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静电纺丝技术发展存在巨大潜力
2018/5/10 17:46:03 易丝帮 0 条评论 邀请点评

静电纺丝技术发展存在巨大潜力

——访清华大学化工系的胡平教授

编者按如果谈到国内静电纺丝领域的研究和发展,有一位老先生是一定值得被提及的,那就是清华大学化工系的胡平教授。在学术上,胡平教授称得上是中国电纺丝事业的开拓者,早在2002年就率先进行了电纺丝制备纳米纤维并用于生物材料领域,十几年来,无数中国静电纺丝的后辈都承蒙他的关照开启电纺之旅。在生物医学领域,他所在的清华团队在药物控制释放载体、人工皮肤、血管支架等,产生一系列重要研究成果。作为一个退休十年的清华教授,凡是关于静电纺丝的学术会议邀请,他都鼎力支持,尽管退休,仍然在创新的道路上不辍前行,与同行探讨学术想法,向学生传授实验经验,一心发展中国的电纺丝事业。胡教授在组织工程界、生物材料界以及高分子工程界一直宣讲和推广电纺丝技术。2010年捷克驻中国大使馆邀请胡平教授作一场关于中国静电纺丝的报告,这场报告为中国电纺丝事业走出国门打下了坚实的基础,2015年胡教授在第三届中国静电纺丝大会上作出重要讲话,2017年胡教授参加全国心血管会议向无数生物医学领域的医生们传播电纺丝在组织工程、药物缓释、创伤敷料中的应用。无论高校、企业界、抑或国内外论坛胡教授都作过关于静电纺丝的报告,促进了电纺丝仪器设备的推广。很多学生说如果哪一届中国静电纺丝大会没有胡老师参与,感觉像缺少点什么一样。胡平教授于中国静电纺丝事业正是这样的存在——江湖也许没见过他,但皆听过他的传说。有他助航的中国静电纺丝事业正蒸蒸日上、朝气蓬勃地向前迈进。日前,胡平教授接受了易丝帮(tredekey.com)的专访。

ESPUN:您为什么热衷于电纺丝技术制备纳米纤维材料这一领域的研究呢?

胡平教授:21世纪科技正在改变我们的生活,静电纺丝技术设备,纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学领域最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝以其制造设备简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点,已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。作为一种简单有效地可生产纳米纤维的新型加工技术,静电纺丝技术在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大的作用。我从很早就看到了这方面的巨大潜力,近十年来一直专注于研究医用生物材料的改性与应用,并将纳米纤维应用于医学领域,如药物控制释放载体、人工皮肤、血管支架等,产生一系列重要研究成果。

ESPUN:您在静电纺丝,特别是电纺生物医用材料、组织工程等方向有诸多研究成果,能否向我们介绍下课题组的研究成果?

胡平教授:一直以来我在静电纺丝研究中主要关注电纺丝功能化的四个方面:电纺纤维形貌功能化:电纺纤维的这些结构特点使得材料不仅具有一定的力学性能,而且具有很好的生物仿生性,和膜渗透传质作用的要求,例如微球。纺丝过程的优化调控:优化纺丝过程参数可以达到对材料结构的调控,从而满足不同领域对性能的要求,例如溶液性质,包括浓度(粘度)、电导率、表面张力等,可控加工参数:液体静压力、电场强度、喷嘴到收集屏的距离以及环境因素等等。电纺纤维结构功能化:改变喷射,接收装置来得到各种复杂形状的电纺丝材料。电纺纤维组分功能化:纺丝过程中不断变化纺丝液的组成,易于实现多层梯度材料的制备,满足对组织微观结构的仿生要求,例如同轴电纺技术,乳液静电纺丝-纤维包裹药物载体等。

在这里,讲一个例子。早期的电纺丝研究都是以聚合物溶液为原料来制备纳米纤维的。后来,我的课题组就研究了以乳液体系来做纺丝。这就突破了传统的均相溶液局限,通过乳液分散相来赋予纳米纤维的功能化。这样就一下子把几乎所有研究者对乳液制备功能化微球的体系和工作成果一下子移植到电纺丝平台上来,得到具有纳米结构的功能化纤维。比如,为了加强组织工程支架的生物活性,需要使之负载有生长因子等药物,课题组发明了W/O乳液电纺丝制备出海藻酸钙微球—聚乳酸复合纤维。并用SEM和荧光显微镜对复合纤维的核壳结构进行了表征。使用牛血清白蛋白为模型药物,通过乳液纺丝将亲水性蛋白固定在亲油性聚合物支架上,在体外释放试验中,从复合纤维中释放的牛血清白蛋白比从裸露的海藻酸钙微球中释放得慢,而且突释降低。这个研究成果成功的修复了狗的脊髓,打破了中枢神经不可修复的认识,成为2005年的热点。

ESPUN:未来您对电纺丝哪些方面特别感兴趣,觉得有前景?

胡平教授:虽然我已经退休多年,但是课题组和产业界的方向我仍然参与膜分离技术-与电纺纳米纤维结合,共轭电纺加捻纱线制造,近场电纺,生物电纺,电纺与3D打印结合,这些都是目前我非常感兴趣的方向。举几个方面来说:膜分离技术被认为是“21世纪的水处理技术”,是一大类技术的总称。目前纳米纤维在技术上的最大优势是更经济、低能源消耗,效率提高、功能化更强的解决方案,是锦上添花的技术。比如,静电纺丝纳米纤维吸附重金属离子用于污水处理中,静电纺丝纳米纤维去除有机污染物,以及表面超疏水、超亲油、具有纳米级孔洞的超细电纺纤维膜。共轭电纺加捻纱线制造是一种生产任意长纤维,束,纱线的解决方法,目前这一方面据我所知已有很多老师在研究。近场静电纺丝,它的提出克服了传统电纺丝纤维无序和不可控的缺点, 能够制造出直径50-500nm 、排列有序的可控纳米纤维, 扩展了电纺丝技术的应用范围。近场电纺不仅达到了降低纺丝电压的目的,而且可以实现对纤维的精确可控沉积,这极大的促进了其在直写领域、大面积图案化、组织神经等领域的应用。生物电纺是在生物医用领域中,将材料和细胞同时电纺,这样在支架材料复合化、纳米化制作的同时还实现细胞的精确种植,一次成型工程化组织,将电纺技术从物理学层面的材料加工制作延伸成一种生物学层面的组织和器官制造技术。 这将对组织工程领域产生一定影响,开创一种新的生物制造技术,因为我本身就是搞生物材料的,与很多医院都有合作,所以非常关注这方面的进展。电纺与3D打印结合,现在3D打印是很热的话题,如果把两者结合起来相信有很大的突破。

ESPUN:您在电纺丝领域的这一系列成果是否有产业化可能呢?

胡平教授:关于电纺丝产业化,这是我最想看到的,也是最为关心的。电纺丝应用领域越来越广泛,文章越发越多,但其实作为科研人员,最想看到研究成果成为真正的产品,而这一切就必须要归于电纺丝产业化。可以说这是头等大事,重中之重。我的团队一直为此努力,到目前为止,团队不仅几位博士领衔前沿技术的研发与创新,还形成了技术成果转化的新局面。在这个里面,我一个关门弟子,齐宏旭博士,他一直致力于静电纺丝这个领域的产业化,他年轻有为、敢做,放弃了去剑桥大学攻读博士的机会,创办了北京永康乐业科技发展有限公司,成为国内最早投身于静电纺丝技术的规模化、和产品化的产业实施中。从我们的角度来讲,现在做研发,做科研,主要还是面向产业化的应用,我们希望通过实验室里的一些原创性的技术,来实实在在的能够改善一下现有产品的一些缺点,提高一些性能,最终能够用到千家万户去,让大家享受到科技成果带来的优越感。

ESPUN:您对静电纺丝的未来发展趋势有何预测?

胡平教授:静电纺丝每年广东11选5开奖结果相关的文章数量不断上升,从2000年全球仅有几十篇文献,到2017年web of science数据库中电纺丝方面的文章已有3万多篇,而且每年递增,越来越多高水平、高影响因子文章发表。特别是近几年国内人才辈出,几乎每个理工类高校都有研究电纺丝的团队,他们是我们的生力军。另一方面,从每年国家自然科学基金资助情况来看,近几年以 “纳米纤维”和“静电纺丝”为关键词的项目每年都有70多个受资助,比如,2016年获批项目总数为77个,受资助总额达3373万;2017年获批项目总数 69个,总额达2928万。这足以说明国家乃至整个社会非常关注这方面的研发,同时越来越多的人已投身于此,作为电纺丝的老一辈,我倍感欣慰啊,行业的前景一片光明。

ESPUN:您对有志从事该领域科学研究的学生有什么建议?

胡平教授:我的学生一直以来我都是手把手的带,学成之后希望他们能饱含激情地走出去,展翅高飞。对搞这行的学生,我的建议是勤于思考,与人交流。科学研究若不思考,怎么能出创新成果呢?但只一人思考,不去与人交流学习,很可能变成闭门造车,所以懂得这两点至关重要。


早期胡教授电纺丝与生物材料研究团队

ESPUN:您觉得从事科研事业必须具备哪些品质?

胡平教授:其实从事科研工作兴趣是前提,关键在于专注和坚持。比如刚才跟你提到的骨钉课题,可降解骨修复材料的专利和配方,和骨钉的制备工艺已在清华大学实验室完成,现在还未上市,在上市之前需要经过动物实验,材料毒理实验,和近千例病人临床实验确认安全后才能成为最初产品上市销售,我想科研的精神大概就在于,要面对无数次的失败,无数次的挑战与瓶颈,但还能义无反顾地执着于这份狂热。所以我说科研必须专注、充满热情,即使遇见失败,依然勇往直前。

   

2016年在清华大学“碳立方”实验室讲座中学生关注的眼神

文章关键词: 静电纺丝
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