天津大學(xué)仰大勇團(tuán)隊(duì)綜述：生物功能電紡納米材料——從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到生物應(yīng)用
生物功能高分子材料廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(jiǎn)單、最直接的技術(shù)。與傳統(tǒng)的紡紗技術(shù)（如溶液紡絲和熔融紡絲）相比，e-spin使用靜電力來(lái)加工聚合物溶液并生產(chǎn)微米級(jí)或納米級(jí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的納米材料。超過(guò)一半的e-spin材料應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(xué)。本文重點(diǎn)介紹了電紡生物功能納米材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的最新進(jìn)展。
靜電紡絲是一種高度通用的技術(shù)，可將聚合物或相關(guān)材料加工成直徑范圍從微米到納米級(jí)的纖維材料。早期電紡材料主要是聚合物，形態(tài)主要是纖維。在過(guò)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(jìn)展，制備了包括金屬、金屬氧化物、碳材料和有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料的靜電紡絲，以及制造了珠、管以及多級(jí)結(jié)構(gòu)等纖維之外的更多形態(tài)。此外，還探索了多種有前景的應(yīng)用，主要包括生物、能源、催化、環(huán)境和機(jī)械增強(qiáng)，其中一半以上專注于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。比如，設(shè)計(jì)電紡納米材料以模擬細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，用于細(xì)胞生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物轉(zhuǎn)運(yùn)；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(yī)學(xué)診斷以增強(qiáng)特異性、靈敏度和信號(hào)傳導(dǎo)能力。此外，電紡納米材料可以組裝成各種有趣的仿生結(jié)構(gòu)。所有這些特點(diǎn)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(yī)學(xué)應(yīng)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(xué)。
近期，天津大學(xué)化工學(xué)院仰大勇教授聯(lián)合天津大學(xué)材料學(xué)院袁曉燕教授、北京航空航天大學(xué)趙勇教授和國(guó)家納米科學(xué)中心蔣興宇研究員在高分子領(lǐng)域權(quán)威綜述期刊Progress in Polymer Science上發(fā)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(xué)化工學(xué)院博士生韓金鵬。作者對(duì)e-spin納米材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，制作了一張 “拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)周期表”，電紡納米材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)內(nèi)在邏輯關(guān)系分為三類：個(gè)體、雜化體和組裝體；對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行簡(jiǎn)潔明了的總結(jié)，為研究者提供有價(jià)值的參考，以便針對(duì)特殊應(yīng)用功能選擇特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)制造策略；深入系統(tǒng)地討論了各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的最新進(jìn)展，闡明材料結(jié)構(gòu)與功能和應(yīng)用之間的關(guān)系。
A：過(guò)去二十年，關(guān)鍵詞為“靜電紡絲”的科學(xué)出版物數(shù)量和比例。
B：不同應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)表的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域五大應(yīng)用的分布。
電紡納米材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為個(gè)體、雜化體和組裝體。
A：空心結(jié)構(gòu)；
B：核-殼結(jié)構(gòu)；
C：多通道結(jié)構(gòu)。
A：聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）/聚丙烯腈（PAN）/Sn離子復(fù)合納米纖維的制造方法示意圖；
B：復(fù)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。
A：使用單噴嘴裝置進(jìn)行靜電紡絲；
B：使用同軸雙噴嘴裝置進(jìn)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(zhì)混合進(jìn)行靜電紡絲。
A：通過(guò)調(diào)整接收裝置筒運(yùn)動(dòng)來(lái)控制納米纖維的定向沉積；
B：用間隙隔開的兩片導(dǎo)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(dòng)機(jī)上，通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)定向排列納米纖維的制備。
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(nèi)酯（PCL）納米纖維；
C：直接電紡PCL溶液以制備二維無(wú)規(guī)排列的納米纖維。
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(jié)構(gòu)的納米材料SEM圖像；
B：圖案化納米纖維微結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程示意圖和相應(yīng)的SEM圖像；
C：近場(chǎng)電紡示意圖。將聚合物溶液附著在鎢電極的尖端，以個(gè)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(tǒng)；2-加熱系統(tǒng)；3-電壓源；4-計(jì)算機(jī)輔助收集器；5-噴絲板。
A：多層電紡技術(shù)；
B：通過(guò)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(guò)輔助因子直接促進(jìn)納米纖維自組裝。
A：設(shè)計(jì)了由聚合物儲(chǔ)層和旋轉(zhuǎn)收集器組成的制造平臺(tái)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(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)技術(shù)制造用細(xì)胞接種的3D靜電紡絲管。
A：在電紡纖維表面共價(jià)連接兩個(gè)不同化學(xué)基團(tuán)。 異氰酸酯（NCO）基團(tuán)：紅色；氨基（NH2）：綠色；
B：表面功能化纖維的抗蛋白質(zhì)（紅色）吸附熒光圖像；
C：用RGDS（一種促進(jìn)細(xì)胞粘附的肽）功能化的電紡納米纖維與人皮膚成纖維細(xì)胞（核：藍(lán)色；肌動(dòng)蛋白絲：紅色）共培養(yǎng)的熒光和光學(xué)圖像。
A&B：在均勻納米纖維和微籠結(jié)構(gòu)上培養(yǎng)海馬神經(jīng)元細(xì)胞的SEM和激光共聚焦圖像；
C：左圖：含有血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）和血小板衍生生長(zhǎng)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(yǎng)的血管平滑肌細(xì)胞（VSMCs）的激光共聚焦圖像；
D：由軟和硬納米纖維制備的無(wú)規(guī)納米纖維墊與細(xì)胞共培養(yǎng)的熒光圖像（F-肌動(dòng)蛋白（Fas）：橙色；細(xì)胞質(zhì)：綠色；細(xì)胞核：藍(lán)色；纖維：灰色）；
E：神經(jīng)干細(xì)胞附著在定向排列和無(wú)規(guī)排列纖維的相差光學(xué)圖像；
F：用人源間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSC）培養(yǎng)的無(wú)規(guī)和螺旋納米纖維的SEM和共聚焦圖像。細(xì)胞核：藍(lán)色；FSP1（成纖維細(xì)胞表型）：紅色；α-SMAs（α-平滑肌肌動(dòng)蛋白）：綠色。
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(xué)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(xì)胞的熒光圖像。 肌動(dòng)蛋白：綠色；細(xì)胞核：藍(lán)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(yǎng)細(xì)胞的熒光圖像；
D：左：繩狀纖維的SEM圖像；右：用繩狀纖維培養(yǎng)的小鼠骨骼肌細(xì)胞的免疫熒光圖像。 細(xì)胞核：藍(lán)色；F-肌動(dòng)蛋白：綠色；α-輔肌動(dòng)蛋白：紅色；
E：左：聚（ε-己內(nèi)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(guān)細(xì)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。
A：左：交聯(lián)的明膠納米纖維SEM圖像；右：相關(guān)mRNA水平的qRT-PCR結(jié)果顯示纖維交聯(lián)度與膠原沉積的含量有關(guān)；
B：分別用紗布，聚己內(nèi)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(xué)圖像；
C：細(xì)胞劃痕試驗(yàn)中成纖維細(xì)胞遷移的熒光圖像。 β-連環(huán)蛋白：紅色；細(xì)胞核：藍(lán)色；
D：NO負(fù)載的納米纖維對(duì)膠原沉積（紅色）影響的熒光圖像；
E&F：用無(wú)規(guī)和定向排列納米纖維培養(yǎng)硬腦膜組織4天時(shí)，成纖維細(xì)胞遷移的熒光圖像。
A：多肽負(fù)載的中空纖維與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)的免疫熒光圖像。抗CD31抗體：紅色；細(xì)胞核：藍(lán)色；
B：中空和核殼纖維中TGF-β生長(zhǎng)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(yīng)的藥物釋放過(guò)程示意圖；下：施加不同超聲功率（10 W，20 W，30 W）實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放；
E：藥物負(fù)載的電紡納米材料抑制腫瘤生長(zhǎng)的數(shù)碼照片；
F：）siRNA負(fù)載的電紡納米材料與靶細(xì)胞共培養(yǎng)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(dú)立控制釋放兩種生長(zhǎng)因子；
H：在管狀電紡納米材料的表面上培養(yǎng)的血管內(nèi)皮細(xì)胞的免疫熒光圖像（抗CD31抗體：綠色；細(xì)胞核：藍(lán)色）。
A：暴露于HIV陰性血清（左）和HIV陽(yáng)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(guān)捕獲和釋放紅細(xì)胞（RBC）的示意圖；
C：負(fù)載DNA功能化的金納米顆粒的納米纖維膜用于核酸檢測(cè)；
D：用于捕獲細(xì)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(cè)HIV病毒；
F：使用無(wú)規(guī)電紡納米材料檢測(cè)HIV病毒的熒光強(qiáng)度的結(jié)果；
G：螺旋纖維具有圓二色性信號(hào)，用于醫(yī)學(xué)診斷和傳感。
A：頂部：?jiǎn)♀彔罴{米纖維的SEM圖像；底部：在不同時(shí)間對(duì)啞鈴狀納米纖維進(jìn)行霧收集實(shí)驗(yàn)；
B：上：疏水性銀色狗舌草葉的數(shù)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(cè)試結(jié)果；
C：聚苯乙烯基微孔結(jié)構(gòu)的SEM圖像及疏水性測(cè)試結(jié)果；
D：具有多通道結(jié)構(gòu)的電紡納米材料的TEM和SEM圖像；
E：定向排列纖維培養(yǎng)的大鼠背根神經(jīng)節(jié)（DRG）生長(zhǎng)的熒光圖像。 抗β-微管蛋白III染成綠色，細(xì)胞核染成藍(lán)色；
F：盤繞植物卷須的數(shù)碼照片（左）；使用卷曲纖維吸附原油的示意圖（右）。
該綜述總結(jié)了過(guò)去幾十年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的電紡納米材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并繪制了“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)制備策略。大量的工作已經(jīng)證明，電紡納米材料具有很高的潛力來(lái)解決生物學(xué)應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題，包括組織工程、傷口愈合、藥物/生物活性分子遞送、醫(yī)學(xué)診斷和仿生學(xué)。盡管如此，電紡納米材料的制造和應(yīng)用仍然存在挑戰(zhàn)。
1）放大化生產(chǎn)。雖然已經(jīng)有一些靜電紡絲工業(yè)產(chǎn)品，如電紡絲無(wú)紡布膜，但大多數(shù)具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的材料仍然僅在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制備。因此，需要放大的制造策略來(lái)滿足應(yīng)用。
2）均質(zhì)性制備。迄今為止，制造具有高質(zhì)量的均勻電紡納米材料仍然是關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，良好的生物學(xué)性能強(qiáng)烈依賴于材料的均質(zhì)性。
3）生物應(yīng)用實(shí)際問(wèn)題。雖然電紡納米材料已被證明是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛在候選，但仍存在一些問(wèn)題需要加以解決。例如，體內(nèi)的同種異體移植排斥反應(yīng)、納米材料使用過(guò)程中產(chǎn)生的收縮、膨脹或吸附現(xiàn)象。
4）多學(xué)科整合。目前，探索電紡技術(shù)與其他生物技術(shù)之間的深度整合還不足以滿足生物應(yīng)用的各種需求。這一重大挑戰(zhàn)需要來(lái)自多學(xué)科的研究人員之間的合作。
文獻(xiàn)鏈接：Bio-functional electrospun nanomaterials: From topology design to biological applications (Prog. Poly. Sci.，2019，DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2019.02.006)
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