一、研究背景

隨著生活水平的提高，人們期望獲得更好的健康和傷病后的康復(fù)，這使得生物醫(yī)學(xué)工程變得更加復(fù)雜和精確。生物醫(yī)學(xué)材料作為生物體的診斷、治療或替代來源，引起了人們極大的興趣。用于生物醫(yī)學(xué)目的的材料需要滿足幾個嚴格的要求：它們必須具有生物兼容性，避免在體內(nèi)產(chǎn)生任何不良反應(yīng)；材料必須具有生物活性，能夠?qū)罴毎?、組織或生物體產(chǎn)生作用；材料應(yīng)具有足夠的物理和機械性能，以便于加工。因此，與生物系統(tǒng)的直接接觸和相互作用使生物醫(yī)學(xué)材料的選擇成為一項巨大的挑戰(zhàn)。

隨著納米技術(shù)和跨學(xué)科研究的發(fā)展，具有獨特物理和化學(xué)特性的納米材料已成為可行的生物醫(yī)學(xué)材料。其中，納米纖維因其仿生特性和易于生產(chǎn)而在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中引發(fā)了廣泛的興趣。電紡絲是一種直接形成連續(xù)納米級纖維的技術(shù)。電紡納米纖維具有孔隙率大、比表面積大、易于改性和成本低等特點。最近，如圖 1 所示，它們已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的許多領(lǐng)域，如組織工程、藥物輸送、癌癥研究、生物傳感器、過濾和脂肪酶固定等。與傳統(tǒng)的生物傳感器相比，基于納米纖維的生物傳感器具有許多優(yōu)點，包括反應(yīng)速度快、靈敏度高、檢測范圍廣以及成本效益高。本文綜述了電紡的工作原理、用于生物醫(yī)學(xué)的電紡納米纖維的典型結(jié)構(gòu)，以及電紡納米技術(shù)在生物傳感器和其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

二、摘要

納米技術(shù)正經(jīng)歷著前所未有的發(fā)展，從而推動了功能性納米材料的進步。靜電紡絲設(shè)備電紡納米纖維具有顯著的多孔性、高比表面積、出色的負載能力、易改性和低成本等特性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是在生物傳感器方面，電紡納米纖維表現(xiàn)出驚人的潛力。本綜述介紹了電紡的原理，描述了幾種用于生物醫(yī)學(xué)的電紡納米纖維的結(jié)構(gòu)和生物材料，并總結(jié)了該技術(shù)在生物傳感器和其他生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的應(yīng)用。此外，還討論了電紡絲用于生物醫(yī)學(xué)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和局限性；然而，要闡明電紡絲的全部潛力，還需要開展更多的研究工作。

三、結(jié)論

隨著納米技術(shù)的跨學(xué)科發(fā)展，納米材料的功能性和實用性越來越強，從而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。其中，納米纖維因其仿生特性而備受矚目。利用靜電紡絲設(shè)備是制備納米纖維的一種低成本、簡便易行的方法。與傳統(tǒng)的生物傳感器相比，基于納米纖維的生物傳感器具有許多優(yōu)勢，如反應(yīng)性更強、靈敏度更高、檢測范圍更廣、成本效益更高。本綜述涵蓋電紡絲的基本原理、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用的典型電紡納米纖維結(jié)構(gòu)，以及電紡絲在生物傳感器和其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

盡管電紡絲技術(shù)已在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域證明了其優(yōu)勢，但它仍面臨許多挑戰(zhàn)。目前急需一種高效的機制來大規(guī)模生產(chǎn)電紡絲纖維。制造時間長和產(chǎn)量低阻礙了電紡絲技術(shù)的商業(yè)化。文章中介紹的大規(guī)模生產(chǎn)方法，包括無針電紡和多針電紡，若要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需要進一步改進。具有高生產(chǎn)率的電紡絲設(shè)備通常面臨著自由液穩(wěn)定性差和難以控制多個射流的問題。Xiong 等人在自由液面上構(gòu)建了一個高曲率環(huán)形預(yù)泰勒錐，以形成多個噴流。他們使用蘑菇噴絲板來確保多個噴流的穩(wěn)定運動，顯示出 13.7 g/h 的出色生產(chǎn)率。

由于電紡納米纖維通常通過植入人體或與人體直接接觸發(fā)揮作用，因此另一個需要關(guān)注的問題是材料的安全性。關(guān)于電紡纖維產(chǎn)品的臨床試驗屈指可數(shù)，更不用說還需要獲得美國食品藥品管理局（FDA）和歐洲藥品管理局（EMA）的批準。雖然 PVA 等合成聚合物已獲得 FDA 批準用于臨床，但其生物活性和生物相容性相對不足。一種解決方案是將天然聚合物與合成聚合物相結(jié)合，同時利用合成聚合物的物理性質(zhì)和天然聚合物的生物活性。開發(fā)一種無毒、生物兼容、可在人體內(nèi)降解的電紡材料仍是一項巨大挑戰(zhàn)。由于新陳代謝系統(tǒng)的巨大差異，僅在大鼠等小動物身上測試電紡纖維生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的效果是不夠的。需要進行更多的臨床試驗，以提高實驗的可重復(fù)性，實現(xiàn)實際應(yīng)用。總之，電紡絲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速，前景廣闊。

圖1.靜電紡絲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的主要應(yīng)用

圖2.典型靜電紡絲裝置原理圖

圖3.(a) 同軸電紡絲、(b) 多針電紡絲、(c) 近場電紡絲、(d) 使用旋轉(zhuǎn)噴絲板裝置的無針電紡絲、(e) 使用固定噴絲板裝置（階梯式金字塔）的無針電紡絲和 (f) 使用固定噴絲板裝置（氣泡噴絲板）的無針電紡絲的示意圖。

圖4.不同的電紡納米纖維結(jié)構(gòu)： (a) 芯殼纖維；(b) 空心纖維；(c) 多孔纖維；(d) 珠狀纖維；(e) 多通道纖維；(f) 帶狀纖維；(g) 螺旋狀纖維；(h) 松針狀纖維；(i) 并排纖維。

圖5.(a) PHB-S-1%MWCNTs 電紡纖維的 TEM 圖像。(b) 倒置光學(xué)顯微鏡圖像顯示第 7、14 和 21 天 MG-63 細胞在 PHB-S-1%MWCNTs 電紡支架和對照樣品上的茜素紅 S 應(yīng)變情況。(c) 用于骨組織再生的 GNPs 嵌入 PVP/EC 同軸電紡納米纖維支架。GNPs負載的PVP/EC同軸電紡納米纖維支架的體內(nèi)骨再生：（d）重建的三維顯微CT圖像。(e）電紡絲裝置及其 BTNP/PVDF 產(chǎn)品。