近年来，随着材料制造技术的快速发展，包括微挤压生物打印、微流体纺丝、湿纺、干纺、静电纺丝、近场静电纺丝等多种方法可以方便、可控地制备纳米/微纤维。当纤维的直径从宏观尺度减小到微米或纳米尺度时，会出现惊人而特殊的物理化学性质，如机械强度的增强、高比表面积和体积比，以及在表面表现出的特殊功能。因此，纳米/微纤维引起了科学家们的高度关注，成为纤维科学领域的前沿和研究热点。
近日，南京大学鼓楼医院赵远锦教授综述了详细介绍了不同的纳米/微米纤维制备技术及其在纤维材料、形貌和功能等方面的最新进展。介绍了纳米/微纤维和纤维基复合材料在生物医学领域的应用，包括组织工程支架、药物传递、伤口愈合和生物传感器。纳米/微纤维制备技术和纳米/微纤维材料的挑战和未来的机遇。相关研究内容以“Tailoring micro/nano-fibers for biomedical applications”为题目发表于期刊《Bioactive Materials》上。
图1 纳米/微纤维制备技术及生物医学应用示意图。
纳米/ 微纤维制备技术
从天然或合成材料中制备纳米/微纤维的技术有多种，包括基于微挤压的三维生物打印、微流控纺丝、湿纺、干纺、静电纺丝和近场静电纺丝(图2)。在这一部分中，将分别介绍这些技术。综述了各种纳米/微纤维制备技术的纤维直径、纤维形态及优缺点。
图2不同纳米/微纤维制备技术的原理图。(A)3D生物打印。(B)微流控纺丝。(C)湿纺。(D)干纺。(E)静电纺丝。(F)近场电纺。
表1 各种纳米/微纤维制备技术的总结与比较。
3D 打印
凭借多种材料兼容定制的优势，3D打印广泛应用于食品、艺术、空间、建筑、生物医药等领域。近年来，3D生物打印技术在生物医学领域的应用得到了发展，结合了工程、细胞生物学和材料科学的方法，通过一层一层的沉积，打印出带有活细胞和活性生物分子的生物墨水，最终形成模拟原生组织或器官的3D支架。前应用最广泛的3D生物打印方法有三种，包括微挤压生物打印、喷墨生物打印、激光辅助生物打印。在这些方法中，基于微挤压的生物打印技术价格低廉，用途广泛，可制作复杂的空心支架，成为最常用的技术。
图3 (A) (i)基于微挤压的生物打印原理图；(ii) 基于喷墨生物打印原理图；(iii)激光辅助生物打印。(B)基于微挤压的生物打印制备(i)核-壳结构；(2)异质结构；(iii)中空微纤维。(C)采用两相乳化生物油墨的微挤压生物打印支架。
静电纺丝
静电纺丝是一种利用静电力连续制备纳米或微尺度纤维的通用工艺，传统的静电纺丝装置通常由高压电源、连喷丝头和收集装置组成。多个参数会影响纤维的直径和形态，主要包括聚合物溶液的性质(如溶液浓度、分子量、表面张力)、操作参数(如针距、流速、电压、喷嘴与收集器之间的间距)和环境参数(温度和湿度)。静电纺丝纤维具有比表面积大、多孔结构、力学性能可调节、材料处理能力强、纤维性能易操作、可规模化生产等优点。
用于组织工程的材料必须具有良好的生物相容性，从表3可以看出，单聚合物或共混聚合物已被用于不同用途的电纺纤维中，一种材料通常可以溶解在几种单一溶剂或不同组分的混合溶剂中。材料成分、纤维形态、纤维排列、支架改性(如等离子体处理)、生化分子等都会影响静电纺丝纳米纤维支架的性能。
表3显示了广泛应用于组织工程的静电纺丝材料的聚合物。
胶原蛋白、明胶、蚕丝等天然材料具有良好的生物相容性和生物相容性，在静电纺丝中得到了广泛的应用。另外，将天然材料与合成材料混合可以得到一种共混静电纺丝支架，将天然聚合物显著的生物相容性和合成聚合物优越的机械稳定性结合起来。
图4 (A)湿纺装置原理图。(B) 干纺工艺(i)方案和(ii)干纺工艺照片，纤维的(iii)光学和(iv)显微图像。(C)材料的化学结构；(ii)静电纺丝工艺示意图；(iii)纤维的SEM图像，(iv)直径分布和(v)喷丝方向。(D)静电纺丝制备细胞负载纤维。(E)静电纺丝过程示意图和取向纤维的荧光图像。(F)静电纺丝制备具有湿粘附着力性能的纤维。
纤维的取向排列还可以赋予静电纺丝支架独特的性能，如光学、机械和电学性能，并增强对若干具有排列的细胞外基质结构的特定人体组织或器官的细胞有序生长的指导，包括神经、角膜和肌腱等。传统的静电纺丝设备得到的是混乱的纤维支架，但通过设计特定构型的收集器、控制静电场或添加辅助磁场，可以得到取向排列纤维。综上所述，静电纺丝技术是一种多功能的纤维制备方法，可制备出多种纳米或微尺度聚合物纤维，所得纤维可方便地设计成基质，有利于其在生物医学领域的应用。
图5 近场静电纺丝，(A) (i)近场静电纺丝过程示意图;(ii)集流器速度对射流摆角的影响。(B) 近场静电纺丝制备的方形和矩形PCL支架。(C) (i)不同直径的近场静电纺丝纤维SEM图像;(ii)不同直径纤维沉积的SEM图像;(iii)纤维支架的SEM图像。(D) 近场静电纺丝制备的不同结构纤维支架的SEM图像。(E)波浪状近场静电纺支架的SEM图像和细胞粘附的荧光图像。(F)不同层数的近场静电纺管状纤维支架的SEM图像。
图6 (A)利用微挤压生物打印技术制备中空微纤维，用于构建尿道上皮组织。(B) 共轴静电纺丝制备了纤芯-壳层的SF/PCL/PVA纳米纤维，因子的可持续释放。(C) 利用微流控纺丝制备MOF负载的超细纤维以促进伤口愈合。(D) 微流控纺丝产生的螺旋微纤维用作磁和热力学触发生物传感器。
面临的挑战
第一、材料的选择和研究通常限于常规的和常见的几种天然或合成材料，这些材料具有良好的加工性能，可通过多种工艺制备成形态可控、功能多样的纳米/超细纤维，但天然材料力学稳定性差、合成材料生物相容性差等固有缺陷影响其应用。能够利用纳米/微纤维制备技术加工出具有先进功能的新型材料仍有待开发。
第二、虽然这些制造技术可以产生功能性纤维结构，但没有一种策略可以完全模仿自然组织或器官。因此，需要对这些技术的加工设备进行改进或开发能够实现多种技术的新型集成器件，如将静电纺丝与微流控纺丝相结合，制备出既能生物模拟ECM结构，又能实现对细胞和生物活性成分分配的时空调控的纤维支架。
第三、将这些纳米/超细纤维制造技术与纺织制造方法相结合，在构建3D纤维支架方面具有很大的前景，从而获得更好的生物医学应用。
