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[转载]龙云泽教授:便携式静电纺丝设备的最新进展及其在伤口护理中的应用

已有 530 次阅读 2019-5-14 14:19 |系统分类:科普集锦| 生物医用, 静电纺丝 |文章来源:转载

近年来,电纺纤维及其纤维膜由于高的比表面积,高的孔隙率以及形貌可控等优点在伤口愈合方面引起了很多关注,电纺纤维膜一方面能够物理隔绝病毒和细菌,又能够透气保湿,给伤口营造一个良好的愈合环境;另一方面,电纺纤维的直径以及纤维膜的孔径与细胞外基质的尺寸相仿,能够促进细胞生长,加速伤口愈合速度,减少疤痕产生,因此在创伤敷料方面有独特的优势。但大多数电纺敷料通常是经过先制备再应用的过程,容易对伤口造成二次创伤。原位电纺目前是一种较为理想制备及应用电纺敷料的方法。便携式手持静电纺丝装置提供了一种原位快速的给药方式,可用于快速救治、伤口处理,例如皮肤烧烫伤处理,促进伤口愈合。

  近日,青岛大学龙云泽教授课题组在期刊Nanoscales上发表一篇题目为“Advances in portable electrospinning devices for in-situ delivery of personalized wound care”的综述,全面概述便携式静电纺丝技术的最新进展及其在伤口护理和再生医学中的潜在应用。首先简要介绍了静电纺丝的基本原理和设备,并对比了手持式、电池驱动、发电机驱动便携式静电纺丝设备的优缺点。最后,作者对便携式静电纺丝的未来发展面临的挑战、机遇和新方向提供了独特的见解。

  手持式静电纺丝装置及其原位应用

  为了实现原位静电纺丝,Edirisinghe等人提出了一种便携式静电纺丝装置,该装置包含便携式手持喷丝器。随后,采用便携式静电纺丝装置对创面愈合过程中的生物制品进行原位沉积,可有效促进伤口愈合。此外,Long等人设计了一种气流定向原位静电纺丝装置,用于快速止血。最近,国产便携式静电纺丝设备已被商业化生产的设备所取代。商业化手持式静电纺丝仪(图6)包括两个枪形喷丝器和一个气流管道。因此,如图6b所示,静电纺丝射流受到气流的束缚,从而使静电纺丝纤维精确地沉积在靶区。该装置可携带性和可控制的纤维沉积进一步增加了原位静电纺丝在伤口愈合中的应用潜力(图6c和d)。

图6 (a)青岛聚纳达公司手持式静电纺丝仪图像。(b)指向目标位置的纤维。(c)手持喷枪的使用。(d)直接将纤维沉积在人手上。

  虽然目前讨论的静电纺丝设备是便携式的,但只有喷丝器组件是手持的,其余部件太大、太重,无法方便地拿在手里。为了解决这一限制,以及相关设备的高成本,Brako等人提出了一种廉价的便携式静电纺丝设备(图7)。这种高度便携的设备可能为在个性化高级伤口护理中更实际地使用功能纳米纤维提供了一条途径。

图7 便携式EHD设备示意图(a),以及微型手持设备单元组装的照片(b), (c-e)设备在纤维沉积到模拟创面时的实时记录快照。

  电池驱动便携式静电纺丝装置及其应用

  电池驱动的手持式静电纺丝装置可将生物可降解聚合物直接纺丝到软组织损伤处,形成原位纤维敷料。Smith和Reneker还提出了一种带有储液器的电池供电设备进行静电纺,并描述了将纤维网直接电纺到受伤的皮肤区域的过程。最近,Josef Haik等人研究了一种便携式静电纺丝装置用于直接应用于伤口敷料生产的可行性。Long等人设计了一种简单的手持式电池驱动的静电纺丝仪(BOEA),如图所示,使用手指按压注射器,该装置的高压电源由电池和高压变换器供电。并研究了该装置在原位静电纺丝中的应用及其对伤口愈合的影响。由于BOEA的便携性,直接沉积用于伤口愈合的个性化纳米纤维敷料已经得到证实。此外,还提出了将该装置用于过滤等其他应用的可能性。

图10 (a)电池驱动便携式手持式静电纺丝装置示意图。(b)该设备在中国的商用图像。(c)高速摄像机捕捉到的设备静电纺丝射流,静电纺丝(d) PVP, (e) PVDF, (f) PCL纤维形貌图。

  发电机驱动便携式静电纺丝装置

  尽管电池驱动静电纺丝设备便携性很好,但电池寿命是手持设备的限制之一。为了实现不间断运行,Han等人提出了一种基于手动的自旋电动装置Wimshurst发电机。与电池驱动的静电纺丝设备相比,高压电源被Wimshurst发电机所取代,由于静电感应,Wimshurst发电机的电压可达15千伏。聚苯乙烯(PS)、聚偏氟乙烯(PVDF)、PCL、聚乳酸(PLA)等聚合物溶液已用这种方法电纺成纤维网,以及三维结构纤维。这种自供电的静电纺丝装置已被提出用于原位静电纺伤口敷料,特别是在没有电力供应的情况下。

图15 (a)原理图的自供电的电纺的设备基于Wimshurst生成器,(b)设备的照片,(c)电纺的设备使用这个由高速摄像机记录,(d)的光学显微镜图像实际上电纺纤维PS网络和(e) PS3d堆叠结构的纤维。(f)纤维直接在皮肤上原位静电纺丝。

  虽然这种自供电的静电纺丝装置不需要直接供电或电池,但所提供的高电压Wimshurst发电机或R-TENG不是很稳定。为了解决这一问题,Yan等人设计了一种太阳能电池手持便携静电纺丝仪(SHPE)。SHPE设备的电源包括太阳能电池、手摇发电机、一组充电电池和如图所示的高压转换器。此外,所产生的电能可以储存在可充电电池中,然后通过高压转换器转换成高压(~3.8 kV),从而保证在一定距离内稳定的高压溶液或熔体静电纺丝。研究结果表明,高度便携的设备,利用太阳能电池和手摇发电机提供的稳定电源,可以在户外将膜直接电纺丝到受伤的组织上。

图18 (a-c) SHPE装置设计(a)三维示意图,(b) SHPE装置剖面图,(c)电源原理图。(d)该装置的图像,以及(e)使用该装置进行溶液静电纺丝的纺丝性能。(f-i)分别为PLA、PS、PVP和PLGA纺丝后的SEM图像。

  除溶液静电纺丝外,SHPE装置还可将喷丝头转变为锥形金属喷嘴用于熔融静电纺丝,其中聚合物颗粒可通过热枪或酒精灯加热成熔融体。在电纺丝过程中可以形成熔体静电纺丝射流(图20c)。采用SHPE装置将聚乳酸(PLA)、PCL和聚氨酯(PU)等材料熔体电纺成微纤维(图20d-f)。对于偏远地区的户外使用,加热系统可以采用酒精灯、蜡烛或打火机的形式。

图20 以(a)加热枪和(b)酒精灯为加热系统的熔融电纺丝SHPE装置的光学图像。(c)使用该装置进行熔融静电纺丝。电纺(d) PLA、(e) PCL和(f) PU纤维的SEM图像。

  发电机驱动的便携式静电纺丝装置是自供电的,在静电纺丝过程中可以达到稳定的性能,但也存在着比电池驱动装置大的缺点。为了获得更小的体积和重量,Duan等人提出了一种使用压电(PZT)陶瓷发电机的简单静电纺丝装置,取代高压供电系统,大大促进了器件小型化的发展。使用PZT发电机,产生了约56kv的高脉冲电压,足以实现电纺丝过程。然而,由于PZT产生脉冲电压,静电纺丝过程不能连续运行,该装置只能用于演示目的。尽管如此,该方法为超便携静电纺丝设备的设计提供了一种全新的思路。

图21 (a) PZT的原理图,(b) PZT操作的静电纺丝装置原理图,(c)便携式静电纺丝装置样机照片。该装置制备的电纺(d) PVP和(e) PVDF纤维的SEM图像。

  总结与展望

  便携式静电纺丝设备逐渐受到科学界和医学界的广泛关注,作为一种潜在的手段,制备各种伤口敷料。近年来,以电池或发电机为动力的便携式静电纺丝装置取得了重大进展,性能和便携性得到了很大的提高。其中最重要的进展是控制静电纺丝纤维沉积到病变部位的能力,以及在几分钟内原位生成敷料的能力。近年来,便携式静电纺丝设备的发展主要集中在技术设计上,而不是使用的材料。原位沉积过程在许多情况下只适合于演示而不适合实际应用。此外,这些设备大多依赖于溶液静电纺丝,这将造成纤维中存在残留溶剂的风险。为了改进原位静电纺丝,需要避免在纤维的形成过程中使用有毒溶剂,这些溶剂应基于合适的聚合物体系,且与伤口具有良好的相容性。最后展望了便携式静电纺丝设备在伤口愈合方面的发展。

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文章来源:易丝帮



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