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摘要：文章通过研究电纺丝透明质酸纳米纤维薄膜过程中的各种影响参数，创造性地提出了用“电吹”纺丝技术来克服电纺丝中遇到的困难，成功制备了透明质酸纳米纤维薄膜，并分析了各种参数的影响。
关键词：透明质酸；电纺丝
中图分类号：TQ340.6 文献标识码：A文章编号：1006-8937（2014）15-0001-03
1透明质酸概述
透明质酸（Hyaluronic Acid简称HA），是一种酸性粘多糖，广泛存在于动物的组织细胞间质(基质)和某些细菌的荚膜中，1934年由美国Meyer等人首先从牛眼玻璃体中分离出该物质。它由等摩尔的葡萄糖醛酸和乙酰氨基葡萄糖结构单元组成，其化学结构如图1所示。
它是一种性能优良的生化物质，可用作分子筛，减震器及胶原质纤维的支撑体。另外，由于其独特的流变性和优良的生物相容性，更具有广泛的生物医学应用，如眼科学、药物传递、皮肤学、外科手术、医疗移植等。
近年来，电纺丝技术作为一种制备非纺织纳米纤维薄膜的有效方法而备受关注。区别于传统纺丝，电纺丝是指聚合物溶液或熔体在外加电场作用下的纺丝工艺。在电场力作用下，处于纺丝喷头的聚合物溶液或熔体液滴，克服自身的表面张力而形成带电细流，在喷射过程中细流分裂多次，经溶剂挥发或固化后而形成超细纤维，最终被收集在接收屏上，形成非织造超细纤维膜，或附加特殊装置，将超细纤维纺成纱线。在一定条件下，受静电排斥力、库仑力和本身表面张力的共同作用，聚合物细流会沿着不稳定的螺旋轨迹弯曲运动，在几十毫秒内被牵伸千万倍，从而形成纳米级至亚微米级（5~1 000 nm）超细纤维。静电纺丝所得到的纤维比常规方法得到的纤维细度小，所以其非织造薄膜具有超高的比表面积和孔隙率，可用于增强聚合物纳米复合材料、过滤膜材、功能性织物保护涂层、传感器、纳米模板和生物医用材料等。目前，许多研究者热衷于用此方法来研究制备新型的纳米纤维薄膜。
纳米纤维多孔网络结构的电纺丝薄膜比表面积非常高，在生物医疗中具有巨大的应用价值，它可用作组织再生的模板，伤口包合材料，人工血管，防止手术后引发粘附的材料等。Li等报道了该类膜材料能提高细胞-机体及细胞-细胞间相互作用，在组织工程上有很大应用[1]；Kenawy等发现PLA,EVA电纺丝膜可望用于药物传递[2]；Jia等报道了电纺膜能有效提高固定酶的催化效率[3]。
目前，交联和非交联的HA作为一种生物材料在医疗领域已有广泛应用。鉴于上述理由，用电纺丝制备HA纳米纤维薄膜，尤其是交联状态的、不溶于水的薄膜，是一个研究热点，具有重要意义和应用价值。然而，大家都知道，HA溶液的电纺丝困难重重，到目前为止还没取得成功。其中最大的问题是HA溶液粘度极高，表面张力很大。
因此，针对上述问题，为了成型像HA这样的高粘度溶液，我们系统的研究了不同的方法和手段来改善电纺丝技术。经过研究，最终我们发现了通过空气电吹和电纺丝技术相结合，能够克服上述问题，成功纺丝HA溶液，制备HA纳米纤维薄膜。同时，在文中我们还讨论了纺丝过程中的各种参数和影响因素。
2 实验部分
2.1HA溶液制备
透明质酸样品从Denki Kagaku Kogyo Co.Ltd购买，纯化。在蒸馏水中加入HCl得pH为1.5的酸溶液，然后在缓慢搅拌下加入适量HA样品溶解，得电纺丝和电吹用HA溶液。
2.2电吹纺丝过程
电吹技术实际上是在电纺丝设备上的改进，如图2所示：注射器中的HA溶液由程序泵输送到电极的出口孔，溶液的输送速率为5~10 μL/min。收集盘上包裹铝薄，用来收集纺出的HA薄膜。电纺和电吹都需要很大的电场力，目前最高的电场为40 kV，两电极间最短距离为9.5 cm。对于电吹纺丝过程，实际上是在电纺丝设备上附加了一个吹气系统，吹气系统由两部分组成：加热器和吹风机，可方便控制温度和冷却速率，电吹纺丝过程的条件与电纺丝过程基本相同，只是其溶液输送速率为40 μL/min。
2.3样品表征
HA溶液的剪切速率用机械流变分光计（RMS-605E，Rhemetrics Inc，NT）来检测，分析制备纳米纤维的合适粘度范围及电纺丝和电吹过程的粘度影响。HA薄膜的表面形态用SEM表征（LEO1550，LEO，德国），分析成型参数对纳米纤维薄膜成型的影响。
2.4结果与讨论
2.4.1HA溶液的电纺丝
①HA溶液的浓度影响。在电纺丝中，高聚物的浓度可说是一个最重要的影响因素。溶液的浓度低，高分子链之间的缠结就小。此时，当溶剂被蒸干时，就会产生线头状的形貌，不会形成纤维结构；如果溶液浓度太高，分子链缠结严重，体系粘度大，电场力可能克服不了高粘度带来的阻力，导致喷射失败，最终无法完成电纺丝过程。因此，电纺丝操作过程需要有一个适当的浓度范围，在这个范围内，既要有足够的分子链缠结，又不能使体系粘度过高阻碍聚合物的喷射。一般说来，缠结意味着粘度增大和溶液表面张力增加，所以电纺丝操作的粘度范围很有限。这里，对HA样品溶液来说，它没有表现出能够保持稳定初始喷射的浓度范围，这就说明它没有能符合制备纳米纤维全部所需条件的粘度范围。经过研究发现，对电纺丝来说，其较好的粘度范围为1.3~1.5 w/v%，很窄，相应的粘度为3~30 Pa·s。由于在这一范围内喷射的稳定性仍旧很差，其结果难以令人满意。
②添加低分子量的HA进行共混。对电纺丝来说，高分子链缠结达到交迭浓度才能导致纤维成型。然而，HA的溶液浓度一旦超过交迭浓度，其粘度会迅速上升，这对操作极为不利。因此，在高浓度下如何去降低溶液粘度至关重要。我们发现如果共混进一些低分子量的HA，结果表明能够在不影响浓度的情况下改善体系的粘度。
③在溶液中加入乙醇的影响。虽然把高分子量和较低分子量的HA共混能够改善一些情况，但要制备较好的HA纳米纤维薄膜，最终还是不行。主要问题是在特定浓度下，电纺丝时分子量大的HA的浓度达不到纳米纤维所需的成型浓度。由于我们不能通过增加溶剂浓度来降低溶剂用量，那么可以选取一种蒸发速率很快的溶剂体系。这里，我们通过添加乙醇，较大的改善了电纺丝中的纤维成型条件。但是，喷射的稳定性还不够理想。
2.4.2HA溶液的电吹纺丝
尽管想尽各种办法改善电纺丝中的困难，但效果不尽理想。受乙醇溶剂体系的启发，溶剂的蒸发可以通过吹风来加速，尤其是在高温下。因此，这里我们在传统的电纺丝设备上引入空气吹风系统，不仅可增加溶剂的挥发速率，而且能够引入额外的喷射成型推力。这一新体系我们称为“电吹”。下面我们通过电吹制备HA纳米纤维，并讨论了一些相关的参数的影响，如吹风速率和空气温度。
①吹风速率的影响。这里，我们研究了吹风速率的影响。如果没有吹风，2.5 w/v%HA溶液的电纺丝结果是形成线头结构并喷射极不稳定。随着吹风速率的增加，纤维的成型能力增加。在速率为150 ft3/hr时，虽然没产生坚固的纤维产品，但却获得了稳定的喷射，这表明：吹风体系和电纺丝联用能大大增加纤维的成型能力。然而，单靠空气吹风使溶剂挥发还是不够的。一种解决方法是提高吹风空气的温度。
②吹风空气温度的影响。为此，我们研究了不同温度的空气的影响效果。随着空气温度的增加，纤维成形能力也增加。随着温度增加到47 ℃，喷射充分稳定，产出的纳米纤维结构大部分是我们希望的，只有小部分是珠状结构。当温度升到57 ℃时，持续稳定的喷射确立，产品优良，纤维的直径分布均匀。如图3（a）、（b）、（c）、（d）所示。
用电吹纺丝法成功制备HA纳米纤维主要归功于两个新参数：吹风速率和吹风温度。吹风有利于拉伸流体，补助电场力，同时能够加速溶剂的蒸发。随着吹风速率的增加，分子链拉伸能力和蒸发速率都提高。吹风温度主要有利于溶剂的挥发，另外是促进电纺丝过程。当热空气吹过时，HA溶液也同时被加热，溶液温度的升高导致粘度的下降，有利于操作的进行。不同温度的剪切粘度如图4所示。
经研究，纤维的直径与吹风温度有关。在25 ℃和39 ℃，纤维质量不好，直径大小不一。然而，当温度升高至47 ℃~57 ℃时，纤维直径也从49 um变为74 m，因此，我们还可利用控制空气温度这一参数来控制HA纳米纤维的直径。
3结语
文章通过详细研究电纺丝HA溶液的各种影响参数和存在困难，提出了许多改善办法HA并在此基础上创造性的提出了用电吹纺丝法来制备HA纳米纤维的新技术方法HA通过在电纺丝设备上引入空气吹风系统，弥补了传统电纺丝技术的不足，成功制备了具有巨大应用价值的HA纳米纤维。本文研究的创新之处在于通过研究电纺丝的各种影响参数，结合原有设备条件，对原有设备进行了适当的改进，从而成功解决了HA纳米纤维的制备问题。其实这类科研方法的思路并不陌生，其实用许多设备的改进和结合使用来改善性能的例子也有不少，如色谱和质谱技术联用、核磁共振与质谱联用等。在材料开发中，复合材料就是综合了各种材料的优良性能的一类材料。对于生物大分子的研究，其中表征是非常重要的一步，如果有时单一的表征手段不能解决问题，那么可以试着做一些改进或多种表征手段结合使用，发挥每种方法的优点。
参考文献：
[1] Li,W.J.,Laurencin,C.T,Caterson,E.J.,et al.Biomed[J].Mater.
Res,2002,(60).
[2] Kenawy,E.R.,Layman,J.M.,Watkins,J.R,Bowlin,G.L.,et al.
Wnek,G.E[J].Biomaterials,2003,(24).
[3] Jia,H.,Zhu,G.,Vugrinovich,B.,Kataphinan,W.,etal.Wang,P.Biot-
ech[J].Prog,2002,(18).
[4] Sott.J.E,The biology of hyaluronan.Ciba[J].Foundation Sympos-
ium,1989,(143).
[5] Reneber D H,Yarin A L,Fong H,et al.J.Appl[J].Phys,2000,(9).
关键词：透明质酸；电纺丝
中图分类号：TQ340.6 文献标识码：A文章编号：1006-8937（2014）15-0001-03
1透明质酸概述
透明质酸（Hyaluronic Acid简称HA），是一种酸性粘多糖，广泛存在于动物的组织细胞间质(基质)和某些细菌的荚膜中，1934年由美国Meyer等人首先从牛眼玻璃体中分离出该物质。它由等摩尔的葡萄糖醛酸和乙酰氨基葡萄糖结构单元组成，其化学结构如图1所示。
它是一种性能优良的生化物质，可用作分子筛，减震器及胶原质纤维的支撑体。另外，由于其独特的流变性和优良的生物相容性，更具有广泛的生物医学应用，如眼科学、药物传递、皮肤学、外科手术、医疗移植等。
近年来，电纺丝技术作为一种制备非纺织纳米纤维薄膜的有效方法而备受关注。区别于传统纺丝，电纺丝是指聚合物溶液或熔体在外加电场作用下的纺丝工艺。在电场力作用下，处于纺丝喷头的聚合物溶液或熔体液滴，克服自身的表面张力而形成带电细流，在喷射过程中细流分裂多次，经溶剂挥发或固化后而形成超细纤维，最终被收集在接收屏上，形成非织造超细纤维膜，或附加特殊装置，将超细纤维纺成纱线。在一定条件下，受静电排斥力、库仑力和本身表面张力的共同作用，聚合物细流会沿着不稳定的螺旋轨迹弯曲运动，在几十毫秒内被牵伸千万倍，从而形成纳米级至亚微米级（5~1 000 nm）超细纤维。静电纺丝所得到的纤维比常规方法得到的纤维细度小，所以其非织造薄膜具有超高的比表面积和孔隙率，可用于增强聚合物纳米复合材料、过滤膜材、功能性织物保护涂层、传感器、纳米模板和生物医用材料等。目前，许多研究者热衷于用此方法来研究制备新型的纳米纤维薄膜。
纳米纤维多孔网络结构的电纺丝薄膜比表面积非常高，在生物医疗中具有巨大的应用价值，它可用作组织再生的模板，伤口包合材料，人工血管，防止手术后引发粘附的材料等。Li等报道了该类膜材料能提高细胞-机体及细胞-细胞间相互作用，在组织工程上有很大应用[1]；Kenawy等发现PLA,EVA电纺丝膜可望用于药物传递[2]；Jia等报道了电纺膜能有效提高固定酶的催化效率[3]。
目前，交联和非交联的HA作为一种生物材料在医疗领域已有广泛应用。鉴于上述理由，用电纺丝制备HA纳米纤维薄膜，尤其是交联状态的、不溶于水的薄膜，是一个研究热点，具有重要意义和应用价值。然而，大家都知道，HA溶液的电纺丝困难重重，到目前为止还没取得成功。其中最大的问题是HA溶液粘度极高，表面张力很大。
因此，针对上述问题，为了成型像HA这样的高粘度溶液，我们系统的研究了不同的方法和手段来改善电纺丝技术。经过研究，最终我们发现了通过空气电吹和电纺丝技术相结合，能够克服上述问题，成功纺丝HA溶液，制备HA纳米纤维薄膜。同时，在文中我们还讨论了纺丝过程中的各种参数和影响因素。
2 实验部分
2.1HA溶液制备
透明质酸样品从Denki Kagaku Kogyo Co.Ltd购买，纯化。在蒸馏水中加入HCl得pH为1.5的酸溶液，然后在缓慢搅拌下加入适量HA样品溶解，得电纺丝和电吹用HA溶液。
2.2电吹纺丝过程
电吹技术实际上是在电纺丝设备上的改进，如图2所示：注射器中的HA溶液由程序泵输送到电极的出口孔，溶液的输送速率为5~10 μL/min。收集盘上包裹铝薄，用来收集纺出的HA薄膜。电纺和电吹都需要很大的电场力，目前最高的电场为40 kV，两电极间最短距离为9.5 cm。对于电吹纺丝过程，实际上是在电纺丝设备上附加了一个吹气系统，吹气系统由两部分组成：加热器和吹风机，可方便控制温度和冷却速率，电吹纺丝过程的条件与电纺丝过程基本相同，只是其溶液输送速率为40 μL/min。
2.3样品表征
HA溶液的剪切速率用机械流变分光计（RMS-605E，Rhemetrics Inc，NT）来检测，分析制备纳米纤维的合适粘度范围及电纺丝和电吹过程的粘度影响。HA薄膜的表面形态用SEM表征（LEO1550，LEO，德国），分析成型参数对纳米纤维薄膜成型的影响。
2.4结果与讨论
2.4.1HA溶液的电纺丝
①HA溶液的浓度影响。在电纺丝中，高聚物的浓度可说是一个最重要的影响因素。溶液的浓度低，高分子链之间的缠结就小。此时，当溶剂被蒸干时，就会产生线头状的形貌，不会形成纤维结构；如果溶液浓度太高，分子链缠结严重，体系粘度大，电场力可能克服不了高粘度带来的阻力，导致喷射失败，最终无法完成电纺丝过程。因此，电纺丝操作过程需要有一个适当的浓度范围，在这个范围内，既要有足够的分子链缠结，又不能使体系粘度过高阻碍聚合物的喷射。一般说来，缠结意味着粘度增大和溶液表面张力增加，所以电纺丝操作的粘度范围很有限。这里，对HA样品溶液来说，它没有表现出能够保持稳定初始喷射的浓度范围，这就说明它没有能符合制备纳米纤维全部所需条件的粘度范围。经过研究发现，对电纺丝来说，其较好的粘度范围为1.3~1.5 w/v%，很窄，相应的粘度为3~30 Pa·s。由于在这一范围内喷射的稳定性仍旧很差，其结果难以令人满意。
②添加低分子量的HA进行共混。对电纺丝来说，高分子链缠结达到交迭浓度才能导致纤维成型。然而，HA的溶液浓度一旦超过交迭浓度，其粘度会迅速上升，这对操作极为不利。因此，在高浓度下如何去降低溶液粘度至关重要。我们发现如果共混进一些低分子量的HA，结果表明能够在不影响浓度的情况下改善体系的粘度。
③在溶液中加入乙醇的影响。虽然把高分子量和较低分子量的HA共混能够改善一些情况，但要制备较好的HA纳米纤维薄膜，最终还是不行。主要问题是在特定浓度下，电纺丝时分子量大的HA的浓度达不到纳米纤维所需的成型浓度。由于我们不能通过增加溶剂浓度来降低溶剂用量，那么可以选取一种蒸发速率很快的溶剂体系。这里，我们通过添加乙醇，较大的改善了电纺丝中的纤维成型条件。但是，喷射的稳定性还不够理想。
2.4.2HA溶液的电吹纺丝
尽管想尽各种办法改善电纺丝中的困难，但效果不尽理想。受乙醇溶剂体系的启发，溶剂的蒸发可以通过吹风来加速，尤其是在高温下。因此，这里我们在传统的电纺丝设备上引入空气吹风系统，不仅可增加溶剂的挥发速率，而且能够引入额外的喷射成型推力。这一新体系我们称为“电吹”。下面我们通过电吹制备HA纳米纤维，并讨论了一些相关的参数的影响，如吹风速率和空气温度。
①吹风速率的影响。这里，我们研究了吹风速率的影响。如果没有吹风，2.5 w/v%HA溶液的电纺丝结果是形成线头结构并喷射极不稳定。随着吹风速率的增加，纤维的成型能力增加。在速率为150 ft3/hr时，虽然没产生坚固的纤维产品，但却获得了稳定的喷射，这表明：吹风体系和电纺丝联用能大大增加纤维的成型能力。然而，单靠空气吹风使溶剂挥发还是不够的。一种解决方法是提高吹风空气的温度。
②吹风空气温度的影响。为此，我们研究了不同温度的空气的影响效果。随着空气温度的增加，纤维成形能力也增加。随着温度增加到47 ℃，喷射充分稳定，产出的纳米纤维结构大部分是我们希望的，只有小部分是珠状结构。当温度升到57 ℃时，持续稳定的喷射确立，产品优良，纤维的直径分布均匀。如图3（a）、（b）、（c）、（d）所示。
用电吹纺丝法成功制备HA纳米纤维主要归功于两个新参数：吹风速率和吹风温度。吹风有利于拉伸流体，补助电场力，同时能够加速溶剂的蒸发。随着吹风速率的增加，分子链拉伸能力和蒸发速率都提高。吹风温度主要有利于溶剂的挥发，另外是促进电纺丝过程。当热空气吹过时，HA溶液也同时被加热，溶液温度的升高导致粘度的下降，有利于操作的进行。不同温度的剪切粘度如图4所示。
经研究，纤维的直径与吹风温度有关。在25 ℃和39 ℃，纤维质量不好，直径大小不一。然而，当温度升高至47 ℃~57 ℃时，纤维直径也从49 um变为74 m，因此，我们还可利用控制空气温度这一参数来控制HA纳米纤维的直径。
3结语
文章通过详细研究电纺丝HA溶液的各种影响参数和存在困难，提出了许多改善办法HA并在此基础上创造性的提出了用电吹纺丝法来制备HA纳米纤维的新技术方法HA通过在电纺丝设备上引入空气吹风系统，弥补了传统电纺丝技术的不足，成功制备了具有巨大应用价值的HA纳米纤维。本文研究的创新之处在于通过研究电纺丝的各种影响参数，结合原有设备条件，对原有设备进行了适当的改进，从而成功解决了HA纳米纤维的制备问题。其实这类科研方法的思路并不陌生，其实用许多设备的改进和结合使用来改善性能的例子也有不少，如色谱和质谱技术联用、核磁共振与质谱联用等。在材料开发中，复合材料就是综合了各种材料的优良性能的一类材料。对于生物大分子的研究，其中表征是非常重要的一步，如果有时单一的表征手段不能解决问题，那么可以试着做一些改进或多种表征手段结合使用，发挥每种方法的优点。
参考文献：
[1] Li,W.J.,Laurencin,C.T,Caterson,E.J.,et al.Biomed[J].Mater.
Res,2002,(60).
[2] Kenawy,E.R.,Layman,J.M.,Watkins,J.R,Bowlin,G.L.,et al.
Wnek,G.E[J].Biomaterials,2003,(24).
[3] Jia,H.,Zhu,G.,Vugrinovich,B.,Kataphinan,W.,etal.Wang,P.Biot-
ech[J].Prog,2002,(18).
[4] Sott.J.E,The biology of hyaluronan.Ciba[J].Foundation Sympos-
ium,1989,(143).
[5] Reneber D H,Yarin A L,Fong H,et al.J.Appl[J].Phys,2000,(9).