專訪“靜電紡絲之父”西拉姆：利用靜電紡絲技術製備高性能納米纖維，爲再生醫學等領域提供技術支持
拉馬克瑞斯納·西拉姆教授（）是英國皇家工程院院士、印度國家工程院院士、新加坡工程院院士、東盟工程與技術院院士、美國醫學與生物工程院院士、新加坡國立大學納米纖維和納米技術中心主任。2023 年 11 月，當選爲中國工程院外籍院士。
他被湯森路透評選爲“全球最具影響力的科學家之一”，被斯坦福綜合評分（c-score）列爲全球範圍內在材料、生物醫學工程等方面極具影響力的研究人員。
自 2014 年以來，被科睿唯安評爲全球材料科學和交叉領域中前 1% 的高被引科學家（Clarivate Analytics）。
圖丨 （Seeram Ramakrishna）（來源：資料圖）
被稱譽爲“靜電紡絲之父”，在過去 25 年中，致力於在亞微米尺度探索納米纖維，在靜電紡絲技術上持續創新，並利用該技術製備高性能納米纖維，應用在生物醫學、能源儲存、可穿戴電子設備、腦科學、紡織品等領域。
在靜電紡絲技術方向持續創新
靜電紡絲是一種製備納米纖維的方法，通過將高電壓施加於聚合物溶液或熔融聚合物，使其形成細長的纖維。在傳統的模式中，大多數靜電紡絲機在科學實驗室或空氣過濾公司的生產車間等受控環境中使用。
課題組設計並製造了一款高度便攜的手持式靜電紡絲機，不僅實現了將電源微型化，還把電壓從幾伏提升到千伏。他指出，“這一進步推動了即時醫療服務的發展，特別是在緊急情況和戰爭場景下。”
此外，他們還設計了一種納米纖維和納米顆粒的功能化策略，以提高各種應用的性能，並闡明瞭工藝參數、微觀結構、宏觀結構和功能性能之間的關聯。
的研究涵蓋仿生材料、生物材料和組織工程等方面。他的研究爲開發人工器官、再生醫學和醫療器械等領域提供了重要的技術支持和指導。
此前，他們曾與意大利羅馬大學勞拉·特多裡（）教授課題組合作，在 Nanomaterials報道了一種具有智能功能的複合電紡生物材料，可以根據身體的需求和環境變化實現自適應。
相關論文題目爲《基於智能胞外基質的骨骼肌再生電紡生物材料》（）[1]。
圖丨相關論文（來源：Nanomaterials）
靜電紡絲技術具有高效、靈活性強的特點，在該研究中，通過製備具有納米纖維結構和大比表面積的材料，從而提供優越的細胞附着和生物活性。
這種利用靜電紡絲技術製備的納米級生物材料可以促進和支持肌肉再生，並具備對細胞信號的響應和調控能力。
研究人員通過製造基於脫細胞細胞外基質（decellularized extracellular matrix，dECM）的複合電紡支架，通過釋放生長因子、調控細胞信號通路和提供機械支持等方式，來實現肌肉的再生和修復。
“我們提出利用點擊化學方法對錶面進行生物功能化，通過構建類似肌肉組織的支架結構，提供支撐和導向細胞生長，進而促進肌肉細胞的黏附、增殖和分化。”說。
圖丨基於智能胞外基質的骨骼肌再生電紡生物材料（來源：Nanomaterials）
肌肉纖維的幾何形狀和空間排列，使得骨骼肌組織能夠適應並支持身體運動。對於成功的骨骼肌再生而言，生物材料應具備以下促進細胞活動的重要特性：多孔性、有序排列的結構和生物活性分子的生物可用性。
此外，骨骼肌組織的功能還包括呼吸、代謝控制、體溫調節和能量儲存。因此，疾病或損傷的骨骼肌組織再生是複雜的。
尋找合適的生物材料應考慮到重要的物理、生化和炎症信號，以有效地影響細胞的黏附和增殖，從而引導肌肉再生。
此外，研究人員還將藥物封裝到智能材料中，實現了對藥物的可控釋放。這種藥物釋放系統可以提供定向的藥物輸送，促進肌肉再生和修復過程中的炎症調節、血管生成和組織修復。據介紹，目前該技術正在意大利推進中。
圖丨用於骨骼肌再生的智能靜電紡絲支架設計流程圖（來源：Nanomaterials）
最近，團隊正在研究可感知、自發產生能源、儲存能量、傳輸電力和信息，並能執行可控、自動響應的可穿戴設備。他們致力於解決可穿戴設備的柔性、功能性能和可靠性方面的科學挑戰。
數據中心是數字技術和互聯網的核心，近期還致力於爲數據中心的熱管理定製納米材料，這其中的技術挑戰在於擴大專用納米材料的生產規模。
“我們也在探索材料的可持續發展，其中的科學難點包括：纖維分揀的分子標記、在不降低性能的情況下進行回收，以及在降低環境影響的同時實現更高的可持續性。”說。
如何更早地發掘技術的發展潛力？
在英國劍橋大學獲得博士學位，作爲一名具有系統思維的材料工程師開始了其職業生涯。多年來，他始終保持對多樣化知識的濃厚興趣，也因此喜歡從不同的學科中尋找科學靈感。
除了關注不斷變化的多領域科學知識，對政策保持高度敏感性也是其能夠更早地看見技術發展潛力的“秘笈”。這些政策和因素包括人口結構、國家政策和國際政策、社會挑戰、人體和心理、影響地球生命的因素的更新等。
“各個領域的發展和進步拓寬了我的視野，隨着時間的推移，我對靜電紡絲納米材料逐漸形成了深刻的認識，並對該技術的未來發展前景更有信心。”他說。
圖丨（Seeram Ramakrishna）（來源：DeepTech）
那麼，科研的靈感從何處而來呢？對來說，大自然是最好的靈感來源。
他經常專注地觀察自然界中幾何形狀的結構，並對材料的特定功能和行爲感到着迷。在研究中，他經常設想微結構的方向性在材料的增強性能、行爲和功能方面的作用和影響，並利用它們來定製各種材料製品的增強特性和功能。
作爲一位傑出的學者，在教育和學術領導方面也具有顯著的貢獻。他曾擔任全球多所大學的教授職位，培養了許多傑出的學生及研究人員。此外，他還積極參與推動學術交流和國際合作，爲全球科學界的發展做出了積極貢獻。
表示，十分樂意自由廣泛地分享知識和技能，併爲將技術在全球範圍內成爲研究人員常規使用的技術不懈努力。
“令人難忘的時刻是，每年我都會遇到來自世界各地的研究人員（我以前從未見過或接觸過），很榮幸我可以成爲他們的導師或合作者。他們通過閱讀我的書籍和論文、聆聽我的主題演講等，來開展自己的研究、創新和創業。”他說。
在與的交流中，他指出，發展中國家大學的進步和全球競爭力，需要具有影響力的研究人員，來承擔學術領導和政策領導的“雙重”責任。與發達國家的頂尖大學相比，這些研究人員數量較少。
他回憶道：“當我在大約三十年前開始在新加坡國立大學從事職業生涯時，它是以教學爲主的大學。而正確的政策和適當的資金支持，使其轉變爲一所世界級大學。”
如何更加合理地平衡自己的時間和精力呢？
認爲，每個人的生命都是有限的，所以他每天都會盡力發揮自己 100% 的能力。“經驗和正確的觀點使我能夠更高效、更有效地分配時間和精力，來參與教學、研究和服務等一系列活動。”
智能材料和可持續性材料或爲未來的重要發展方向
人們希望擁有理想的、綠色的環境和能源。近年來，世界各國開始重視並跟蹤報告各自的碳排放量，從各個行業到不同的公司都在積極推動碳中和發展。
表示，只有從根本上改變人們的行爲，才能推動碳中和的整體轉型升級。
因此，人們應該更加關注產品的可持續發展和循環性[2]，這將降低人均材料消耗、減少地球資源的開採、恢復地球的生命支持系統，並改善人類的醫療保健結果。
從材料領域的角度，如何設計和生產更具有可持續性、性能更高、更智能的材料，來減少碳排放是科學家們值得共同探索的方向。
圖丨靜電紡絲中試生產車間照片（來源：Renewable and Sustainable Energy Reviews）
指出，靜電紡絲技術、功能納米材料和複合材料的進步，將推動發展智能材料[3] 以及實現可持續的、碳排放更低的材料[4]。
材料的可持續性有利於社會對材料、產品和行業的碳中和轉型，而智能材料將對醫療、太空旅行和生活、機器人和自動化以及基礎設施等衆多領域產生影響。
他認爲，在靜電紡絲、納米纖維和複合材料領域，中國的研究人員和公司數量遠遠超過世界上任何其他國家。未來，世界各地的研究將繼續集中在設計、合成和生產具有多功能性，以及能夠承受苛刻操作條件的高性能材料 [5]。
參考資料：
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：劉雅坤
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