静电纺丝技术制备多级结构聚合物纤维以及在生物医学领域的应用

许多人在生物系统中观察到层次复杂的结构，这些结构赋予生物体不同的功能，如纳米级病毒、微型细胞和宏观组织。例如，骨组织将卓越的强度和韧性相结合，归因于他们精确排列的层次结构：纳米尺寸羟基磷灰石晶体周期性地沉积在胶原纤维的间隙内，产生优秀的纳米力学异质性，并产生高能量耗散和抗断裂机制。到目前为止，各种分层结构（例如，零维（0-D）颗粒、一维（1-D）纤维，二维（2-D）基板和三维（3-D）支架）已被开发用于生物医学和其他应用。在这些结构中，直径范围从纳米到微米的分层次结构纤维以及线和管都可用作组装一维到三维结构的构建模块。这些分层结构的纤维代表了一个重要的类别，因为它们具有较大的比表面积和其他的异质界面，这可能在提高纳米尺寸效应方面有重要作用，使其在生物医学领域和其他科学研究领域备受关注（例如电子学、光学、传感器、催化、能量储存、油水分离和空气过滤）。近来已经开发了用于制造1-D纤维的许多方法。但是，很少有文章具体说明纤维直径从纳米到微米的1维、2维、3维的电纺分层结构聚合物纤维的进展。

西南交通大学材料学院周绍兵教授与杨光博士在高分子顶尖综述期刊Progress in Polymer Science（影响因子：25.766）发表了一篇综述。系统总结了近10年静电纺丝技术制备多级结构聚合物纤维以及这些纤维的生物医学应用。

文中提供了有关用于生物医学应用的静电纺丝分层结构聚合物纤维的设计和制造研究的全面概述，包括药物输送、组织工程、诊断和其他方面，如图1所示。静电纺丝是一种从有机或无机材料生产超细连续纤维的简便、多功能的技术，直径范围可控制在纳米到微米。这些电纺丝纤维，具有很大的比表面积、高纵横比、高孔隙率、可控的小孔径和类似于细胞外基质结构的能力，被广泛用于各种领域，包括过滤和吸附、传感、自清洁、催化、食品工程、纳米纤维增强复合材料、光电子、能量储存和生物医学应用。静电纺丝技术可被认为是电喷雾过程的变换，两者都使用高电压形成液体喷射。在过去的十年中，各种各样的具有精确形态、直径和排列方式的电纺纤维通过调整静电纺丝参数成功获得，这拓宽了电纺纤维在生物医学领域的应用范围。这篇综述的目的是提供目前最先进的准则用于制备不同结构电纺聚合物纤维用于生物医学应用，包括药物输送、组织工程和再生医学、诊断和其他医学应用。

文章总结了近10年来制备多级结构电纺纤维装置的发展：从单喷头、多喷头到无喷头电纺装置；从平板接收、平行极板接收、滚筒接收、水浴接收到微图案化基底接收装置等；与微流控技术、3D打印技术相结合的电纺装置等。

文章介绍了利用静电纺丝技术制备多级结构的聚合物纤维（如核壳纤维、串珠状纤维、多孔纤维、带状纤维、定向纤维、纳米纤维束、图案化纤维和纳米纤维化三维宏观结构等）的方法。

文章概括了这些具有多级结构的聚合物电纺纤维在生物医学中的应用，主要包括药物递送、组织工程和再生医学、疾病的体外诊断及其他生物医学领域等。

静电纺丝技术已被广泛用于制备具有不同层次结构的聚合物纤维，从1-D到2-D到3-D，通过改变静电纺丝装置和处理因素。纤维基质可以由任何数量多种高分子材料制成，纤维直径范围从纳米到微米，纤维形态可以容易地调节。这些电纺丝纤维已被用于药物递送、组织工程、疾病诊断和许多其他应用。精确的药物释放和程序化药物释放曲线可以通过纤维明确的多层次结构来实现。聚合物纤维由于其纳米纤维结构是理想的组织工程支架，具有较高的表面体积比和模拟活细胞ECM的能力。

然而，电纺丝纤维用于生物医学仍然存在一些挑战，需要根据生物医学应用的要求开发更复杂的静电纺丝技术。对于药物递送（例如癌症治疗）应用，需要材料科学家和生物学家的联合、跨学科的研究以进一步发展多层次纤维。可以更精确地控制静电纺丝溶液组成的、微流体辅助的静电纺丝方法，可能是一个生产这些多层次纤维的很好的战略。对于组织工程，一个关键因素是准确控制纤维沉积，优选纳米级，以便更精确地模仿ECM。此外，了解细胞对具有不同组成、纤维取向和微观结构电纺材料的反应至关重要。这些目标通过结合使用静电纺丝、微流体旋转和3D打印构建3D支架可以更容易地实现，3D支架由不同纤维尺寸、沉积和取向组成，类似于体内的ECM 。另外，可能需要开发数据库来记录不同细胞和不同纤维支架之间的相互作用，以便更好的分析和理解他们的相互影响，为制作所需的支架提供有用的指导。对于诊断，在静电纺丝过程中应该使用更敏感的材料，或需要功能化基团对纤维表面改性，如等离子体治疗、聚多巴胺治疗和逐层技术。此外，电纺纳米纤维的大规模生产是这项技术增加商业价值所必需的，可有望通过无针静电纺丝实现。实际上，静电纺丝技术和电纺丝纤维产品的商业化在一定程度上已经实现。在20世纪80年代，唐纳森公司是美国第一个将电纺纤维技术商业化的公司，其次是美国杜邦公司（微量纤维）。在1991年，纤维技术行业的非织造业部门首先生产基于静电纺丝的商品化过滤产品。现在，与其他以电纺纤维为基础的产品（如防护服、装甲、复合材料加固、光伏和储能设备）相比，空气和水过滤产品仍然是企业和工业界关注的焦点。而电纺丝纤维生物医学应用的商业化（例如，工程皮肤和组织抗粘连膜）也得到了关注。然而，这些静电纺丝纤维在生物医学领域的广泛商业化之前，需要更广泛的体内研究，甚至仍然需要临床试验进行评估静电纺丝纳/微米纤维在医疗保健和生物医学工程的真正影响。总之，分层结构的聚合物纤维在生物医学应用方面有很大的潜力，相信随着静电纺丝技术的进一步改进，聚合物纤维将用于人体。

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