面料設(shè)計師讓納米纖維“聽話”的技術(shù)

  大家知道，要生產(chǎn)一塊面料，紗線要按照面料設(shè)計師的工藝要求，按一定的規(guī)律組合、織造才能成形。那只有頭發(fā)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(xì)的納米纖維像織機(jī)上的紗線一樣按照人們預(yù)想的圖案進(jìn)行編織，一直是困擾著電紡絲領(lǐng)域科學(xué)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(jīng)能夠利用先進(jìn)的電紡絲技術(shù)，讓用肉眼看不見的納米纖維變得“聽話”，能夠按照科學(xué)家的意愿，“織”出斜紋、圓環(huán)乃至中國結(jié)、蘇格蘭格子等圖案，并且科學(xué)家已經(jīng)嘗試過多種材料，都能“織”出具有規(guī)則紋樣的納米布。

　　本期梁楓會客室，我們請到這項技術(shù)的研發(fā)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(shù)的研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域。

　　主持人：請您先給大家介紹一下什么是電紡絲技術(shù)？

　　常江：電紡絲技術(shù)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(xì)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(dǎo)電噴絲頭的貯液裝置和收集器。當(dāng)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(chǎn)生一個電場，當(dāng)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(yùn)行過程中逐漸細(xì)化，同時溶劑揮發(fā)，終在收集器上形成電紡絲纖維。

　　這些細(xì)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(xì)只相當(dāng)于一根頭發(fā)絲直徑的一千五百分之一。

　　主持人：相比以往的電紡絲技術(shù)，這次讓納米纖維變得“聽話”的關(guān)鍵是什么？

　　常江：我們這次的技術(shù)更確切地說應(yīng)叫做“可控電紡絲技術(shù)”，因為我們研究發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生的電場力，當(dāng)電紡絲纖維在電場力作用下朝接收器運(yùn)行并接近于收集器時，纖維表面所帶靜電荷會誘導(dǎo)收集器表面產(chǎn)生極性相反的靜電荷，異性電荷之間相互吸引從而產(chǎn)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(shè)計并利用具有不同結(jié)構(gòu)的收集模板，對影響纖維沉積和排列的作用力進(jìn)行調(diào)控，制備出了具有復(fù)雜可控圖案化和編織結(jié)構(gòu)的電紡絲纖維支架材料。這比以往的纖維取向控制技術(shù)又往前邁出了一大步。由于圖案和編織結(jié)構(gòu)的可控性進(jìn)一步增強(qiáng)，就使納米纖維變得“聽話”了，這也為電紡絲技術(shù)帶來了更為廣闊的應(yīng)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(xiàn)在已經(jīng)嘗試使用多種材料，比如聚乳酸、聚己內(nèi)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(jié)構(gòu)的電紡絲纖維材料。

　　主持人：在哪些領(lǐng)域能發(fā)揮它的大作用呢？

　　常江：細(xì)說起來，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，就目前而言，電紡絲納米纖維在再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)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(fù)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(yè)領(lǐng)域，電紡絲納米纖維也具有潛在的市場。

　　主持人：它是如何應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的呢？

　　常江：由于電紡絲納米纖維在結(jié)構(gòu)上與天然細(xì)胞外基質(zhì)十分相似，具有良好的孔洞結(jié)構(gòu)，并且具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，又易加工制作，因而是人體器官組織修復(fù)再生較為理想的支架材料之一。在軟骨、骨、血管、心臟、神經(jīng)等組織工程領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用價值。

　　往常當(dāng)患者出現(xiàn)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(chuàng)傷和缺損進(jìn)行修復(fù)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(yīng)的缺點。而在不久的將來，我們有可能將電紡絲技術(shù)與組織工程技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于人體組織損傷的修復(fù)。

　　具體方法是，先按照患者需要替換或者修補(bǔ)部位的組織或器官的形狀用電紡絲制作細(xì)胞支架，而后從患者體內(nèi)提取相應(yīng)的種子細(xì)胞放置在之前準(zhǔn)備好的細(xì)胞支架上進(jìn)行培養(yǎng)。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(xì)胞的生物學(xué)活動提供適宜的空間并產(chǎn)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(shù)，我們可以設(shè)計收集模板來制備具有某一特定復(fù)雜可控圖案化結(jié)構(gòu)的電紡絲纖維材料，通過控制支架的微觀結(jié)構(gòu)刺激細(xì)胞產(chǎn)生更加優(yōu)良的生物學(xué)反應(yīng)。伴隨著細(xì)胞的增殖、分化等活動，組織和器官逐漸成形，直至完全修復(fù)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(dāng)生長基質(zhì)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(dǎo)師。1982年畢業(yè)于西北輕工業(yè)學(xué)院。1985年赴德國留學(xué)，1991年在德國達(dá)姆施達(dá)特工業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位。1991年4月至1993年6月在德國盧卑克醫(yī)科大學(xué)做博士后研究。1993年7月至1997年6月在新西蘭奧克蘭大學(xué)任研究員。1997年至1999年在美國紐約大學(xué)受聘為研究助理教授。1999年至2000年在美國強(qiáng)生公司損傷修復(fù)技術(shù)中心任研究員。2000年12月獲中國科學(xué)院“引進(jìn)國外杰出人才”(百人計劃)基金，應(yīng)聘回國，任中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員。

　　近年來承擔(dān)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(chǔ)研究項目(任首席科學(xué)家)、國家自然基金重點項目(任項目負(fù)責(zé)人)、中科院知識創(chuàng)新重要方向性項目(任首席科學(xué)家)等。主要研究領(lǐng)域：生物醫(yī)用材料。近5年發(fā)表SCI收錄學(xué)術(shù)論文100余篇，申請發(fā)明專利30項，其中10多項已經(jīng)獲得授權(quán)。

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