近日，由上海大学附属 411 医院骨科以及上海科技大学材料与化学学院Wenbin Deng、Yu Liu等研究人员组成的团队发表了题为 《通过三轴静电纺丝技术协同提升纤维素醋酸酯基姜黄素@二氧化钛纳米纤维的性能》 的论文。当前纳米科学前沿聚焦于复杂纳米机构和纳米器件的创建，核心 - 鞘结构在新型功能纳米材料研发中至关重要。在此背景下，该研究致力于解决电纺药用聚合物纳米纤维在制备及药物递送应用中的诸多问题，如工作流体易堵塞喷头、药物初始突释和后期释放不足、功能纳米颗粒分布不均影响功能发挥以及药物包封率存争议等 。

一：研究背景

纳米科学的一个前沿方向是制造复杂纳米结构与器件，这需要先进技术和良好加工性能的材料。多腔结构因能衍生多种复杂结构特征而重要，核壳结构作为双腔结构的一种，在开发新型功能纳米材料方面提供了丰富的研究基础。

近二十年来，静电纺丝核壳纳米纤维的研究取得了进展，出现了多层结构，且常通过设计壳层与核层的成分来开发新材料。研究人员推测，将TiO₂分布于壳层、药物置于核层，可提升纳米纤维的性能。

然而，静电纺丝制备药用聚合物纳米纤维存在一些问题：高挥发性溶剂易堵塞喷丝头；药物/聚合物共混纳米纤维存在初始突释和后期释放不足问题；功能纳米颗粒均匀分散在基质中，难以充分发挥作用；药物包封效率（EE%）存在争议。为解决这些问题，研究团队提出了一种改进的三轴静电纺丝方法，使用纯有机溶剂混合物防止喷丝头堵塞，并构建TiO₂在壳层、药物在核层的核壳结构。

图1：改进的三轴静电纺丝示意图，使用外层溶剂作为工作流体以确保连续且稳健的制备过程，以及最终形成的核壳纳米结构，其中TiO₂和姜黄素（Cur）分别仅分布在壳层和核心的CA基体中，以实现协同抗菌效果。

二：核心研究内容

（1）三轴静电纺丝制备纳米纤维的过程

研究团队利用自制的三轴同心喷丝头，分别注入外层的有机溶剂混合物、中层的CA-TiO₂溶液和内层的CA-姜黄素溶液。在高压电场作用下，三层流体形成复合泰勒锥并拉伸成纤维，最终沉积在收集板上，成功制备了以纤维素醋酸酯（CA）为基体，壳层分布TiO₂纳米颗粒，核心部分负载姜黄素（Cur）的核壳结构纳米纤维。

图2：用于实施改进三轴静电纺丝的可拆卸三层同心喷丝头的结构：(a) 喷丝头各部件的排列及其内部三条工作微流体通道的示意图；(b) 传统同心喷丝头和锥形PP管；(c) 外层PP管固定在金属喷丝头上；(d) 三层同心出口的数码图像；(e) 带有尖锐金属针（外径/壁厚：0.3/0.05 mm）的弹性硅胶管，用于引导外层溶剂润滑中间的CA溶液，以实现平稳制备；(5) 连接三个注射器的喷丝头的数码图像。

（2）提升纳米纤维的药物包封效率

论文通过改进的三轴静电纺丝技术，制备出具有特殊核壳结构的纳米纤维，有效提升了药物包封效率。在传统的静电纺丝过程中，药物包封效率（EE%）存在很大争议，部分研究报道其值可达 100%，而另一些研究则低至 22.7%。在本研究中，通过实验精确测定，均质纳米纤维（F1）的药物包封率为 91.7 ± 5.7%，核壳纳米纤维（F3）的药物包封率为 97.3 ± 4.8%。本研究中的核壳纳米纤维 F3 通过中间的 CA - TiO₂层，抑制了药物分子的扩散，从而实现了比传统共混纳米纤维更高的药物包封效率。

（3）在CA纳米纤维表面增加TiO₂的分布

利用改进的三轴静电纺丝技术制备的核壳纳米纤维，实现了在 CA 纳米纤维表面增加 TiO₂的分布。图 3c 和 3d 都表示了核壳纳米纤维（F3）的图像。在图 5c 所示的完整纳米纤维图像中，纳米纤维具有明显的双腔核壳纳米结构。此外，F3 纳米纤维的周围含有大量的 TiO 2 NPs，超过中央区域。这种异质分布表明 TiO 2 纳米颗粒集中在纳米纤维 F3 的壳层部分。这种特殊的分布使得纳米纤维表面具有丰富的 TiO₂。

得以于此，一方面，TiO₂纳米颗粒的光催化活性和 Cur 的抗菌特性协同作用，增强了纳米纤维的抗菌性能；另一方面，丰富的 TiO₂分布使得纳米纤维的紫外线防护因子（UPF）值大幅提升。纳米纤维 F0 的 UPF 值为 8.75 ± 0.78，CA - TiO₂纳米纤维 F2 的 UPF 值提升至 87.64 ± 4.39，而核壳纳米纤维 F3 由于壳层大量的 TiO₂分布，UPF 值进一步提升至 357.34 ± 7.56。

图3：三种类型药物纳米纤维的透射电子显微镜（TEM）图像：(a) 纳米纤维F1；(b) 纳米纤维F2；(c) 和 (d) 核壳纳米纤维F3的不同放大倍数。

（4）延长姜黄素药物的释放曲线

通过制备核壳结构的纳米纤维，有效延长了姜黄素（Cur）药物的释放曲线，改善了药物释放性能。这是因为在核壳纳米纤维 F3 中，Cur 位于内核部分，且 CA 本身具有不溶性，这使得 Cur 的释放更为缓慢和持久。这种结构有效地延缓了药物的释放速度，减少了初始突释，实现了药物的长效释放。

图4：静电纺丝纳米纤维对药物持续释放曲线的改良：(a) 整个时间周期内的药物持续释放曲线；(b) 原始药物颗粒和静电纺丝纳米纤维在第一天的释放曲线；(c) 通过达到特定百分比释放所需时间（即30%、50%和90%）表示的药物持续释放曲线；(d) 根据Peppas方程回归的药物释放机制。

（5）增强纳米纤维的疏水性和抗菌性

醋酸纤维素（CA）本身具有一定的疏水性，其水接触角为 91.3 ± 3.4°。当分别添加姜黄素（Cur）和 TiO₂纳米颗粒后，纳米纤维 F1 和 F2 的接触角分别提升至 93.5 ± 2.8° 和 105.8 ± 4.7° 。而核壳纳米纤维 F3 由于其壳层富含 TiO₂纳米颗粒，表面浓度较高，水接触角达到最大，为 114.2 ± 3.9°。这表明特殊的核壳结构以及壳层 TiO₂纳米颗粒的分布，使得纳米纤维疏水性显著提高。见图5

在抗菌性方面，研究选取革兰氏阴性大肠杆菌（E. coli）和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（S. aureus）作为测试菌种，纳米纤维 F1 和 F2 作为共混纳米纤维，对 S. aureus 和 E. coli 有一定的抑制作用，F1 的抑制率分别为 43.64% 和 58.91%，F2 的抑制率分别为 72.18% 和 81.28%。而核壳纳米纤维 F3 中，Cur 和 TiO₂纳米颗粒以特殊的核壳结构分布，对 S. aureus 和 E. coli 的抑制率显著增加，分别达到 87.29% 和 93.63%，展现出优异的协同抗菌效果。

图5：制备的纳米纤维的性能和抗菌性能：(a) 疏水性；(b) 紫外线防护因子（UPF）；(c) 和 (d) 分别为经过24小时后对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的OD600值和抑制率。

三：研究结论

本文利用改进的三轴静电纺丝技术制备了基于纤维素醋酸酯（CA）的核壳纳米纤维，有效解决了该领域两大争议问题。即，在静电纺丝过程中，药物会因分子逃逸而损失，采用改进同轴和三轴静电纺丝法制备的均质纳米纤维（F1）和核壳纳米纤维（F3），药物包封率分别为 91.7±5.7% 和 97.3±4.8%；同时证实多流体静电纺丝时，药物小分子会在不同流体间扩散。

通过改进的三轴静电纺丝技术，成功制备出壳层含 TiO₂纳米颗粒、核层为姜黄素（Cur）的 CA 基核壳纳米纤维。与传统共混纳米纤维相比，核壳纳米纤维在多种性能上得以提升，如疏水性增强，水接触角达 114.2±3.9°；药物包封率提高；Cur 释放曲线延长且初始突释更小；CA 纳米纤维表面 TiO₂分布丰富。这些性能提升使核壳纳米纤维抗菌性能更好，抗紫外线效率更高。该研究为聚合物辅料的功能转化开辟了新途径，也为深入理解核壳结构的先进功能纳米材料的结构 - 性能关系奠定了基础。

查阅链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160117