前 rontier 电纺纤维相比,核壳结构纤维不仅能够综合核层和壳层材料的特性,而且更能展 现出其他优异的特点,比如可控的机械强度和较好的热传导系数等。因此这种方 法在众多方面展现出了广泛的应用前景,其主要应用领域为:组织工程方面可作 为可降解支架、可促进伤口愈合和药物传递等;过滤方面可作为过滤膜:在能量 存储方面可用于锂离子电池;可用于制作光学或化学传感器;也可应用于酶和催 化剂等。例如,利用同轴电纺技术制备的核壳型纳米纤维(核层为药物)经口服或 其他方式进人人体后,随着壳层材料在组织液作用下不断降解,核层中的药物格 缓慢释放出来,既能保证恒定有效的血药浓度,又能减少药物对身体的毒副作用 而相对于发展已较成熟的同轴静电纺制备核壳结构纳米纤维,马贵平教授组 的内置电场诱导天然聚电解质在纺丝过程中微相分离来制备核壳结构纳米纤维 的这种方法拓宽了纺丝过程中的新思路,为研发更多具有不同功能的核壳结构纳 米纤维提供了新途径。 ---------------------------- 研究领域 主持国家自然科学基金1项、中国光华科技基金1 项,主持省部级项目3项,与企业开发项目4项 参与国家项目2项。主要从事核壳纳米纤维的设计 及功能化、天然高分子功能材料开发等方面研究 公开发表论文50余篇,以第一作者或通讯联系人发 表SCI收录论文36篇,以第一发明人身份申请中国 发明专利50项,其中授权专利30项,专利转让 马贵平副教授 实施许可10项。 北京化工大学 电纷 3
3 研究领域： 主持国家自然科学基金 1 项、中国光华科技基金 1 项，主持省部级项目 3 项，与企业开发项目 4 项， 参与国家项目 2 项。主要从事核壳纳米纤维的设计 及功能化、天然高分子功能材料开发等方面研究。 公开发表论文 50 余篇，以第一作者或通讯联系人发 表 SCI 收录论文 36 篇，以第一发明人身份申请中国 发明专利 50 项，其中授权专利 30 项，专利转让、 实施许可 10 项。 电纺纤维相比，核壳结构纤维不仅能够综合核层和壳层材料的特性，而且更能展 现出其他优异的特点，比如可控的机械强度和较好的热传导系数等。因此这种方 法在众多方面展现出了广泛的应用前景，其主要应用领域为：组织工程方面可作 为可降解支架、可促进伤口愈合和药物传递等；过滤方面可作为过滤膜；在能量 存储方面可用于锂离子电池；可用于制作光学或化学传感器；也可应用于酶和催 化剂等。例如，利用同轴电纺技术制备的核壳型纳米纤维(核层为药物)经口服或 其他方式进人人体后，随着壳层材料在组织液作用下不断降解，核层中的药物格 缓慢释放出来，既能保证恒定有效的血药浓度，又能减少药物对身体的毒副作用。 而相对于发展已较成熟的同轴静电纺制备核壳结构纳米纤维，马贵平教授组 的内置电场诱导天然聚电解质在纺丝过程中微相分离来制备核壳结构纳米纤维 的这种方法拓宽了纺丝过程中的新思路，为研发更多具有不同功能的核壳结构纳 米纤维提供了新途径。 马贵平副教授 北京化工大学
前 rontier B面B面BBB面B面BB面B面B面BB面目B面BB面面目B Preparation, characterization, and application of PEO/HA core shell nanofiber e based on electric field induced phase separation during electrospinning Guangkai Chen, Junxia Guo, Jun Nie, Guiping Ma* Key Laboratory of Carbon Fiber and Functional Polymers, Ministry of Education, Beijing Laboratory of Biomedical Materials, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, PR China : Abstract Core-shell structured PEO/HA nanofibers could be produced from electric field inducing tion during the electrospinning progress. Hyaluronic acid(HA) molecules could move along the opposite direction of the electric field under the electrostatic force, which induced phase separation from PEO to form the core layer of nanofibers. The morphology of core-shell nanofibers was supported using scanning electron microscopy (SEM)and transmission electron microscopy (TEM). Thermal analysis and X-ray diffraction (XRD) results showed that the fibers had good thermal stability and HA hindered the crystallization of the PEO. The presence of PEO on the surface was also verified by X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) analysis as further evidence of core-shell formation urin process of electrospinning Methylthiazolydiphenyl-tetrazolium bromide (mtr) assay was employed to investigate the toxic and cytocompatibility with the aim of demonstrating the possible application for tissue engineering scaffolds. Furthermore, In vitro cytotoxicity against fibroblasts cells culture demonstrated the nanofibers as scaffolds were biocompatible and nontoxic CTOP VIEWI (1)Schematic diagram of preparation of PEO/HA core-shell nanofibers (2)TEM images of PEO/HA electrospinning nanofibers: (A)WPEO/WHA=3/ (B)WPEOWHA=1/1,(C)WPEO/WHA=1/3 References [1] M.C. Wang, D W. Fang, NN. Wang, S Jiang, J. Nie, Q. Yu, G P Ma, Polymer 55: :(2014)2188-2196 [2]D. Valiquette, C Pellerin, Macromolecules 44 (2011)2838-2843 :3GK Chen, D W. Fang, K M. Wang, J. Nie, G.P. Ma, J Polym. Sci. Part A Polym :Chem.53(2015)2298-2311 teptrosrun 电纷
4 Preparation, characterization, and application of PEO/HA core shell nanofibers based on electric field induced phase separation during electrospinning Guangkai Chen, Junxia Guo, Jun Nie, Guiping Ma* Key Laboratory of Carbon Fiber and Functional Polymers, Ministry of Education, Beijing Laboratory of Biomedical Materials, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, PR China A b s t r a c t Core-shell structured PEO/HA nanofibers could be produced from electric field inducing phase separation during the electrospinning progress. Hyaluronic acid (HA) molecules could move along the opposite direction of the electric field under the electrostatic force, which induced phase separation from PEO to form the core layer of nanofibers. The morphology of core-shell nanofibers was supported using scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). Thermal analysis and X-ray diffraction (XRD) results showed that the fibers had good thermal stability and HA hindered the crystallization of the PEO. The presence of PEO on the surface was also verified by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis as further evidence of core-shell formation during the process of electrospinning. Methylthiazolydiphenyl-tetrazolium bromide (MTT) assay was employed to investigate the toxic and cytocompatibility with the aim of demonstrating the possible application for tissue engineering scaffolds. Furthermore, In vitro cytotoxicity against fibroblasts cells culture demonstrated the nanofibers as scaffolds were biocompatible and nontoxic. (1) (2) (1) Schematic diagram of preparation of PEO/HA core-shell nanofibers (2) TEM images of PEO/HA electrospinning nanofibers: (A) WPEO/WHA =3/1, (B) WPEO/WHA =1/1, (C) WPEO/WHA = 1/3. References [1] M.C. Wang, D.W. Fang, N.N. Wang, S. Jiang, J. Nie, Q. Yu, G.P. Ma, Polymer 55 (2014) 2188-2196. [2] D. Valiquette, C. Pellerin, Macromolecules 44 (2011) 2838-2843. [3] G.K. Chen, D.W. Fang, K.M. Wang, J. Nie, G.P. Ma, J. Polym. Sci. Part A Polym. Chem. 53 (2015) 2298-2311
生物医用静电纺温敏纳米纤维 穆齐锋,高鲁2,沈红豆,邓玲利?,储智勇,张青松 (天津工业大学材料科学与工程学院2天津工业大学纺织学院,天津,300387 E-mail:zqs8011@163.com) 摘要:近年来,随着纳米技术和组织工程技术的发展,刺激响应性纳米纤维材 料在药物控释、伤口敷料和生物支架等生物医学方面的应用受到广泛关注和研 究。本文针对温度敏感性纳米纤维,详细综述了基于静电纺丝技术的生物医用温 敏纳米纤维原材料、制备途径和表征方法,探讨了温敏纳米纤维在药物控释载体 和细胞支架领域的具体应用,并基于相关研究提出了其在发展过程中存在的问题 并对其应用前景进行了展望。 关键词:静电纺丝,温敏,纳米纤维,药物控释,细胞支架 研究组和负责人简介 张青松(1980),男,山东菏泽人,工学博士,天津工业大学材料学院副教授 硕士生导师,博士生指导教师资格,中国化学会、美国化学会和中国材料研究 学会会员,天津市高校优秀青年教师,教育部学位中心论文评议专家,天津市 政府采购评审专家,功能与智能高分子材料创新团队成员,材料科学基础教学 团队成员,清华大学化学系和匹兹堡大学化学系访问学者。 课题组名为“青青园中葵”,取自《长歌行》,课题组目前共有教师3人 研究生6人,本科生18名,主要从事有机/无机纳米复合材料、光子晶体凝胶传 感器、CO2和染料吸附凝胶、细胞片层凝胶载体、微生物发酵多孔凝胶、多功能 纳米凝胶纤维等相关研究。主持完成天津市高等学校科技发展基金计划、天津 市高校优秀青年人才项目、教育部科学技术研究项目、天津市自然科学基金 天津市科技特派员、国家自然科学基金等各类项目16项;已在 J Control Release Macromol Rapid Comm J Colloid Interf Sci, Colloids Surf B, J Biomed Mater Res A和 Mater.Sci.EngC等期刊发表学术论文69篇,总引用440次,单篇最高 引用56次:是 Ady Mater.、 Ady Funct Mater.、 ACS Appl Mater&nter、 Macromol pid Comm、 Phys Chem Chem Phys等28种期刊的审稿人。申请国家发明专利 23项,授权18项,成功转化2项。已培养研究生9人,本科生32名,指导学 生先后获得第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖、天 津市第十二届挑战杯一等奖、天津市优秀硕士论文、天津市优秀本科学位论文、 第七届全国大学生创新创业年会推介项目
5 穆齐锋 1 , 高鲁 2 , 沈红豆 2 , 邓玲利 2 , 储智勇 2 , 张青松 1* （1 天津工业大学材料科学与工程学院 2天津工业大学纺织学院, 天津, 300387 E-mail: zqs8011@163.com） 摘 要：近年来，随着纳米技术和组织工程技术的发展，刺激响应性纳米纤维材 料在药物控释、伤口敷料和生物支架等生物医学方面的应用受到广泛关注和研 究。本文针对温度敏感性纳米纤维，详细综述了基于静电纺丝技术的生物医用温 敏纳米纤维原材料、制备途径和表征方法，探讨了温敏纳米纤维在药物控释载体 和细胞支架领域的具体应用，并基于相关研究提出了其在发展过程中存在的问题 并对其应用前景进行了展望。 关键词：静电纺丝，温敏，纳米纤维，药物控释，细胞支架 静电纺温敏纳米生纤物维医及用其静电纺温敏纳米纤维 张青松(1980)，男，山东菏泽人，工学博士，天津工业大学材料学院副教授， 硕士生导师，博士生指导教师资格，中国化学会、美国化学会和中国材料研究 学会会员，天津市高校优秀青年教师，教育部学位中心论文评议专家，天津市 政府采购评审专家，功能与智能高分子材料创新团队成员，材料科学基础教学 团队成员，清华大学化学系和匹兹堡大学化学系访问学者。 课题组名为“青青园中葵”，取自《长歌行》，课题组目前共有教师 3 人， 研究生 6 人，本科生 18 名，主要从事有机/无机纳米复合材料、光子晶体凝胶传 感器、CO2和染料吸附凝胶、细胞片层凝胶载体、微生物发酵多孔凝胶、多功能 纳米凝胶纤维等相关研究。主持完成天津市高等学校科技发展基金计划、天津 市高校优秀青年人才项目、教育部科学技术研究项目、天津市自然科学基金、 天津市科技特派员、国家自然科学基金等各类项目 16 项；已在 J Control Release、 Macromol Rapid Comm、J Colloid Interf Sci、Colloids Surf B、J Biomed Mater Res A 和 Mater. Sci. Eng.C 等期刊发表学术论文 69 篇，总引用 440 次，单篇最高 引用 56 次；是 Adv Mater、 Adv Funct Mater、ACS Appl Mater & Inter、Macromol Rapid Comm、Phys Chem Chem Phys 等 28 种期刊的审稿人。申请国家发明专利 23 项，授权 18 项，成功转化 2 项。已培养研究生 9 人，本科生 32 名，指导学 生先后获得第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖、天 津市第十二届挑战杯一等奖、天津市优秀硕士论文、天津市优秀本科学位论文、 第七届全国大学生创新创业年会推介项目。 研究组和负责人简介 简介
生物医用静电纺温敏纳米纤錐 近年来,由于疾病、人口老龄化、意外事故等造成大量的人体器官和组织的 损坏和功能缺失,如何实现人体组织和器官的快速修复和重建以及治疗药物在人 体内的可控释放已成为生物医学研究领域面临的重要问题叫。使缺损的组织和器 官得以修复和重建,其过程是构建有生物活性的细胞支架材料,这种支架可以载 有生长因子或本体细胞,植入体内后支架材料逐渐被分解和吸收的同时,细胞增 殖并形成新的组织,从而修复缺损组织替代器官,支架材料或作为一种体外装置, 暂时替代器官功能,达到提高生命质量,延长生命的目的。组织工程支架材 料有时还需具备载药的功能,通过药物的靶向释放达到治愈病灶的目的4。其中 药物载体是药物缓释体系的重要组成部分,也是影响药效主要因素,药物控制释 放载体是随着药物学、生物材料学和临床医学的发展而新兴的给药技术。自20 世纪60年代以来,对于药物控制释放体系的研究,受到研究者的广泛关注囚。 与传统给药模式相比药物控制释放具有显著的优点,除提髙药物治疗的准确性、 有效性、安全性外,还明显降低了药物的生产成本和不良反应,药物控制释放材 料的研究得到迅速发展,其中制备性能优良的药物载体已成为药物控制释放技术 的研究热点 由于高分子材料的化学组成、加工工艺和性能易于调控,在一定尺度上通过 调控聚合过程或加工工艺,可易于改变或调节材料的物化性能,因此把组织工程 学和药物控制释放原理与高分子材料结合起来,合成具有生物相容性和刺激响应 性的生物功能材料,具有重大的科学意义和广阔的应用前景。静电纺丝作为一种 简单、有效、方便而经济的高分子材料加工技术,其技术核心是将具有一定粘度 且带有电荷的高分子熔体或溶液在高压静电场中喷射、拉伸细化、劈裂,最终固 化成微纳米级纤维状物质的过程。静电纺聚合物纳米纤维具有比表面积大、孔 隙率髙、良好的三维结构和各向同性的力学性能等优点η,能够满足组织工程中 细胞支架和药物控释载体在比表面积、多孔结构和力学性能等方面的要求,而且 具有纤维孔隙结构的支架材料与细胞増殖有良好的适配性,可有效模拟细胞外基 质环境,同时比膜状材料更有利于细胞粘附 静电纺温敏纳米纤维多含有温度敏感聚合物,如聚N异丙基丙烯酰胺 (poly(N- isopropylacrylamide), PNIPAm)在其临界溶解温度( ower critical solution temperature,LCST=32)时可迅速发生可逆相转变,将温敏性这一特点引入到
6 近年来，由于疾病、人口老龄化、意外事故等造成大量的人体器官和组织的 损坏和功能缺失，如何实现人体组织和器官的快速修复和重建以及治疗药物在人 体内的可控释放已成为生物医学研究领域面临的重要问题[1]。使缺损的组织和器 官得以修复和重建，其过程是构建有生物活性的细胞支架材料，这种支架可以载 有生长因子或本体细胞，植入体内后支架材料逐渐被分解和吸收的同时，细胞增 殖并形成新的组织，从而修复缺损组织替代器官，支架材料或作为一种体外装置， 暂时替代器官功能，达到提高生命质量，延长生命的目的[2,3]。组织工程支架材 料有时还需具备载药的功能，通过药物的靶向释放达到治愈病灶的目的[4]。其中 药物载体是药物缓释体系的重要组成部分，也是影响药效主要因素，药物控制释 放载体是随着药物学、生物材料学和临床医学的发展而新兴的给药技术。自 20 世纪 60 年代以来，对于药物控制释放体系的研究，受到研究者的广泛关注[5]。 与传统给药模式相比药物控制释放具有显著的优点，除提高药物治疗的准确性、 有效性、安全性外，还明显降低了药物的生产成本和不良反应，药物控制释放材 料的研究得到迅速发展，其中制备性能优良的药物载体已成为药物控制释放技术 的研究热点。 由于高分子材料的化学组成、加工工艺和性能易于调控，在一定尺度上通过 调控聚合过程或加工工艺，可易于改变或调节材料的物化性能，因此把组织工程 学和药物控制释放原理与高分子材料结合起来，合成具有生物相容性和刺激响应 性的生物功能材料，具有重大的科学意义和广阔的应用前景。静电纺丝作为一种 简单、有效、方便而经济的高分子材料加工技术，其技术核心是将具有一定粘度 且带有电荷的高分子熔体或溶液在高压静电场中喷射、拉伸细化、劈裂，最终固 化成微纳米级纤维状物质的过程[6]。静电纺聚合物纳米纤维具有比表面积大、孔 隙率高、良好的三维结构和各向同性的力学性能等优点[7]，能够满足组织工程中 细胞支架和药物控释载体在比表面积、多孔结构和力学性能等方面的要求，而且 具有纤维孔隙结构的支架材料与细胞增殖有良好的适配性，可有效模拟细胞外基 质环境，同时比膜状材料更有利于细胞粘附[8]。 静电纺温敏纳米纤维多含有温度敏感聚合物，如聚 N-异丙基丙烯酰胺 (poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAm)在其临界溶解温度(lower critical solution temperature, LCST=32 oC)时可迅速发生可逆相转变[4]，将温敏性这一特点引入到 生物医用静电纺温敏纳米纤维
生物医用静电纺温敏纳米纤维 在生物医用材料中广泛应用的静电纺纳米纤维材料,可进一步增加纳米纤维材料 的功能,拓展其在生物医学方面的应用,并具有重要的仿生意义。此外,通过设 计使静电纺温敏纳米纤维表面功能化或具有多级结构,可用于生物分离門、细胞 支架、药物控制释放和生物传感器凹等领域。本文综述了近年来静电纺温 敏纳米纤维的制备和设计思路,分析了产物结构、形态和性能的影响规律,指出 了表征纤维温敏性的几种方法,重点介绍了其在细胞培养支架和药物控制释放方 面的应用研究,并展望其发展前景。 1.温敏纳米纤维纺丝原料 材料是组织工程支架和药物控释的本体,其选择是决定支架性能和药物载体 控释性能的直接因素。作为细胞支架来说,原料应首先具备良好的生物相容性, 这决定了细胞在其表面粘附、生长、分化和扩散的难易程度。其次,需考虑原 料的基本力学性能和可加工性,因为材料需加工成具有三维空间结构片状或块状 才能在上面种植细胞并支持细胞的生长。此外,原料的生物可降解性也是应该 考虑的主要因素之一,合适的降解时间可更好地配合细胞生长和组织的发育。作 为药物控释的载体,还需要考虑材料和药物的相容性,以及药物的控释性。最后, 材料的成本和加工可控性也是制备支架材料时需考虑的因素。 目前,制备温敏纳米纤维细胞支架和药物控制释放载体的原料可分为天然聚 合物材料、合成聚合物材料以及复合材料。天然材料包括明胶( gelatin,Gel)、丝 胶( silk sericin,SS)、胶原蛋白( collagen,Col)、纤维蛋白( fibrous protein,FP)等,且 这些天然材料多以填料的形式和其他温敏性高分子进行复合:合成高分子材料主 要是N-异丙基丙烯酰胺(N- -isopropylacrylamide,NPAm)、N-乙烯基己内酰胺 (N- vinylcaprolactam,NVCL)、羟丁基壳聚糖( hydroxybutyl chitosan,HBCS)、羟丙 基纤维素( hydroxypropyl cellulose,HPC)、N,N-二甲基丙烯酰胺 (NN- dimethylacrylamide,DMAA)等。天然材料含有利于细胞黏附、迁移和增殖 的生物功能基团,但降解速率不易控制、结构复杂和组成多样,且通过杂化、复 合、交联等处理的结构稳定性和力学性能的增加有限;而合成材料的分子量和分 子量分布易于控制,且能够通过化学合成和后处理工艺控制材料的温敏、力学 光学、热学及生物降解性,但其生物相容性远逊于天然材料。因此,目前生物医 用静电纺纳米纤维的原料多是合成材料和天然材料组成的复合材料。表1列举了
7 在生物医用材料中广泛应用的静电纺纳米纤维材料，可进一步增加纳米纤维材料 的功能，拓展其在生物医学方面的应用，并具有重要的仿生意义。此外，通过设 计使静电纺温敏纳米纤维表面功能化或具有多级结构，可用于生物分离[9]、细胞 支架[10]、药物控制释放[11]和生物传感器[12]等领域。本文综述了近年来静电纺温 敏纳米纤维的制备和设计思路，分析了产物结构、形态和性能的影响规律，指出 了表征纤维温敏性的几种方法，重点介绍了其在细胞培养支架和药物控制释放方 面的应用研究，并展望其发展前景。 1. 温敏纳米纤维纺丝原料 材料是组织工程支架和药物控释的本体，其选择是决定支架性能和药物载体 控释性能的直接因素。作为细胞支架来说，原料应首先具备良好的生物相容性， 这决定了细胞在其表面粘附、生长、分化和扩散的难易程度[13]。其次，需考虑原 料的基本力学性能和可加工性，因为材料需加工成具有三维空间结构片状或块状 才能在上面种植细胞并支持细胞的生长[14]。此外，原料的生物可降解性也是应该 考虑的主要因素之一，合适的降解时间可更好地配合细胞生长和组织的发育。作 为药物控释的载体，还需要考虑材料和药物的相容性，以及药物的控释性。最后， 材料的成本和加工可控性也是制备支架材料时需考虑的因素。 目前，制备温敏纳米纤维细胞支架和药物控制释放载体的原料可分为天然聚 合物材料、合成聚合物材料以及复合材料。天然材料包括明胶(gelatin, Gel)、丝 胶(silk sericin, SS)、胶原蛋白(collagen, Col)、纤维蛋白(fibrous protein, FP)等，且 这些天然材料多以填料的形式和其他温敏性高分子进行复合；合成高分子材料主 要是 N-异丙基丙烯酰胺(N-isopropylacrylamide, NIPAm)、N-乙烯基己内酰胺 (N-vinylcaprolactam, NVCL)、羟丁基壳聚糖(hydroxybutyl chitosan, HBCS)、羟丙 基 纤 维 素 (hydroxypropyl cellulose, HPC) 、 N,N- 二 甲 基 丙 烯 酰 胺 (N,N-dimethylacrylamide, DMAA)等。天然材料含有利于细胞黏附、迁移和增殖 的生物功能基团，但降解速率不易控制、结构复杂和组成多样，且通过杂化、复 合、交联等处理的结构稳定性和力学性能的增加有限；而合成材料的分子量和分 子量分布易于控制，且能够通过化学合成和后处理工艺控制材料的温敏、力学、 光学、热学及生物降解性，但其生物相容性远逊于天然材料。因此，目前生物医 用静电纺纳米纤维的原料多是合成材料和天然材料组成的复合材料。表 1 列举了 生物医用静电纺温敏纳米纤维