一、研究背景

近年来，静电纺丝作为制备微纳米材料的重要技术，因纤维基应用的快速需求而受到越来越多的关注。静电纺丝是一种通过施加高电压电场将聚合物溶液拉伸成纳米纤维的过程。早在1600年，吉尔伯特就首次提出了静电纺丝的概念，他在一项研究中观察到聚合物溶液在电场下可以形成锥形液滴。1882年，泰勒发表了一系列开创性的论文，指出当电场强度增加到临界水平时，球形液滴会逐渐演变为锥形（现在通常称为“泰勒锥”），并发出液体喷流。静电喷射过程在纤维制备中的应用最终演变为静电纺丝技术。1990年后，Reneker小组和Rutledge小组对静电纺丝技术及其应用进行了更深入的研究,。最近，随着新材料在复合材料和陶瓷纳米纤维制造中的应用，静电纺丝受到了越来越多的关注，因为静电纺丝纤维在软电子设备、生物医学、能量收集、转换和存储等新应用中得到了广泛使用。关于静电纺丝的出版物数量持续增加，这也表明了静电纺丝发展中的新机遇。将疏水性和亲水性化合物以及功能性纳米材料直接封装到纤维中是静电纺丝技术的一大优势。这是因为静电纺丝可以在相对温和的环境条件下进行，这能够在成型过程中保持所加载物质的活性，使其比其他传统加工策略更适合封装对热敏感的活性纳米材料。至于生物应用，已有研究表明，细胞也可以通过静电纺丝加工而不损失其活性。此外，静电纺丝纤维具有从亚微米到纳米级的可调直径和高比表面积，也能促进其所加载化合物在周围介质中的分散，从而控制活性物质（如药物）的释放。此外，静电纺丝纤维能够模拟人类细胞外基质的微观结构，从而大大提高材料的生物相容性，使其对所加载的生物纳米材料和药物更加稳定。

由于上述特性，电纺纤维在生物医学材料领域具有广阔的应用前景，特别是在药物传递中化合物的控制释放、组织工程中的支架以及伤口敷料方面。过去20年中，关于电纺技术生物应用的出版物数量也在不断增加。在本研究中，我们总结了静电纺丝的原理，重点介绍了将无机纳米复合材料加载到电纺膜上的两种主要方法及其优缺点。接着，我们回顾了在抗菌和生物传感领域中加载无机纳米复合材料的电纺纤维膜的应用，特别是过去10年中报道的出版物。最后，我们讨论了静电纺丝面临的挑战和机遇，尤其是在纳米合成方面。

二、摘要

考虑到许多实际应用中对金属基纳米晶体（NC）层次结构的要求，本文从静电纺丝技术的基本合成原理出发，回顾了近年来通过静电纺丝合成技术形成的功能化纤维材料，这些材料包含无机金属和半导体纳米晶体。介绍了几种典型的聚合物中纳米晶体材料的静电纺丝合成方法。最后，从抗菌纤维、生物传感等方面回顾了这种静电纺丝纳米纤维在生物医学领域的具体应用和前景。

三、结论  

鉴于灵活电子设备、生物医学以及能量收集与转换领域的巨大需求，将无机纳米晶体（NCs）作为基础元素排列成具有高性能的分层微/纳米矩阵是非常有吸引力的。本文回顾了无机NCs/聚合物纤维的合成进展及其生物医学应用，利用电纺技术诱导聚合物纤维。如前所述，电纺是一种简单而有效的纤维生产技术，已广泛应用于医疗释放、生物传感等领域。然而，无机NC/聚合物纤维复合材料在生物医学应用中面临诸多挑战。  

(1) 尽管NC修饰的纳米纤维在各种应用中展现出显著潜力，但调节NC沉积位置仍然是一个挑战。根据现有策略，一些NC可能位于纳米纤维内部，这可能限制其与有效催化或生物医学应用所需的反应分子的接触。因此，开发有效的方法以准确控制NC在纳米纤维上的沉积位置将有助于进一步的应用探。  

(2) 与单组分修饰的纳米纤维相比，包含多组分NC的电纺纤维膜复合材料可以在更广泛的生物医学应用中得到发展，例如伤口敷料[101]。尽管已有若干相关研究，但在电纺纤维中引入的各种NC之间的协同和潜在耦合效应的机制，特别是在催化、光学和生物相容性特性方面，仍需进一步研究，因为这些因素可能显著影响有效多功能NC/电纺复合纤维膜的设计。  

(3) 具备传感和治疗能力的功能性NC修饰电纺纤维，代表了个性化医疗发展的一个有前景的方向。例如，“电子皮肤”已成为灵活和可穿戴电子设备领域的一个焦点。功能性NC修饰的电纺复合纤维可以作为实现模拟皮肤特性和功能的电子设备和系统的可行候选者。  

(4) 例如，具有等离子体增强特性的Au/半导体异质NCs，当与纳米纤维结合时，可能会揭示独特的生物医学应用，促进多层次增强的化学动力学、声动力学和治疗应用，利用其声敏感和光动力能力。预计随着多功能无机NC/聚合物纤维的不断发展，电纺技术将成为医疗领域最普遍的技术之一。

图1. 纳米纤维静电纺丝及其与无机纳米复合材料的直接混合、原位生长和组装的示意图。

图2. 各种纳米晶材料。(A) 各种形状的贵金属纳米晶。版权 2019 美国化学学会。(B) 亚纳米到单原子催化剂。版权 2013 美国化学学会。(C) 混合纳米晶。版权 2020 美国化学学会。(D) 量子点。版权 2008 美国化学学会。

 

图3. 可能的实验准备程序示意图，展示了片状CNC-ZnO纳米杂化物及其电纺丝过程。版权归2018年美国化学学会所有。

 

图4. 在不同制备条件下，掺银纳米颗粒的聚乙烯醇纳米纤维垫的电纺丝过程概述。版权归2022年Dove Press Ltd.所有。

 

图5. 通过直接混合法制备纳米晶体/电纺复合纤维。  

(A) 含Cu2S的PLA/PCL纤维膜; 版权归2017年美国化学学会所有。  

(B) Au NR-Ag NWs/PVA电纺纤维; 版权归2012年皇家化学学会所有。

 

图6. (A) CdO纳米颗粒的电纺实验程序。版权归2020年爱思唯尔有限公司所有。(B) 使用电纺和电喷技术在纳米纤维上涂覆纳米颗粒的示意图。版权归2012年爱思唯尔有限公司所有。

 

图7. (A) 通过电纺丝和溶剂热法制备Ag/PVA复合纳米纤维的示意图及抗菌测试。版权归作者所有，2020年。(B) 三重PLGA/PCL支架改性，包括银浸渍、胶原涂层和电纺丝，显著提高了口面组织再生的生物相容性、抗微生物性和成骨特性。版权归美国化学学会所有，2019年。

 

图8. 一种简单的静电纺丝技术，用于制备Ag@PAN纳米纤维膜以进行细菌检测。版权归2020年美国化学学会所有。

 

图9. 使用 PEG-GNRs 膜对体外癌细胞进行光热治疗的策略示意图。对体外癌细胞进行光热治疗的策略。2014 美国化学学会版权所有

 

图 10. 静电纺纳米纤维中金属基 NC 功能化的扩展应用前景。