醋酸纤维素电纺纳米纤维：现状和生物技术的应用范围外文翻译资料

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醋酸纤维素电纺纳米纤维：现状和生物技术的应用范围

摘要：

醋酸纤维素(CA)在不同领域的公用事业中，从高吸水性尿布到膜过滤器，一直是首选的材料。静电纺丝为包括醋酸纤维素(CA)在内的高分子材料赋予了一个全新的视角，在繁杂的背景下应用在各种领域。在此次的研究中,我们试图呈现出最近的趋势(集中在过去五年的研究进展)于醋酸纤维素(CA)纳米纤维静电纺丝方法的研究中，在应用先进的共混物和纳米复合材料的发展战略的背景下。在生物技术领域，醋酸纤维素(CA)静电纺丝纤维被发现应用于生物分子固定化、组织工程、生物传感、营养物质运输、生物分离、作物保护、生物治理、防伪的发展和pH敏感材料、光催化自清洁纺织品、调温织物和抗菌团以及其他方面。本次综合讨论了醋酸纤维素(CA)静电纺丝纤维的这些不同的应用。

关键词：

静电纺丝；醋酸纤维素；纳米纤维；组织工程学；生物分子固定化；生物传感；自洁纺织品；抗菌剂；生物分离；生物治理。

1. 引言

聚合物纳米复合材料和聚合物纳米材料在大量的领域开创了一个独特的位置，包括催化、表面涂层、抗菌药物、酶固定化、药物传递、多功能生物材料等等。恰当的提到一个全球科学界不断增加的推力是选择各种将授予“绿色证书”的生物资源，为研究输出满足新型材料的需求，这对生物技术领域也是如此。在这种背景下,无所不在的自然和丰度赋予了纤维素特别的利基（可用最环保的聚合物材料）基于纤维素材料在工业和生物医学领域。除其他外，醋酸纤维素（CA）(纤维素醋酸酯)有一个广泛的应用程序从香烟过滤器到高吸水性尿布，分离过程的半透膜和生物医学纤维和薄膜。醋酸纤维素（CA）纤维仍然是多个行业，包括纺织和最近在生物医学领域的研究重点。

根据全球产业分析的最近的一份报告，醋酸纤维素（CA）的全球市场是由2017预计约105万吨和全球主要的参与者包括塞拉尼斯公司、聚甲醛公司、Primester公司，伊士曼化工公司等等。醋酸纤维素显示出范围广泛的属性，证明了它在多糖的研究当中的重要性。最常见的取代度为2.45 ~2.5，赋予良好的溶解性（在种类繁多的溶剂体系中）和熔融特性。Puls等在2011年 指出了生态相容性醋酸纤维素基材料评估作为一个功能之间的协同作用降解的生物降解性，消费者产品的生物降解与物理设计。最近，提出了一种动态研究（通过介电弛豫谱，DRS），集中于醋酸纤维素亚状态流动下两种结构或形态不同的形式： 初始聚合物状态和结构膜。醋酸纤维素（CA）具有较高的模量和充分的弯曲强度和拉伸强度。可以与一些官能团接枝，例如羧基、磺酸基和氨基，这赋予了醋酸纤维素（CA）另一个有趣的属性，即：重金属离子的表面络合。

探索纳米级制醋酸纤维素多折叠材料性质的研究是一个有趣的命题。其中，静电纺丝为酸纤维素（CA）的应用提供了一个全新的视角。简单、高效的静电纺丝技术适用于高的比表面积和表面粗糙度高的聚合物纳米纤维膜的制备。在1934年，福姆哈尔斯尝试用静电纺丝发制备以丙酮为溶剂的酸纤维素（CA）纤维。 文献数据库，SciFinderreg;在2012年九月十日恢复了176次搜索查询的引用“静电纺丝法与醋酸纤维素”。在过去的五年中对每年的参考文献的分类如图（1）所示。酸纤维素电纺纤维已经走过了漫长的道路而且最近的文献表明了其在波普领域的应用。酸纤维素（CA）已经走过了漫长的道路和最近的文献显示的应用程序域。

图（1）.显示搜索查询醋酸纤维素（CA）静电纺丝从SciFinderreg;的可获取的2012年9月10日的文件数量图

在本文中，我们试图提出醋酸纤维素（CA）静电纺丝纤维在研究与开发利用中的最新趋势，在纳米尺度的各种生物技术的应用中。在我们深入研究醋酸纤维素（CA）静电纺丝纤维多方面的应用之前，可以说明静电纺丝的基础知识是有成效的。

1. 静电纺丝基础知识

静电纺丝总是被人们与“迷人的光纤技术”这个词语联系起来。它已被用来作为旋转无数的合成聚合物或天然聚合物至30–2000 nm的纤维长，度延伸高达数公里的成功的工具。一个典型的静电纺丝装置通过中央图像计划性地被说明，醋酸纤维素（CA）静电纺丝纤维有期望的应用范围在周围的图像显示出来了，如图(2)所示。基本设备包括注射器泵，高压电源和集电极。一种高电压源的电场在聚合物溶液中的应用（在一定的表面张力下从发射器针尖以一定的的距离到收集器），产生电荷斥力。后者克服了表面张力，最终引发的喷射。正如Renekar 和Chun在1996年所指出的，喷射流包括四个部分：基质，喷射流，发射器和收集装置。在基区内出现了泰勒锥，液体的表面张力和电场力之间的复杂平衡关系。具有较高电导率的溶液更有利于射流的形成。聚合物射流加速和拉伸，由于电力与最终减少的直径相应增加其长度。在飞行过程中，溶剂蒸发和适当的集电极可以用来捕捉聚合物纤维。也有人推测，径向电荷斥力导致的“八字”喷射到许多的近等径和电荷的单位长度的小纤维上。最终的数量决定了纤维最终直径。然而，高速摄影显示，“八字”其实是一个单一的，快速搅打的喷射流，这种行为取决于三个不稳定的因素：经典Rayleigh不稳定性和两个“导电”模型，分别由表面张力或电力两个因素所支配。

静电纺丝过程可以被操纵的三个类别的参数：

1. 溶液性质（电导率/溶液的电荷密度、表面张力、粘度/浓度、聚合物的分子量、介电常数和偶极矩）。
2. 仪器参数（磁场强度/电压、末梢与收集器之间的距离、流量、针尖的设计和布局，收集器的组成和几何形状）。
3. 环境参数（温度，湿度和空气流速）。

图（2）.文中讨论的醋酸纤维素纳米纤维的静电纺丝的示意图和无数的生物技术应用。

2012年Kumar等人，2006年Pham等人已审阅这些参数而且它们的复杂的相互作用的细节对于无数的聚合物纳米纤维以及一些这类的问题并不构成本次审查的主题。尽管如此，这是说这些参数优化相关的先决条件是微调电纺纤维的形状大小一致。

纤维素和醋酸纤维素（CA）的静电纺丝已被广泛的研究。然而，过去五年（2008–2012）特别是在基于复合材料的醋酸纤维素（CA）静电纺丝纤维制备上取得了巨大的进步，这其中蕴藏着巨大的潜力推动大量的工业领域发展。一些文献数据库，如SciFinderreg;，拥有一系列各种基于先进的聚合物共混物和纳米复合材料的新型醋酸纤维素（CA）静电纺丝在工业和生物医学领域的协议和发展报告。聚焦醋酸纤维素（CA）静电纺丝的每一种合成方法都是一个相当庞大的课题，而这在目前的编制中，这是不应该被处理的，这是一个相当大的任务。然而，近几年已经有在努力的突出醋酸纤维素（CA）静电纺丝的宽谱相关的研究工作。随后的部分开始引用的一些报告，解决了醋酸纤维素（CA）静电纺丝溶剂体系的选择和工艺优化最佳处理工程。这是由不同的聚合物共混物和纳米复合材料制备醋酸纤维素（CA）静电纺丝的发展亮点。生物技术领域应用队列已经被单独的个别分开。

1. 静电纺丝法制备醋酸纤维素

多年来溶剂体系的选择一直是醋酸纤维素（CA）静电纺丝纤维的研究重点之一。

3.1.溶剂体系的选择及工艺优化

从相似的系统或物理化学数据库的溶解度模型得到的结果。2007年Tungprapa等人报道了各种单、混合溶剂体系对形貌和纤维直径的影响。由丙酮、氯仿组成的单一溶剂体系，N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、二氯甲烷（DCM）、甲酸、甲醇（MeOH）和吡啶。丙酮–二甲基乙酰胺（DMAc），氯仿–甲醇（MeOH），和二氯甲烷（DCM）–甲醇（MeOH）在混合溶剂系统中进行。剪切粘度、表面张力和这些溶剂体系的电导率被认为是生成无序液珠或串珠状纤维的关键溶液参数。即使是三元溶剂系统的丙酮/N，N-二甲基甲酰胺（DMF） / 三氟乙醇也被用于制备静电纺丝制备醋酸纤维素。最近，一种混合醋酸/水组成的溶剂体系的成分变化被发现支配着醋酸纤维素（CA）静电纺丝的直径分布。醋酸纤维素（CA）静电纺丝中的聚（乙二醇）（PEG）、聚（环氧乙烷）（PEO）和羟基磷灰石的存在已经用二甲基乙酰胺（DMAc） /丙酮、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF） /二氧六环和乙酸/丙酮系统被评估。Haas 等人在2010年促进了一个关于溶剂的挥发控制醋酸纤维素（CA）静电纺丝约毡结构的作用的关键的观点。在这项工作中，应用 Hansen的溶解度理论选择无毒的二元体系系统，优化制造醋酸纤维素（CA）静电纺丝纤维融合值得特别提到的绿色纳米技术背景调度的光纤网络。高堆积密度得到二进制低挥发性醇/甲乙酮（MEK）混合溶剂，降低纺丝距离和提高进给速度。在最近的工作中，根据Rodriguez等人2012年的研究，带状形态的醋酸纤维素（CA）纤维从丙酮和/ 异丙醇混合丙酮（2:1）或在丙酮/ 二甲基乙酰胺（DMAc）（2:1）系统中导致静电纺丝成为圆柱形。本团队已报道溶液流速和17%醋酸纤维素（CA）在丙酮/二甲基乙酰胺（DMAc）的醋酸纤维素（CA）纤维尺寸之间的一个有趣的0.26次幂的规律关系（2:1）。

并非有很多报道在环境参数和工艺参数对醋酸纤维素（CA）静电纺丝纤维的性质的影响方面是可用。醋酸纤维素（CA）静电纺纳米纤维的平均直径被发现随湿度增加。另一方面，温度决定了溶剂的蒸发率和聚合物溶液的粘度。这些参数都被发现有对醋酸纤维素（CA）静电纺纤维直径约的深远影响。Theopisti和Charalabos在2010年对不同参数的影响，包括磁场强度、发射针尖至收集器距离、溶液推注速率和醋酸纤维素（CA）静电纺丝纤维形态组成进行了报道。在这个时刻，作者希望引起读者的注意，对于统计工具如响应面分类研究法对于优化二氧化钛和蚕丝电纺纤维直径的功能等。在这样的背景下，我们最近报道了利用Box-Behnken的设计技术来优化选择工艺参数，以得到醋酸纤维素（CA）静电纺丝纤维最小直径。纤维形态和尺寸分布已经发现被电压和乙酸/水溶剂体系制备的聚合物溶液的捕集距离和进料速率所影响。

过去的几年（2008–2012）见证了人们对于醋酸纤维素（CA）静电纺丝的共混复合材料的开发和发展越来越大的兴趣。除醋酸纤维素（CA）之外，无数的天然和合成聚合物和纳米材料已经被静电纺丝。在随后的小节这已经被说明了。此外，该文章还突出了醋酸纤维素（CA）静电纺丝可以有效地用于生成其他纳米材料，如活性炭纳米纤维的事实。

3.2.在其他聚合物存在下的醋酸纤维素（CA）静电纺丝

大量的合成和天然聚合物已经于醋酸纤维素（CA）一起被纺丝，下文对此进行了详细论述。

高角度的超细醋酸纤维素（CA）纤维具有独特的纳米和亚微米尺寸的晶球的独特的结构特点，利用混合醋酸纤维素（CA）和聚（乙烯基吡咯烷酮）或吡咯烷酮（PVP）在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中制备。另一方面，在szlig;-环糊精存在下的醋酸纤维素（CA）静电纺丝有纳米纤维生成，而随后又去消去。醋酸纤维素（CA）静电纺丝的制备，聚（乙烯基吡咯烷酮）(PVP)及其复合膜带和柱状形态的醋酸纤维素（CA）和，聚（乙烯基吡咯烷酮）（PVP）纤维分别报道了。在CA / PVP /CA在水中的纤维膜的洗涤步骤中吡咯烷酮（PVP）在水中的可能扩散被利用开发产生微小的管状结构。有趣的是，CA / PVP / CA纤维复合膜相比PVP / CA / PVP膜表现出较低的断裂伸长率（%）和较高的抗拉强度（MPa）。在无数的应用中，基于传感器的醋酸纤维素（CA）纳米纤维接触到大量各种液体就像这样一个高芯吸速率希望将液体输送到它的目的地。在这种情况下，双喷嘴系统独立喷射醋酸纤维素（CA）和聚乙烯醇（PVA），用于静电纺丝醋酸纤维素（CA）/聚乙烯醇（PVA）共混纳米纤维。芯吸速率分析的再生纤维素乙酰化后的混纺纤维的芯吸速率的增强显示为聚乙烯醇（PVA）溶液浓度的函数。

其中，醋酸纤维素（CA）/聚氨酯（PU）复合纤维的报道显示一个连续纳米纤维结构由于在二甲基乙酰胺（DMAc）/丙酮纺丝溶液中相分离的静电纺丝过程。聚氨酯（PU）为醋酸纤维素（CA） /聚氨酯（PU）基团抗拉强度做出贡献，尺寸稳定性和刚度是由半刚性成分醋酸纤维素（CA）改进。对表面化学和表面粗糙度对静电纺CA纤维环氧树脂基体的影响的一个重要的例子在2010年被Liao等人提出。醋酸纤维（CA）纤维粗糙的表面具有多个羟基促进其附着力增强在醋酸纤维（CA）/环氧树脂和醋酸纤维（CA）—聚氨酯（PU）/环氧树脂复合材料的界面脱粘，和聚氨酯（PU）/环氧树脂复合材料光纤通道的标记，归因于光滑的聚氨酯（PU）表面。这些微分作用也决定着的复合薄膜的可见光透过率，为醋酸纤维（CA）/环氧树脂和聚氨酯（PU）/环氧树脂薄膜观察光学性能最好和最差。

为了提高醋酸纤维（CA）静电纺丝纤维的力学性能，对聚（丙烯酸丁酯）（PBA）的作用进行了研究。聚（丙烯酸丁酯）（PBA）作为粘合剂，导致一代点粘接结构中的纤维在拉伸强度显著增加。2009年，Chen等人报道了直径（1000至1750纳米）的平滑变化，圆柱形静电复合纤维基于醋酸纤维（CA）和聚乙二醇（PEG）与后者的分子量的变化。醋酸纤维（CA）/环氧乙烷（PEO）（ PEO：20 wt.%）共混静电纺丝的伸长率和拉伸强度因氧化锌（ZnO）纳米颗粒的掺入而显著改善。Quan等人2009报道了制备聚（聚丁二酸丁二醇酯）/醋酸纤维（CA）共混物的生物降解静电纺丝而Du和Hsieh 在2009年报道了丁酰甲壳素（DBC）、醋酸纤维（CA）和丁酰甲壳素（DBC）/醋酸纤维（CA）杂化纳米纤维的制备，采用丙酮-醋酸1:1的溶剂系统，直径

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