仅供医学专业人士阅读参考

点击右上方“关注”，准时接收每日精彩内容推送。

纤维被定义为广泛存在于自然界中的连续长丝或细长物体。其中，微纤维的直径尺寸在微观水平，由于其具有良好的性能而受到了广泛的关注，包括改善机械性能，高表面积/体积比，以及高孔间连通性等。来自天然产物的微纤维具有显着的生物相容性、生物可降解性、可持续利用以及环保特性等，得益于这些优势，微纤维在生物医学应用中展现了其突出的价值。

基于此，来自南通大学的顾晓松院士/赵远锦/朱玉娟团队全面总结了天然产物可持续微纤维及其生物医学应用的相关研究进展，介绍了用于超细纤维制造的常见自然元素，重点讨论了具体的制造技术和工艺，随后详细讨论了可持续微纤维的生物医学应用。相关研究成果以“Sustainable biomedical microfibers from natural products”为题于2024年3月31日发表在《Aggregate》上。

图1 用于生物医学应用的天然元素可持续微纤维概述

1. 超细纤维的天然元素

目前，已成功从天然原料中提取多种天然聚合物。在本节中，作者简要介绍了用于制备超细纤维的最常用天然聚合物，主要有海藻酸钠、壳聚糖、胶原、明胶、丝蛋白（图2）。

图2 自然元素的结构

2. 超细纤维的制造

迄今为止，研究人员专注于制造具有不同形态和特定性能的可持续微纤维。在本节中，将从天然元素中提取的超细纤维的制造策略和工艺从超细纤维的成分方面进行介绍。

（1）海藻酸盐微纤维

由于海藻酸盐与钙离子的快速交联，微流控纺丝技术可以一步连续生成均质的微纤维（图3A-B）。此外，通过简单地改变注射毛细管的设计，可以成功制造具有各向异性多室组合物的微纤维，包括两室、四室和六室结构（图3C）。通过设计具有分层注射通道的微流控芯片，可以制备具有均匀壳厚度的中空微纤维（图3D）。除了改变芯数外，中空微纤维的外壳也可以通过微流控装置进行调节。

图3 海藻酸盐微纤维的制备

（2）壳聚糖超细纤维

对于壳聚糖，通常将可逆相互作用作为二次交联引入水凝胶中，以解决壳聚糖多糖的高刚性带来的限制（图4A-B）。实际上，衍生的微纤维的内部结构包括管状和豆荚状结构，这两种结构赋予了微纤维不同的应用潜力（图4C-D）。

图4 壳聚糖微纤维的制备

（3）胶原蛋白微纤维

胶原蛋白，特别是I型胶原蛋白，作为生物材料在生物医学应用中已被研究人员广泛研究（图5）。

图5 胶原微纤维的制造

（4）GelMA超细纤维

凭借其优异的生物学性能，GelMA已被广泛开发为支架材料，通过模仿天然组织的不同结构来恢复其复杂功能。目前，通过改善打印方法的调控可以生成不同结构的GelMA微纤维，同时还可以将其与细胞复合。

图6 GelMA微纤维的制造

（5）蚕丝超细纤维

SF作为一种基于蛋白质的天然聚合物，可以直接从脱胶丝纤维中提取。如今，蚕丝已被广泛制备成超细纤维，并应用于细胞支架、表皮生物电子学等多种应用中（图7）。

图7 蚕丝超细纤维

3. 超细纤维的生物医学应用

受益于上述制造的可持续微纤维的多样化结构和生物功能，它们在生物医学应用领域展现出无与伦比的潜力。在本节中，作者重点关注了微纤维在组织工程（图8）、传感（图9-10）、药物输送（图11）和疾病建模（图12）中的实际价值。

图8 超细纤维在组织工程中的应用

图9 微纤维在传感细胞产生的机械力中的应用

图10 微纤维在环境传感中的应用

图11 微纤维在药物输送中的应用

图12 微纤维在疾病建模中的应用

综上，在这篇综述中，作者全面总结了天然产物可持续微纤维的最新相关研究，包括常见天然元素的介绍、具体的制备策略以及其生物医学应用。随着现代微纤维制造和天然产物改性技术的快速发展，从天然产物中开发可持续的生物医学微纤维仍然值得期待。

尽管取得了许多先进的发展，但要实现天然产品可持续生物医学微纤维的广泛适用性，仍然存在需要解决的挑战：

（1）需要改善天然产物的结构性能，探索更多源自天然产物及其相关衍生物的多功能复合材料。

（2）利用天然材料制造多组分异质微纤维也值得探索。同时，由于器件设计策略复杂，工业规模化生产还有很长的路要走。

（3）在生物医学应用领域，将一维微纤维组织收集并高效组装成异质二维甚至三维结构仍然是临床应用的迫切需求。

了解更多

关注“EngineeringForLife”，了解更多前沿科研资讯