面料設計師讓納米纖維“聽話”的技術

  大家知道，要生產一塊面料，紗線要按照面料設計師的工藝要求，按一定的規律組合、織造才能成形。那只有頭發絲直徑一千五百分之一的納米纖維，能像紗線一樣“聽話”，按照要求織成面料嗎？

　　如何將這些超細的納米纖維像織機上的紗線一樣按照人們預想的圖案進行編織，一直是困擾著電紡絲領域科學家們的一個難題。

　　近日，記者從中科院上海硅酸鹽研究所得到消息，他們已經能夠利用先進的電紡絲技術，讓用肉眼看不見的納米纖維變得“聽話”，能夠按照科學家的意愿，“織”出斜紋、圓環乃至中國結、蘇格蘭格子等圖案，并且科學家已經嘗試過多種材料，都能“織”出具有規則紋樣的納米布。

　　本期梁楓會客室，我們請到這項技術的研發人員——中科院上海硅酸鹽研究所研究員常江，請他介紹一下這項技術的研發及應用領域。

　　主持人：請您先給大家介紹一下什么是電紡絲技術？

　　常江：電紡絲技術是利用聚合物溶液(或熔體)在電場作用下的噴射，來制備納米級超精細纖維的一種新型加工方法。一個普通的電紡絲制備裝置主要由3部分組成：高壓電源、帶有導電噴絲頭的貯液裝置和收集器。當儀器工作時在噴絲頭處施加一個高壓，這樣就會在高壓噴頭同低壓收集器之間產生一個電場，當電壓增大到一定程度時，溶液就會在靜電斥力的作用下克服表面張力和粘彈性力，從噴絲頭噴射出來并形成射流，射流在向接收器運行過程中逐漸細化，同時溶劑揮發，終在收集器上形成電紡絲纖維。

　　這些細絲的直徑一般只有50～500納米。如果以50納米計算，它們的粗細只相當于一根頭發絲直徑的一千五百分之一。

　　主持人：相比以往的電紡絲技術，這次讓納米纖維變得“聽話”的關鍵是什么？

　　常江：我們這次的技術更確切地說應叫做“可控電紡絲技術”，因為我們研究發現，纖維的沉積和排列主要由兩種作用力控制，其中一種為存在于噴絲頭同接收器之間的靜電場所產生的電場力，當電紡絲纖維在電場力作用下朝接收器運行并接近于收集器時，纖維表面所帶靜電荷會誘導收集器表面產生極性相反的靜電荷，異性電荷之間相互吸引從而產生庫侖引力，這就是我們提及的影響纖維沉積和排列的另一個重要作用力。因此，要想使電紡絲纖維“聽話”地沉積和排列，就要著手控制這兩個重要影響因素。

　　利用這一原理，我們通過設計并利用具有不同結構的收集模板，對影響纖維沉積和排列的作用力進行調控，制備出了具有復雜可控圖案化和編織結構的電紡絲纖維支架材料。這比以往的纖維取向控制技術又往前邁出了一大步。由于圖案和編織結構的可控性進一步增強，就使納米纖維變得“聽話”了，這也為電紡絲技術帶來了更為廣闊的應用前景。

　　主持人：目前這種納米纖維都是取自什么材料呢？

　　常江：我們現在已經嘗試使用多種材料，比如聚乳酸、聚己內酯、聚乙烯吡咯烷酮等都可以制成具有可控圖案化和編織結構的電紡絲纖維材料。

　　主持人：在哪些領域能發揮它的大作用呢？

　　常江：細說起來，應用領域非常廣泛，就目前而言，電紡絲納米纖維在再生醫學和組織工程領域具有非常大的應用前景。比如，與組織有很好相容性的高分子材料制成的電紡絲纖維有可能作為人工血管、人工皮膚、人工骨骼材料用于修復這類組織的缺損。另外，在電子、催化、航空航天、服裝甚至其他工業領域，電紡絲納米纖維也具有潛在的市場。

　　主持人：它是如何應用在醫學領域的呢？

　　常江：由于電紡絲納米纖維在結構上與天然細胞外基質十分相似，具有良好的孔洞結構，并且具有一定的強度和穩定性，又易加工制作，因而是人體器官組織修復再生較為理想的支架材料之一。在軟骨、骨、血管、心臟、神經等組織工程領域都有十分廣泛的應用價值。

　　往常當患者出現器官和組織損傷時，我們一般采取自體移植或者異體移植的方法對創傷和缺損進行修復或者替代，但是這種方法往往存在供體不足或者存在排異反應的缺點。而在不久的將來，我們有可能將電紡絲技術與組織工程技術結合，應用于人體組織損傷的修復。

　　具體方法是，先按照患者需要替換或者修補部位的組織或器官的形狀用電紡絲制作細胞支架，而后從患者體內提取相應的種子細胞放置在之前準備好的細胞支架上進行培養。由于可降解生物材料制成的電紡絲支架不僅會在新生皮膚器官或者組織的生長過程中為其定型，還能為細胞的生物學活動提供適宜的空間并產生一定的刺激作用。在這里需要指出，利用前面介紹的“可控”技術，我們可以設計收集模板來制備具有某一特定復雜可控圖案化結構的電紡絲纖維材料，通過控制支架的微觀結構刺激細胞產生更加優良的生物學反應。伴隨著細胞的增殖、分化等活動，組織和器官逐漸成形，直至完全修復缺損，而支架材料則逐漸降解。這樣一來，病人獲得了新生，充當生長基質的電紡絲支架也完成了使命。

　　嘉賓簡介：

　　常江，博士、研究員，博士生導師。1982年畢業于西北輕工業學院。1985年赴德國留學，1991年在德國達姆施達特工業大學獲博士學位。1991年4月至1993年6月在德國盧卑克醫科大學做博士后研究。1993年7月至1997年6月在新西蘭奧克蘭大學任研究員。1997年至1999年在美國紐約大學受聘為研究助理教授。1999年至2000年在美國強生公司損傷修復技術中心任研究員。2000年12月獲中國科學院“引進國外杰出人才”(百人計劃)基金，應聘回國，任中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員。

　　近年來承擔和完成多項國家和地方科研項目，其中包括國家“973”項目、上海市重大基礎研究項目(任首席科學家)、國家自然基金重點項目(任項目負責人)、中科院知識創新重要方向性項目(任首席科學家)等。主要研究領域：生物醫用材料。近5年發表SCI收錄學術論文100余篇，申請發明專利30項，其中10多項已經獲得授權。

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