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静电纺丝技术用于人体:从健康检测、人体防护、纺织热调控到再生修复的最新进展


目录

1. 概要

2. 研究亮点

2.1 静电纺丝技术在健康检测中的应用

2.2 静电纺丝技术在人体防护中的应用

2.3 静电纺丝技术在热调节中的应用

2.4 静电纺丝技术在人体再生修复中的应用

3. 结论

 

1. 概要

在人类健康问题日益突出的背景下,静电纺丝正成为一种创新和颠覆性的技术,以多种方式促进对人类健康的追求和维护。近年来,相关的高层次研究层出不穷,但分布广泛,缺乏主观相关性。在此,我们从多方面、多角度系统、全面地综述了静电纺丝技术对人类健康的贡献。首先简要介绍了静电纺丝技术的原理、发展和应用。随后,详细梳理和讨论了静电纺丝技术在检测、保护、调节和重建四个不同阶段对人类健康的具体应用。从本质机制出发,通过最具代表性的例子,对每一部分进行逻辑提炼,并梳理出相关研究的最新进展。对设计理念、再搜索方法、应用材料、整体性能和存在的问题进行了重点关注和评估。最后,我们从宏观角度总结和讨论了静电纺丝技术在人类健康领域的挑战、瓶颈和发展前景,并给出了潜在的可行解决方案。

图2 静电纺丝在能源、环境、人体健康等方面的典型应用

图2 静电纺丝在人类健康领域的一些关键应用示意图

 

2. 研究亮点

2.1 静电纺丝技术在健康检测中的应用

(1)用于健康检测的物理传感器

物理传感器可以将人体的物理信号转变为实时可视的电子信号。物理传感机制分为压电式、摩擦电式、电阻式、电容式等多种。它们都是由物理传感器变形引起的,如拉伸、扭曲、弯曲、膨胀等。这些变化的根本原因是传感器的物理刺激,如运动、湿度、温度、触摸等。因此,对物理传感器最基本的要求是良好的可扩展性、可持续性、轻量化和高强度。然而,传统的物理传感器是基于弹塑性薄膜的。由于这种材料的不渗透性,长时间使用后会引起瘙痒。因此,为了人类的健康和舒适,研究人员正在努力制造透气、生物相容性强、抗菌、可生物降解的物理传感器。因此,具有巨大优势的静电纺丝技术备受期待,一系列基于静电纺丝纳米纤维材料的物理传感器被报道出来。

 

混合法是使电纺丝膜具有良好导电性的最简单方法。在最近的研究中,Lu等人于2021年将多层石墨烯锚定在静电纺聚酰胺(PA66)膜内,获得了柔性高灵敏度湿度传感器。这项工作提出了一种非接触式物理传感器的创新模型(图3a)。这是因为它的检测原理是基于纤维因湿度变化而膨胀导致导电多层石墨烯的接触或分离。这种非接触式物理传感器可用于实时监测呼吸速率.以及远程报警系统,并为卧床病人提供非接触式给药接口。由于静电纺丝技术制备的PA66纳米纤维具有较大的比表面积和丰富的吸水官能团,因此可以有效地提高检测灵敏度。

 

用具有良好导电性的材料包裹单层电纺丝纳米纤维,形成连续的电子通路,也是一种实用可行的方法。Gao的团队已经实现了用超声波方法在碳纳米管上涂覆热塑性聚氨酰电纺丝纤维(图3b),利用其分层结构构建导电网络。通过对PDMIS进行改性,成功获得了一种具有良好疏水性的物理传感器,可以监测人体运动(如手指弯曲、肘部运动、蹲起和点头),使其耐酸碱,可以在极端环境中使用。实验结果表明,CNTs/PDMS的加入提高了传感器的杨氏模量、抗拉强度和断裂伸长率。这种通过后续混合方法将导电材料引入静电纺丝纳米纤维的内部或表面的方法简单有效,但其耐久性、稳定性和大规模制备的潜力值得怀疑。

 

通过静电纺丝技术将纳米纤维材料包裹到导电材料中来构建物理传感器是一种新的思路,可以赋予传感器一些新颖的性能。Busolo等人展示了一种更简单的方法,使用导电碳纳米管(CNT)纱线电极作为芯,通过定制的静电纺丝工艺涂覆PVDF纳米纤维(图3c)。这种独特的静电纺丝同轴纱可以在疲劳测试中获得显善的摩擦-电能收集能力。20万次疲劳循环,摩擦能输出功率提高33%,峰值功率密度为20.7 Wcm-2。这些研究在基于原型纺织品的应用中实现了静电纺丝摩擦电纱的能量收集和物理传感能力,作为下一代智能纺织品具有显善的耐磨性和洗涤能力。

 

在最近的一项突破性研究中,郑和同事展示了一种可渗透的超弹性“液体金属纤维垫”(LMFM),如图3e所示。它是通过简单地将液态金属涂覆或打印到电纺纳米织物上而制成的。液态金属可以悬挂在多孔弹性体静电纺丝纳术织物之问,自组织成横向网状和垂直屈曲的结构。这种独特的设计使传感器同时具有高度透气性、延展性、导电性和电稳定性。经过1万次的拉伸试验,LMFM的应变仍在1800%以上。并且电导率可保持高达18000sm-1这些优异的性能为传感器和皮肤之间的稳定接口打开了可能。

 

此外,为了在传感器和皮肤之问创造一个稳定的界面,科学家们试图将传感器做得尽可能薄。单层甚至透明母体的静电纺丝传感器也有报道。简单的单层静电纺丝物理传感只能通过使用其有良好导电性和纺丝能力的材料来实现。Lu等人报道了2021年通过静电纺丝制备的生物启发化学集成二氧化健-纳米纤维增强水凝胶(SFRHs)(图3f)。SFRHs具有优异的离子导电性,可以监测多种刺激(拉伸,压缩和弯曲),具有高灵敏度和超耐久性(10,000次循环)。

图3 静电纺丝在物理传感器中的应用:a.不同应用的柔性多层石墨烯/PA66湿度传感器示意图。b.TPU/CNTs/PDMS纳米纤维复合材料的制备示意图及其SEM图像。C.涂有聚偏氯乙烯(PVDF)的摩擦电碳纳米管(CNT)纱线的制备和表征。d.SI-TENG的详细结构示意图,以及不同拉伸应变下SI-TENG的输出性能。e.LMFM的典型制造工艺及其输出性能示意图。f.SFRHs制备示意图。

 

(2)用于健康检测的生物传感器

生物传感器可以通过物化相互作用与目标分析物发生特异性反应产生物化变化,并将这些变化转化为可识别的信号。生物传感器是一种现代化、便携、高灵敏度、低成本的检测方法,在临床诊断环境检测、食品安全等方面发挥着重要作用。但总体而言,生物传感器最重要的应用还是人体健康检测。唾液、眼泪、间质液(ISF)、汗液、血液都可以用来分析人体的健康状况。迄今为止的关键技术发展包括连续血糖监测仪和集成汗液分析装置。生物传感器将特定的生物受体附着在材料表面,以结合特定的目标分子。因此,生物受体的数量、表面积和分布对生物传感器的性能起着决定性的作用。静电纺丝技术制备的纳米纤维具有较大的比表面积,容易被功能化同时较大的孔隙度也有利于被识别物体的扩散,可以更好地识别,提高灵敏度。因此,静电纺丝技术在生物传感器领域具有诸多优势。

 

ISF在表皮生物体液中含有盐、蛋白质、葡萄糖和乙醇等成分。可用于代谢性疾病的无创诊断、治疗评估和器官衰竭评估。然而,由于其分子含量较低,很难开发出高灵敏度、高选择性的非侵入性生物传感器。Kim等人通过静电纺丝制备了PVA/BTCA/β-CD/GOx/AuNPs纳米纤维水凝胶,用于测量人血清中的葡糖浓度(图4a)。静电纺丝技术不仅使材料具有优异的孔隙率和比表面积,而且使生物传感器在GOx/ AuNPs的存在下保持良好的柔韧性、稳定性和生物相容性,具有生物材料的高渗透性和快速电子转移矩阵可以实现,从而提高了传感性能。

 

生物传感器的电输出与人工汗液中尿酸梯度浓度之间存在良好的线性关系,但生物传感器的选择性和特异性可能需要进一步表征。2021年Chung等人利用两种常用的pH响应分子功能化后的电纺热塑性聚氨酯(TPU)和Au溅射涂层实现了人体汗液的pH检测(图4b)。

 

基于静电纺丝技术的生物传感器除了可以直接分析和检测人体体液中的生物分子外,还可以应用于食品和日用品的安全检测。这也与人体健康密切相关。黄曲霉毒素B1(AFB1)是一种有毒、危险的真菌产物,被认为对人类和动物具有致癌、致突变和免疫抑制作用。因此,测定食品中黄曲霉毒素B1(AFB1)的含量具有重要意义。Myndrul等人设计了一种基于聚丙烯腈/氧化锌(PAN/ZnO)纳米纤维的微流控装置来检测AFB1分子。通过静电纺丝和原子层沉积(ALD)技术对PAN/ZnO样品进行(3-氨基丙基)甲氧基硅烷(APTES)、戊二醛(GA)、牛血清白蛋白(BSA)和单克隆抗体(抗AFB1)修饰,获得对AFB1的生物识别层。AFB1最低浓度为39 pg/ml,灵敏度范围为0.1~20 ng/ml。在类似的研究中,EL-Moghazy等人制作了用柠檬酸(CA)和纳米体碱性磷酸酶(Nb-ALP)融合蛋白修饰的电纺尼龙纳米纤维膜,用于3-邻苯二甲酸检测(图4c)。

还有很大一部分生物传感器的应用是用于无机气体的检测(图4d),包括一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫等。这类研究的意义是毋庸置疑的,它们也为保护人类健康做出了积极贡献。

图4 静电纺丝在生物传盛发中的应用:a.采用PVA/BTCA/β-CD/GOx/AuNPs NF水凝胶制备的贴片型葡萄糖传感器示意图。b.sers活性Au/TPU静电纺丝可穿戴式汗液pH传感器的制造与应用概念概述。c.用柠檬酸(CA)修饰的电纺尼龙纳米纤维用于3-苯氧苯甲酸检测的示意图。d.用于气体传感器的电纺纳米纤维的概念。

 

 

2.2 静电纺丝技术在人体防护中的应用

(1)防水

传统的防雨服装是基于疏水性涂层或无孔疏水性材料来抵御雨水的侵袭。静电纺丝技术的快速发展为这一问题带来了可行而优秀的解决方案,静电纺丝技术构建的防水织物不仅具有大量相互连接的微纳孔,而且重量轻,柔韧性好。它们不仅可以防止雨水进入,而且还可以排出人体皮肤释放的水蒸气。

 

(2)空气过滤

空气过滤一直是静电纺丝纳米纤维织物最重要的应用之一。主要原因是静电纺丝纳米维织物表面积体积比,多孔结构可调,制备工艺简单,这些因素都有利于吸附空气污物颗粒。在正常情况下,空气中污染颗粒的浓度一股维持在较低的水平。在过滤过程中,颗粒的沉积不会显著改变静电纺纳米纤维织物的物理性能。因此,可以认为电纺丝纤维空气过滤织物工作在稳定的过滤过程中。

 

(3)抗菌抗病毒

如何提高静电纺丝纳米纤维对细菌或病毒的吸附效率是目前需要考虑的重要问题。提高静电纺丝纳米纤维的表面粗髓度,增加比表面积,是一种可行且通用的方法。结合静电纺丝技术的特点,在纺丝原液中掺入抗菌剂是一种有效而简便的方法。银纳米颗粒(AgNPs)通常是用于此目的的首要选择。口罩的广泛使用,尤其是近两年,给环境带来了巨人的污染。如何设计可生物降解的口罩也是一个关键的考虑因素。基于静电纺丝技术的抗菌抗病毒口罩,将为人类健康提供简单有效的防护。

图4 口罩

 

(4)电磁屏蔽膜

采用静电纺丝技术的优势在于其特有的一维纳米纤维可以构建致密的导电网络,增强EM反射。而静电纺丝纳米纤维的高孔隙率和大纵横比可以产生低阻抗。EM波很容易进入纤维基材料,在纤维界面处会发生EM能量的损失。因此,利用静电纺丝技术制备具有良好EM干扰屏蔽性能的高性能纳米纤维材料已成为前沿研究趋势。

 

2.3 静电纺丝技术在纺织热调控中的应用

(1)导热性增加

将导热性好的材料混合到静电纺丝溶液中,实现被动冷却,是提高静电纺丝膜导热性的一种直接而简单的方法。在技术原理和材料制备方面,这一策略的实施并不困难。特别是对静电纺丝薄膜的微/纳米成果要求不高。然而,固体导热材料的加入很容易对溶液的可纺性产生不利影响。因此,对导热材料的选择和形态的控制都有一定的要求。

 

Lei的团队报道了一种高温导热纳米复合纺织品,该纺织品由氨基功能氮化硼(FBN)纳米片和聚酰亚胺(PI)纳米纤维通过绿色静电纺丝制成(图5)。这种获得的FBN-PI纺织品即使在300°C的温度下也显示出很高的导热性(13.1 Wm-1K-1)。从机理分析可以发现,紧密堆叠的FBN丝构建了一个高效的热传导网络,使得热量能够在单个纳米纤维中高效地传递。通过手指led温度测试,证明了FBN灯丝具有良好的散热性能。由于其良好的导热性和分散性能,氮化硼纳米片(BNNSs)经常被用于增强静电纺丝膜的导热性。

图5 用于生产FBN-PI纺织品的“绿色”电纺丝工艺示意图。及其作为可穿戴热调节纺织品的应用。

 

(2)绝缘——三维多孔结构

绝缘是服装的一项极其重要的应用。传统的棉质或羽绒材料具有优异的保温效果,一直受到人类的青睐。但是,随着社会的进步,人们对保温面料提出了新的要求,希望在具有良好保温效果的同时,达到最小的质量厚度,还可以赋予其他功能,以应对各种不同的使用环境。 提高织物的保温性能,主要有两种途径:一是在制作保温材料时,尽量使用导热系数较小的纤维.是通过考虑传导、对流、辐射等因素,在不流动的情况下,使织物中的空气量最大化,即获得最大的静态空气含量。静电纺丝技术的优点是可以构造出各种松度和孔隙率都很高的织物。一般来说,静电纺丝聚合物纤维本身的导热性较弱,因此很难从材料导热性方面优化其保温性能。因此,研究人员大多是通过制造更稳定、面积更大的静止空气来提高材料的保温性能。

 

具有三维孔隙结构的气凝胶是一个很好的选择。Liu等人以不同氧化铝/二氧化硅摩尔比的电纺纳米纤维为基体,通过凝胶浇铸和冷冻干燥方法制备莫来石基纳米纤维气凝胶。该气凝胶显示出独特的多级孔隙结构,具有超低密度(34.64-48.89 mgcm-3))和低导热系数(0.03274-0.04317Wm-1K-1)。

 

2.4 静电纺丝在人体再生修复中的应用

(1)护肤品

在过去的几十年里,随着生活水平和技术的提高,人们越来越追求更好的生活质量,对美容护肤品的需求呈指数级增长。值得注意的是,在护肤品中,面膜市场是最重要的品类,占比高达70%,且仍在增长。仅2018年全球面膜市场就达到21亿美元,预计到2026年将达到29亿美元,在预测期内的复合年增长率为3.7%。因此,面膜领域具有很大的研究和创新价值。从技术角度看,静电纺丝技术在面膜领域的应用,可以衍生出一种新型的干式面膜。使用时,少量的水就能溶解里面的有效物质,被皮肤吸收。干性面膜可以让内部所今的营养成分更长人的保存,避免氧化或分解。这种静电纺丝干式面膜具有明显的可行性和诸多优点:

首先,静电纺丝技术很容易将各种有效物质装入纳米纤维内部;

其次,纳米纤维具有非常高的比表面积,可以在水中快速溶解,快速释放有效物质;

第三,少量纳米纤维在基材上具有良好的附着力;

最后,利用静电纺丝技术可以快速实现面膜的大规模工业化生产。

图6 干式面膜

 

(2)伤口愈合

市场上有成千上万种伤口愈合敷料。然而,基于静电纺丝技术的伤口愈合敷料仍是科学研究的重点。这是因为静电纺丝技术在这一领域具有独特的、不可替代的优势:首先是静电纺丝纳米纤维能够模拟皮肤细胞外基质(ECM)的自然结构。这使得静电纺丝纳米纤维敷料对伤口轮廓具有良好的适应性;二是控制靶向给药的能力。静电纺丝可用于将酶、生长因子、抗生素或抗氧化剂等多种药物加载到纳米纤维的内部或表面;然后,静电纺丝纳米纤维可以调节其力学参数,从而影响细胞生长和组织再生,最终调节伤口愈合过程;最后,静电纺丝纳米纤维敷料具有良好的透气性和可调节的润湿性,可以实现防水、透湿等特殊功能,为伤口愈合改善更好的环境。

图7 伤口愈合敷料

3. 结论

静电纺丝技术发挥着越来越重要的作用,在人类健康领域,从早期检测到后期重建,具有独特微/纳米孔的静电纺丝材料结构具有无与伦比的优势和特点在其他材料中。在这篇综述中,我们首先对静电纺丝技术综述及分析条件的影响及相关技术的发展设备在下面最重要的部分中,我们给出全面而详细地讨论了静电纺丝在人类健康领域的各自应用。从机理到制备方法再到应用,我们不仅进行了综合统计的同时也进行了平行比较。这些优秀的研究成果将这一新兴的再探索领域推向了一个新的发展阶段。然而,在良好的发展前景下,这一领域仍然存在挑战和机遇。

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