近年来，随着材料制造技术的快速发展，通过微挤压生物打印、微流体纺丝、湿法纺丝、干法纺丝、静电纺丝和近场静电纺丝等多种方法可以方便、可控地制备纳米/微米纤维。当纤维的直径从宏观尺度减小到微米或纳米尺度时，就会出现惊人而特殊的物理化学性质，如机械强度的增强、高比表面积和体积比、表面特殊功能等。因此，纳米/超细纤维引起了科学家们的极大关注，成为纤维科学领域的前沿和研究热点。
近日，南京大学鼓楼医院赵元锦教授综述并介绍了不同的纳/微米纤维制备技术以及纤维材料、形态和功能的最新进展。介绍了纳米/微纤维和纤维基复合材料在生物医学领域的应用，包括组织工程支架、药物释放、伤口愈合和生物传感器。纳米/微纤维制备技术和纳米/微纤维材料的挑战和未来机遇。相关研究内容发表在《生物活性材料》杂志上，标题为“为生物医学应用量身定制微/纳米纤维”。
纳米/微纤维制备技术及生物医学应用示意图。
纳米/超细纤维的制备技术
从天然或合成材料制备纳米/微纤维的技术有很多，包括基于微挤出的三维生物打印、微流体纺丝、湿法纺丝、干法纺丝、静电纺丝和近场静电纺丝。在本部分中，将分别介绍这些技术。综述了各种纳米/微纤维制备技术的纤维直径、纤维形态、优缺点。
图2不同纳米/微纤维制备技术示意图。3D生物打印。微流体旋转。湿法纺丝。干纺。静电纺丝。近场静电纺丝。
各种纳米/微纤维制备技术的总结和比较。
3D打印
3D打印凭借各种材料的兼容性和定制化优势，广泛应用于食品、艺术、空、建筑、生物医学等领域。近年来，3D生物打印技术在生物医学领域的应用得到了发展。通过结合工程学、细胞生物学和材料学的方法，一层一层地打印出含有活细胞和活生物分子的生物墨水，最终形成模拟天然组织或器官的3D支架。广泛使用的3D生物打印方法有三种，包括微挤压生物打印、喷墨生物打印和激光辅助生物打印。在这些方法中，基于微挤压的生物打印技术是最常用的技术，因为它价格低廉，应用广泛，可以制作复杂的空支架。
图3基于微挤压的生物打印示意图；基于喷墨生物打印的示意图；激光辅助生物打印。基于微挤压生物打印的核壳结构制备:异质结构；中号空超细纤维。采用两相乳化生物墨水的微挤压生物打印支架。
静电纺纱
静电纺丝是通过静电力连续制备纳米尺寸或微米尺寸纤维的一般过程。传统的静电纺丝装置通常由高压电源、喷丝板和收集装置组成。许多参数会影响纤维的直径和形态，主要包括聚合物溶液的性质、操作参数和环境参数。电纺纤维具有比表面积大、多孔结构、力学性能可调、材料处理能力强、纤维性能易于操作和规模化生产等优点。
用于组织工程的材料必须具有良好的生物相容性。从表3中可以看出，单一聚合物或共混聚合物已经用于不同目的的电纺纤维中，一种材料通常可以溶解在几种单一溶剂或不同组分的混合溶剂中。材料、纤维形态、纤维排列、支架修饰、生化分子等。都会影响静电纺纳米纤维支架的性能。
表3显示了广泛用于组织工程的电纺材料的聚合物。
胶原蛋白、明胶、蚕丝等天然材料具有良好的生物相容性和生物相容性，在静电纺丝中得到了广泛应用。此外，通过混合天然材料和合成材料可以获得共混的静电纺丝支架，其结合了天然聚合物的显著生物相容性和合成聚合物的优异机械稳定性。
图4湿法纺丝装置示意图。干纺工艺方案和干纺工艺照片，纤维的光学和显微图像。材料的化学结构；静电纺丝工艺示意图；纤维的SEM图像、直径分布和纺丝方向。静电纺丝制备细胞负载纤维。静电纺丝过程示意图和取向纤维荧光图像。静电纺丝法制备湿粘合纤维。
纤维的定向排列还可以赋予静电纺丝支架独特的性质，如光学、机械和电学性质，并增强对某些具有排列的细胞外基质结构的人体组织或器官的细胞有序生长的引导，包括神经、角膜和肌腱。传统的静电纺丝设备可以得到杂乱的纤维支撑，但通过设计特定构型的收集器，控制静电场或添加辅助磁场，可以得到取向纤维。综上所述，静电纺丝技术是一种多功能的纤维制备方法，可以制备多种纳米尺寸或微米尺寸的聚合物纤维。所得纤维可以方便地设计成基体，有利于其在生物医学领域的应用。
图5近场静电纺丝，近场静电纺丝过程示意图；收集器速度对射流摆角的影响。近场静电纺丝制备方形和矩形PCL支架。不同直径近场电纺纤维的SEM图像:不同直径纤维的SEM图像；纤维的SEM图像。近场静电纺丝制备的不同结构纤维支架的SEM图像。波状近场电纺支架的SEM图像和细胞粘附的荧光图像。不同层数的近场电纺管状纤维支架的SEM图像。
图6微挤压生物打印技术用于制备用于构建尿道上皮组织的中空微纤维。采用同轴静电纺丝法制备了具有核壳结构的SF/PCL/PVA纳米纤维，并能持续释放因子。采用微流体纺丝法制备载有MOF的微纤维，以促进伤口愈合。通过微流体旋转产生的螺旋微纤维被用作磁性和热力学触发生物传感器。
面临的挑战
首先，材料的选择和研究通常局限于常规和常见的天然或合成材料。这些材料具有良好的加工性能，可以通过各种工艺制备成形貌可控、功能多样的纳米/超细纤维。然而，天然材料的机械稳定性差、合成材料的生物相容性差等固有缺陷影响了其应用。利用纳米/微纤维制备技术加工具有先进功能的新材料尚待开发。
其次，虽然这些制造技术可以生产功能性纤维结构，但没有任何策略可以完全模仿自然组织或器官。因此，有必要改进这些技术的加工设备或开发能够实现各种技术的新的集成装置。例如，将静电纺丝与微流控纺丝相结合，可以制备纤维支架，不仅可以模拟ECM结构，还可以实现细胞和生物活性成分分布的时间空调控。
第三，将这些纳米/超细纤维制造技术与纺织品制造方法相结合，在构建三维纤维支架方面将会有很大的前景，从而获得更好的生物医学应用。
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