zhàn)爭時，不可避免的會遇到癌治療領域，在室外，出血和感染往往同時發(fā)生。所以需要一個更簡單有效的治療方式去解決戶外出血和傷口感染的問題。納米纖維材料就是非常可取的材料，良好的膜與粘附性可以促進止血的功效，研究者開發(fā)了一種便攜式靜電紡絲裝置，并將其用于戶外，即可實現(xiàn)Cus復合納米纖維沉積在傷口上，結(jié)果表明，其不僅僅能加速止血，而且縮短了感染傷口的愈合時間，可謂一舉兩得。第四章結(jié)論及展望目前大規(guī)模制備納米纖維的手段主要就是納米纖維技術(shù)，其原料的選擇性廣，可依據(jù)所需的功能進行設計，再加上其本身在尺度和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，造就了納米纖維膜在止血領域具有極大的發(fā)展?jié)摿?。靜電紡絲納米纖維膜結(jié)構(gòu)上的不同使其成功解除了二維材料的桎梏，更能滿足臨床需求。1.為了解決微創(chuàng)手術(shù)中的止血問題，特別是止血方法過于冗雜的問題，筆者協(xié)助研究者設計了一種靜電紡絲裝置，其是由長針頭(包裹著絕緣塑料管)、高壓電源組成。紡絲的材料是N-辛基-2-氰基丙烯酸酯(NOCA),這種材料可以滿足我們在潮濕環(huán)境下進行微創(chuàng)手術(shù)止血的條件，相較于傳統(tǒng)的止血方法，其止血更加快速，手術(shù)之后不易產(chǎn)生炎癥，而且術(shù)后恢復的效果也較為理想。最重要的是，裝置較為簡單，也易于操作，十分適合微創(chuàng)手術(shù)。2.為了解決人體中最重要的器官一—心臟的出血問題，我們也進行了相應的研究。首先若心臟出血則通常情況下會對人類有著不可挽救的后果，但由于其高壓搏動的特性，導致對其進行止血相當困難，因此我們將醫(yī)用止血藥物與PLA相結(jié)合，用紡絲技術(shù)制備了一種快速止血材料，值得一提的是這種材料是生物可降解的。通過實驗已經(jīng)成功證明了其卓越的止血能力，假以時日，一定能夠在未來有效解決心臟出血問題。3.為了解決野外工作造成的出血問題，我們發(fā)現(xiàn)原位沉積CuSNPs復合納米纖維可以對傷口進行止血，并且在一定程度上消殺超級細菌，更重要的是，其相較于傳統(tǒng)的納米材料具有更好的創(chuàng)面貼合性，不僅可以加快止血，還可以縮短愈合時間。在未來的醫(yī)療發(fā)展領域有著廣闊的應用前景。參考文獻[1]XueJ,WuT,DaiY,etal.ElectrospinningandElectroMaterials,andApplications[J].Che[2]EomS