美国佐治亚理工学院的夏幼南教授团队在国际著名期刊Accounts of Chemical Research发表题为”Electrospun Nanofibers: New Concepts, Materials, and Applications”的综述文章。该篇综述阐述了静电纺丝制备纳米纤维的原理和方法 ，同时还介绍了静电纺丝纳米纤维的应用领域并对未来的研究方向进行了展望。

     静电纺丝是一种利用表面经典排斥作用，以粘性流体为原料，简便、通用、连续地制备纳米纤维的方法。静电纺丝制备的纳米纤维，其直径可以达数十纳米，纳米纤维的材料范围广泛，包括高分子、陶瓷、小分子以及其复合物。除了可以制备表面光滑的纳米纤维，静电纺丝发还可以制备具有二级结构的纳米纤维，包括孔、空腔、核-壳结构等。纳米纤维的表面和内部可进一步地加入分子或纳米颗粒修饰，这一过程可在静电纺丝过程中同时进行、也可在纳米纤维形成之后进行。另外，对纳米纤维进行排列、堆垛、折叠，可组装形成有序结构或分级结构。这些特性使得静电纺丝被广泛应用于空气过滤、水处理、异相催化、环境保护、智能织物、表面涂层、能量的收集转化和存储、封装生物活性材料、药物缓释、组织工程、再生医学等。

　　静电纺丝的装置和基本原理：静电纺丝的装置包括四部分：高压电源、注射泵、喷丝头、接收器。当粘弹性流体被推出喷丝头时，表面张力会促使其形成球形液滴。而由于喷丝头上外加了高电压，使液滴表面带同种电荷。当静电排斥作用足够强时，可以抵消表面张力作用，此时液滴不是球形而是圆锥形。开始喷丝后，液体首先进入锥-射流区（cone-jet），在表面电荷排斥和强电场的共同作用下，射流直径越来越小、直至发生弯曲。之后射流进入鞭动不稳定区（whipping instability）,射流加速的同时如鞭子一样摆动，在此射流直径大幅下降、溶剂挥发。最终，射流固化形成超细直径的纤维。

　　
图1 静电纺丝的装置；纺丝的光学照片

　　从高分子纤维到陶瓷纳米纤维：静电纺丝最初是利用高分子溶液、制备高分子纳米纤维的技术。当结合溶胶凝胶法后，其应用领域扩展到复合纳米纤维和陶瓷纳米纤维。最早人们以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和钛酸四丁酯为原料、用静电纺丝法制备无定形 TiO₂ 纳米纤维，空气中煅烧后除去有机物。类似的方法可以用来制备系列氧化物的纳米纤维。

　　
图2 PVP/TiO₂ 复合纳米纤维， TiO₂陶瓷纳米纤维

　　多孔纳米纤维：在本为实心的纳米纤维中形成多孔结构能有效提高其比表面积。主要策略是（1）选择性去除纳米纤维中的一种组分，例如将复合纳米纤维中的聚合物烧掉、留下多孔陶瓷纤维；（2）在完全固化前诱导产生聚合物-溶剂相分离，例如直接将纺丝喷入液氮中，用冷冻干燥法得到多孔高分子纳米纤维。

　　
图3 几种多孔高分子纳米纤维。

　　中空纳米纤维：制备核-鞘结构或者中空的纳米纤维，可以使用两种不互溶的溶液、使用同轴喷头实现。例如外侧喷头喷出 PVP/钛酸四丁酯溶液、内侧喷头喷出重矿物油，所得纺丝经过烧结或溶剂萃取，可以得到中空 TiO2 纳米纤维。

　　
图4 中空TiO2 纳米纤维的制备装置结构和SEM

　　定向排列的纳米纤维：当接收器为导体时，纳米纤维取向是无规的。但是在很多应用中需要定向排列的纳米纤维。实现纳米线的定向排列可以（1）利用机械法，通常是使用一个转轴作为接收器，纤维按照旋转方向定向排列；（2）利用磁场控制，在聚合物溶液中加入少量磁性纳米粒子使得纳米纤维具有磁性，这样可以得到单项排列的阵列；（3）作者特别介绍了他们利用电场控制纳米纤维取向的方法：在接收器上加入特定的电极，利用静电场实现纺丝的定向排列；通过调制电场能形成特殊的纺丝花样。

　　
图5 利用静电场调节纳米纤维取向。

　　纳米纤维作为催化剂载体：在利用贵金属纳米颗粒进行异相催化时，通常使用氧化物作为载体。使用纳米陶瓷纤维形成的无纺布薄膜作为催化剂载体时，其具有多孔、热稳定性好的特点，此外不同的氧化物对贵金属催化剂的电子结构有不同的调制作用。作者在此主要讨论了氧化物避免贵金属高温烧结的问题。

　　
图6 多孔-SiO2/Pt/TiO2纳米纤维，及其催化甲基红加氢

　　纳米纤维作为组织工程学的支架材料：静电纺丝纳米纤维被广泛研究用于组织工程学，这是由于其能够模拟细胞外间质（ECM）的分级结构。作者课题组将其作为支架结构，用于调控细胞行为和组织再生。具体包括模拟细胞外间质的结构以调控细胞生长形态；诱导细胞迁移以促进硬脑膜组织再生；诱导和促进神经细胞轴突伸长；促进肌腱到骨的组织再生。

　　总结与展望：作者指出，静电纺丝技术还面临一系列挑战：对于陶瓷纳米纤维，仍然有必要提高其机械强度和柔性，以实现子支撑结构的大面积应用。精确调控纳米纤维微观结构和纳米纤维的表面修饰都有助于催化材料的优化和发展。对于应用于组织再生的高分子纳米纤维，其组分和结构设计都有待于进一步优化以适应活体内应用。进一步的工作应该关注与细胞和生长因子整合的三维框架材料，以期能提高细胞的浸润性和活性；通过设计仿生三维结构，提高其促进组织再生的能力。相关研究的最终目的是推动静电纺丝走向工业化和临床应用。

       论文全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.7b00218