《Polymers》：Fast Dissolving Resveratrol–Polyvinylpyrrolidone Nanofibrous Films Fabricated in Bulk Using a Special Hole Electrospinning Technique
Qiuyun Guo,
He Lv,
Ran Dong,
Wei Yi,
Hongxi Wang,
Hui Liu,
Deng-Guang Yu and
Tao Yi
编辑推荐：
批量生产纳米材料对于开发商业化纳米产品非常理想。本研究开发了一种全新的静电纺丝（electrospinning）方法，称为孔静电纺丝（hole electrospinning），用于批量生产载药聚合物纳米纤维。以白藜芦醇（Resveratrol, Res）和聚
批量生产纳米材料对于开发商业化纳米产品非常理想。本研究开发了一种全新的静电纺丝（electrospinning）方法，称为孔静电纺丝（hole electrospinning），用于批量生产载药聚合物纳米纤维。以白藜芦醇（Resveratrol, Res）和聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone, PVP）分别作为模型药物和成丝基质，进行了孔静电纺丝和单针头静电纺丝（single-needle electrospinning）。所得纳米纤维薄膜在形态、物理和热性能、力学性能、快速溶解速率和抗氧化活性方面进行了比较。分析和表征结果证实，不同工艺制备的纳米纤维在形态、直径、孔隙率、拉伸强度、无定形态、快速溶解性能和抗氧化活性方面无显著差异。然而，孔静电纺丝的生产效率是单针头静电纺丝的13.3倍，具有更好的药物包封效率（encapsulation efficiency, EE%）（97.3 ± 4.5%对比83.7 ± 6.1%）和更高的能量效率（0.0393 W/g对比0.1247 W/g）。基于本研究报告的方法，不仅开发了一种用于聚合物工程的批量纳米转化方法，而且提出了一种有吸引力的方法，用于大规模生产各种复杂构型，以用于潜在的商业化纳米结构产品。
论文解读文章
**研究背景与问题：** 纳米材料的批量生产是推动商业化纳米产品发展的关键需求。然而，现有纳米制备技术面临严峻挑战：活性生物分子大多水溶性差，限制了其应用；静电纺丝（electrospinning）虽能便捷制备聚合物纳米纤维，但传统单针头电纺（single-needle electrospinning）产量极低，难以实现大规模生产。同时，基于针头的电纺虽易于构建复杂纳米结构（如核-壳、Janus纤维），但放大困难；而自由表面电纺虽可批量生产，却难以调控纤维的复杂构型。因此，如何将两种方法的优势整合，实现复杂纳米结构的批量制备，成为亟待解决的问题。白藜芦醇（Resveratrol, Res）是一种天然多酚化合物，具有抗氧化、抗炎等生物活性，但水溶性差；聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone, PVP）是亲水性聚合物，可增强难溶分子溶解度并具备优良成纤性。研究人员旨在开发一种新型批量电纺方法，以Res和PVP为模型体系，制备快速溶解的纳米纤维薄膜，并验证其批量生产可行性。
**研究内容与结论：** 研究人员设计了一种特殊的孔式喷丝头（hole spinneret），通过将铜线插入注射器底部孔道中，引导工作流体在电场中形成泰勒锥（Taylor cone）和射流，实现了四孔同步电纺。与传统单针头电纺相比，孔电纺（hole electrospinning）在纤维形貌、直径、孔隙率、力学性能、无定形态、快速溶解行为及抗氧化活性方面无显著差异，但产量提升13.3倍（40 mL/h vs. 3 mL/h），药物包封效率（EE%）更高（97.3 ± 4.5% vs. 83.7 ± 6.1%），能量效率更优（0.0393 W/g vs. 0.1247 W/g）。研究还揭示了孔电纺的机制：铜线提供的静电排斥力克服了表面张力，且消除了金属毛细管的毛细力与粘附力，使电纺过程更易启动且更节能。该研究为聚合物纳米纤维的批量转化提供了新方法，并展示了向复杂构型（如核-壳、Janus纤维）批量生产扩展的潜力。论文发表于《Polymers》。
**主要关键技术与方法：** 研究人员采用自组装的孔式喷丝头（含四根铜线电极）和传统单针头喷丝头，分别进行孔电纺和单针头电纺。工作流体由Res和PVP溶于无水乙醇配制。通过扫描电子显微镜（SEM）观察纤维形貌并统计直径分布；X射线衍射（XRD）和热重-差示扫描量热法（TG-DSC）分析物理状态与热性能；拉伸测试机评估力学性能；液体浸没法测定孔隙率；DPPH自由基清除实验评价抗氧化活性；光学显微镜记录快速溶解过程；紫外-可见分光光度法（UV-vis）测定药物含量、包封效率及体外溶出曲线。所有实验重复至少三次，数据以均值±标准差表示，采用t检验或方差分析（ANOVA）评估差异。
**研究结果：**
3.1. 纳米纤维复合材料的批量生产：通过优化工作流体性质（粘度、表面张力、电导率）和操作参数（流速、电压），研究人员实现了孔电纺的稳定四孔同步运行。测量显示，孔电纺的比能耗（0.0393 W/g）远低于单针头电纺（0.1247 W/g），能量效率提高317.3%。
3.2. 不同孔道纳米纤维的均匀性：SEM图像表明，四个孔道制备的纳米纤维均呈光滑直线形貌，平均直径分别为720±126 nm、718±143 nm、717±146 nm和728±145 nm，彼此无显著差异，且与单针头电纺纤维（725±163 nm）相似。PVP的-C=O基与Res的-OH基之间形成氢键，增强了分子相容性与药物包封能力。
3.3. 物理状态与性能比较：XRD图谱显示，两种电纺工艺制备的纳米纤维均使Res特征结晶峰消失，形成无定形态；TG-DSC曲线表明热行为高度一致；孔隙率（约68.7%）和拉伸强度也相近。DPPH自由基清除实验证实，不同工艺及不同孔道的纤维抗氧化活性相似。
3.4. 快速溶解性能：水滴实验显示，两种电纺薄膜均在约30秒内快速溶解，干燥后形成约1 μm的Res微晶。体外溶出试验表明，孔电纺和单针头电纺纳米纤维在1分钟内分别释放91.7±7.1%和90.8±6.3%的Res，5分钟内完全释放（约100%），而Res原料粉末5分钟仅释放13.4±4.8%。快速溶解归因于纳米纤维的小直径、高孔隙率、大比表面积及药物的无定形态。
3.5. 批量生产机制、优势与挑战：孔电纺中，铜线将静电能量直接传递至工作流体，消除金属毛细管的毛细力与粘附力，使泰勒锥半顶角（15°）小于传统针头电纺（44°），更易启动。孔电纺具有产量高、包封效率高、能耗低、装置紧凑及可扩展至复杂构型批量生产等优势。挑战包括工作流体均匀分配、电场分布均匀性以及收集区域纤维的均匀性，可通过增加储液罐体积、优化驱动压力和旋转收集器改善。
**总结讨论与研究结论：** 讨论部分指出，孔电纺机制整合了针头电纺和自由表面电纺的优点，通过铜线引导电场，降低了启动阈值。此概念可扩展至多流体电纺（如核-壳、Janus结构）的批量生产，有望解决纳米科学中复杂构型大规模制备的难题。研究结论翻译如下：成功开发了一种全新的组装式孔喷丝头，用于批量电纺Res-loaded PVP纳米纤维。与传统单针头电纺相比，新批量工艺一方面可生成形貌、尺寸分布、药物无定形态及快速溶出曲线相似的纳米纤维；另一方面，其产量是传统工艺的13.3倍，包封效率更高（97.3±4.5%对比83.7±6.1%），能量消耗更低（0.0393 W/g对比0.1247 W/g）。孔电纺的微形成机制表明，它能以更紧凑的方式组织设备，更有效地利用静电能量，同时实现载药纳米纤维的大规模制备。该工艺的进一步挑战在于如何向喷丝头底部所有孔道均匀分配工作流体和静电能量。基于此处揭示的流体引导至电场的新概念，纳米科学中最重要且困难的挑战之一——复杂构型的大规模生产——可能找到解决方案。同时，可方便地增加孔道数量以进一步提高产量，无需额外泵或电源。
