专访“静电纺丝之父”西拉姆：利用静电纺丝技术制备高性能纳米纤维，为再生医学等领域提供技术支持
拉马克瑞斯纳·西拉姆教授（）是英国皇家工程院院士、印度国家工程院院士、新加坡工程院院士、东盟工程与技术院院士、美国医学与生物工程院院士、新加坡国立大学纳米纤维和纳米技术中心主任。2023 年 11 月，当选为中国工程院外籍院士。
他被汤森路透评选为“全球最具影响力的科学家之一”，被斯坦福综合评分（c-score）列为全球范围内在材料、生物医学工程等方面极具影响力的研究人员。
自 2014 年以来，被科睿唯安评为全球材料科学和交叉领域中前 1% 的高被引科学家（Clarivate Analytics）。
图丨 （Seeram Ramakrishna）（来源：资料图）
被称誉为“静电纺丝之父”，在过去 25 年中，致力于在亚微米尺度探索纳米纤维，在静电纺丝技术上持续创新，并利用该技术制备高性能纳米纤维，应用在生物医学、能源储存、可穿戴电子设备、脑科学、纺织品等领域。
在静电纺丝技术方向持续创新
静电纺丝是一种制备纳米纤维的方法，通过将高电压施加于聚合物溶液或熔融聚合物，使其形成细长的纤维。在传统的模式中，大多数静电纺丝机在科学实验室或空气过滤公司的生产车间等受控环境中使用。
课题组设计并制造了一款高度便携的手持式静电纺丝机，不仅实现了将电源微型化，还把电压从几伏提升到千伏。他指出，“这一进步推动了即时医疗服务的发展，特别是在紧急情况和战争场景下。”
此外，他们还设计了一种纳米纤维和纳米颗粒的功能化策略，以提高各种应用的性能，并阐明了工艺参数、微观结构、宏观结构和功能性能之间的关联。
的研究涵盖仿生材料、生物材料和组织工程等方面。他的研究为开发人工器官、再生医学和医疗器械等领域提供了重要的技术支持和指导。
此前，他们曾与意大利罗马大学劳拉·特多里（）教授课题组合作，在 Nanomaterials 报道了一种具有智能功能的复合电纺生物材料，可以根据身体的需求和环境变化实现自适应。
相关论文题目为《基于智能胞外基质的骨骼肌再生电纺生物材料》（）[1]。
图丨相关论文（来源：Nanomaterials）
静电纺丝技术具有高效、灵活性强的特点，在该研究中，通过制备具有纳米纤维结构和大比表面积的材料，从而提供优越的细胞附着和生物活性。
这种利用静电纺丝技术制备的纳米级生物材料可以促进和支持肌肉再生，并具备对细胞信号的响应和调控能力。
研究人员通过制造基于脱细胞细胞外基质（decellularized extracellular matrix，dECM）的复合电纺支架，通过释放生长因子、调控细胞信号通路和提供机械支持等方式，来实现肌肉的再生和修复。
“我们提出利用点击化学方法对表面进行生物功能化，通过构建类似肌肉组织的支架结构，提供支撑和导向细胞生长，进而促进肌肉细胞的黏附、增殖和分化。”说。
图丨基于智能胞外基质的骨骼肌再生电纺生物材料（来源：Nanomaterials）
肌肉纤维的几何形状和空间排列，使得骨骼肌组织能够适应并支持身体运动。对于成功的骨骼肌再生而言，生物材料应具备以下促进细胞活动的重要特性：多孔性、有序排列的结构和生物活性分子的生物可用性。
此外，骨骼肌组织的功能还包括呼吸、代谢控制、体温调节和能量储存。因此，疾病或损伤的骨骼肌组织再生是复杂的。
寻找合适的生物材料应考虑到重要的物理、生化和炎症信号，以有效地影响细胞的黏附和增殖，从而引导肌肉再生。
此外，研究人员还将药物封装到智能材料中，实现了对药物的可控释放。这种药物释放系统可以提供定向的药物输送，促进肌肉再生和修复过程中的炎症调节、血管生成和组织修复。据介绍，目前该技术正在意大利推进中。
图丨用于骨骼肌再生的智能静电纺丝支架设计流程图（来源：Nanomaterials）
最近，团队正在研究可感知、自发产生能源、储存能量、传输电力和信息，并能执行可控、自动响应的可穿戴设备。他们致力于解决可穿戴设备的柔性、功能性能和可靠性方面的科学挑战。
数据中心是数字技术和互联网的核心，近期还致力于为数据中心的热管理定制纳米材料，这其中的技术挑战在于扩大专用纳米材料的生产规模。
“我们也在探索材料的可持续发展，其中的科学难点包括：纤维分拣的分子标记、在不降低性能的情况下进行回收，以及在降低环境影响的同时实现更高的可持续性。”说。
如何更早地发掘技术的发展潜力？
在英国剑桥大学获得博士学位，作为一名具有系统思维的材料工程师开始了其职业生涯。多年来，他始终保持对多样化知识的浓厚兴趣，也因此喜欢从不同的学科中寻找科学灵感。
除了关注不断变化的多领域科学知识，对政策保持高度敏感性也是其能够更早地看见技术发展潜力的“秘笈”。这些政策和因素包括人口结构、国家政策和国际政策、社会挑战、人体和心理、影响地球生命的因素的更新等。
“各个领域的发展和进步拓宽了我的视野，随着时间的推移，我对静电纺丝纳米材料逐渐形成了深刻的认识，并对该技术的未来发展前景更有信心。”他说。
图丨（Seeram Ramakrishna）（来源：DeepTech）
那么，科研的灵感从何处而来呢？对来说，大自然是最好的灵感来源。
他经常专注地观察自然界中几何形状的结构，并对材料的特定功能和行为感到着迷。在研究中，他经常设想微结构的方向性在材料的增强性能、行为和功能方面的作用和影响，并利用它们来定制各种材料制品的增强特性和功能。
作为一位杰出的学者，在教育和学术领导方面也具有显著的贡献。他曾担任全球多所大学的教授职位，培养了许多杰出的学生及研究人员。此外，他还积极参与推动学术交流和国际合作，为全球科学界的发展做出了积极贡献。
表示，十分乐意自由广泛地分享知识和技能，并为将技术在全球范围内成为研究人员常规使用的技术不懈努力。
“令人难忘的时刻是，每年我都会遇到来自世界各地的研究人员（我以前从未见过或接触过），很荣幸我可以成为他们的导师或合作者。他们通过阅读我的书籍和论文、聆听我的主题演讲等，来开展自己的研究、创新和创业。”他说。
在与的交流中，他指出，发展中国家大学的进步和全球竞争力，需要具有影响力的研究人员，来承担学术领导和政策领导的“双重”责任。与发达国家的顶尖大学相比，这些研究人员数量较少。
他回忆道：“当我在大约三十年前开始在新加坡国立大学从事职业生涯时，它是以教学为主的大学。而正确的政策和适当的资金支持，使其转变为一所世界级大学。”
如何更加合理地平衡自己的时间和精力呢？
认为，每个人的生命都是有限的，所以他每天都会尽力发挥自己 100% 的能力。“经验和正确的观点使我能够更高效、更有效地分配时间和精力，来参与教学、研究和服务等一系列活动。”
智能材料和可持续性材料或为未来的重要发展方向
人们希望拥有理想的、绿色的环境和能源。近年来，世界各国开始重视并跟踪报告各自的碳排放量，从各个行业到不同的公司都在积极推动碳中和发展。
表示，只有从根本上改变人们的行为，才能推动碳中和的整体转型升级。
因此，人们应该更加关注产品的可持续发展和循环性[2]，这将降低人均材料消耗、减少地球资源的开采、恢复地球的生命支持系统，并改善人类的医疗保健结果。
从材料领域的角度，如何设计和生产更具有可持续性、性能更高、更智能的材料，来减少碳排放是科学家们值得共同探索的方向。
图丨静电纺丝中试生产车间照片（来源：Renewable and Sustainable Energy Reviews）
指出，静电纺丝技术、功能纳米材料和复合材料的进步，将推动发展智能材料[3] 以及实现可持续的、碳排放更低的材料[4]。
材料的可持续性有利于社会对材料、产品和行业的碳中和转型，而智能材料将对医疗、太空旅行和生活、机器人和自动化以及基础设施等众多领域产生影响。
他认为，在静电纺丝、纳米纤维和复合材料领域，中国的研究人员和公司数量远远超过世界上任何其他国家。未来，世界各地的研究将继续集中在设计、合成和生产具有多功能性，以及能够承受苛刻操作条件的高性能材料 [5]。
参考资料：
1. Politi,S. et al. Smart ECM-Based Electrospun Biomaterials for Skeletal Muscle Regeneration. Nanomaterials 2020, 10(9), 1781 https://doi.org/10.3390/nano10091781
2.Patil, R.A., van Langen, S.K., Ramakrishna, S.. Circularity at Nano Level: A Product/Service Perspective. (2023). https://doi.org/10.1007/978-981-19-9700-6_6
3.Liu,K. et al. Intelligent Materials. Matter(2020). https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.07.003
4.Ramakrishna,S, Jose,R. Principles of materials circular economy.Matter(2022). https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.009
5.Liu，J. et al. Review on electrospinning anode and separators for lithium ion batteries. Renewable and Sustainable Energy Reviews 189,113939(2023). https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113939
支持：Ren
排版：刘雅坤