天津大学仰大勇团队综述：生物功能电纺纳米材料——从拓扑结构设计到生物应用

【引言】

生物功能高分子材料广泛应用于生物医学领域，其中静电纺丝（缩写为“e-spin”）是制备各种生物功能高分子材料最简单、最直接的技术。与传统的纺纱技术（如溶液纺丝和熔融纺丝）相比，e-spin使用静电力来加工聚合物溶液并生产微米级或纳米级的材料。e-spin不仅可用于制造纳米纤维，还可制造具有多种拓扑结构的纳米材料。超过一半的e-spin材料应用于生物医学领域，包括组织工程、伤口愈合、药物/生物活性分子递送、诊断和仿生学。本文重点介绍了电纺生物功能纳米材料的拓扑结构设计和生物医学应用的最新进展。

【成果简介】

静电纺丝是一种高度通用的技术，可将聚合物或相关材料加工成直径范围从微米到纳米级的纤维材料。早期电纺材料主要是聚合物，形态主要是纤维。在过去的二十年中，科研人员在选材和形貌方面都取得了很多进展，制备了包括金属、金属氧化物、碳材料和有机/无机复合材料的静电纺丝，以及制造了珠、管以及多级结构等纤维之外的更多形态。此外，还探索了多种有前景的应用，主要包括生物、能源、催化、环境和机械增强，其中一半以上专注于生物医学应用。比如，设计电纺纳米材料以模拟细胞外基质的结构特征，用于细胞生长和营养物转运；封装或附着有生物活性分子和药物的电纺纳米材料可用于递送分子；由于高孔隙率和大比表面积，它们还可以用于医学诊断以增强特异性、灵敏度和信号传导能力。此外，电纺纳米材料可以组装成各种有趣的仿生结构。所有这些特点使得静电纺丝成为制造生物功能纳米材料的有力工具，用于涉及人类健康的一系列生物医学应用，主要包括组织工程、伤口愈合、药物/生物活性分子递送、诊断和仿生学。

近期，天津大学化工学院仰大勇教授联合天津大学材料学院袁晓燕教授、北京航空航天大学赵勇教授和国家纳米科学中心蒋兴宇研究员在高分子领域权威综述期刊Progress in Polymer Science上发表了题为“Bio-functional electrospun nanomaterials: From topology design to biological applications”的综述论文。论文第一作者为天津大学化工学院博士生韩金鹏。作者对e-spin纳米材料拓扑结构进行分类，制作了一张 “拓扑结构周期表”，电纺纳米材料的拓扑结构根据内在逻辑关系分为三类：个体、杂化体和组装体；对该领域进行简洁明了的总结，为研究者提供有价值的参考，以便针对特殊应用功能选择特定拓扑结构和相应制造策略；深入系统地讨论了各类拓扑结构在生物医学应用中的最新进展，阐明材料结构与功能和应用之间的关系。

【图文导读】

图1  “静电纺丝”研究概况

A：过去二十年，关键词为“静电纺丝”的科学出版物数量和比例。

B：不同应用领域发表的文献统计，及其在生物医学领域五大应用的分布。

图2 电纺纳米材料的“拓扑结构周期表”

电纺纳米材料的拓扑结构分为个体、杂化体和组装体。

图3 用于制造具有中空、核-壳或多通道结构的电纺纳米材料装置的示意图

A：空心结构；

B：核-壳结构；

C：多通道结构。

图4 掺杂纳米粒子的纳米纤维制造方法及形貌

A：聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）/聚丙烯腈（PAN）/Sn离子复合纳米纤维的制造方法示意图；

B：复合纳米纤维的SEM图像；

C：制备Sn纳米颗粒掺杂的碳基纳米纤维示意图；

D：Sn纳米颗粒掺杂的纳米纤维SEM图像。

图5 负载药物的纳米纤维制备方法示意图

A：使用单喷嘴装置进行静电纺丝；

B：使用同轴双喷嘴装置进行静电纺丝；

C：制备药物包封的纳米颗粒，然后将含有药物的纳米颗粒与聚合物基质混合进行静电纺丝。

图6 定向排列的纳米材料制备策略示意图

A：通过调整接收装置筒运动来控制纳米纤维的定向沉积；

B：用间隙隔开的两片导电硅条作为集电极以接收定向排列的纳米纤维；

C：将两块永久磁铁作为接收装置制备定向排列的纳米纤维；

D：将纺丝装置固定在电动机上，通过调整电动机的运动以实现定向排列纳米纤维的制备。

图7 螺旋电纺纳米材料制备策略示意图

A：将微流控装置用作喷丝头以制造双组分螺旋纳米纤维；

B：使用95％乙醇溶液作为接收装置以制造三维螺旋状聚己内酯（PCL）纳米纤维；

C：直接电纺PCL溶液以制备二维无规排列的纳米纤维。

图8 图案结构的纳米材料制造策略示意图

A：（左）具有等间距矩形突起的接收装置的示意图；（中）制备的纳米纤维图案示意图；（右）图案结构的纳米材料SEM图像；

B：图案化纳米纤维微结构的制造过程示意图和相应的SEM图像；

C：近场电纺示意图。将聚合物溶液附着在钨电极的尖端，以个性化方式制备电纺图案化材料；

D：熔融电纺装置示意图。1-喂料系统；2-加热系统；3-电压源；4-计算机辅助收集器；5-喷丝板。

图9 绳索和管状纳米纤维组装体制造策略示意图

A：多层电纺技术；

B：通过2D纺丝纤维垫的后处理组装；

C：利用3D模板收集纤维；

D：通过辅助因子直接促进纳米纤维自组装。

图10 绳索和管状纳米纤维组装体制造策略示意图

A：设计了由聚合物储层和旋转收集器组成的制造平台以制备绳索状纳米纤维组装体；

B：具有相互连接的管状通道的电纺纳米材料制备示意图；

C：通过应力诱导技术制造用细胞接种的3D静电纺丝管。

图11 纳米纤维表面功能化对细胞生长和黏附的影响

A：在电纺纤维表面共价连接两个不同化学基团。 异氰酸酯（NCO）基团：红色；氨基（NH₂）：绿色；

B：表面功能化纤维的抗蛋白质（红色）吸附荧光图像；

C：用RGDS（一种促进细胞粘附的肽）功能化的电纺纳米纤维与人皮肤成纤维细胞（核：蓝色；肌动蛋白丝：红色）共培养的荧光和光学图像。

图12 纳米纤维二维拓扑结构在组织工程方面的应用

A&B：在均匀纳米纤维和微笼结构上培养海马神经元细胞的SEM和激光共聚焦图像；

C：左图：含有血管内皮生长因子（VEGF）和血小板衍生生长因子-bb（PDGF）的电纺纤维的TEM图像；右图：用不同生物活性电纺纤维培养的血管平滑肌细胞（VSMCs）的激光共聚焦图像；

D：由软和硬纳米纤维制备的无规纳米纤维垫与细胞共培养的荧光图像（F-肌动蛋白（Fas）：橙色；细胞质：绿色；细胞核：蓝色；纤维：灰色）；

E：神经干细胞附着在定向排列和无规排列纤维的相差光学图像；

F：用人源间充质干细胞（hMSC）培养的无规和螺旋纳米纤维的SEM和共聚焦图像。细胞核：蓝色；FSP1（成纤维细胞表型）：红色；α-SMAs（α-平滑肌肌动蛋白）：绿色。

图13 纳米纤维三维拓扑结构在组织工程方面的应用

A：左：卷曲纤维的SEM图像；右图：附着于韧带组织的卷曲纤维的组织学染色图像；

B：接种在不同图案化电纺纳米材料表面上的hMSC细胞的荧光图像。 肌动蛋白：绿色；细胞核：蓝色；

C：左：同心圆的AutoCAD制作的图案；右：用左图的图案化纳米材料培养细胞的荧光图像；

D：左：绳状纤维的SEM图像；右：用绳状纤维培养的小鼠骨骼肌细胞的免疫荧光图像。 细胞核：蓝色；F-肌动蛋白：绿色；α-辅肌动蛋白：红色；

E：左：聚（ε-己内酯）-聚（DL-丙交酯-共-乙交酯）（PCL-PLGA）管状纳米纤维形貌的示意图，其中三种相关细胞分布在不同层中；右：用CD31（红色），胶原蛋白I（绿色）和胶原蛋白III（黄色）染色的天然血管和PCL-PLGA纳米纤维管的免疫荧光图像。

图14 纳米纤维拓扑结构在伤口愈合方面的应用

A：左：交联的明胶纳米纤维SEM图像；右：相关mRNA水平的qRT-PCR结果显示纤维交联度与胶原沉积的含量有关；

B：分别用纱布，聚己内酯（PCL）纤维膜和银纳米颗粒掺杂的PCL纤维膜处理的皮肤伤口的光学图像；

C：细胞划痕试验中成纤维细胞迁移的荧光图像。 β-连环蛋白：红色；细胞核：蓝色；

D：NO负载的纳米纤维对胶原沉积（红色）影响的荧光图像；

E&F：用无规和定向排列纳米纤维培养硬脑膜组织4天时，成纤维细胞迁移的荧光图像。

图15 纳米纤维拓扑结构在递送药物/生物活性分子方面的应用

A：多肽负载的中空纤维与人脐静脉内皮细胞共培养的免疫荧光图像。抗CD31抗体：红色；细胞核：蓝色；

B：中空和核壳纤维中TGF-β生长因子的累积释放曲线；

C：纳米纤维，熔融处理和脱气处理的多孔纤维的药物释放曲线；

D：上：超声辐射响应的药物释放过程示意图；下：施加不同超声功率（10 W，20 W，30 W）实现药物的可控释放；

E：药物负载的电纺纳米材料抑制肿瘤生长的数码照片；

F：）siRNA负载的电纺纳米材料与靶细胞共培养的荧光图像；

G：左：双室纳米纤维水凝胶图案化微粒的荧光图像；右：双室纳米纤维水凝胶用于独立控制释放两种生长因子；

H：在管状电纺纳米材料的表面上培养的血管内皮细胞的免疫荧光图像（抗CD31抗体：绿色；细胞核：蓝色）。

图16 纳米纤维拓扑结构在医学诊断方面的应用

A：暴露于HIV阴性血清（左）和HIV阳性血清（右）的多孔电纺纳米材料的荧光图像；

B：使用温度作为开关捕获和释放红细胞（RBC）的示意图；

C：负载DNA功能化的金纳米颗粒的纳米纤维膜用于核酸检测；

D：用于捕获细胞的珠状纤维掺杂的纤维膜SEM图像；

E：使用多种生物活性分子掺杂的电纺纳米材料用于肉眼检测HIV病毒；

F：使用无规电纺纳米材料检测HIV病毒的荧光强度的结果；

G：螺旋纤维具有圆二色性信号，用于医学诊断和传感。

图17 纳米纤维拓扑结构在仿生学方面的应用

A：顶部：哑铃状纳米纤维的SEM图像；底部：在不同时间对哑铃状纳米纤维进行雾收集实验；

B：上：疏水性银色狗舌草叶的数码照片；下：多孔聚苯乙烯（PS）纳米纤维SEM图像和纳米纤维疏水性测试结果；

C：聚苯乙烯基微孔结构的SEM图像及疏水性测试结果；

D：具有多通道结构的电纺纳米材料的TEM和SEM图像；

E：定向排列纤维培养的大鼠背根神经节（DRG）生长的荧光图像。 抗β-微管蛋白III染成绿色，细胞核染成蓝色；

F：盘绕植物卷须的数码照片（左）；使用卷曲纤维吸附原油的示意图（右）。

【结论和展望】

该综述总结了过去几十年已经实现的电纺纳米材料的拓扑结构，并绘制了“拓扑结构周期表”，为研究者提供参考，以便选择具有所需功能的特定拓扑结构和相应制备策略。大量的工作已经证明，电纺纳米材料具有很高的潜力来解决生物学应用中的实际问题，包括组织工程、伤口愈合、药物/生物活性分子递送、医学诊断和仿生学。尽管如此，电纺纳米材料的制造和应用仍然存在挑战。

1）放大化生产。虽然已经有一些静电纺丝工业产品，如电纺丝无纺布膜，但大多数具有特定拓扑结构的材料仍然仅在实验室规模制备。因此，需要放大的制造策略来满足应用。

2）均质性制备。迄今为止，制造具有高质量的均匀电纺纳米材料仍然是关键的挑战，良好的生物学性能强烈依赖于材料的均质性。

3）生物应用实际问题。虽然电纺纳米材料已被证明是生物医学应用潜在候选，但仍存在一些问题需要加以解决。例如，体内的同种异体移植排斥反应、纳米材料使用过程中产生的收缩、膨胀或吸附现象。

4）多学科整合。目前，探索电纺技术与其他生物技术之间的深度整合还不足以满足生物应用的各种需求。这一重大挑战需要来自多学科的研究人员之间的合作。

文献链接：Bio-functional electrospun nanomaterials: From topology design to biological applications  (Prog. Poly. Sci.，2019，DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2019.02.006)

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。参与高分子话题讨论或了解高分子组招募详情，请加高分子交流群（298064863）。

材料测试、数据分析，上测试谷！