天津大學仰大勇團隊綜述：生物功能電紡納米材料——從拓撲結構設計到生物應用

【引言】

生物功能高分子材料廣泛應用于生物醫學領域，其中靜電紡絲（縮寫為“e-spin”）是制備各種生物功能高分子材料最簡單、最直接的技術。與傳統的紡紗技術（如溶液紡絲和熔融紡絲）相比，e-spin使用靜電力來加工聚合物溶液并生產微米級或納米級的材料。e-spin不僅可用于制造納米纖維，還可制造具有多種拓撲結構的納米材料。超過一半的e-spin材料應用于生物醫學領域，包括組織工程、傷口愈合、藥物/生物活性分子遞送、診斷和仿生學。本文重點介紹了電紡生物功能納米材料的拓撲結構設計和生物醫學應用的最新進展。

【成果簡介】

靜電紡絲是一種高度通用的技術，可將聚合物或相關材料加工成直徑范圍從微米到納米級的纖維材料。早期電紡材料主要是聚合物，形態主要是纖維。在過去的二十年中，科研人員在選材和形貌方面都取得了很多進展，制備了包括金屬、金屬氧化物、碳材料和有機/無機復合材料的靜電紡絲，以及制造了珠、管以及多級結構等纖維之外的更多形態。此外，還探索了多種有前景的應用，主要包括生物、能源、催化、環境和機械增強，其中一半以上專注于生物醫學應用。比如，設計電紡納米材料以模擬細胞外基質的結構特征，用于細胞生長和營養物轉運；封裝或附著有生物活性分子和藥物的電紡納米材料可用于遞送分子；由于高孔隙率和大比表面積，它們還可以用于醫學診斷以增強特異性、靈敏度和信號傳導能力。此外，電紡納米材料可以組裝成各種有趣的仿生結構。所有這些特點使得靜電紡絲成為制造生物功能納米材料的有力工具，用于涉及人類健康的一系列生物醫學應用，主要包括組織工程、傷口愈合、藥物/生物活性分子遞送、診斷和仿生學。

近期，天津大學化工學院仰大勇教授聯合天津大學材料學院袁曉燕教授、北京航空航天大學趙勇教授和國家納米科學中心蔣興宇研究員在高分子領域權威綜述期刊Progress in Polymer Science上發表了題為“Bio-functional electrospun nanomaterials: From topology design to biological applications”的綜述論文。論文第一作者為天津大學化工學院博士生韓金鵬。作者對e-spin納米材料拓撲結構進行分類，制作了一張 “拓撲結構周期表”，電紡納米材料的拓撲結構根據內在邏輯關系分為三類：個體、雜化體和組裝體；對該領域進行簡潔明了的總結，為研究者提供有價值的參考，以便針對特殊應用功能選擇特定拓撲結構和相應制造策略；深入系統地討論了各類拓撲結構在生物醫學應用中的最新進展，闡明材料結構與功能和應用之間的關系。

【圖文導讀】

圖1? “靜電紡絲”研究概況

A：過去二十年，關鍵詞為“靜電紡絲”的科學出版物數量和比例。

B：不同應用領域發表的文獻統計，及其在生物醫學領域五大應用的分布。

圖2 電紡納米材料的“拓撲結構周期表”

電紡納米材料的拓撲結構分為個體、雜化體和組裝體。

圖3 用于制造具有中空、核-殼或多通道結構的電紡納米材料裝置的示意圖

A：空心結構；

B：核-殼結構；

C：多通道結構。

圖4 摻雜納米粒子的納米纖維制造方法及形貌

A：聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）/聚丙烯腈（PAN）/Sn離子復合納米纖維的制造方法示意圖；

B：復合納米纖維的SEM圖像；

C：制備Sn納米顆粒摻雜的碳基納米纖維示意圖；

D：Sn納米顆粒摻雜的納米纖維SEM圖像。

圖5 負載藥物的納米纖維制備方法示意圖

A：使用單噴嘴裝置進行靜電紡絲；

B：使用同軸雙噴嘴裝置進行靜電紡絲；

C：制備藥物包封的納米顆粒，然后將含有藥物的納米顆粒與聚合物基質混合進行靜電紡絲。

圖6 定向排列的納米材料制備策略示意圖

A：通過調整接收裝置筒運動來控制納米纖維的定向沉積；

B：用間隙隔開的兩片導電硅條作為集電極以接收定向排列的納米纖維；

C：將兩塊永久磁鐵作為接收裝置制備定向排列的納米纖維；

D：將紡絲裝置固定在電動機上，通過調整電動機的運動以實現定向排列納米纖維的制備。

圖7 螺旋電紡納米材料制備策略示意圖

A：將微流控裝置用作噴絲頭以制造雙組分螺旋納米纖維；

B：使用95％乙醇溶液作為接收裝置以制造三維螺旋狀聚己內酯（PCL）納米纖維；

C：直接電紡PCL溶液以制備二維無規排列的納米纖維。

圖8 圖案結構的納米材料制造策略示意圖

A：（左）具有等間距矩形突起的接收裝置的示意圖；（中）制備的納米纖維圖案示意圖；（右）圖案結構的納米材料SEM圖像；

B：圖案化納米纖維微結構的制造過程示意圖和相應的SEM圖像；

C：近場電紡示意圖。將聚合物溶液附著在鎢電極的尖端，以個性化方式制備電紡圖案化材料；

D：熔融電紡裝置示意圖。1-喂料系統；2-加熱系統；3-電壓源；4-計算機輔助收集器；5-噴絲板。

圖9 繩索和管狀納米纖維組裝體制造策略示意圖

A：多層電紡技術；

B：通過2D紡絲纖維墊的后處理組裝；

C：利用3D模板收集纖維；

D：通過輔助因子直接促進納米纖維自組裝。

圖10 繩索和管狀納米纖維組裝體制造策略示意圖

A：設計了由聚合物儲層和旋轉收集器組成的制造平臺以制備繩索狀納米纖維組裝體；

B：具有相互連接的管狀通道的電紡納米材料制備示意圖；

C：通過應力誘導技術制造用細胞接種的3D靜電紡絲管。

圖11 納米纖維表面功能化對細胞生長和黏附的影響

A：在電紡纖維表面共價連接兩個不同化學基團。 異氰酸酯（NCO）基團：紅色；氨基（NH₂）：綠色；

B：表面功能化纖維的抗蛋白質（紅色）吸附熒光圖像；

C：用RGDS（一種促進細胞粘附的肽）功能化的電紡納米纖維與人皮膚成纖維細胞（核：藍色；肌動蛋白絲：紅色）共培養的熒光和光學圖像。

圖12 納米纖維二維拓撲結構在組織工程方面的應用

A&B：在均勻納米纖維和微籠結構上培養海馬神經元細胞的SEM和激光共聚焦圖像；

C：左圖：含有血管內皮生長因子（VEGF）和血小板衍生生長因子-bb（PDGF）的電紡纖維的TEM圖像；右圖：用不同生物活性電紡纖維培養的血管平滑肌細胞（VSMCs）的激光共聚焦圖像；

D：由軟和硬納米纖維制備的無規納米纖維墊與細胞共培養的熒光圖像（F-肌動蛋白（Fas）：橙色；細胞質：綠色；細胞核：藍色；纖維：灰色）；

E：神經干細胞附著在定向排列和無規排列纖維的相差光學圖像；

F：用人源間充質干細胞（hMSC）培養的無規和螺旋納米纖維的SEM和共聚焦圖像。細胞核：藍色；FSP1（成纖維細胞表型）：紅色；α-SMAs（α-平滑肌肌動蛋白）：綠色。

圖13 納米纖維三維拓撲結構在組織工程方面的應用

A：左：卷曲纖維的SEM圖像；右圖：附著于韌帶組織的卷曲纖維的組織學染色圖像；

B：接種在不同圖案化電紡納米材料表面上的hMSC細胞的熒光圖像。 肌動蛋白：綠色；細胞核：藍色；

C：左：同心圓的AutoCAD制作的圖案；右：用左圖的圖案化納米材料培養細胞的熒光圖像；

D：左：繩狀纖維的SEM圖像；右：用繩狀纖維培養的小鼠骨骼肌細胞的免疫熒光圖像。 細胞核：藍色；F-肌動蛋白：綠色；α-輔肌動蛋白：紅色；

E：左：聚（ε-己內酯）-聚（DL-丙交酯-共-乙交酯）（PCL-PLGA）管狀納米纖維形貌的示意圖，其中三種相關細胞分布在不同層中；右：用CD31（紅色），膠原蛋白I（綠色）和膠原蛋白III（黃色）染色的天然血管和PCL-PLGA納米纖維管的免疫熒光圖像。

圖14 納米纖維拓撲結構在傷口愈合方面的應用

A：左：交聯的明膠納米纖維SEM圖像；右：相關mRNA水平的qRT-PCR結果顯示纖維交聯度與膠原沉積的含量有關；

B：分別用紗布，聚己內酯（PCL）纖維膜和銀納米顆粒摻雜的PCL纖維膜處理的皮膚傷口的光學圖像；

C：細胞劃痕試驗中成纖維細胞遷移的熒光圖像。 β-連環蛋白：紅色；細胞核：藍色；

D：NO負載的納米纖維對膠原沉積（紅色）影響的熒光圖像；

E&F：用無規和定向排列納米纖維培養硬腦膜組織4天時，成纖維細胞遷移的熒光圖像。

圖15 納米纖維拓撲結構在遞送藥物/生物活性分子方面的應用

A：多肽負載的中空纖維與人臍靜脈內皮細胞共培養的免疫熒光圖像。抗CD31抗體：紅色；細胞核：藍色；

B：中空和核殼纖維中TGF-β生長因子的累積釋放曲線；

C：納米纖維，熔融處理和脫氣處理的多孔纖維的藥物釋放曲線；

D：上：超聲輻射響應的藥物釋放過程示意圖；下：施加不同超聲功率（10 W，20 W，30 W）實現藥物的可控釋放；

E：藥物負載的電紡納米材料抑制腫瘤生長的數碼照片；

F：）siRNA負載的電紡納米材料與靶細胞共培養的熒光圖像；

G：左：雙室納米纖維水凝膠圖案化微粒的熒光圖像；右：雙室納米纖維水凝膠用于獨立控制釋放兩種生長因子；

H：在管狀電紡納米材料的表面上培養的血管內皮細胞的免疫熒光圖像（抗CD31抗體：綠色；細胞核：藍色）。

圖16 納米纖維拓撲結構在醫學診斷方面的應用

A：暴露于HIV陰性血清（左）和HIV陽性血清（右）的多孔電紡納米材料的熒光圖像；

B：使用溫度作為開關捕獲和釋放紅細胞（RBC）的示意圖；

C：負載DNA功能化的金納米顆粒的納米纖維膜用于核酸檢測；

D：用于捕獲細胞的珠狀纖維摻雜的纖維膜SEM圖像；

E：使用多種生物活性分子摻雜的電紡納米材料用于肉眼檢測HIV病毒；

F：使用無規電紡納米材料檢測HIV病毒的熒光強度的結果；

G：螺旋纖維具有圓二色性信號，用于醫學診斷和傳感。

圖17 納米纖維拓撲結構在仿生學方面的應用

A：頂部：啞鈴狀納米纖維的SEM圖像；底部：在不同時間對啞鈴狀納米纖維進行霧收集實驗；

B：上：疏水性銀色狗舌草葉的數碼照片；下：多孔聚苯乙烯（PS）納米纖維SEM圖像和納米纖維疏水性測試結果；

C：聚苯乙烯基微孔結構的SEM圖像及疏水性測試結果；

D：具有多通道結構的電紡納米材料的TEM和SEM圖像；

E：定向排列纖維培養的大鼠背根神經節（DRG）生長的熒光圖像。 抗β-微管蛋白III染成綠色，細胞核染成藍色；

F：盤繞植物卷須的數碼照片（左）；使用卷曲纖維吸附原油的示意圖（右）。

【結論和展望】

該綜述總結了過去幾十年已經實現的電紡納米材料的拓撲結構，并繪制了“拓撲結構周期表”，為研究者提供參考，以便選擇具有所需功能的特定拓撲結構和相應制備策略。大量的工作已經證明，電紡納米材料具有很高的潛力來解決生物學應用中的實際問題，包括組織工程、傷口愈合、藥物/生物活性分子遞送、醫學診斷和仿生學。盡管如此，電紡納米材料的制造和應用仍然存在挑戰。

1）放大化生產。雖然已經有一些靜電紡絲工業產品，如電紡絲無紡布膜，但大多數具有特定拓撲結構的材料仍然僅在實驗室規模制備。因此，需要放大的制造策略來滿足應用。

2）均質性制備。迄今為止，制造具有高質量的均勻電紡納米材料仍然是關鍵的挑戰，良好的生物學性能強烈依賴于材料的均質性。

3）生物應用實際問題。雖然電紡納米材料已被證明是生物醫學應用潛在候選，但仍存在一些問題需要加以解決。例如，體內的同種異體移植排斥反應、納米材料使用過程中產生的收縮、膨脹或吸附現象。

4）多學科整合。目前，探索電紡技術與其他生物技術之間的深度整合還不足以滿足生物應用的各種需求。這一重大挑戰需要來自多學科的研究人員之間的合作。

文獻鏈接：Bio-functional electrospun nanomaterials: From topology design to biological applications ?(Prog. Poly. Sci.，2019，DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2019.02.006)

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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