引言

近期，青岛大学吴桐教授、东华大学李晓然教授与北京化工大学薛佳佳教授合作在国际顶级期刊《Chemical Reviews》(IF55.8)上发表重磅综述论文

本文基于《Chemical Reviews》最新综述，从技术、结构、应用与挑战四方面进行再阐述。

技术上，同轴电纺、近场电纺、无针电纺及与3D打印、微流控的融合，实现了核壳、Janus、中空等复杂纤维的可控制备。结构上，从单根纤维的纳米沟槽、突起等二级结构，到纤维垫的取向、焊接、梯度排列，再到三维纤维束、管状支架、蓬松海绵及气凝胶，构建了多尺度仿生体系。

应用上，电纺支架成功用于骨、软骨、神经、血管、皮肤等组织修复，并构建了外周神经、心脏等器官芯片及肾、脑类器官模型。引入拓扑结构、生物活性因子及电、超声、光热刺激，显著提升了修复效果与类器官成熟度。

修复受损组织/器官对现代医学构成重大挑战。再生医学依赖能够模拟细胞外基质的生物构建物。ECM由胶原纤维等构成，提供多孔网络支持物质交换与细胞信号传导。静电纺丝因操作简便、材料选择灵活、纤维形态可控，成为制备微/纳米纤维的主流方法。基于电纺纤维的产品（AVflo血管移植物、ReDura硬脑膜替代物、ReBOSSIS-J骨填充物）已获临床批准，展示了转化潜力。电纺纤维具有ECM仿生拓扑结构、三维纤维架构、可调理化性质及有利生物活性微环境等独特优势。

2. 静电纺丝技术分类

2.1 基于中空喷丝头的技术

• 传统电纺：直流电压下泰勒锥形成，射流拉伸固化。乳液电纺可制备核壳结构。

• 近场电纺：喷丝头-收集器距离毫米级，实现高精度直写。

• 同轴电纺：核壳纤维，可处理不可纺材料。

• 多喷头电纺：阵列式提高产量，但存在电场干扰与喷头堵塞。

• 离心电纺：离心力与静电力协同，生产取向纤维。

• 共轭电纺：双高压对喷，纤维空中缠绕形成纱线。

• 并排电纺：Janus双面纤维。

• 湿法电纺：液体凝固浴收集，制备三维蓬松结构。

• 磁场/气体辅助：磁场获得高度取向纤维；溶液吹纺结合电场改善均匀性。

  
  2.2 固体喷丝头（无针）与微流控电纺

  无针电纺采用固定或旋转固体喷丝头（圆柱、圆盘、螺旋线圈），从自由液面产生多股射流，大幅提升产量。微流控电纺结合微流控芯片精确控流与高压电场，可制备核壳、中空、Janus等结构。

  
  2.3 电纺与其他技术的联用

  • 电喷雾：同期或后期复合纳米颗粒。

  • 焊接：热、溶剂蒸气或光热使纤维交叉点熔合，增强力学性能。

  • 气体发泡/冷冻干燥：二维垫转三维多孔支架。

  • 3D打印：电纺短纤维掺入打印墨水或直接沉积于打印框架。

  • 梯度涂层：垂直浸渍或掩模电喷雾形成生物信号梯度。

  

  3. 电纺纤维的结构变化

   

   

  3.1 单根纤维

  • 核壳纤维：外壳保护，内核负载功能物。

  • 并排纤维：Janus结构。

  • 中空纤维：模板或无模板相分离/热分解，比表面积大。

  • 微米内纳米纤维：纳米线/颗粒嵌入微米纤维基体。

  • 表面二级结构：多孔、沟槽、突起（shish-kebab、岛状突起等）。

  • 其他几何：弹簧状、带状、分枝（倒刺）、项链状/珠串。

  
  3.2 无纺布垫

  • 纤维取向：随机、单轴取向、径向取向。

  • 图案化/仿生：近场直写或模板制备网格、蜘蛛网、荷叶状超疏水表面。

  • 焊接垫：物理或化学焊接增强力学，可制备梯度。

  
  3.3 三维纤维支架

  • 纤维束/纱线：共轭电纺加捻，可焊接微颗粒。

  • 管状支架：手动卷曲或多通道，用于神经导管和血管移植物。

  • 蓬松支架：高湿度或低温电纺获得高孔隙率。

  • 气体发泡膨胀：二维垫转三维海绵。

  • 短纤维后处理：均质后冷冻干燥成气凝胶，或气泡辅助同轴电喷雾成微球。

  • 高级三维结构：自组装蜂窝状、分叉血管、熔体电纺心脏瓣膜。

  

  4. 生物医学应用

   

  
  4.1 类器官与器官芯片

  • 类器官开发：UniMat平台（V形微孔阵列）促进hiPSC分化为肾类器官，尺寸均一、血管化增强。熔体电纺网格支架引导脑类器官形成。光敏rGO-PVA纤维在光刺激下提高脑类器官神经功能。

  

  • 类器官应用：唾液腺干细胞类器官在PCL/水凝胶微孔中形成后移植成功；尿源干细胞与丝素纤维片段自组装为骨痂类器官修复大鼠颅骨缺损；hiPSC视网膜类器官片在非人灵长类中存活一年。

  

  • 器官芯片：取向纤维结合微流控构建外周神经芯片、肌-腱连接芯片和心脏芯片，用于药物筛选和毒性评估。

  
  4.2 组织修复与再生

  • 骨修复：格状排列纤维促进血管化和骨再生；气体发泡制备孔径梯度支架调控BMSCs分化；Janus纤维膜顺序释放aFGF和BMP-2；黑磷纳米片复合支架在NIR下实现抗菌、招募MSC和成骨。

  

  • 软骨修复：分区微结构PCL支架模拟天然软骨分层；核壳纤维共递送Mg²⁺、没食子酸和硫酸软骨素；压电纤维结合超声与润滑分子改善骨关节炎。

  

  • 肌肉修复：可拉伸明胶纤维结合逐级拉伸促进肌管形成；形状记忆双层纤维构建骨骼肌微组织；取向纤维/3D打印复合心脏补片促进hiPSC-CMs成熟；导电生物离子液体-GelMA补片稳定传导。

  
   

  • 界面组织工程：溶剂焊接制备“取向-随机”梯度纤维垫模拟腱-骨界面；双相仿生膜促进肩袖损伤修复；PLLA/collagen与PCL/collagen共电纺构建肌-腱连接梯度支架。

  

  • 血管修复：PDA/Cu/REDV涂层双层PCL移植物抗血栓、促内皮化；PCL/KAT-Cu共释放NO和H₂S；电子血管导管集成柔性传感器无线实时监测血流动力学。

  

  • 神经修复：表面纳米沟槽取向PCL纤维增强DRG神经突生长；aFGF梯度负载NGC促进轴突再生；多通道导管模拟神经束；超声触发压电纤维实现无外部电源电刺激；NT-3梯度胶原颗粒复合支架提供趋化/触觉/拓扑协同信号。

  

  • 伤口愈合：3D明胶纳米纤维海绵快速止血；生物活性玻璃纳米纤维低温凝胶用于不可压迫止血；手持电纺装置原位制备抗菌敷料；径向取向bFGF梯度支架引导成纤维细胞向心迁移；PCL/ZnO压电贴片结合  LIPUS再生汗腺；姜黄素-PCL敷料集成无线pH传感器实时监测。

  

  •其他组织：三层仿生PCL心脏瓣膜；Janus纳米纤维防粘连贴片；生物可降解仿生食管支架（TGF-β1取向膜+水凝胶）。

  

  5. 结论与展望

  电纺纤维构建物已在组织修复和类器官工程中广泛应用，部分产品进入临床。转化仍面临三大挑战：长期生物安全性（需降低免疫原性、减少有毒溶剂、开发温和灭菌）；功能性与成熟度不足（应引入响应性智能元件、构建血管网络、结合多模态物理刺激）；规模化生产与可重复性（需结合实时监控和AI优化工艺参数、纤维均匀性及类器官生长）。未来，AI驱动的电纺工艺优化与类器官高通量监测将推动再生医学走向个性化和智能化。

   

  文章来源：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5c01 140