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面料设计师让纳米纤维“听话”的技术

  大家知道,要生产一块面料,纱线要按照面料设计师的工艺要求,按一定的规律组合、织造才能成形。那只有头发丝直径一千五百分之一的纳米纤维,能像纱线一样“听话”,按照要求织成面料吗?

  如何将这些超细的纳米纤维像织机上的纱线一样按照人们预想的图案进行编织,一直是困扰着电纺丝领域科学家们的一个难题。

  近日,记者从中科院上海硅酸盐研究所得到消息,他们已经能够利用先进的电纺丝技术,让用肉眼看不见的纳米纤维变得“听话”,能够按照科学家的意愿,“织”出斜纹、圆环乃至中国结、苏格兰格子等图案,并且科学家已经尝试过多种材料,都能“织”出具有规则纹样的纳米布。

  本期梁枫会客室,我们请到这项技术的研发人员——中科院上海硅酸盐研究所研究员常江,请他介绍一下这项技术的研发及应用领域。

  主持人:请您先给大家介绍一下什么是电纺丝技术?

  常江:电纺丝技术是利用聚合物溶液(或熔体)在电场作用下的喷射,来制备纳米级超精细纤维的一种新型加工方法。一个普通的电纺丝制备装置主要由3部分组成:高压电源、带有导电喷丝头的贮液装置和收集器。当仪器工作时在喷丝头处施加一个高压,这样就会在高压喷头同低压收集器之间产生一个电场,当电压增大到一定程度时,溶液就会在静电斥力的作用下克服表面张力和粘弹性力,从喷丝头喷射出来并形成射流,射流在向接收器运行过程中逐渐细化,同时溶剂挥发,最终在收集器上形成电纺丝纤维。

  这些细丝的直径一般只有50~500纳米。如果以50纳米计算,它们的粗细只相当于一根头发丝直径的一千五百分之一。

  主持人:相比以往的电纺丝技术,这次让纳米纤维变得“听话”的关键是什么?

  常江:我们这次的技术更确切地说应叫做“可控电纺丝技术”,因为我们研究发现,纤维的沉积和排列主要由两种作用力控制,其中一种为存在于喷丝头同接收器之间的静电场所产生的电场力,当电纺丝纤维在电场力作用下朝接收器运行并接近于收集器时,纤维表面所带静电荷会诱导收集器表面产生极性相反的静电荷,异性电荷之间相互吸引从而产生库仑引力,这就是我们提及的影响纤维沉积和排列的另一个重要作用力。因此,要想使电纺丝纤维“听话”地沉积和排列,就要着手控制这两个重要影响因素。

  利用这一原理,我们通过设计并利用具有不同结构的收集模板,对影响纤维沉积和排列的作用力进行调控,制备出了具有复杂可控图案化和编织结构的电纺丝纤维支架材料。这比以往的纤维取向控制技术又往前迈出了一大步。由于图案和编织结构的可控性进一步增强,就使纳米纤维变得“听话”了,这也为电纺丝技术带来了更为广阔的应用前景。

  主持人:目前这种纳米纤维都是取自什么材料呢?

  常江:我们现在已经尝试使用多种材料,比如聚乳酸、聚己内酯、聚乙烯吡咯烷酮等都可以制成具有可控图案化和编织结构的电纺丝纤维材料。

  主持人:在哪些领域能发挥它的最大作用呢?

  常江:细说起来,应用领域非常广泛,就目前而言,电纺丝纳米纤维在再生医学和组织工程领域具有非常大的应用前景。比如,与组织有很好相容性的高分子材料制成的电纺丝纤维有可能作为人工血管、人工皮肤、人工骨骼材料用于修复这类组织的缺损。另外,在电子、催化、航空航天、服装甚至其他工业领域,电纺丝纳米纤维也具有潜在的市场。

  主持人:它是如何应用在医学领域的呢?

  常江:由于电纺丝纳米纤维在结构上与天然细胞外基质十分相似,具有良好的孔洞结构,并且具有一定的强度和稳定性,又易加工制作,因而是人体器官组织修复再生较为理想的支架材料之一。在软骨、骨、血管、心脏、神经等组织工程领域都有十分广泛的应用价值。

  往常当患者出现器官和组织损伤时,我们一般采取自体移植或者异体移植的方法对创伤和缺损进行修复或者替代,但是这种方法往往存在供体不足或者存在排异反应的缺点。而在不久的将来,我们有可能将电纺丝技术与组织工程技术结合,应用于人体组织损伤的修复。

  具体方法是,先按照患者需要替换或者修补部位的组织或器官的形状用电纺丝制作细胞支架,而后从患者体内提取相应的种子细胞放置在之前准备好的细胞支架上进行培养。由于可降解生物材料制成的电纺丝支架不仅会在新生皮肤器官或者组织的生长过程中为其定型,还能为细胞的生物学活动提供适宜的空间并产生一定的刺激作用。在这里需要指出,利用前面介绍的“可控”技术,我们可以设计收集模板来制备具有某一特定复杂可控图案化结构的电纺丝纤维材料,通过控制支架的微观结构刺激细胞产生更加优良的生物学反应。伴随着细胞的增殖、分化等活动,组织和器官逐渐成形,直至完全修复缺损,而支架材料则逐渐降解。这样一来,病人获得了新生,充当生长基质的电纺丝支架也完成了使命。

  嘉宾简介:

  常江,博士、研究员,博士生导师。1982年毕业于西北轻工业学院。1985年赴德国留学,1991年在德国达姆施达特工业大学获博士学位。1991年4月至1993年6月在德国卢卑克医科大学做博士后研究。1993年7月至1997年6月在新西兰奥克兰大学任研究员。1997年至1999年在美国纽约大学受聘为研究助理教授。1999年至2000年在美国强生公司损伤修复技术中心任研究员。2000年12月获中国科学院“引进国外杰出人才”(百人计划)基金,应聘回国,任中国科学院上海硅酸盐研究所研究员。

  近年来承担和完成多项国家和地方科研项目,其中包括国家“973”项目、上海市重大基础研究项目(任首席科学家)、国家自然基金重点项目(任项目负责人)、中科院知识创新重要方向性项目(任首席科学家)等。主要研究领域:生物医用材料。近5年发表SCI收录学术论文100余篇,申请发明专利30项,其中10多项已经获得授权。


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