大家好，今天我们来聊聊纳米/微纤维——《Tailoring micro/nano-fibers for biomedical applications》发表于《Bioactive Materials》。这些纤维近年来备受关注，因为它们具有独特的功能和性质，在生物医学等领域有广泛应用。它们可以通过多种技术制备，如微挤出式3D 生物打印、微流体纺丝、电纺丝等。这些纤维在生物医学领域的应用也很丰富，包括组织工程支架、药物递送、伤口愈合和生物传感器等。接下来，我们将详细了解这些内容，希望能让大家对纳米/微纤维有更深入的认识。
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一、纳米/微纤维制备技术
1.1 微挤出式3D生物打印
技术原理：以逐层沉积材料的方式构建3D支架，结合了工程、细胞生物学和材料科学的方法，通过打印含有活细胞和活性生物分子的生物墨水，最终形成3D支架以模拟天然组织或器官。
设备组成：由流体分配装置、自动化机器人系统和计算机控制组成，流体分配装置包括气动、活塞或螺杆等基于系统的驱动方式。
常用材料：各种生物墨水，如胶原、纤维蛋白、明胶、GelMA、HAMA、海藻酸盐、壳聚糖、琼脂糖、PEO、Pluronic F-127等。
1.2 微流体纺丝
技术原理：利用微尺度通道处理或操纵微尺度流体，可精确系统地调节单个流体及其界面，从而制造出具有各种几何形状的连续微纳米纤维。
纤维固化方法：包括光聚合、化学或离子交联以及溶剂交换过程。
常用材料：光聚合常用聚乙烯二醇二丙烯酸酯、4 - 羟基丁基丙烯酸酯、GelMA、聚乙烯二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、N-异丙基丙烯酰胺、缩水甘油基甲基丙烯酸酯改性的葡聚糖等；化学或离子交联常用海藻酸盐、壳聚糖等；溶剂交换常用聚（乳酸-乙醇酸）（PLGA）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯并咪唑（PBI）、聚乙烯醇（PVA）、再生丝素蛋白和聚苯乙烯（PS）等。
可制备的纤维形状：可制备实心圆柱形、管状、扁平、凹槽、螺旋等形状的纤维，还可制备具有更复杂结构的纤维。
1.3 湿纺
技术原理：将聚合物溶解在溶剂中，然后将聚合物溶液挤入凝固浴中，基于非溶剂诱导的相转化过程形成长纤维。
常用材料：天然材料如胶原、壳聚糖、丝素蛋白、甲壳素、合成材料如聚己内酯（PCL）、PLGA，以及两者的组合如胶原/海藻酸盐、磷酸钙水泥/海藻酸盐、壳聚糖/三聚磷酸钠等，近年来还加入了石墨烯氧化物、Mxene、碳纳米管等新兴材料。
影响因素：溶剂和非溶剂凝固溶液的选择、聚合物溶液的挤出速率、喷嘴和凝固浴之间的空气间隙以及纺丝后的处理等都会影响纤维性能。
纤维形态：可制备具有不同形态的纤维，尤其是具有核/壳结构的纤维。
1.4 干纺
技术原理：聚合物首先溶解在挥发性溶剂中，然后将聚合物纺丝溶液挤出到纺丝室中，随着溶剂在气流中蒸发，聚合物溶液在细丝中的浓度逐渐增加，最终细丝固化成纤维，形成的纤维由旋转辊收集。
常用材料：纤维素醋酸酯、PLLA、聚氯乙烯（PVC）、石墨烯、明胶、丝素蛋白等。
影响因素：溶液性质（如分子、对粘度和固化速率有重要影响的分子量）和加工变量（如应力、固化温度、质量转移）以及后处理都会影响纤维形态和性能。
1.5 电纺丝
技术原理：通过静电力连续制造纳米或微尺度纤维，聚合物溶液被挤出到喷嘴顶部形成悬浮液滴，在高压电源作用下，液滴带电并形成泰勒锥，随后产生的排斥力使液滴形成射流，射流在反复分裂和溶剂蒸发后在收集器上形成纤维。
影响因素：聚合物溶液性质（如浓度、分子量、表面张力）、调节参数（如针头规格、流速、电压、喷嘴和收集器之间的间距）和环境条件（温度和湿度）等参数会影响纤维直径和形态。
常用材料：天然聚合物如 HA、胶原、丝素蛋白、壳聚糖等，合成聚合物如 PLGA、聚-L-乳酸（PLLA）、PCL、PEO 等。
纤维形态和应用：可制备具有均匀、珠状或纺锤体等形态的纤维，通过设计收集器、控制静电场或添加辅助磁场可获得排列的纤维，还可制备具有特殊结构的纤维，如异质纳米纤维图案或具有珠状结构的纤维，在组织工程、药物递送、伤口愈合和生物传感器等领域有广泛应用。
1.6 近场电纺丝
技术原理：通过缩小针头和收集器之间的距离（小于 10mm），使用直稳定的射流，避免电纺丝中出现的螺旋不稳定过程。
设备组成：与电纺丝设备类似，但收集器附着在 XY 运动平台上。
影响因素：溶液浓度、喷嘴与收集器之间的间距、施加电压以及射流形成速度和收集器运动速度的匹配程度等参数会影响制备的纤维的直径、形态和排列程度，此外喷嘴直径、溶液表面张力和环境湿度也会产生影响。
纤维分类：根据聚合物的条件可分为溶液近场电纺丝和熔体近场电纺丝。
应用领域：组织工程、纳米发电机、传感器和微机电系统等。
1.7 其他方法
生物纺丝：通过昆虫制造纤维，如从固定的昆虫中直接抽取丝纤维，丝纤维的直径会受到抽取方法的影响。
直接拉伸：在天然丝蛋白组装程序的启发下开发，基于分子相互作用和界面聚电解质络合实现材料的自组装。
组合方法：许多研究者将不同的技术结合起来构建更复杂的具有增强功能的支架，如将微挤出式3D生物打印与电纺丝结合构建新型3D混合支架，Ruijter等人通过结合微挤出式 3D生物打印与熔体 NFES 在单步过程中制造细胞封装对齐的微米纤维支架。
二、功能纤维在生物医学领域的应用
2.1 组织工程支架
支架作用：为细胞提供粘附、迁移、增殖和分化的支持环境，模拟天然细胞外基质的纤维网络。
材料选择：包括天然材料（如胶原、明胶、丝素蛋白、HA、海藻酸盐、壳聚糖等）、合成材料（如PLGA、PLA、PCL等）以及天然和合成材料的混合物。
技术应用：电纺丝是最广泛使用的构建组织工程纤维支架的策略，此外熔体NFES、微挤出式生物打印和微流体纺丝也可用于构建组织工程支架。
2.2 药物和基因递送
药物递送：将各种治疗药物以安全可控的方式输送到靶向组织以缓解疾病，纳米或微纤维药物递送因其材料的小尺寸、高孔隙率、大表面积与体积比等特点而备受关注，尤其是电纺纳米纤维。
电纺丝在药物递送中的应用：通过同轴电纺、共电纺、多喷嘴电纺和纤维表面涂层等方式实现药物分子的负载，材料的选择对实现药物的持续释放至关重要。
微流体纺丝在药物递送中的应用：可精确系统地调节流体和界面实现对多种药物的时空控制封装，许多研究者还尝试通过提高药物负载含量和响应性释放来增强药物递送的功效。
基因递送：基于纳米/微纤维的递送系统还可用于传输基因，实现基因的控制释放。通过控制纤维的组分和表面积或通过外部刺激（如光、pH和磁场）来调节基因的释放，电纺纳米纤维的拓扑结构和尺寸因其与天然细胞外基质的相似性，可增强细胞粘附、生长并诱导组织再生，同时控制基因的时空传递可增强细胞产生所需蛋白质的能力，进一步提高细胞生物活性。此外，将遗传材料通过固定在纤维表面或封装在纤维内来负载在电纺纳米纤维上，可避免与全身或局部注射相关的缺点，实现基因的可持续释放。
2.3 伤口愈合
材料要求：具有止血、抗菌、贴合受伤区域、吸收多余伤口液体和合理传输水蒸气等能力，且敷料应易于去除且对患者无痛。
纳米纤维膜的优势：因其大表面积与体积比、孔隙率、可调节的性质和多功能性而被广泛用作伤口愈合材料，其孔径通常在500 nm至1 mm之间，可避免细菌的入侵和渗透，保护受伤区域，表面积与体积比通常在5至100 m2/g之间，可高效吸收液体。
材料选择：天然材料（如胶原、壳聚糖、海藻酸盐、HA等）和合成材料（如PVA、PCL、PLA、PLGA等）已通过电纺丝制成纳米纤维支架并应用于伤口愈合。
技术应用：除电纺丝外，基于微挤出式生物打印、微流体纺丝和湿纺的纤维支架也可用于伤口愈合。
2.4 生物传感器
传感器定义：“一种自包含的集成设备，能够使用生物识别元件提供特定的定量或半定量分析信息”。
纳米纤维支架的优势：纤维支架因其可控的孔隙率、优越的表面积与体积比和灵活性而被广泛应用于生物传感器，尤其是电纺纳米纤维支架。
电纺纳米纤维生物传感器的构建：通常通过电纺功能聚合物或在纳米纤维表面后修饰敏感材料来构建，功能聚合物（如聚丙烯腈（PAN）和聚丙烯酸（PAA））可直接作为生物传感器的诱导段，敏感材料的后修饰可通过物理沉积 / 涂层或化学交联实现。
生物传感器的类型：各种纳米纤维生物传感器已被报道，如电化学生物传感器和光学生物传感器。
三、结论和未来展望
本文介绍了纳米 / 微纤维的多种制备技术，包括微挤出式3D生物打印、微流体纺丝、湿纺、干纺、电纺、近场电纺等，并阐述了其在组织工程支架、药物递送、伤口愈合和生物传感器等生物医学领域的应用。目前这些技术存在材料选择受限、结构难以模拟自然组织等局限性。未来需开发新功能材料、改进设备以构建更优的3D纤维支架，并提高生产效率，期待其在生物医学领域发挥更大作用并解决更多挑战。
参考文献：
Kong B, et al. Tailoring micro/nano-fibers for biomedical applications. Bioact Mater. 2022 Apr 25;19:328-347.
