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【摘 要】对纯壳聚糖、壳聚糖和其他聚合物的混合物的静电纺纳米纤维膜的制备和特点进行了综述。
【关键词】纤维素；壳聚糖；静电纺丝；混纺
1.引言
静电纺丝技术是将聚合物溶液或熔体在外加高压静电场作用下拉伸成丝的一种技术。相比于传统纺丝技术，静电纺丝的纤维直径更细，从而使其堆积而成的纤维膜具有更大的比表面积和更高的孔隙率，应用前途广泛 [1]。
壳聚糖（CS， 1，4-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖）是自然界中甲壳素脱乙酰化后的产物，是目前发现的唯一一种天然碱性多糖，其在自然界中的产量仅次于纤维素 [2]。通过静电纺丝将壳聚糖制备成纳米纤维产品，可以扩大其用途。本文从单纯壳聚糖的纺丝、壳聚糖的共纺两方面进行了综述。
2. 纯壳聚糖电纺
壳聚糖由于其中氨基的质子化作用而使得其可溶于大多数的酸，在电纺高压电场的作用下，聚合物因骨架内离子的排斥力作用而限制了连续纤维的形成且常产生珠状结，因此纯的壳聚糖难以进行静电纺丝[2]。但Ojkawa等[3]通過使用三氟乙酸（TFA）作溶剂制纯壳聚糖电纺液而制得纯壳聚糖静电纺丝的纳米纤维，因为TFA可与壳聚糖上的氨基形成盐，有效降低了壳聚糖分子间的相互作用而更易纺丝。此外，TFA高挥发性有利于壳聚糖TFA溶液静电纺丝的迅速固化。随着壳聚糖浓度上升，纤维形态将由珠状到相互连接的纤维网状过渡。在壳聚糖-TFA溶液中加入二氯甲烷（DCM）则可改善静电纺丝纤维的均匀性且不生成相互连接的纤维网，最佳条件下时可得均匀的平均直径为330 nm的壳聚糖。而Ohkawa及其同僚等又优化壳聚糖溶液以减少其纤径。Sangsanoh等[4]开发使用TFA/DCM（70：30v/v）的壳聚糖电纺溶液纺得纳米纤维平均直径仅126 ± 20 nm且更光滑无珠结出现。
除TFA外还有一种壳聚糖的良溶剂，即浓乙酸，Geng等人[5]研究以浓乙酸作溶剂时壳聚糖静电纺丝，在一种理想条件下（7%壳聚糖溶液在含水90%的醋酸溶液中，电场强度4KV/cm）能制得一种平均直径139nm的纳米纤维，纺丝液中乙酸溶度大于30%是纺制纳米纤维的前提条件，因为醋酸溶度越高会减少壳聚糖表面张力和增加喷头电荷密度但又不明显改变其黏度。但当溶度高过90%后，就不能溶解足够的壳聚糖以达到纺丝粘度的要求。此外，只有壳聚糖分子量为1.06×105g/mol才能喷出无珠结的纳米纤维，相对分子质量低于3.00×104g/mol或高于3.98× 105g/mol就没这个效果。
3.壳聚糖与聚合物混纺
3.1 壳聚糖与聚乙烯醇混纺
聚乙烯醇（PVA）具有无毒、生物相容性好等特点，且有很好的成纤性，通过静电纺丝方法制备壳聚糖/PVA混合物纳米纤维的相关报道较多[6-10]。将脱乙酰度为82.5%的壳聚糖（Mn = l 600k Da）和聚乙烯醇（PVA，MW=124～186kDa）混合，以2 vol. %的乙酸溶液为溶剂，通过静电纺丝制成了直径为20～100nm的纳米纤维， PVA含量增加能得到珠状结更少、成纤率更高的纤维。通过用溶液除去壳聚糖/PVA双组分中的PVA则可得纯的微孔结构的壳聚糖纤维，所得这种纤维有极好生物相容性、高比表面积和高孔率。壳聚糖/PVA可通过热诱导化学交联法进行交联[11]。在纺丝溶液中加入三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA），静电纺丝成纤维后在80℃加热处理2 h就可以得到交联的纤维毡，具有表面光滑、形态规则和抗拉力强等特点，纤维的抗拉力随加入TEGDMA量的增加而增大。
3.2 壳聚糖与聚环氧乙烷混纺
壳聚糖与PEO混纺纤维具良好生物相容性，可用于软骨组织修复和伤口敷料。Klossner等[12]通过壳聚糖与PEO混合纺丝原液进行电纺得到一种无缺陷的平均纤径为62-129 nm的纳米纤维，研究发现随着聚合物（壳聚糖和PEO）浓度增加，珠状结数量会减少，且由于壳聚糖浓度的增加，纤维直径增加。壳聚糖/PEO混合物溶液放置时间太长会发生相分离，电纺液中加入NaCI可以使溶液更稳定。
以含Ag/壳聚糖胶体的壳聚糖/PEO溶液为纺丝溶液，将原位化学还原法和静电纺丝方法相结合，可以制成非常均匀的含Ag纳米颗粒（AgNPs）的壳聚糖/PEO超细纳米纤维[13]。AgNPs的直径小于5 nm，均匀分布在壳聚糖/PEO纤维中，纤维中存在的Ag-O键使AgNPs可以和壳聚糖紧密结合。通过AgNPs/壳聚糖/PEO纳米纤维膜对大肠杆菌抑制的研究表明，AgNPs明显增强了纤维的抗菌能力。
3.3 壳聚糖与聚乳酸的混纺
聚乳酸（PLA）具有良好的生物相容性、生物可降解性、降解产物可被机体吸收以及较好的力学性能等优点，在生物医学领域有着广泛的应用[14-16]。实验发现随着CS含量的增加，CS/PLA复合纳米纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率也显著增大。当质量比大于1/15时，复合纳米纤维对2种菌的抗菌效果开始明显；当质量比大于1/l0时，复合纳米纤维对2种菌的抑菌率达90%以上。对于CS的抑茵机理，目前有着不同的解释。Hadwiger等推测CS上带正电荷的游离胺基与细菌的细胞壁结合而阻碍细菌的增殖，从而起到抑菌作用。冯小强等认为低分子CS具有杀菌作用是因为分子量小，容易进入细胞壁的空隙结构内，干扰细胞的新陈代谢，高分子CS具有杀菌作用是源于抗菌因子-NH3+，且高分子CS易成膜，可在细胞表面形成足够致密的膜，阻止了细菌的营养输入。宋献周等推测可能是低分子量CS进入菌体细胞内，与带负电荷的细胞质发生作用，从而实现抑菌作用。本试验结果显示，CS/PLA复合纳米纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都有明显的抑制作用[17]。
3.4 壳聚糖与聚己酸内酯的混纺
聚己酸内酯（PCL）为半结晶性聚合物，可以作为手术缝线、骨折固定材料和药物载体。Yang等[18]制成了含不同比例壳聚糖的PCL纳米纤维，纤维的平均直径、亲水性能、杨氏模量和降解性能均与壳聚糖的含量相关，固定在PCL纳米纤维上的壳聚糖不仅能促进MC 333-El细胞的粘附和增殖，还可以促进钙沉积，提高碱性磷酸酶的活性。而且比纯PCL纳米纤维更能加快骨组织的形成。 4. 总结
壳聚糖可溶于大部分酸液，但是其主链上氨基的质子化导致的壳聚糖骨架的排斥作用抑制了壳聚糖的可纺性。目前主要通过使用含氟溶剂， 与共它高分子共纺和壳聚糖衍生化三种方法来制备壳聚糖纤维膜. 过去几年里，在电纺制造不同形状不同特征的壳聚糖纳纤领域取得丰硕成果，然而仍有些问题亟待解决，如纳米纤维产品的生产重现性差、产量较低、难以大规模生产和应用；壳聚糖纳米纤维机械性能较差；许多纺丝溶剂毒性较强等。设计各种含壳聚糖的混合纺丝溶液；调整纺丝过程的各种工艺参数以达到纤维直径、取向及形貌可控；寻求适合壳聚糖静电纺丝的绿色溶剂；对纤维产品进行进一步修饰等均是今后的研究重点。
参考文献：
[1] Mi FL， Tan YC， Liang HF， Sung HW. Biomaterials， 2002， 23， 181-191.
[2] Min BM， Lee SW， Lim JN， You Y， Lee TS， Kang PH， Park WH. Polymer， 2004， 45， 7137-7142.
[3] Ohkawa K，Cha D，Kim H.Macromol. Rapid Commun. 2004， 25（18）： 1600-1605.
[4] Sangsanoh P， Suwantong O， Neamnark A， Cheepsunthorn P， Pavasant P， Sunpaphol P. Europ. Polym. J.， 2010， 46， 428-440.
[5] Lin T， Fang J， Wang H. Carbohydr. Res. 2006， 341， 374-381.
[9] Huang XJ， Ge D， Xu ZK. Euro. Polym. J. 2007， 43， 3710-3718.
[10] Zhou YS， Yang D， Nie J. J. Appl. Polym. Sci. 2006， 102， 5692-5697.
[11] Zhou YS， Yang D， Nie J. Chinese Chem. Lett. 2007， 18， 118-120.
[12] Klossner RR， Queen HA， Coughlin AJ， Krause WE. Biomacromolecules 2008， 9， 2947-2953.
[13] An J；Zhang H；Zhang J T. Colloid. Polym. Sci. 2009， 287， 1425-1434.
[14] Khanna O，Moya M L，Opara E C.J. Biomed. Mater. Res. 2010，95， 63-68.
[15] Lina N，Huang J，Chang P R.Colloid. Surf. B：Biointerf. 2011，85（2）， 270-278.
[16] Vaghani SS，Patel MM，Satish CS.Carbohydr. Res. 2012，347（1）， 76-86.
[17] 王華林， 丁曼， 翟林峰，宋秋生，姜绍通. 壳聚糖/聚乳酸复合纳米纤维的制备与表征. 高分子材料科学与工程。 2013， 29， 162-165.
[18] Yang XC， Chen XN， Wang HJ. Biomacromolecules 2009， 10， 2772-2778.
【关键词】纤维素；壳聚糖；静电纺丝；混纺
1.引言
静电纺丝技术是将聚合物溶液或熔体在外加高压静电场作用下拉伸成丝的一种技术。相比于传统纺丝技术，静电纺丝的纤维直径更细，从而使其堆积而成的纤维膜具有更大的比表面积和更高的孔隙率，应用前途广泛 [1]。
壳聚糖（CS， 1，4-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖）是自然界中甲壳素脱乙酰化后的产物，是目前发现的唯一一种天然碱性多糖，其在自然界中的产量仅次于纤维素 [2]。通过静电纺丝将壳聚糖制备成纳米纤维产品，可以扩大其用途。本文从单纯壳聚糖的纺丝、壳聚糖的共纺两方面进行了综述。
2. 纯壳聚糖电纺
壳聚糖由于其中氨基的质子化作用而使得其可溶于大多数的酸，在电纺高压电场的作用下，聚合物因骨架内离子的排斥力作用而限制了连续纤维的形成且常产生珠状结，因此纯的壳聚糖难以进行静电纺丝[2]。但Ojkawa等[3]通過使用三氟乙酸（TFA）作溶剂制纯壳聚糖电纺液而制得纯壳聚糖静电纺丝的纳米纤维，因为TFA可与壳聚糖上的氨基形成盐，有效降低了壳聚糖分子间的相互作用而更易纺丝。此外，TFA高挥发性有利于壳聚糖TFA溶液静电纺丝的迅速固化。随着壳聚糖浓度上升，纤维形态将由珠状到相互连接的纤维网状过渡。在壳聚糖-TFA溶液中加入二氯甲烷（DCM）则可改善静电纺丝纤维的均匀性且不生成相互连接的纤维网，最佳条件下时可得均匀的平均直径为330 nm的壳聚糖。而Ohkawa及其同僚等又优化壳聚糖溶液以减少其纤径。Sangsanoh等[4]开发使用TFA/DCM（70：30v/v）的壳聚糖电纺溶液纺得纳米纤维平均直径仅126 ± 20 nm且更光滑无珠结出现。
除TFA外还有一种壳聚糖的良溶剂，即浓乙酸，Geng等人[5]研究以浓乙酸作溶剂时壳聚糖静电纺丝，在一种理想条件下（7%壳聚糖溶液在含水90%的醋酸溶液中，电场强度4KV/cm）能制得一种平均直径139nm的纳米纤维，纺丝液中乙酸溶度大于30%是纺制纳米纤维的前提条件，因为醋酸溶度越高会减少壳聚糖表面张力和增加喷头电荷密度但又不明显改变其黏度。但当溶度高过90%后，就不能溶解足够的壳聚糖以达到纺丝粘度的要求。此外，只有壳聚糖分子量为1.06×105g/mol才能喷出无珠结的纳米纤维，相对分子质量低于3.00×104g/mol或高于3.98× 105g/mol就没这个效果。
3.壳聚糖与聚合物混纺
3.1 壳聚糖与聚乙烯醇混纺
聚乙烯醇（PVA）具有无毒、生物相容性好等特点，且有很好的成纤性，通过静电纺丝方法制备壳聚糖/PVA混合物纳米纤维的相关报道较多[6-10]。将脱乙酰度为82.5%的壳聚糖（Mn = l 600k Da）和聚乙烯醇（PVA，MW=124～186kDa）混合，以2 vol. %的乙酸溶液为溶剂，通过静电纺丝制成了直径为20～100nm的纳米纤维， PVA含量增加能得到珠状结更少、成纤率更高的纤维。通过用溶液除去壳聚糖/PVA双组分中的PVA则可得纯的微孔结构的壳聚糖纤维，所得这种纤维有极好生物相容性、高比表面积和高孔率。壳聚糖/PVA可通过热诱导化学交联法进行交联[11]。在纺丝溶液中加入三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA），静电纺丝成纤维后在80℃加热处理2 h就可以得到交联的纤维毡，具有表面光滑、形态规则和抗拉力强等特点，纤维的抗拉力随加入TEGDMA量的增加而增大。
3.2 壳聚糖与聚环氧乙烷混纺
壳聚糖与PEO混纺纤维具良好生物相容性，可用于软骨组织修复和伤口敷料。Klossner等[12]通过壳聚糖与PEO混合纺丝原液进行电纺得到一种无缺陷的平均纤径为62-129 nm的纳米纤维，研究发现随着聚合物（壳聚糖和PEO）浓度增加，珠状结数量会减少，且由于壳聚糖浓度的增加，纤维直径增加。壳聚糖/PEO混合物溶液放置时间太长会发生相分离，电纺液中加入NaCI可以使溶液更稳定。
以含Ag/壳聚糖胶体的壳聚糖/PEO溶液为纺丝溶液，将原位化学还原法和静电纺丝方法相结合，可以制成非常均匀的含Ag纳米颗粒（AgNPs）的壳聚糖/PEO超细纳米纤维[13]。AgNPs的直径小于5 nm，均匀分布在壳聚糖/PEO纤维中，纤维中存在的Ag-O键使AgNPs可以和壳聚糖紧密结合。通过AgNPs/壳聚糖/PEO纳米纤维膜对大肠杆菌抑制的研究表明，AgNPs明显增强了纤维的抗菌能力。
3.3 壳聚糖与聚乳酸的混纺
聚乳酸（PLA）具有良好的生物相容性、生物可降解性、降解产物可被机体吸收以及较好的力学性能等优点，在生物医学领域有着广泛的应用[14-16]。实验发现随着CS含量的增加，CS/PLA复合纳米纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率也显著增大。当质量比大于1/15时，复合纳米纤维对2种菌的抗菌效果开始明显；当质量比大于1/l0时，复合纳米纤维对2种菌的抑菌率达90%以上。对于CS的抑茵机理，目前有着不同的解释。Hadwiger等推测CS上带正电荷的游离胺基与细菌的细胞壁结合而阻碍细菌的增殖，从而起到抑菌作用。冯小强等认为低分子CS具有杀菌作用是因为分子量小，容易进入细胞壁的空隙结构内，干扰细胞的新陈代谢，高分子CS具有杀菌作用是源于抗菌因子-NH3+，且高分子CS易成膜，可在细胞表面形成足够致密的膜，阻止了细菌的营养输入。宋献周等推测可能是低分子量CS进入菌体细胞内，与带负电荷的细胞质发生作用，从而实现抑菌作用。本试验结果显示，CS/PLA复合纳米纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都有明显的抑制作用[17]。
3.4 壳聚糖与聚己酸内酯的混纺
聚己酸内酯（PCL）为半结晶性聚合物，可以作为手术缝线、骨折固定材料和药物载体。Yang等[18]制成了含不同比例壳聚糖的PCL纳米纤维，纤维的平均直径、亲水性能、杨氏模量和降解性能均与壳聚糖的含量相关，固定在PCL纳米纤维上的壳聚糖不仅能促进MC 333-El细胞的粘附和增殖，还可以促进钙沉积，提高碱性磷酸酶的活性。而且比纯PCL纳米纤维更能加快骨组织的形成。 4. 总结
壳聚糖可溶于大部分酸液，但是其主链上氨基的质子化导致的壳聚糖骨架的排斥作用抑制了壳聚糖的可纺性。目前主要通过使用含氟溶剂， 与共它高分子共纺和壳聚糖衍生化三种方法来制备壳聚糖纤维膜. 过去几年里，在电纺制造不同形状不同特征的壳聚糖纳纤领域取得丰硕成果，然而仍有些问题亟待解决，如纳米纤维产品的生产重现性差、产量较低、难以大规模生产和应用；壳聚糖纳米纤维机械性能较差；许多纺丝溶剂毒性较强等。设计各种含壳聚糖的混合纺丝溶液；调整纺丝过程的各种工艺参数以达到纤维直径、取向及形貌可控；寻求适合壳聚糖静电纺丝的绿色溶剂；对纤维产品进行进一步修饰等均是今后的研究重点。
参考文献：
[1] Mi FL， Tan YC， Liang HF， Sung HW. Biomaterials， 2002， 23， 181-191.
[2] Min BM， Lee SW， Lim JN， You Y， Lee TS， Kang PH， Park WH. Polymer， 2004， 45， 7137-7142.
[3] Ohkawa K，Cha D，Kim H.Macromol. Rapid Commun. 2004， 25（18）： 1600-1605.
[4] Sangsanoh P， Suwantong O， Neamnark A， Cheepsunthorn P， Pavasant P， Sunpaphol P. Europ. Polym. J.， 2010， 46， 428-440.
[5] Lin T， Fang J， Wang H. Carbohydr. Res. 2006， 341， 374-381.
[9] Huang XJ， Ge D， Xu ZK. Euro. Polym. J. 2007， 43， 3710-3718.
[10] Zhou YS， Yang D， Nie J. J. Appl. Polym. Sci. 2006， 102， 5692-5697.
[11] Zhou YS， Yang D， Nie J. Chinese Chem. Lett. 2007， 18， 118-120.
[12] Klossner RR， Queen HA， Coughlin AJ， Krause WE. Biomacromolecules 2008， 9， 2947-2953.
[13] An J；Zhang H；Zhang J T. Colloid. Polym. Sci. 2009， 287， 1425-1434.
[14] Khanna O，Moya M L，Opara E C.J. Biomed. Mater. Res. 2010，95， 63-68.
[15] Lina N，Huang J，Chang P R.Colloid. Surf. B：Biointerf. 2011，85（2）， 270-278.
[16] Vaghani SS，Patel MM，Satish CS.Carbohydr. Res. 2012，347（1）， 76-86.
[17] 王華林， 丁曼， 翟林峰，宋秋生，姜绍通. 壳聚糖/聚乳酸复合纳米纤维的制备与表征. 高分子材料科学与工程。 2013， 29， 162-165.
[18] Yang XC， Chen XN， Wang HJ. Biomacromolecules 2009， 10， 2772-2778.