WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology:电纺制备复杂纳米结构

这个物质世界是结构控的!从分子到宏观物体,普遍由各种复杂的空间结构形成。尤其在当今纳米时代,人类认识世界和改造世界越来越多地聚焦于微纳米物质层次上,自然界的各种复杂功能纳米结构得到越来越广泛的解读,例如DNA双螺旋、趋磁细菌产生的磁性纳米晶可以帮助它们利用地球磁场导航、以及1纳米宽的疏水蜡晶使得荷叶具有高度的疏水性能。

“道法自然”、复杂纳米结构对于开发新型功能纳米材料具有支撑作用,特别是通过多种活性成分的协同作用产生效果的多功能材料。然而,复杂纳米结构的制备始终是一个困扰研究人员的难题。无论传统“自下而上”或“自上而下”纳米制备方法,它们在复杂纳米结构制备的简便性和稳定重现性上都很难让人满意。

在过去的几十年里,芯鞘纳米结构(反映了一种内外的空间关系)和并列纳米结构(或Janus,反映了一种上下或左右的空间关系)及它们的各种衍生结构支撑着功能纳米结构的快速发展。然而,更高级别的复杂的纳米结构(如三层芯鞘结构、三层并列结构以及芯鞘与并列的组合结构)由于制备的困难,其报道非常少见。

高压静电纺丝技术,简称电纺,是一种简单有效的无纺布制备方法。正如纺织工业中传统的湿法纺丝和干法纺丝技术一样,它是一种聚合物纳米纤维的制备技术。该技术利用静电场力与聚合物流体的相互作用,制备数十纳米到几微米直径的纤维。在各种纳米技术繁花似锦的今天,该技术的高度流行得益于如下几个优势:1)单步直接、有效低成本地制备聚合物纳米纤维;2)纳米纤维形成的无纺布具有直径小、表面积大、孔隙率高等优势;3)聚合物纳米纤维作为一个模板,易于通过添加功能组分、实施功能化应用。但是,电纺技术的最新发展表明,它的最宝贵价值之一是通过多流体电纺工艺简单直接制备出具有复杂结构特征的纳米纤维,为功能纳米材料的开发提供一个巨大的升级版平台。

在最近的一篇报道中,来自上海理工大学材料科学与工程学院的余灯广教授团队对这一领域的最新进展进行了一个阶段性总结,并探讨了将复杂多流体电纺技术应用于纳米医学领域的一些策略举措。新的多流体电纺技术能够以一种符合电流体动力学原理的方式同时处理三种、四种或更工作流体,以纺丝头出口为宏观模板、单步制造具有相应复杂结构特征的纳米纤维。这些多流体电纺技术包括三级同轴电纺、四级同轴电纺、三层并列电纺、同轴内含并列电纺等新型电纺工艺。

这些多流体电纺可以极大地拓展电纺技术制备复杂纳米结构的能力。目前,这些新型多流体电纺技术仍处于它们的初级阶段,对于未来的进一步发展,它们有一些共性的问题或挑战,例如:纺丝头结构的合理设计和制备,以确保它们能够有效地将三种或更多的、理化性能不同的工作流体导入高压静电场中;多流体中如果包含有一个或两个不具有电纺成丝性能的流体,它们对所设计复杂纳米结构制备的影响;以及多流体电纺制备多级复杂结构特征纳米纤维的微纳成型机制。作者指出,未来研究中值得期待的是如何以这些复杂纳米结构为平台,设计制备新型的多功能纳米材料、造福社会。

作为共同作者的东华大学化学化工与生物工程学院教授朱利民博士展望道:“基于上述电纺复杂纳米结构为模板,我们相信未来能够开发出一系列由不同抗癌活性成分组成的多药联合治疗新制剂,这些活性成分可以是小分子化学药物,可以是中药活性成分,也可以是抗呕剂或其它安慰剂。”

相关工作以“Multifluid electrospinning for the generation of complex nanostructures”为题,在线发表在WIREs Nanomedicine & Nanobiotechnology(DOI:10.1002/wnan.1601)上。