近年來，隨着材料製造技術的快速發展，包括微擠壓生物打印、微流體紡絲、溼紡、幹紡、靜電紡絲、近場靜電紡絲等多種方法可以方便、可控地製備納米/微纖維。當纖維的直徑從宏觀尺度減小到微米或納米尺度時，會出現驚人而特殊的物理化學性質，如機械強度的增強、高比表面積和體積比，以及在表面表現出的特殊功能。因此，納米/微纖維引起了科學家們的高度關注，成爲纖維科學領域的前沿和研究熱點。
近日，南京大學鼓樓醫院趙遠錦教授綜述了詳細介紹了不同的納米/微米纖維製備技術及其在纖維材料、形貌和功能等方面的最新進展。介紹了納米/微纖維和纖維基複合材料在生物醫學領域的應用，包括組織工程支架、藥物傳遞、傷口癒合和生物傳感器。納米/微纖維製備技術和納米/微纖維材料的挑戰和未來的機遇。相關研究內容以“Tailoring micro/nano-fibers for biomedical applications”爲題目發表於期刊《Bioactive Materials》上。
圖1 納米/微纖維製備技術及生物醫學應用示意圖。
納米/ 微纖維製備技術
從天然或合成材料中製備納米/微纖維的技術有多種，包括基於微擠壓的三維生物打印、微流控紡絲、溼紡、幹紡、靜電紡絲和近場靜電紡絲(圖2)。在這一部分中，將分別介紹這些技術。綜述了各種納米/微纖維製備技術的纖維直徑、纖維形態及優缺點。
圖2不同納米/微纖維製備技術的原理圖。(A)3D生物打印。(B)微流控紡絲。(C)溼紡。(D)幹紡。(E)靜電紡絲。(F)近場電紡。
表1 各種納米/微纖維製備技術的總結與比較。
3D 打印
憑藉多種材料兼容定製的優勢，3D打印廣泛應用於食品、藝術、空間、建築、生物醫藥等領域。近年來，3D生物打印技術在生物醫學領域的應用得到了發展，結合了工程、細胞生物學和材料科學的方法，通過一層一層的沉積，打印出帶有活細胞和活性生物分子的生物墨水，最終形成模擬原生組織或器官的3D支架。前應用最廣泛的3D生物打印方法有三種，包括微擠壓生物打印、噴墨生物打印、激光輔助生物打印。在這些方法中，基於微擠壓的生物打印技術價格低廉，用途廣泛，可製作複雜的空心支架，成爲最常用的技術。
圖3 (A) (i)基於微擠壓的生物打印原理圖；(ii) 基於噴墨生物打印原理圖；(iii)激光輔助生物打印。(B)基於微擠壓的生物打印製備(i)核-殼結構；(2)異質結構；(iii)中空微纖維。(C)採用兩相乳化生物油墨的微擠壓生物打印支架。
靜電紡絲
靜電紡絲是一種利用靜電力連續製備納米或微尺度纖維的通用工藝，傳統的靜電紡絲裝置通常由高壓電源、連噴絲頭和收集裝置組成。多個參數會影響纖維的直徑和形態，主要包括聚合物溶液的性質(如溶液濃度、分子量、表面張力)、操作參數(如針距、流速、電壓、噴嘴與收集器之間的間距)和環境參數(溫度和溼度)。靜電紡絲纖維具有比表面積大、多孔結構、力學性能可調節、材料處理能力強、纖維性能易操作、可規模化生產等優點。
用於組織工程的材料必須具有良好的生物相容性，從表3可以看出，單聚合物或共混聚合物已被用於不同用途的電紡纖維中，一種材料通常可以溶解在幾種單一溶劑或不同組分的混合溶劑中。材料成分、纖維形態、纖維排列、支架改性(如等離子體處理)、生化分子等都會影響靜電紡絲納米纖維支架的性能。
表3顯示了廣泛應用於組織工程的靜電紡絲材料的聚合物。
膠原蛋白、明膠、蠶絲等天然材料具有良好的生物相容性和生物相容性，在靜電紡絲中得到了廣泛的應用。另外，將天然材料與合成材料混合可以得到一種共混靜電紡絲支架，將天然聚合物顯著的生物相容性和合成聚合物優越的機械穩定性結合起來。
圖4 (A)溼紡裝置原理圖。(B) 幹紡工藝(i)方案和(ii)幹紡工藝照片，纖維的(iii)光學和(iv)顯微圖像。(C)材料的化學結構；(ii)靜電紡絲工藝示意圖；(iii)纖維的SEM圖像，(iv)直徑分佈和(v)噴絲方向。(D)靜電紡絲製備細胞負載纖維。(E)靜電紡絲過程示意圖和取向纖維的熒光圖像。(F)靜電紡絲製備具有溼粘附着力性能的纖維。
纖維的取向排列還可以賦予靜電紡絲支架獨特的性能，如光學、機械和電學性能，並增強對若干具有排列的細胞外基質結構的特定人體組織或器官的細胞有序生長的指導，包括神經、角膜和肌腱等。傳統的靜電紡絲設備得到的是混亂的纖維支架，但通過設計特定構型的收集器、控制靜電場或添加輔助磁場，可以得到取向排列纖維。綜上所述，靜電紡絲技術是一種多功能的纖維製備方法，可製備出多種納米或微尺度聚合物纖維，所得纖維可方便地設計成基質，有利於其在生物醫學領域的應用。
圖5 近場靜電紡絲，(A) (i)近場靜電紡絲過程示意圖;(ii)集流器速度對射流擺角的影響。(B) 近場靜電紡絲製備的方形和矩形PCL支架。(C) (i)不同直徑的近場靜電紡絲纖維SEM圖像;(ii)不同直徑纖維沉積的SEM圖像;(iii)纖維支架的SEM圖像。(D) 近場靜電紡絲製備的不同結構纖維支架的SEM圖像。(E)波浪狀近場靜電紡支架的SEM圖像和細胞粘附的熒光圖像。(F)不同層數的近場靜電紡管狀纖維支架的SEM圖像。
圖6 (A)利用微擠壓生物打印技術製備中空微纖維，用於構建尿道上皮組織。(B) 共軸靜電紡絲製備了纖芯-殼層的SF/PCL/PVA納米纖維，因子的可持續釋放。(C) 利用微流控紡絲製備MOF負載的超細纖維以促進傷口癒合。(D) 微流控紡絲產生的螺旋微纖維用作磁和熱力學觸發生物傳感器。
面臨的挑戰
第一、材料的選擇和研究通常限於常規的和常見的幾種天然或合成材料，這些材料具有良好的加工性能，可通過多種工藝製備成形態可控、功能多樣的納米/超細纖維，但天然材料力學穩定性差、合成材料生物相容性差等固有缺陷影響其應用。能夠利用納米/微纖維製備技術加工出具有先進功能的新型材料仍有待開發。
第二、雖然這些製造技術可以產生功能性纖維結構，但沒有一種策略可以完全模仿自然組織或器官。因此，需要對這些技術的加工設備進行改進或開發能夠實現多種技術的新型集成器件，如將靜電紡絲與微流控紡絲相結合，製備出既能生物模擬ECM結構，又能實現對細胞和生物活性成分分配的時空調控的纖維支架。
第三、將這些納米/超細纖維製造技術與紡織製造方法相結合，在構建3D纖維支架方面具有很大的前景，從而獲得更好的生物醫學應用。
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