一、研究背景

纳米纤维和微纤维材料因其独特的性能，在组织工程、生物假肢、药物输送和生物传感器等众多领域越来越受欢迎。尤其是，这些纤维材料具有较大的表面积与体积比、相互连接的孔隙率和多种机械性能。合成纳米纤维网可采用多种方法，包括相分离、模板合成、拉伸和自组装。然而，这些方法耗时长、纤维长度有限，而且可能无法生产连续纤维支架。相比之下，电纺丝具有相对快速生产连续纤维网、可用于多种材料和可调性强等明显优势。聚合物、陶瓷和复合材料都已用于电纺丝。通过电纺丝制造的陶瓷纳米纤维利用了复合溶液，随后进行烧结、煅烧或化学转化。这种材料的多样性使电纺丝成为生产生物医学工程应用中纤维结构的理想方法。

静电纺丝是一种静电驱动的微型和纳米纤维制造技术，可快速、经济地制造无纺布纤维结构。这种纤维形成技术通常使用注射泵通过带电针头分配聚合物溶液。增加针上的外加电压可使静电力克服溶液的表面张力，促进液滴形成泰勒锥，并从中喷射出射流。当射流在空气中传播时，会发生弯曲不稳定性，导致射流拉伸，并产生直径为纳米到微米的纤维，沉积在带相反电荷或接地的收集器上。通过调节聚合物类型、粘度、电压和与收集器的距离等操作参数，可以控制网状物的特性、纤维形态和纤维直径，从而使电纺成为一种用途广泛的技术。电纺丝的基本固定装置限制了微结构的随机取向。

控制纤维排列是生产各向异性网状物的理想方法，可提高网状物的复杂性和性能。由于微观结构和配向方法可带来更多的特性和生物效应，因此在组织工程、药物输送、生物传感器、压电元件、及其他生物材料应用等众多领域中，精确制造具有可控各向异性的纳米纤维网是非常理想的选择。纤维排列存在于许多组织结构的细胞外基质中，包括心脏瓣膜、神经基底膜、膀胱和韧带/肌腱。在合成材料中复制这种各向异性已被证明可改善机械性能，并通过地形线索引导细胞反应和迁移。除纤维排列外，电纺丝过程中诱导的聚合物链排列和随之而来的结晶度增加也能提高机械性能。当纤维从针尖拉出时，剪切应力作用于聚合物链，导致分子沿纤维轴线排列。这种聚合物链排列和结晶度可通过增加拉拔力的排列方法进一步提高，如使用旋转心轴或离心纺丝。在传感器应用方面，最近的研究利用对齐纤维促进了基于晶体管和压电传感器的生物传感应用的生产。

本综述旨在对控制纤维对齐和生成各向异性网的电纺丝方法的进展进行比较分析。文章介绍了既定对齐方法的设置和基本对齐机制，包括间隙电纺丝、旋转电纺丝、辅助电极电纺丝、磁场辅助电纺丝、离心电纺丝和后拉丝。然后提供了设置的变化以及对每种技术优缺点的重要分析。

二、摘要

在设计生物材料和组织工程结构时，制造各向异性材料是非常理想的。电纺丝技术具有多功能性，可生产纤维直径（从 10 纳米到 10 微米）、微结构和构造几何形状可调的非织造纤维网，因此已被广泛采用。人们采用了无数种方法来控制电纺材料的纤维排列，以实现复杂的微结构、改善机械性能并提供细胞地形线索。本综述对为在电纺材料中产生纤维排列而开发的技术进行了比较分析。文中描述了驱动纤维排列的基本机制、每种技术的设置变化以及对排列后的微结构产生的影响。对每种方法的优势和局限性进行了批判性分析，以指导研究人员选择方法。最后，还讨论了先进电纺丝方法的未来发展前景，即开发一种可扩展的、可精确控制微结构的方法。

三、结论

过去二十年来，静电纺丝设备技术因其纤维材料的独特性能和方法的多样性而迅速普及。利用上述不同设置控制纤维微结构的最新进展推动了各向异性结构的制造。虽然取得了重大进展，但仍有一些挑战需要解决。首先，在精确制造材料的过程中，纤维形态和微结构的再现性仍然是一个令人担忧的问题。可重复性不仅取决于对电纺丝参数（包括浓度和电场强度）的精确控制，这些参数已被证明会影响纤维直径和形态，还取决于对环境的控制。温度和湿度通常是未被充分报道的参数，而它们对于电纺丝网的再现至关重要。温度已被证明会影响喷射凝固和纤维直径。此外，湿度也会因地理位置和一年中的不同时间而变化很大。因此，环境参数的报告和控制对于重现纤维形态和控制各向异性与设置参数一样重要。

 未来的研究需要报告这些参数，并采用定制或商用的气候控制系统，以便对环境进行控制，实现结果的广泛重现。

总之，开发电纺丝方法来生成各向异性的结构，并对纤维微结构进行更好的控制，扩大了电纺丝的用途。在为特定应用选择合适的对齐电纺丝方法时，研究人员应考虑所需的对齐程度/各向异性微体系结构的复杂性、厚度和网格面积。需要继续开展研究，以提供能够解决上述各项考虑因素、上述可重复性和扩展限制的技术，从而生产出能够制造大尺寸结构并改进微结构控制的电纺丝技术。

图1.在电纺丝过程中使用旋转收集器生产各向异性结构，包括机制和替代设置。A) 旋转收集器装置，通过旋转速度对纤维进行机械牵引，使纤维排列整齐。B) 盘式收集器可增加纤维的对齐度。C) 使用旋转棒进行导管纤维环向排列。D) 用于制造具有主方向角变化的曲线纤维网的锥形心轴。

 

图2.利用间隙电纺丝生产各向异性结构，包括机制和替代设置。A) 用于间隙电纺丝的平行电极设置，可直观显示对电场的影响以及由此产生的纤维排列。B) 用于连续排列支架的旋转线鼓。C) 定制气隙轮，允许聚合物沿纤维排列方向产生梯度。D) 用于纵向排列导管的两极装置。E) 带间隙的平面电极，用于随机对齐纤维网。

 

图3.利用磁场电纺丝生产各向异性的结构，并提供机制和替代设置。A) 磁场辅助电纺丝使用传统的电纺丝装置，并增加了两个平行放置的永久磁铁。外加磁场会导致纤维在两块磁铁之间高度对齐沉积。通过调节电纺丝流速，可将曲折性引入排列整齐的纤维中。B) 从对齐到半对齐再到随机的不同磁铁配置导致纤维对齐梯度。C) 通过改变磁体配置可获得交错界面。

 

图4.在各种电纺丝方法中使用辅助电极来改善纤维排列和控制取向。A) 辅助铜环设置和显微照片显示弯曲不稳定性的降低。B) 使用辅助电极提高旋转芯棒圆周方向的对准度。C) 平行于旋转收集器的辅助电极，用于诱导垂直于旋转方向的对准。D) 收集器后面的刀刃棒状电极可聚焦电场并改善对准E) 通过围绕针轴旋转辅助电极来控制配准纤维的取向。

 

图5.利用离心电纺丝生产各向异性结构，包括机制和替代设置。A) 离心电纺丝的基本设置，包括旋转喷丝板和固定收集器，以及纤维形成阶段和由此产生的纤维排列。B) 使用板式收集器的离心电纺丝可在较低转速下改善纤维排列。C) 平行线电极设置，用于改善较低转速下的排列。D) 采用平行配置的离心电纺丝。

 

图6.使用近场电纺丝装置生产高度有序的微体系结构。A) 近场电纺丝与直喷射段的描述。B) 用于制造二维和三维对齐、曲线和交叉对齐微体系结构的 X-Y-Z 平台。C) 与 X-Y 平台相适应的旋转芯轴，用于连续排列的纤维，可控制管状结构的缠绕角度。