《RSC Applied Polymers》：Challenges and opportunities of electrospun nanofibrous scaffolds for tissue engineeringOpen Access
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静电纺丝纳米纤维支架因其纤维状组织结构与天然细胞外基质（ECM）相似，且其结构、组成和表面性质可被调控以调节细胞-材料相互作用，已成为组织工程中多功能平台。然而，传统的二维静电纺丝垫受限于纤维堆积致密、孔径小且连通性差、细胞浸润受限以及对三维（3D）组织构型控
静电纺丝纳米纤维支架因其纤维状组织结构与天然细胞外基质（ECM）相似，且其结构、组成和表面性质可被调控以调节细胞-材料相互作用，已成为组织工程中多功能平台。然而，传统的二维静电纺丝垫受限于纤维堆积致密、孔径小且连通性差、细胞浸润受限以及对三维（3D）组织构型控制不足。本综述批判性地审视了静电纺丝从传统纤维膜向3D、多功能及具有生物学指导性的再生支架的演变过程。重点阐述了3D结构构建策略，包括气体发泡、冷冻干燥、低温静电纺丝、多层组装、3D收集器及混合制造方法，并考虑了调控支架性能的加工参数和结构-性能关系。从聚合物组成、力学行为、降解、表面化学、生物活性和细胞响应等方面讨论了先进材料设计与功能化策略，以及静电纺丝后改性和能够实现可控生物学功能的刺激响应系统。将静电纺丝与熔体电写（MEW）、增材生物制造、细胞静电纺丝和生物电喷雾相结合的新兴方法被视为实现空间有序和含细胞构建体的途径。骨、软骨和皮肤组织工程中的代表性应用被批判性地比较，以说明不同再生环境中结构、力学和生物学要求的差异。本综述进一步探讨了临床转化的障碍，包括可规模化制造、可重复性和标准化、灭菌和储存稳定性、材料安全性、法规要求及临床实施。最后，指出了在预测性和数据驱动制造、患者特异性生物制造以及开发兼具结构与生物学复杂性且具备可重复性、可制造性和治疗获益的临床相关支架方面的未来机遇。总体而言，本综述建立了一个结构-加工-性能-生物学响应框架，用以指导下一代电纺支架的合理开发与转化。
论文主体内容总结
1. 引言
静电纺丝可制备直径从数十纳米到数微米的连续聚合物纤维，并能控制纤维直径、形态、取向、组成和表面特性。其高比表面积和纤维状组织结构与天然ECM特征相似，使其可用于研究和引导组织工程中的细胞-材料相互作用。与3D生物打印相比，静电纺丝能高效生产具有高比表面积的连续纳米纤维，但传统静电纺丝对细胞定位和宏观结构控制精度不如生物打印，两者应视为互补技术。早期研究已证实电纺合成和天然聚合物能支持细胞附着和增殖，但也暴露了结构限制：随机纤维沉积通常形成薄而致密的膜，纤维间隙远小于多数哺乳动物细胞，导致细胞主要定殖于表面而难以深入内部。孔径大小并非决定传输的唯一因素，孔连通性和支架厚度对细胞迁移、营养扩散和血管长入同样重要。纤维直径和比表面积影响细胞附着面积，聚合物化学影响润湿性、蛋白质吸附、降解和力学稳定性。纤维取向可引导细胞形态和方向，但效果具有组织依赖性。为克服传统电纺垫厚度和孔可及性限制，已发展出气体发泡、改良收集器、冷冻干燥、低温沉积、多层组装和混合制造等策略。化学和生物修饰提供了另一层控制手段。天然和合成聚合物在可纺性、降解和生物识别方面存在差异。临床转化还需考虑残留溶剂、灭菌、储存、生产通量和工艺可重复性等因素。
2. 传统电纺纳米纤维垫的局限性
传统电纺垫的局限源于四个密切相关的因素：纤维堆积致密、力学性能不足、材料依赖的表面和降解特性，以及制造过程对操作条件微小变化的敏感性。随机沉积的纳米纤维产生致密网络，孔径由纤维直径、纤维密度和纤维间接触点数量决定。减小纤维直径增加比表面积，但不一定增加细胞进入空间；在固定网络质量和孔隙率下，较小纤维可能产生更小的平均孔径。传统垫中细胞附着并铺展在暴露表面，但仅能渗透至有限深度，厚构建体中扩散无法维持均匀的氧气和营养输送。限制浸润不能仅归因于孔径，孔还必须连通并在整个支架厚度内可及。增大孔隙或降低纤维密度会引入第二个权衡：力学完整性下降。电纺垫的力学完整性取决于聚合物性质、纤维取向、纤维-纤维接触和层间结合，弱界面连接和有限载荷传递可导致低拉伸或压缩稳定性。材料选择也产生折衷：合成可生物降解聚合物如聚己内酯（PCL）和聚乳酸（PLA）易加工且力学稳定性好，但疏水表面缺乏细胞识别基序；胶原和明胶提供生物识别基序但力学弱且降解不可预测。细胞铺展、迁移和谱系定型取决于基质刚度、拓扑结构、配体可用性和可溶性因子的综合作用。制造变异性是另一限制，纤维形成取决于聚合物浓度、分子量、粘度、电导率、溶剂挥发性、施加电压、流速、收集距离和环境湿度温度。细胞电纺和生物电喷雾解决了传统制造过程中缺乏活细胞的问题，但细胞存活受电场暴露、剪切应力、溶剂隔离、处理时间和保护介质组成影响。
3. 3D电纺纳米纤维支架构建策略
构建3D电纺支架的策略包括气体发泡、冷冻干燥、低温静电纺丝、多层组装、3D收集器、牺牲模板以及增材制造或MEW混合制造。这些方法并不等效，其适用性取决于所需孔径、纤维取向、力学性能、支架几何形状和制造规模。
3.1 气体发泡
气体发泡通过相邻纤维层间产生气体将预成型的电纺膜转化为更厚的支架。膨胀分离各层并产生大孔通道，同时保留大部分原始纳米纤维形态。Jiang等人通过亚临界CO2快速减压膨胀电纺PCL膜，重复处理使支架厚度从约1 mm增至2.5 mm（一次循环）和19.2 mm（两次循环），孔隙率从78.5%增至92.1%和99.0%。化学气体发泡常用硼氢化钠（NaBH4），在质子介质中释放氢气。Zhao等人系统考察了六个加工变量，优化条件为8 wt% PCL溶液、15 kV电压、4 mL h?1流速、20 cm收集距离、60 min电纺时间和5 g NaBH4，该条件下七天后细胞代谢活性比对应二维垫高25.34%。材料组成进一步改变对气体发泡的响应。气体发泡的主要局限包括气体扩散不均匀、纤维间内聚力损失以及对聚合物组成、垫厚度和预处理条件的敏感性。
3.2 冷冻干燥（冻干）
冷冻干燥通过冷冻含纤维的悬浮液并随后升华去除冷冻溶剂来构建多孔支架。冰晶作为临时致孔剂，干燥后在分散纤维间留下空隙。快速冷却促进大量成核，产生更多更小的冰晶；较慢冷却允许更大晶体生长，通常产生更大孔。Haugh等人将最终冷冻温度从?10 ℃变化至?70 ℃制备胶原-糖胺聚糖支架，平均孔径随冷冻温度降至约?50 ℃而减小，进一步冷却至?70 ℃几乎无额外减小。退火步骤可改变晶体生长并减少孔径空间变异。初级干燥在减压下去除冰，次级干燥去除残余水分。冷冻干燥可在纤维悬浮液中混合纳米颗粒、水凝胶或ECM衍生组分。其主要优点是能产生厚且高度多孔的结构，缺点是纤维取向被破坏、高孔隙率下抗压强度降低、处理时间长且对冷冻历史敏感。
3.3 低温静电纺丝
低温静电纺丝通过纤维沉积与临时冰模板形成相结合来生成多孔3D支架。纤维收集在低于冰点的表面上，大气水分冷凝并在沉积层间冻结，随后冷冻干燥去除冰，在纳米纤维网络内留下大孔空间。与悬浮液基冷冻干燥不同，电纺纤维在冷冻前未被切割或分散，因此可保留更多纤维连续性和沉积组织。聚合物浓度必须足以提供稳定的链缠结，溶剂挥发性必须允许纤维接触冷收集器前充分固化。Simonet等人建立了低温电纺过程中冰晶作为可移除模板的方法，所得网孔孔隙率比常规电纺结构高至四倍，但孔隙率增加伴随纤维-纤维接触密度降低。孔发育受水冷凝、冰晶生长和纤维沉积之间竞争控制。收集器温度影响成核和冻结速率，相对湿度决定形成牺牲模板的水量。纤维沉积速率引入另一层控制。电纺时长影响支架厚度，但也改变局部热环境。生物优势来自纳米纤维和较大冰模板孔的共存，孔连通性比孤立大孔的存在更重要。制造放大仍困难，因为必须在整个收集器上维持均匀温度和湿度。
3.4 多层堆叠和3D收集器
多层制造通过顺序沉积或组装电纺纤维片来增加支架厚度。Kidoaki等人引入了多层和混合电纺以创建含不同聚合物和纤维排列的介观有序纤维网。纤维取向可在连续层间变化以获得单向、交叉铺层或多向结构。相邻层间界面是多层组装的主要局限，弱界面可在水合、力学加载或植入期间分层。可通过在完全溶剂蒸发前沉积连续层、受控热处理、使用粘合剂或水凝胶相或引入牺牲组分来改善层间整合。3D收集器通过将纤维引导至非平面或图案化表面提供手动堆叠的替代方案。旋转心轴常用于管状支架，图案化导电收集器可产生对齐纤维或区域沉积变化。收集器几何形状不直接转化为纤维结构，因为沉积纤维逐渐改变局部电场。静电纺丝与增材制造的融合扩展了收集器辅助制造。多层和收集器辅助支架特别适用于分层组织。
3.5 混合和新兴3D制造方法
没有单一制造方法能同时提供纳米纤维、大互连孔、精确外部几何形状、力学强度和受控细胞放置。混合制造将不同结构功能分配给互补制造工艺。溶液电纺贡献纳米级拓扑结构和比表面积，增材制造或MEW提供明确的宏观孔、尺寸精度和力学支撑。早期混合构建体通常通过将电纺膜附着到3D打印框架上制备，但弱界面粘合可能导致分层。更集成的方法将电纺纤维直接沉积到打印层上或之间。MEW比常规溶液电纺对纤维放置提供更大控制，沿编程路径沉积熔融聚合物射流。Hochleitner等人通过MEW演示了含亚微米细丝的支架增材制造。熔体温度和聚合物粘度控制挤出阻力和射流变细。Brown等人建立了熔体电纺直写，证明射流和收集器速度的受控匹配可实现有序纤维沉积。溶液电纺与MEW结合可补偿各自不足。水凝胶可作为混合支架的另一组分。生物打印可在打印或纤维框架内提供含细胞生物墨水的空间放置。径向对齐支架引导细胞向中心区域迁移，与伤口闭合相关。多孔纳米纤维微球或短纤维组装体提供可注射替代方案。牺牲模板通过掺入可移除纤维、颗粒或打印结构来创建限定孔。梯度和多相支架对软骨-骨和肌腱-骨等界面特别相关。混合制造增加了关键质量属性数量，制造成本和可扩展性取决于所需结构精度水平。
4. 先进材料设计策略
支架结构决定孔可及性和纤维组织，但性能也取决于组成材料的化学性质。聚合物主链结构、官能团、分子量、分散度、立构化学、结晶性和亲水性影响聚合物-溶剂相互作用、链缠结、射流稳定性、纤维固化、表面润湿性、力学行为和降解。应在将支架性质归因于材料组成前确定聚合物身份和结构。傅里叶变换红外光谱和核磁共振波谱可确认官能团和共聚物组成，尺寸排阻色谱提供分子量和分散度数据，差示扫描量热法和X射线衍射确定热转变和结晶性，热重分析可估计无机含量和热稳定性。合成聚合物提供可重复加工和结构稳定性，但缺乏特异性生物识别位点；天然聚合物提供生化功能但易受加工诱导变性。
4.1 合成聚合物：力学强度与生物学局限
PCL、PLA、PLGA和聚氨酯（PU）因分子量、组成、降解速率和力学性能可更可重复地调节而被广泛使用。PCL的半结晶脂肪族结构赋予其柔韧性、较低玻璃化转变温度和缓慢水解降解。但原始PCL表面润湿性低且缺乏特异性细胞识别序列。PLA通常比PCL更硬，但更易脆性行为，降解取决于分子量、立构组成、结晶性、纤维直径和局部水可用性。PLGA通过丙交酯与乙交酯比例和分子量提供额外控制，增加乙交酯含量通常增强水吸收并加速水解。PU含交替软硬链段，可通过链段化学和比例调节弹性、强度、降解和表面性质。合成电纺聚合物是宝贵结构平台而非ECM的完全生物学替代品。
4.2 天然聚合物：生物活性与结构弱点
天然聚合物包括胶原、明胶、丝素蛋白、壳聚糖、纤维蛋白原和弹性蛋白。Zeugolis等人证明从氟醇溶剂电纺胶原导致广泛变性，丧失特征性三螺旋组织。明胶由胶原部分水解或变性产生，保留支持细胞附着的官能团，但高水亲和力可导致快速溶胀、纤维融合和几何形状丧失。丝素蛋白提供比明胶和许多胶原基系统更大的力学强度和更慢降解，性能部分由β-折叠结构域比例和组织决定。壳聚糖含可质子化氨基，贡献pH依赖性溶解性、表面电荷和抗菌行为。交联改善天然聚合物纤维的尺寸稳定性，但引入额外结构-性能权衡。
4.3 复合纳米纤维支架：平衡结构与生物学性能
复合支架在两种或更多材料相间分配不同功能。合成-天然聚合物组合可耦合结构保留与改善润湿性和生化功能，聚合物-陶瓷系统可增加刚度、矿物相关线索或骨传导性。复合结构形态与标称组成同等重要。共混在相同纤维内分布组分但可能发生相分离；同轴电纺可将生物活性材料置于核内、力学稳定聚合物置于壳内；共电纺保留分离纤维群体但可产生空间分布变化；表面涂层提供可及生物活性组分但更易脱附。Choi等人研究了用于骨骼肌工程的取向PCL/胶原纳米纤维网。Chong等人评估了用于伤口愈合的PCL/明胶电纺支架。羟基磷灰石（HA）和β-磷酸三钙（β-TCP）用于骨再生的聚合物复合材料中。差示降解是复合支架的另一不确定性来源。
4.4 智能和刺激响应材料
智能电纺材料掺入响应内源性信号（如pH、酶和氧化还原条件）或外部施加温度、电场、磁场和光的化学基团或功能相。响应机制源于响应相的化学和组织。可电离基团可随pH变化改变质子化状态、静电相互作用、溶胀或溶解度；热响应链段在特征转变温度附近改变水合或构象；导电聚合物或碳基相可传递电学线索；磁性纳米颗粒可在施加场下产生移动或局部加热；酶敏感连接子可在生物活性环境中被切割。电纺提供高比表面积和短扩散距离，可加速刺激响应，但快速扩散也可能导致过早或不受控的治疗释放。响应相在纤维内的位置至关重要。导电添加剂改变溶液电导率，纳米颗粒可能团聚，高浓度响应聚合物可改变粘度、表面张力或链缠结。评估应超越在理想实验室条件下演示单一响应。临床相关系统需要在生理或安全施加刺激范围内有响应阈值、可预测响应动力学、可逆性、最小信号漂移以及灭菌储存后功能保留。
