Prog. Polym. Sci. 综述：生物功能电纺纳米材料

为解决生物领域的实际问题或阐明基本问题，人们开发了多种纳米技术，并制备了大量的纳米材料。在这些纳米技术和纳米材料中，电纺丝技术(简称“e-spin”)是制备多种生物功能性纳米材料最简单、最直接的技术，广泛用于生物领域。e-spin不仅可以制造纳米纤维，而且还可以制造具有多种拓扑结构的纳米材料，从微珠、中空纤维到分层结构等。

e-spin的快速发展得益于其以下优势：1)装置简单便宜：关键仪器是一台高压发电机，几乎实验室都可以自己动手组装；2)工艺操作简单：只需在聚合物或聚合物复合溶液上施加高压即可；3)最大的优点是产品的多样性：几乎所有的材料都可以加工，几乎所有的拓扑结构都可以实现。e-spin的蓬勃发展无疑要归功于它能够满足能源、健康和环境等现实应用需求。此外，对e-spin纳米材料的应用领域进行了总结和分类(图1B)，其中一半以上为生物学科。

图1 (a)近二十年以“electrospunning”或“electrospun”为关键词发表科技论文数量及比例，(b)统计不同应用领域发表的文献，以及生物领域五大应用的分布。

近日，天津大学仰大勇教授、袁晓燕教授和北航赵勇教授共同通讯作者在期刊《Progress in Polymer Science》上发表一篇题目为“:Bio-functional electrospun nanomaterials: From topology design to biological applications”的综述。在本文中，作者对电纺纳米材料的拓扑设计和生物应用方面的最新进展进行了全面的综述，并展示了e-spin纳米材料的多功能性。

　e-spin纳米材料的拓扑设计

图2 e-spin纳米材料的拓扑结构分为单体、杂化和组装三大类。

利用e-spin的多功能性，通过设计不同的喷嘴或收集器，调控聚合物溶液的组成、e-spin参数和环境变量，并进行后处理，制备出多种有趣的拓扑结构。拓扑结构按逻辑关系分为三组：1)单体：具有不同内表面形貌的单个e-spin纳米材料；2)杂化：将功能性纳米材料或组分融入单体；3)组装：由个体和/或杂化体组装而成的层次结构。

生物学应用

e-spin纳米材料的各种拓扑结构使其在生物领域的应用成为可能如组织工程，伤口愈合，药物/生物活性分子的传递，诊断和仿生学。据文献报道分析，超过50%的e-spin纳米材料的生物应用在于组织工程，因为e-spin纳米材料具有天然ECM中最重要的特征。E-spin纳米材料被用来模拟或替代复杂生物组织的结构。此外，e-spin纳米材料能够吸收创面周围多余的渗出液，促进气流交换，为细胞生长提供舒适的表面环境，最终实现“完美修复”。E-spin纳米材料具有比表面积大、拓扑结构理想释放动力、柔性载体材料和分子水平排列等优点，被广泛应用于各种生物活性分子和药物的传递。E-spin纳米材料在增强人类疾病中各种生物标志物的特异性、敏感性和信号转导能力方面具有巨大潜力。

总结与展望

大量研究表明，e-spin纳米材料在组织工程、创面愈合、药物/生物活性分子传递、医学诊断和仿生学等生物应用领域具有解决实际问题的巨大潜力。然而，e-spin纳米材料的制备和应用仍面临诸多挑战。

1) 产业化。虽然已经有一些e-spin工业产品，如e-spin非织造膜，但是大多数具有特定拓扑结构的材料仍然是在实验室规模下制备的。因此，需要扩大制造策略来满足商业和真实世界的应用。

2) 均匀性。由于良好的生物性能很大程度上依赖于材料的均匀性，制备高度均匀的e-spin纳米材料仍是挑战。

3) 生物学特性。尽管e-spin纳米材料已被证明是生物应用的潜在候选者，但仍存在一些问题需要解决。例如，同种异体移植物在体内系统中的排斥、收缩、膨胀或吸附，以及细胞迁移到e-spin纳米材料的速率较低，都不利于其生物应用。

4) 多学科交叉。目前，对e-spin与其他生物技术深度融合的探索还不足以满足生物应用的多样化需求，这一重大挑战需要多学科研究人员的合作。

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