一、研究背景

精準醫(yī)療是一種基于臨床診斷和患者生物信息分析的新型醫(yī)療模式，它在提供疾病診斷、預(yù)防和治療時考慮到了每位患者在基因、環(huán)境和生活方式上的個體差異。與傳統(tǒng)的 “千篇一律 ”的臨床和醫(yī)療保健不同，精準醫(yī)學允許醫(yī)生和研究人員預(yù)測、設(shè)計和實施針對特定患者的最佳或特定治療方法。要實現(xiàn)這一目標，關(guān)鍵是要獲取和分析足夠的患者生物和生理病理信息，并利用具有指導意義的醫(yī)療數(shù)據(jù)來實現(xiàn)針對患者的治療。近年來，醫(yī)療納米/微型機器人、可穿戴/植入式生物傳感器和人體器官芯片（OOCs）等先進醫(yī)療設(shè)備不斷涌現(xiàn)，可實現(xiàn)藥物/細胞的靶向輸送、生理狀況的精確監(jiān)測以及患者對定制藥物組合反應(yīng)的評估。盡管如此，這些精密儀器的設(shè)計和制造仍需要工程技術(shù)的創(chuàng)新。

作為現(xiàn)代生物醫(yī)學的一個重要發(fā)展方向，醫(yī)用微型機器人是一種功能性裝置，可以在外力刺激（如光/磁/聲場、pH 值和化學物質(zhì)）或自我推動（如細胞和微生物的移動性）的驅(qū)動下在人體內(nèi)進行導航運動，從而實現(xiàn)微觀治療。這些微型外科醫(yī)生為推進靶向治療、微創(chuàng)/無創(chuàng)醫(yī)療手術(shù)和醫(yī)學成像做出了貢獻。目前，已有多種技術(shù)被用于制造微型機器人，包括物理氣相沉積、激光直寫三維（3D）打印、電化學沉積和濕化學合成。然而，這些流行的技術(shù)僅限于以低成本穩(wěn)定、大規(guī)模地生產(chǎn)功能微機器人，這些微機器人應(yīng)能控制機器人的尺寸和結(jié)構(gòu)，并集成刺激響應(yīng)材料或生物元件，以實現(xiàn)智能操縱。

診斷和分析是精準醫(yī)療的關(guān)鍵過程。如果不能準確、及時地檢測出個體出現(xiàn)的異常生理現(xiàn)象，就很難提供適當、有效的醫(yī)療服務(wù)?？纱┐骱椭踩胧缴飩鞲衅髂軌蛲ㄟ^生物組件（生物受體或生物分子）感知目標分析物的變化，然后將其轉(zhuǎn)化為可測量的信號（如電、光、熱或其他形式的信號）進行實時讀取，從而監(jiān)測患者的狀態(tài)?？紤]到所需的有效性和工作環(huán)境，合格的生物傳感器應(yīng)具備高靈敏度，能夠精確辨別微妙的生理變化，同時還應(yīng)具有良好的生物兼容性、靈活性和/或長期的體內(nèi)穩(wěn)定性，以獲得用戶的認可。因此，確實需要具有傳感性能和可調(diào)理化特性的先進材料和元件來促進生物傳感器的開發(fā)。

OOC 的出現(xiàn)為在分區(qū)微流控芯片上創(chuàng)建微型人體組織/器官模型鋪平了道路。通過協(xié)調(diào)多種類型的細胞和提供生理信號（如動態(tài)機械力、細胞外基質(zhì)（ECM）線索和生化梯度），OOC 與動物和平面細胞模型相比，能提供更貼切的生理再現(xiàn)。更重要的是，有了從患者體內(nèi)分離的細胞的參與，就有可能利用這種裝置建立患者特異性病理微環(huán)境，從而為探索個性化治療（如優(yōu)化藥物劑量和組合）帶來益處。盡管 OOC 已顯示出巨大的前景，但材料和制造技術(shù)的不斷進步將提高其復雜性和可靠性，從而可能增強此類平臺的生物仿生反映，從而擴大其在精準醫(yī)學中的應(yīng)用。

電紡絲是一種廣泛應(yīng)用的納米技術(shù)，它能在靜電場中從聚合物溶液或熔體中獲得連續(xù)纖維，具有可擴展性強、材料適應(yīng)性廣、易于功能化和成本低等優(yōu)點。通過調(diào)節(jié)加工參數(shù)，該技術(shù)可生產(chǎn)出各種功能材料和結(jié)構(gòu)，如納米纖維、微珠和多孔膜，這些材料和結(jié)構(gòu)已被廣泛用作生物醫(yī)學產(chǎn)品。然而，纖維沉積混亂、缺乏多種功能集成和生產(chǎn)效率低等幾個關(guān)鍵缺點阻礙了其從實驗室到臨床的轉(zhuǎn)化。最重要的是，電紡絲過程中廣泛使用的有毒溶劑通常會限制生物分子和活細胞等生物元素在納米/微纖維制造過程中的參與，這大大限制了其在精準醫(yī)療領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。

為了克服這些挑戰(zhàn)，人們在確定纖維模式、豐富纖維成分、實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)以及封裝脆弱分子和細胞等方面做出了開創(chuàng)性的努力，從而帶來了多種先進的電紡絲技術(shù)。利用電紡絲的這些優(yōu)點，可以設(shè)計、制造先進的構(gòu)件，并將其與醫(yī)療微型機器人、生物傳感器和 OOC 相結(jié)合，以提高其性能和功能多樣性，從而在精準醫(yī)療領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更豐富的應(yīng)用。

本綜述重點介紹最近出現(xiàn)的先進電紡絲技術(shù)，這些技術(shù)分為功能復合材料、協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)、活體構(gòu)造物和高通量制造纖維的制造，討論它們對提高生物醫(yī)學設(shè)備（包括醫(yī)療微型機器人、生物傳感器和 OOC）性能的影響，并討論當前面臨的挑戰(zhàn)和未來展望（圖 1）。

圖1.綜述示意圖。

二、摘要

在精準醫(yī)療領(lǐng)域，制造技術(shù)的進步對于提高納米/微型機器人、可穿戴/可植入生物傳感器和片上器官系統(tǒng)等醫(yī)療設(shè)備的能力至關(guān)重要，這些設(shè)備可準確獲取和分析患者的生理病理信息，并進行針對患者的治療。電紡絲技術(shù)在先進醫(yī)療設(shè)備的材料和組件工程方面大有可為，因為它能夠推動納米材料科學的發(fā)展。然而，電紡絲面臨的挑戰(zhàn)包括：成分種類有限、纖維取向不可控、難以結(jié)合脆弱的分子和細胞以及生產(chǎn)效率低，這些都阻礙了電紡絲的進一步應(yīng)用。為了克服這些挑戰(zhàn)，人們探索了先進的電紡絲技術(shù)，以制造功能復合材料、協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)、活體構(gòu)建物和放大制造。本綜述深入探討了電紡絲技術(shù)的最新進展，在介紹傳統(tǒng)電紡絲技術(shù)的基本信息、討論當前挑戰(zhàn)和未來展望的基礎(chǔ)上，強調(diào)了電紡絲技術(shù)在徹底改變精準醫(yī)學領(lǐng)域的潛力。

三、結(jié)論

電紡纖維具有高比表面積和模擬細胞外基質(zhì)的優(yōu)異性能，因此被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。隨著先進電紡技術(shù)的發(fā)展，在提高材料多樣性、優(yōu)化材料性能和商業(yè)化方面取得了進展。因此，先進的電紡絲技術(shù)為精準醫(yī)療的發(fā)展提供了實用的手段，同時也促進了該領(lǐng)域的發(fā)展。

盡管電紡絲技術(shù)已被用于設(shè)計先進的生物醫(yī)學設(shè)備，但未來的研究應(yīng)側(cè)重于進一步挖掘其潛力，以擴展和改進其在精準醫(yī)療中的應(yīng)用。例如，為了實現(xiàn)不同的運動模式，人們?yōu)獒t(yī)療微型機器人設(shè)計了各種形狀，如螺旋形、管狀、球形、仿細胞形等。盡管如此，在有限的開創(chuàng)性工作中，只有先進的電紡絲技術(shù)實現(xiàn)了類似精子和火箭的結(jié)構(gòu)。不過，結(jié)合其他制造技術(shù)（如三維打印和電噴霧），電紡絲極有可能擴展到制造其他類型的微型機器人，包括螺旋和珠狀機器人，因為之前已經(jīng)制造出了更復雜的結(jié)構(gòu)（如支架和藥物球）。

除生物醫(yī)學設(shè)備外，組織工程和藥物輸送方面也有很多發(fā)展前景，這些內(nèi)容已在其他地方進行了全面評述。先進電紡絲技術(shù)的出現(xiàn)有望不斷為再生醫(yī)學和現(xiàn)代制藥學的發(fā)展帶來創(chuàng)新方法。在這篇綜述中，總結(jié)了直接工程化含有細胞的生物纖維和復雜構(gòu)造的卓越成就。雖然組織工程人員曾嘗試將細胞播種到電紡支架上，但細胞穿透深度有限（小于 100 μm），這限制了均質(zhì)活組織的構(gòu)建。此外，與三維生物打印絲（大于 200 微米）相比，電紡生物纖維較細（約 10 微米），有利于引導細胞排列和定向遷移，從而有助于構(gòu)建具有各向異性特征的功能組織/器官（如肌肉和神經(jīng)元）。

制造超細、有序和復雜的結(jié)構(gòu)是納米科學的追求。電紡絲技術(shù)在實現(xiàn)超細纖維、構(gòu)建有序納米纖維陣列以及制造特殊結(jié)構(gòu)（如核殼結(jié)構(gòu)、Janus 結(jié)構(gòu)及其組合）方面具有顯著優(yōu)勢。多腔結(jié)構(gòu)允許在電紡纖維中封裝和控制釋放多種物質(zhì)，可極大地推動藥物輸送技術(shù)的發(fā)展。串珠混合物可將納米顆粒、微顆粒或其他功能材料融入電紡纖維，為定制纖維的性能和功能提供了機會。電紡絲的這些成就進一步促進了納米科學和納米技術(shù)在精準醫(yī)療中的應(yīng)用。

盡管電紡絲具有顯著的優(yōu)點，但其缺點也是顯而易見的，如產(chǎn)品一致性相對不穩(wěn)定，控制因素較多。要穩(wěn)定電紡工藝，需要系統(tǒng)地考慮大量參數(shù)，包括材料特性、溶劑配方、電壓水平、噴嘴規(guī)格、材料流速、收集方式和距離、環(huán)境濕度、溫度等。每個因素的細微變化都可能導致纖維狀態(tài)的變化。此外，化學溶劑的使用不僅會影響臨床安全檢查，還不可避免地限制了對醫(yī)療保健有益的易損載體（如蛋白質(zhì)、化學/熱敏感化合物和細胞因子）的選擇，極大地阻礙了它們在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，有必要在材料學家、化學家、生物學家、工程師和醫(yī)生之間開展合作，以拓寬其在精準醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖2.電紡絲裝置和過程示意圖。(A) 泰勒錐形成示意圖和泰勒錐截圖。(B) 電紡絲原理圖和電紡絲纖維圖片。

圖3.用于異質(zhì)纖維的先進電紡絲原理圖。(A) 掃描電子顯微鏡（SEM）顯示的同軸電紡絲和纖維示意圖。(B) 三軸電紡絲示意圖和掃描電子顯微鏡觀察到的三軸纖維。(C) 乳化電紡絲示意圖和核殼纖維圖像。(D) 共軛電紡絲示意圖和纖維的掃描電鏡圖像。(E) 混沌電紡原理圖和混沌電紡纖維的顯微照片。

圖4.先進電紡絲法制造協(xié)調(diào)纖維的示意圖。(A) 近場電紡絲和纖維示意圖。(B) 熔體電紡絲和纖維示意圖。

圖5.用于高通量制造纖維的先進電紡絲示意圖。(A) 無針電紡原理圖和無針電紡工藝照片。 (B) 離心電紡方案和離心電紡纖維的 SEM 圖像。