《Journal of Hazardous Materials Advances》：Fabrication and In Vitro Toxicity Assessment of PET Microplastic Fibers with Diameter and Aspect Ratio Control
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开发了一种可靠制备具有确定宽度/长度比（width/length ratio）的PET（polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯）微塑料纤维（microplastic fibers, MPF）的方法。实现了对直径（30–75
开发了一种可靠制备具有确定宽度/长度比（width/length ratio）的PET（polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯）微塑料纤维（microplastic fibers, MPF）的方法。实现了对直径（30–75 μm）和长度（54–734 μm）的精确控制。在人细胞中的毒性测试表明，纤维比球形微塑料（microplastics, MP）引起更强的氧化应激（oxidative stress）。
近年来，微塑料（microplastics, MP）作为大气、土壤和水体污染物广泛存在，尺寸约为0.1 μm–5 mm。MP已在多种消费品、大气样品以及人体样本/组织中检出，提示人类处于慢性暴露，并引发潜在健康担忧。MP形状多样，其中微塑料纤维（microplastic fibers, MPF）定义为最小长径比（aspect ratio, AR）为3的颗粒，是环境中最丰富的形态之一；有报告指出大气MP中MPF比例很高，消费品中也可含高浓度MPF。聚酯因年产量高、占纤维市场比例大而备受关注，洗涤衣物/纺织品被认为是MPF的重要释放途径，单次洗涤可释放大量MPF。相较之下，聚丙烯（polypropylene, PP）和聚乙烯更常以碎片形式存在。尽管MPF丰富，但人体相关毒性研究多使用球形聚苯乙烯MP，约占已发表研究的70%，仅代表环境中的少部分形状。已有纳入MPF的细胞研究多限于单一粒径或材料差异，缺少对直径、长度等环境相关变量的系统控制。环境MPF宽度约为5–130 μm，长度为55–1,950 μm。商业MPF缺乏，已报道制备方法对MPF最终特征控制有限；仅Cole通过冷冻切片长单丝控制长度至100 μm，但商业线轴限制了直径控制。因此，研究人员开发可同时控制直径和长度的PET MPF，并开展体外毒性评估。
关键技术方法概述：研究人员开发MiPlaFex挤出装置，利用3D打印机组件与微控制器，通过调节聚合物流动、熔融温度、收集器转速与距离制备PP和PET纤维线轴；PET源为回收PET瓶，PP为商业3D打印丝。随后采用冷冻切片法，按目标长径比3、5、10切割，获得九批PET MPF。用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）和显微傅里叶变换红外光谱（micro-Fourier transform infrared spectroscopy, μFTIR）表征；用A549肺泡上皮细胞和Caco-2结直肠上皮细胞，MTT（3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide）法、CellROX Orange和YOYO-1活细胞成像评估代谢、活性氧（reactive oxygen species, ROS）和死亡/增殖。基准颗粒为商业球形PET（cPET）和UBC提供的纺织研磨PET（gPET）。
研究结果如下。
3.1 微塑料纤维的制备
研究人员通过MiPlaFex制备PP和PET纤维线轴。PP中，温度、收集器转速与纤维直径呈反比，较高温度下聚合物黏度降低，纤维变细；但高流速和较长工作距离下该关系不保持。PET中，300 °C和25 mm/min条件下无法收集稳定聚合物流，说明需按聚合物优化条件；收集器转速与纤维尺寸呈反比。整体上，直径可实现28 ± 7 μm至110 ± 5 μm范围。
3.1.1 尺寸与形态学表征
SEM显示，研究人员成功制备直径约30、55和75 μm的PET MPF，精度分别为± 3 μm（± 11%）、± 6 μm（± 11%）、± 8 μm（± 10%）。冷冻切片制得MPF长度为54 ± 8 μm至734 ± 61 μm，随长度增加，制备精度下降。光镜与SEM测量存在显著差异，光镜测得尺寸偏大，长度最大增加10.25%，直径最大增加7.91%。切割长度误差为：26 μm线轴为-28.0 ± 3.4%，55 μm线轴为-4.7 ± 5.8%，75 μm线轴为-3.5 ± 2.0%，小直径偏差最大。研究人员提出，这与纤维对齐时拉伸、冷冻固定及解冻后回缩有关。
3.1.2 材料表征—μFTIR
μFTIR显示PET特征吸收峰，包括约1750 cm
-1的酯羰基伸缩、约2950 cm
-1的脂肪族C-H以及3450 cm
-1的羟基端基。与源塑料瓶碎片相比，PET MPF的3450 cm
-1信号较低，提示加工过程中未出现明显聚合物降解；gPET和cPET该峰较弱，提示降解较少或分子量较大。研究人员指出，商业MP在代表环境颗粒方面有局限，可通过实验老化改善。
3.1.3 意义与局限
该方法可制备环境相关尺寸范围的MPF，扩展了直径作为毒理学研究参数的评估能力。但当前装置无法制备环境中最小直径5–30 μm的MPF，未来可通过改变喷嘴直径或结合电纺等技术实现。制备PET MPF和gPET表面较cPET光滑，而环境MP常因长期暴露和降解而高度磨损；未来可用紫外辐射和砂粒磨损等实验老化提高环境相关性。
3.2 体外毒性评估（MPF vs cPET）
3.2.1 代谢活性评估
MTT实验显示，部分PET MPF引起A549和Caco-2细胞代谢活性显著改变。A549中，b5和b10批次显著降低代谢活性，其他批次出现增加；cPET无显著影响。Caco-2中，7/9条件显著降低代谢活性，主要涉及最大直径的c3、c5和c10；gPET无显著影响。研究人员认为，形态应被纳入MP毒性评估。
3.2.2 细胞增殖与死亡评估
在100 μg/mL下，A549和Caco-2细胞生长曲线的线性回归显示，MPF暴露组与阴性对照的增殖率无显著差异；阳性对照camptothecin显著降低增殖。死亡事件检测中，Caco-2在最初4 h较对照略有增加，A549中无此现象，cPET也无显著影响。研究人员提出，Caco-2可能对MP加入引起的物理扰动更敏感，但需进一步验证。
3.2.3 氧化应激（ROS生成）评估
A549中，MPF暴露引起初始ROS显著增加，最高约24%，后期相对稳定，但b5和b10除外；cPET最大显著增加为62 h时约7%，MPF与cPET在几乎所有条件下存在显著差异。Caco-2中，仅少数MPF如c5和a10在后期出现中等增加。研究人员指出，MPF在同质量下表面积高于球形颗粒，可能解释差异；表面粗糙度和溶出物也可能参与。
3.2.4 局限
最重要发现是球形cPET与MPF在体外毒性中的差异效应，提示微塑料形态在毒理学评价中的潜在作用。但该研究未确定驱动这些差异的细胞机制。未来应研究细胞膜扰动、特定生物标志物和更复杂模型如类器官。剂量可能因颗粒团聚或沉降而不均，表面活性剂有细胞毒性，质量浓度与颗粒数浓度报告不一致；研究人员计算了颗粒质量、表面积和等效颗粒数/mL。最高测试浓度仍与环境年暴露百万颗粒量级及职业暴露估计相关，但排除了排泄、器官蓄积、黏液屏障等生理因素，未来应并行使用质量浓度和颗粒数浓度。
讨论部分总结：研究人员成功建立了直径和长度可控的PET MPF制备方法，并扩展了冷冻切片可获得更长纤维的范围；该工艺可复制到其他1.75 mm丝材聚合物，如PP。体外毒性表明，MPF比球形MP引起更强氧化应激和代谢活性差异，虽未发现效应与MPF尺寸的直接相关性，但支持将MPF纳入未来毒理学评价，并强调表面积的重要性。局限包括最小环境直径未覆盖、表面较光滑、剂量与报告单位挑战以及机制未明。
研究结论翻译：在本研究中，研究人员通过一种新颖且易于重复的装置制备聚合物纤维线轴，成功扩展了现有MPF制备方法，引入了对MPF直径的控制，并将Cole报道的切割范围扩大以获得更长纤维。尽管本项目聚焦于PET MPF，该过程可用任何以1.75 mm丝材形式获得的聚合物复制（如尼龙），如PP制备纤维所示。迄今为止，MP风险评估主要依赖使用有限范围MP类型和暴露条件的研究。研究人员的结果强调未来研究纳入MPF的关键必要性。具体而言，球形MP和MPF在代谢活性和氧化应激方面表现出差异效应，MPF毒性更强。尽管研究人员未发现观察效应与MPF尺寸之间的直接相关性，结果强烈主张将其纳入后续毒理学评价。此外，通过所述方法，未来研究可在更全面和真实条件下将MPF整合至试验中，最终揭示驱动这些毒理学效应的机制。尽管对MP与人类健康相互作用的理解仍在发展，但研究这种广泛污染物的潜在不良效应至关重要，尤其因为MP和MPF暴露现已无处不在且不可避免。本研究对MP领域的贡献包括：a）开发一种制备环境相关MPF和潜在参考标准品的方法，将促进MPF——一种因缺乏商业可获得性而在毒性研究中常被忽视的极丰富环境形态——纳入未来研究；b）强调在评价MP毒理学性质时表面积的重要性。
