引言

在生物医学领域，基于生物聚合物的纤维状聚集体材料（Biopolymer-based Fibrous Aggregate Materials, BFAMs）因其卓越的生物相容性、可加工性、生物降解性以及多功能性而受到日益广泛的关注。BFAMs在医疗应用中对结构、性能和功能提出了极高要求，而传统的试错法已难以满足这些需求。因此，合理选择材料和制造方法以设计具有特定功能和结构的BFAMs变得至关重要。

BFAMs的历史可以追溯到利用棉、麻、丝、竹等天然材料制作衣物，通过简单的清洁、梳理、捻线和人工编织等技术实现体温调节、透气和舒适性。然而，传统方法的技术局限性限制了BFAMs在性能和功能上的潜力。随着科学技术的进步，特别是天然来源和可生物降解聚合物（如丝素蛋白和聚乳酸）的发明，以及静电纺丝和3D打印等技术的出现，使得纤维的形态和排列得以精确控制，从而形成具有二维和三维复杂几何形状以及分层结构的纤维。这些先进的结构显著提升了纤维的机械性能和功能，例如通过增加表面积来增强与生物系统的相互作用，或通过引入功能基团以实现特定的化学反应。BFAMs在介入医学、光遗传学和植入式电子设备等领域展现出广阔前景，持续研究将进一步解锁其新功能和应用。

近期，东华大学朱美芳院士、朱丽萍副研究员、陈国印副研究员在Adv. Mater. ( IF 27.4 )发表了综述，本综述旨在总结BFAMs在原材料选择、结构与功能设计、加工技术以及应用方面的最新进展。同时，文章还深入探讨了BFAMs发展过程中遇到的挑战，并为未来的研究提供了展望。 

 核心内容

一、BFAMs的生物聚合物选择

生物聚合物，无论是来源于生物质或可再生材料的天然聚合物，还是可生物降解和生物相容的合成聚合物，都以其易加工性、优异的功能化能力、生物降解性和生物相容性，在生物医学领域展现出广阔的应用前景。原材料的选择取决于所需的加工性能、最终产品的特性及具体应用场景。

1、天然生物聚合物：

（1）蛋白质：这类复杂生物大分子由氨基酸通过肽键连接而成，其氨基酸序列和三维结构决定了其理化性质。蛋白质可通过动物组织或植物提取（如丝素蛋白、蜘蛛丝蛋白、大豆蛋白）、微生物发酵或生物技术方法获得。基因编辑技术还可用于设计具有特定功能和性质的人工蛋白质。蛋白质加工需注意溶解度，可通过优化条件或化学改性来获得类似熔纺的性能。蛋白质自组装也是BFAMs制备的关键，可形成具有特定多级结构（如α-螺旋和β-折叠）的重组蛋白。

▪ 胶原蛋白：是动物结缔组织的主要成分和细胞外基质（ECM）中最丰富的蛋白质，由三条肽链螺旋组装形成纤维蛋白。其复杂三维结构和共价交联导致水溶性差，但可通过酶解或调节pH值改善。胶原基BFAMs可通过自组装或添加化学交联剂制备。胶原蛋白特有的Gly-X-Y氨基酸序列有利于与整合素细胞表面受体结合，其三维网络结构可与含Arg-Gly-Asp基序的其他蛋白质相互作用，增强细胞粘附、促进迁移和增殖。因此，胶原蛋白在组织修复和再生中至关重要。

▪ 明胶：是胶原蛋白部分水解的复杂肽和蛋白质混合物。它保留了胶原蛋白的优异生物相容性和生物降解性，同时具有更好的溶解性和更低的抗原性。明胶的分子量或交联度可调节其理化性质，其分子链上丰富的官能团（如羧基、胺基、羟基）提供了化学接枝或共聚改性的活性位点。常见的明胶衍生物明胶甲基丙烯酰（GelMA）因其优异的水溶性和光交联特性，是溶液纺丝的理想选择。GelMA在紫外线照射下能快速交联，制备出模拟天然组织结构和功能的复杂三维结构，在组织工程和再生医学中具有巨大潜力。

▪ 丝素蛋白（SF）：主要从天然蚕丝纤维中提取，是天然的两亲性嵌段共聚物，具有高度有序的疏水域和复杂的亲水段。稳定的β-折叠晶体赋予SF独特的机械和热稳定性。SF含有氨基酸，具有良好的生物学特性，如保湿、生物相容性和抗氧化能力，适用于促进组织修复。通过序列结构设计可调控SF的微结构，实现更高强度的SF合成。SF难以溶解于常规溶剂，但经过脱胶处理后可在强酸、强碱或高浓度中性盐溶液（如溴化锂、氯化钙、硫氰酸锂）中完全溶解。SF已被制成纤维、薄膜、纺织品和颗粒，常用于手术缝合线、人造血管和皮肤。

▪ 蜘蛛丝蛋白：是蜘蛛通过特殊腺体分泌的一种天然高分子量纤维蛋白。其高度重复的氨基酸序列和紧密排列的二级结构（如β-折叠和α-螺旋）赋予蜘蛛丝蛋白卓越的强度和韧性。蜘蛛丝蛋白还表现出优异的生物相容性和可降解性，因其细胞特异性附着特性有利于诱导组织再生。然而，天然来源有限限制了其应用，基因工程技术被用于合成具有可调序列和链长的异源重组蜘蛛丝蛋白。随后，湿法纺丝和静电纺丝等多种纺丝工艺被用于生产具有优异机械性能和生物相容性的仿生蜘蛛丝蛋白纤维。

（2）多糖：这类绿色聚合物来源于动物、植物、微生物发酵或人工生物合成。它们具有优异的生物相容性、生物降解性和易于改性的功能基团，可与细胞相互作用、影响蛋白质结构和聚合物溶解度。多糖常与其他天然或合成聚合物结合以增强性能。尽管分子间作用力强（氢键、范德华力等），但多糖的高分子量和复杂分子结构阻碍了高度有序晶体结构的形成，这与纺丝过程中快速成纤相矛盾。因此，当选择纤维素、壳聚糖和海藻酸盐作为原材料时，控制BFAMs的晶体结构和结晶度具有挑战性。

▪ 纤维素及其衍生物：是最丰富和可再生的天然聚合物，主要来源于植物，由D-葡萄糖单元通过糖苷键连接而成。其分子链呈线性排列，具有半晶态形态。分子内和分子间羟基形成的氢键赋予纤维素在室温下稳定的物理性质，使其不溶于水和大多数有机溶剂。酸水解和酶水解等方法可提高其溶解度，主要通过将纤维素分解为低分子量糖、破坏链间氢键来实现。溶解后的纤维素基BFAMs的结晶度通常低于原材料。纤维素的半晶态性质使其可制备纳米材料，如纤维素纳米晶体（CNC）和纤维素纳米纤维（CNF），它们具有高比表面积和亲水官能团，是增强复合材料机械性能的理想纳米填料。通过改性官能团，不溶性纤维素可转化为水溶性的羧甲基纤维素（CMC）、羟丙基纤维素等。引入柔性烷烃链可制备热塑性纤维素，实现直接熔纺。纤维素基生物聚合物在组织工程、伤口敷料和植入设备中具有潜力，因其卓越的理化特性和生物相容性可模仿天然组织ECM。

▪ 几丁质：来源于甲壳类动物（如虾、蟹）、昆虫外骨骼以及真菌细胞壁。它是唯一一种由重复的β(1→4)-连接的N-乙酰-D-葡萄糖胺单元组成的线性多糖。几丁质的均匀结构使其具有良好的化学稳定性，难以分解。分子间和分子内强氢键导致其化学惰性，不溶于水和有机溶剂，仅溶于强酸。通过化学处理或转化为纳米形式（如几丁质纳米颗粒或纳米晶体）可改善其加工性能。纳米几丁质更高的比表面积增强了其溶解度、体内吸收效率和表面反应活性，在药物输送和其他生物医学材料中具有广泛应用。

▪ 壳聚糖：是几丁质的脱乙酰化衍生物，也是唯一天然存在的碱性和阳离子多糖17。其结构单元包括β-(1→4)-2-乙酰胺基-2-脱氧-β-D-葡聚糖和β-(1→4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖。壳聚糖分子量范围广，易受酶和微生物降解的β-1,4-糖苷键使其具有良好的生物降解性。它不溶于纯水和大多数有机溶剂，但溶于稀酸，溶解度主要取决于脱乙酰度。壳聚糖及其降解产物壳寡糖可促进细胞增殖和迁移，发挥抗炎和抗氧化作用，并保持损伤部位湿润环境，有利于神经再生。由于其低分子量和高溶解度，寡糖在体内降解迅速，适用于需要快速溶解和吸收的药物输送系统。引入功能基团和配体可显著增强壳聚糖与外部环境、细胞和生物活性分子的反应性，同时保留其固有的抗菌性能、生物相容性和生物降解性。

▪ 海藻酸盐：是一种线性、无支链的多糖，来源于褐藻和某些转基因细菌。它因含有丰富的羟基和羧基而具有高水溶性和亲水性。即使在相对低的浓度下，其溶液也具有高粘度，溶液加工时浓度通常保持在4 wt.%以下。其活性官能团易于改性。除了与其他天然多糖相似的生物降解性、生物相容性、低毒性和化学多功能性外，海藻酸盐在温和条件下可与多价阳离子（主要是Ca²⁺）快速形成稳定凝胶。这种快速交联特性为水凝胶基BFAMs中设计均匀网络提供了可能性，适用于光传输、细胞封装和治疗分子的控释。海藻酸盐还可与其他聚合物均匀混合形成纤维、薄膜和支架，常用于组织工程。

▪ 透明质酸（HA）：是一种天然的阴离子线性多糖，来源于动物组织（如牛玻璃体、鸡冠）或微生物发酵。HA主要由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺组成，分子链上含有丰富的羟基、羧基和乙酰基。它在水中高度溶解，在溶液中形成强氢键，从而具有一定的保湿性能。HA的官能团有利于通过分子设计（交联、接枝、酯化等）进行化学修饰，例如引入交联剂以改善其机械性能或酯基以减缓降解。作为细胞间基质的关键组分，HA直接参与调节电解质交换，在细胞信号传导、伤口愈合和组织工程中具有重要作用。因此，HA及其衍生物在生物医学领域具有相当大的价值，特别是在预防损伤后瘢痕组织形成方面。

（3）多酚：广泛存在于植物中，含有一个或多个酚羟基，提供多种反应位点，促进与其他大分子的多样相互作用。苯环结构赋予其化学稳定性和增强生物活性。木质素是一种典型的多酚聚合物，具有高度支化的三维结构，存在于植物细胞壁中。木质素独特的结构和化学性质使其具有优异的机械强度、生物相容性和生物降解性。除了低成本和来源丰富外，木质素还可进行表面改性以引入功能基团，或与其他生物材料结合以显著改善性能。它广泛应用于生物医学工程，特别是作为药物载体，实现刺激响应药物的控释。

（4）天然聚酯-聚羟基脂肪酸酯（PHAs）：是微生物合成的天然聚合物，因其卓越的生物降解性和生物相容性而被视为生物医学和工业应用中的“绿色塑料”。PHAs的性质由其单体组成决定，如PHBV是由3-羟基戊酸单体整合到PHB结构中形成。由于其高结晶度，PHAs在常规溶剂中溶解度极低，氯仿和二氯甲烷常被用作其溶液加工的溶剂。作为热塑性材料，PHAs可加工成纤维、薄膜或三维集合体。其低毒性和优异的生物降解性使其成为体内植入材料的合适选择。

2、合成生物聚合物：

（1）聚酯：作为最常见的合成生物聚合物，聚酯具有可调节的性能和良好的生物降解性。用于制备生物基聚酯的共聚过程利用了广泛的传统和新型结构单体，提供了多样化的研究和应用前景。

▪ 聚乳酸（PLA）：是一种生物来源、生物吸收和生物降解的聚合物，由L-或D-乳酸单体合成，具有螺旋结构和正交晶胞。PLA通过简单的酯键水解分解，无需酶催化，产生无毒降解产物。PLA可实现高分子量合成，在市售生物塑料材料中具有高产能。其机械性能可通过调节分子量和结晶度进行控制，范围从柔软弹性到高强度刚性。PLA还可与其他聚合物或非聚合物物质混合或共聚，以获得合适的化学、机械和流变性能，使其应用广泛。与PHAs、PEG、PCL等其他生物聚合物相比，PLA具有丰富的原材料来源和优越的加工性，但其降解速率相对较慢、热稳定性差、韧性不足且缺少活性侧链。通过引入含羟基共聚单体或D/L异构体外消旋化可调节PLA的物理性能和生物降解性。总之，PLA是一种高强度、高模量但韧性有限的热塑性聚合物，易于通过注射成型、热成型和挤出加工等传统热塑性加工方法进行处理。

▪ 聚己内酯（PCL）：是一种新兴的半结晶脂肪族聚酯，由ε-己内酯聚合合成。它在橡胶态下具有无定形结构域，提供卓越的弹性和延展性，熔点低（58-65°C），热加工性好，粘度低。PCL的降解速率相对较慢，通常需要数月至数年。它在高温下（180-200°C）易解聚，限制了其应用，但可通过交联或与其他聚合物共混改善。PCL不含手性原子，不能通过立体化学效应改变其性质，反应基团通常接枝到功能化的PCL链上。此外，PCL与其他可生物降解聚合物（如PLA和PEG）具有优异的相容性和混溶性。通过共聚或共混，可优化特定性能特征以满足各种应用需求，使其成为传统聚合物的理想替代品。PCL的生物降解性和生物相容性主要取决于其结晶度和分子量，适用于制造长期可降解的医疗器械和植入系统。

▪ 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）：是一种可生物降解的脂肪族聚酯。其性能可与聚丙烯媲美，熔点为110-120°C，低于PLA，更有利于熔融和共混加工。PBS主链中的酯键使其易受水解降解、酶作用、辐射和光诱导降解。尽管PBS在纺织长丝、注射和挤出吹塑方面具有优异的机械性能和加工性，但其脆性和相对较低的分子量限制了商业应用。共混改性可增强PBS性能，扩大其在生物医学领域的应用，包括植入设备和药物输送系统。

（2）其他合成生物聚合物：

聚乙烯醇（PVA）：是一种有前景的合成聚合物，也是唯一可被细菌用作碳源和能源的乙烯基聚合物。PVA的化学结构相对简单，由碳原子和羟基组成。它通过聚醋酸乙烯酯（PVAc）的皂化反应合成，其中乙酸基团被羟基取代。水解度取决于残余乙酸基团的数量，广泛水解显著增强PVA的水溶性和生物降解性能。此外，在适当条件下，如交联、结晶或高分子量，PVA可表现出卓越的机械性能。PVA的一个主要优势是能够与各种聚合物或纳米填料共混，开发出性能改进的新型BFAMs。这些材料主要应用于制药和生物医学行业的药物输送、组织工程和伤口敷料。

二、 BFAMs的设计

BFAMs的结构设计

BFAMs的结构设计、功能表达以及结构与功能的整合是开发用于生物体诊断和治疗的精细结构和优异功能材料的关键。材料的制备通常是一个自下而上的组装过程，从微观到宏观尺度，聚合物链通过分子间和分子内相互作用形成纤维，进而折叠成纤维膜和集合体。

1、微观聚集结构控制

（1）取向结构：生物体中普遍存在各向异性结构，如蜘蛛丝由无定形区和取向的β-折叠纳米晶体组成，β-折叠纳米晶体的取向增加了分子间作用力和堆积密度，从而改善了丝的机械性能。在BFAMs中，取向结构主要指分子链、纳米填料或聚集体在特定方向上的高度有序排列。高度取向赋予材料卓越的机械性能和高效的信号传输能力（包括光、电、磁和热）。在BFAMs完全固化成形前施加外部力场可调控分子链取向。外部力也可诱导纳米填料取向，例如在拉伸过程中，纳米填料沿分子链段运动方向排列。此外，刺激响应性纳米颗粒，如磁响应性纳米颗粒，可在成形过程中受高磁场作用而取向。

（2）晶体结构：聚合物结晶发生在溶液或熔体中，分子构象从无规卷曲转变为有序链。大多数生物聚合物，如丝素蛋白、纤维素和PVA，都是半结晶的，具有交替的晶区和无定形区。它们的晶体结构决定了光学、热学、化学和机械性能，进而影响相应BFAMs的功能。分子量、多分散指数和支链等结构参数以及成型过程中的温度和力等外部因素都会影响结晶完美度并诱导结晶和结构演化。挤出和收集速率以及拉伸比是决定BFAMs晶体结构的关键因素。BFAMs的制备温度直接影响链的移动性和结晶。此外，成核剂、增塑剂和增容剂等添加剂可促进成核和晶体生长，提高结晶速率并减小球晶尺寸。

（3）交联结构：交联结构能够保持BFAMs的完整性并改善其理化性质，包括机械性能和环境稳定性，为生物医学应用奠定基础。交联类型取决于生物聚合物的特性、预期性能和具体应用要求。

▪ 物理交联常以非共价键形式存在，如氢键、静电相互作用和结晶。氢键是最常见的相互作用，因为生物聚合物含有丰富的氢供体和受体（如─OH、─NH₂和─COOH）。静电相互作用发生在聚阴离子聚合物与金属离子或聚阳离子聚合物之间，为壳聚糖和海藻酸盐等多糖的交联提供策略。无需添加有毒交联剂的物理交联BFAMs在应用中更具生物相容性，但由于这些相互作用的可逆性，其强度相对较弱。为此，可将多种相互作用结合在单一体系中以协同增强性能。

▪ 化学交联涵盖了广泛的共价键，如席夫碱键、硼酸酯键和二硫键。这些材料具有氧化还原响应性和可忽略的副产物。这些键的断裂和重组是可逆的，使其成为构建自修复和响应性BFAMs的理想选择。交联网络中也可形成永久键，带来优异的材料稳定性和强度，其中自由基聚合和点击反应是常用方法。然而，合成交联剂可能导致共价交联BFAMs的毒性问题。为缓解此问题，近期已采用天然物质如单宁酸、京尼平、多巴胺。

▪ 混合交联结合了非共价和共价键，可克服单一交联方法的局限性。

2、介观多重结构组装

（1）槽形纤维：沿纵向具有数量可变的微槽，由纺丝溶液组成和参数控制。静电纺丝是制备槽形纤维的常用方法，利用相分离和选择性溶解。槽形纤维的粗糙表面和高取向促进细胞粘附和定向生长，对神经修复和组织工程至关重要。独特的介观结构提供了高比表面积和能量/物质传输通道，使槽形纤维高度亲水并增强其吸湿能力。

（2）多孔纤维：表面具有可调节的纳米孔，增加了比表面积，改善了吸附能力和透气性。这种多孔结构可有效促进药物封装和细胞粘附，甚至调节细胞生长和增殖，适用于药物输送和伤口修复。

（3）螺旋纤维：受自然界螺旋结构（如骨骼、木材、角质层）启发，研究人员致力于开发具有高机械强度和韧性的螺旋纤维。目前，干湿纺丝、静电纺丝和微流体纺丝等多种工艺已被用于制备螺旋纤维。螺旋纤维的拉伸强度虽低于直纤维，但断裂伸长率显著更高，表现出良好的弹性和高拉伸性。其独特的介观结构赋予纤维高灵敏度和响应性，在外部力作用下保持功能稳定性。因此，螺旋纤维在组织工程、人造皮肤、智能可穿戴设备等领域具有巨大潜力。

（4）核壳纤维：核心被壳层包围，由不同生物聚合物和添加剂组成。壳层作为屏障，保护核心免受外部力、自然降解和其他环境条件影响，有助于长时间保持纤维的完整性和功能。这使其适用于智能监测和药物输送。同轴纺丝是生产核壳纤维最常用的方法。此外，涂层也是制备核壳纤维的重要手段。核壳纤维因其独特结构在光学通道中越来越受欢迎。当壳层折射率（RI）低于核心层时，可实现全内反射，提供优异的光学性能。

（5）中空纤维：是一种特殊的纤维，沿轴向具有圆柱形孔。与实心纤维相比，它们具有更大的比表面积、更轻的重量和独特的管状结构，非常适用于生物医学工程。中空纤维还可作为限制区。

（6）并排纤维：由相同或不同材料和功能的纤维并排排列组成。需考虑不同材料之间的相容性和界面结合强度。这种结构可实现多功能集成。

3、宏观结构制造：

（1）直接从原材料制备纤维集合体：在纤维固化成形前施加特定外部力（如流场、静电场、速度场）。例如，静电纺丝可将挤出的纺丝液滴在静电场中拉伸和扭曲，形成纳米纤维，收集在平面上形成无序纳米纤维膜。通过在收集表面施加特定速度场，可生成具有取向结构的纳米纤维膜。

（2）从已制备的单丝纤维构建纤维集合体：编织技术是常用方法，将单丝纤维作为基本单元，使用专用设备按特定模式交织形成纤维集合体。另一种方法是将长纤维切割成短股，随机堆叠，并通过施加外部力将其固化成集合体，主要生产非织造布。通过组装具有不同形态的现有纤维集合体，可为特定场景创建独特的BFAMs结构，例如堆叠具有不同组分和结构的静电纺丝膜，形成适用于伤口愈合、药物释放等领域的不对称结构

BFAMs的功能设计

1、导电性：电信号是生物信号传输的主要载体。导电BFAMs可用于信号提取和监测物理或化学信号。通过掺入导电聚合物、碳基材料、金属材料和自由离子等多种导电材料可提高BFAMs的导电性。BFAMs的导电机制可分为电子导电、离子导电和混合导电。电子导电BFAMs依赖电子传输，常用导电填料包括碳基材料（碳纳米管、石墨烯）、导电聚合物（PPy、PANI、PEDOT:PSS）和金属材料（纳米颗粒、纳米线、液态金属）。离子导电BFAMs的导电性来源于移动离子（盐、聚电解质、离子液体）的定向运动。混合导电填料可产生补偿或协同导电路径。

2、光传输：光学纤维能够提取生理或化学信号并输送生物活性成分，在疾病诊断、治疗和追踪中得到广泛应用。传统硅基光纤不适用于生物医学，而生物聚合物如丝、PVA、纤维素和PLA具有更好的生物相容性和柔韧性，是构建光学纤维的理想选择。在光纤制备过程中，聚合物的透明度是首要考虑，核心层的折射率必须高于周围环境或包层。

3、刺激响应性：通过将丰富的响应性聚合物和试剂整合到BFAMs中，使其对温度、湿度、pH、葡萄糖和光等外部刺激做出响应。BFAMs的大比表面积和高孔隙率有助于实现增强响应性和敏感性。

▪ 热响应性BFAMs：在低于或高于临界溶液温度时会发生聚合物链的可逆相变，如PNIPAm和PEG类似物。

▪ 湿度响应性BFAMs：通过材料与水分子相互作用引起的物理或化学性质变化，实现对环境湿度变化的敏感响应，表现出弯曲、扭曲和收缩运动。

▪ 光响应性BFAMs：操作简便、可远程控制且微创，是触发BFAMs形态变化的热门外部刺激。主要机制包括光异构化/电离、光热转换和光动力效应。

▪ pH响应性BFAMs：具有生物医学潜力，因为人体组织中的pH值是健康状况的关键指标。

▪ 血糖响应性BFAMs：通过肿胀、收缩、孔径变化或降解来应对血糖水平波动，适用于糖尿病监测和管理以及靶向药物释放治疗。

▪ 研究人员还提出了多响应性BFAMs，可按顺序或同时响应多种外部刺激，如pH/温度、pH/光和pH/葡萄糖。

4、抗菌性能：微生物引起的感染是全球重要的健康风险。抗菌BFAMs的开发对于保护免受各种病原体（细菌、病毒、真菌和原生动物）侵害至关重要。抗菌机制可分为破坏细胞壁合成、破坏细胞膜、抑制核酸合成、蛋白质变性和抑制其他代谢过程。

▪ 一些BFAMs可直接由本身具有固有抗菌性能的生物聚合物制备，例如阳离子聚合物壳聚糖。

▪ BFAMs的抗菌性能也可通过添加剂掺杂获得，分为天然抗菌剂、无机抗菌剂和有机抗菌剂。天然抗菌剂来源于植物、动物和微生物，资源丰富、毒性可忽略、广谱抗菌。无机抗菌剂，特别是金属基材料，因其高温稳定性、无耐药性和持久性而迅速发展。有机抗菌剂易于整合到BFAMs中，具有快速强效杀菌作用。

5、药物输送：指以特定方式将治疗剂输送到体内靶向部位，以缓解疾病症状或进展，促进组织再生。BFAMs，特别是微/纳米纤维组成的BFAMs，在药物加载/输送方面具有优势。然而，其固有的大表面积和高孔隙率，加上药物在表面均匀分布，可能导致初始爆发性释放。

▪ 为确保治疗效果和患者依从性，研究人员追求缓释，即缓慢释放速率和延长释放时间。具有核壳结构的BFAMs可有效减轻初始快速释放。药物释放行为还可通过纤维的降解速率进行调节。

▪ 随着生物医学需求的增长，许多智能药物输送系统被设计，利用环境响应性材料实现控释。这些系统可根据对内源性（温度、pH、葡萄糖）或外部（光、温度、磁场）刺激的响应分为两类。

结构与功能的整合

单一功能或结构的BFAMs应用场景受限，多种刺激可能产生相似响应，导致信号重叠。因此，开发结构与功能一体化的BFAMs对于信号解耦，实现精确诊断和治疗是必要的。

1、功能与结构的简单耦合：通过结合湿纺、熔纺、静电纺丝和3D打印等技术与其他加工技术（如涂层、捻合和编织），可创建集成两种或更多功能的BFAMs，包括药物释放、抗菌活性和环境响应性（光、电、磁、热）。例如，耦合光电传导功能可开发光电极，用于传输激光信号和收集电信号，在光遗传学中具有广阔应用前景。将光传输和温度响应功能集成到单根光纤中可实现智能、可控的光热癌症治疗。将纳米纤维与冷冻干燥多孔材料结合，可制备多功能人造皮肤。在信号解耦时，传感器必须区分来自不同来源的刺激及其对传感器的影响。

2、多相材料间的界面设计：多材料和多层结构中功能与结构的整合常面临界面耦合问题，主要包括纳米填料/基质界面和两相聚合物界面，这些都与材料稳定性、功能完全表达以及BFAMs的结构与功能整合有关。

▪ 纳米填料/基质材料界面：许多BFAMs通过添加功能性填料（如导电碳纳米材料、抗菌金属或金属氧化物）来实现功能。然而，纳米填料通常是无机惰性的，难以与高度亲水的生物聚合物有效相互作用。为解决此问题，可通过亲水改性对无机纳米颗粒表面进行功能化。两亲性表面活性剂可帮助稳定无机纳米填料在基质中的分散。对于难以进行表面功能化的材料，如液态金属，通常采用亲水聚合物如PVA进行涂层。另一种方法是在BFAMs内部原位生长纳米颗粒。

▪ 两相聚合物界面：在BFAMs功能与结构整合中，不同聚合物相之间的界面结合也是一个关键问题。纤维形成机制或聚合物间不相容性可能导致界面结合不良。因此，有必要在不同聚合物相的界面引入特异性相互作用以保持结构稳定性。例如，可引入对两相均具有亲和力的化合物作为桥联剂，增强两聚合物相间的界面结合强度。共价互穿聚合物网络的形成可进一步提高界面结合强度。此外，通过设计多种相互作用可开发更高效的界面结合策略，获得具有稳定界面的多级结构BFAMs。

三、 BFAMs的制造

BFAMs可分为一维（1D）结构纤维、二维（2D）纤维膜和三维（3D）纤维集合体。

1、一维结构纤维的纺丝：

（1）湿法纺丝：大规模制备1D BFAMs的多功能方法，将均相纺丝溶液通过喷丝板连续挤出到凝固浴中，固化后形成1D BFAMs。溶剂和聚合物浓度选择，以及凝固浴的选择对1D BFAMs的聚集结构（包括结晶度和取向）至关重要。挤出速度、卷绕速度和凝固浴温度等基本纺丝参数显著影响纤维形成过程中的聚集结构。

（2）微流体纺丝：通过操控微流体来制备微/纳米级纤维，与湿法纺丝类似。该技术通常使用水溶性生物聚合物。通过调节不同通道的流速可精细控制纤维的微观结构形态。

（3）熔纺：一种无溶剂方法，适用于分子柔顺性好、高温下可熔融、分子量相对较大的生物聚合物。熔纺速度快、操作简单、经济高效。拉伸伸长率、挤出温度和后退火等参数对链取向和结晶度有影响。

（4）拉伸纺丝：分为浸渍拉伸和热拉伸。浸渍拉伸是溶液基纤维加工方法，通过拉伸过程将聚合物溶液转化为纤维，主要依赖溶剂在空气中蒸发固化。热拉伸对聚合物熔体施加力，促进分子链排列并增强其性能。

2、二维纤维膜的制造：

（1）静电纺丝：主要依靠带电纺丝溶液在高压电场作用下高速拉伸，溶剂挥发后，纳米纤维膜被捕获在收集板上。生物聚合物需具有一定分子量以确保足够的分子缠结，维持喷射流的连续性和纤维均匀性。

（2）溶液吹纺：2009年首次提出，基于气流场生产2D纤维膜。该方法纺丝速度更快、原材料来源多样且操作更安全。纤维的形成依赖于溶剂挥发。

（3）离心纺丝：一种高效生产聚合物纳米纤维膜的技术。该方法生产效率高、材料来源广泛，且膜内纤维排列显著。

（4）编织技术：最古老的BFAMs加工技术之一，将带状材料在2D平面内交织或连接形成膜。作为后处理技术，通常应用于已成形的1D纤维。

（5）非织造技术：通过排列短纤维或长丝在2D平面上形成网状结构。

（6）新型纺丝技术：多种纺丝方法的整合正在成为研究热点，例如熔融静电纺丝、微流体静电纺丝、微流体吹纺、电吹纺丝和电离心纺丝等，旨在解决单一技术的局限性。

3、三维纤维集合体的构建：

（1）3D打印：一种通过逐层沉积材料构建3D物体的先进技术。

▪ 熔融挤出（FDM）：使用可生物降解和生物相容的聚酯作为打印墨水，聚合物熔体通过喷嘴编程挤出到基材上，冷却后形成最终结构。

▪ 溶液挤出：通常用于热不稳定且在挥发性溶剂中可溶的材料，需要外力使其固化为纤维结构。交联技术已成为BFAMs 3D打印的可行替代方案，通过交联3D打印技术，生物墨水在打印过程中或打印后可快速稳定交联，实现生物分子和细胞的原位封装。

（2）3D编织：另一种先进的纤维集合体制造技术，能够通过程序化设计将1D纤维加工成3D集合体。这些3D织物提供灵活的结构设计和优异的层间性能，提高整体机械强度。

四、 BFAMs的应用

BFAMs以其生物相容性、生物降解性、无毒性和成本效益，在药物治疗、光医学、电疗、组织再生和高强度组织替代等生物医学工程领域展现出独特的优势。

1、诊断应用：物理信号（应变、压力、温度、湿度、生理电信号）和化学信号（血氧、pH、离子）反映了生物体最基本的生理状态。BFAMs的电学或光学性质变化可直观反映生物信号变化。

（1）应变检测：监测关节运动、脉搏、心跳、呼吸、发声等生理活动引起的变形109。可通过后处理技术集成到可穿戴纺织品中。

（2）湿度传感：柔性湿度传感器可检测汗液和呼吸等生理信号。

（3）体温检测：关键的健康指标，实时监测对健康管理至关重要。

（4）生理电信号检测：心电图、脑电图、肌电图等电生理信号反映细胞或组织的电活动，有利于诊断和治疗各种疾病。

（5）pH检测：pH值是伤口动态变化的关键参数，pH监测可有效预测感染风险并指示愈合过程的不同阶段。

（6）血糖检测：对糖尿病患者、运动员和重体力劳动者健康评估至关重要。

（7）金属离子检测：检测Fe³⁺、Na⁺、K⁺等对生物代谢至关重要的金属离子，以及Pb²⁺、Cd²⁺、Ni²⁺等有毒重金属离子，对健康监测至关重要。

2、治疗应用：

（1）药物治疗：控释是现代药物输送技术的核心目标，旨在通过控制释放速率、时间、空间位置和剂量来优化治疗效果并最大程度减少副作用。纤维由于其大比表面积可作为药物载体。

（2）光医学：利用光子学和技术解决生物医学挑战，如光热疗法、光动力疗法和光遗传学。BFAMs因其优异的生物相容性、低成本、可降解性和可调性能而在光医学中具有吸引力。

（3）电疗：电刺激疗法，模拟内源性电场的自然愈合机制，促进身体康复和治疗各种疾病。

（5）组织再生：BFAMs通过结构设计和功能化已成为组织再生医学的重要组成部分。可通过材料本身促进组织再生，也可通过加载药物、细胞和活性颗粒等来促进组织再生。

（6）高强度组织替代：人体中存在具有复杂分层结构的高强度组织，它们在各种环境条件下保持功能稳定性并能承受显著的机械负荷。BFAMs的制备可通过调节微观结构设计、介观组装方法和宏观集合体控制来实现。

3、诊断与治疗一体化应用：传统医疗模式中诊断与治疗分离，限制了治疗进展的实时跟踪，可能降低患者生存率。新型诊断治疗一体化技术将两者结合，实现疾病进展的持续监测和治疗效果的提升。BFAMs在诊断治疗一体化中的应用仍处于发展阶段。BFAMs可与其他具有诊断和治疗功能的组件结合构建集成纤维。BFAMs也仅作为载体，依靠加载的组件同时实现诊断和治疗。 

图文解析

 图1：展示了BFAMs的发展历程，包括材料来源、形态（1D纤维、2D膜、3D结构）、制备技术及应用领域的演变，体现了从传统纤维到多功能生物医学材料的转变过程

 图2：示意了BFAMs在生物医学中的三大应用场景：浅层植入、广泛组织缺损修复、深层创伤治疗，对应不同的功能、力学和结构需求

 图3：总结了代表性天然生物聚合物（蛋白质、多糖、聚酯类、合成聚合物）的化学结构，揭示了其功能基团及加工性能，为后续BFAMs设计奠定基础

 图4：通过仿木质材料的例子，展示了BFAMs从分子链到宏观结构的多尺度层级设计，包括分子取向、纳米填料排列及宏观多孔结构控制

 图5：总结了BFAMs常用的微观结构调控方式（如外场诱导、拉伸取向、结晶控制、双网络交联等）和介观结构设计（沟槽纤维、空心纤维、核壳纤维等），体现了结构-性能的精准调控

 图6：概览了BFAMs的五大功能设计方向：电导性、光透过性、刺激响应性（热、光、pH）、抗菌性与药物释放，展示其多功能一体化应用潜力

 图7：总结了不同导电填料（碳纳米管、石墨烯、导电聚合物、金属纳米材料）在BFAMs中应用效果，展示了导电机制与器件功能提升的关系

 图8：展示了通过表面改性、接枝共聚、多相复合等方法提高多组分BFAMs界面兼容性的策略，提升材料整体稳定性与性能

 图9：总结了功能复合设计案例，如同时具备抗菌、导电、药物释放等多功能的BFAMs，体现了材料在诊疗一体化中的应用前景

 图10：展示了1D纤维制备的主流工艺（湿法纺丝、熔融纺丝、微流控纺丝、拉伸纺丝），分别阐述了各方法的工艺原理、优缺点及适用场景

 图11：通过实际样品图和工艺示意，展示了微流控纺丝和浸渍拉伸工艺对纤维形貌（孔洞、取向、表面粗糙度）的影响

 图12：概述了2D纤维膜制备技术（静电纺丝、吹纺、离心纺丝、织造、非织造布），分析了各方法在纤维直径、孔隙度、机械性能方面的特点

 图13：展示了静电纺丝、离心纺丝等方法获得的典型2D BFAMs膜的形貌图，体现了纳米纤维网络结构的可控性

图14：总结了3D BFAMs的构建方法（3D打印、3D编织），说明其在复杂空间结构、力学性能与生物仿生方面的优势

图15：列举了3D打印（熔融挤出、光固化、复合打印）与3D编织技术制备的BFAMs实例，突出其在组织支架、软骨替代物等领域的应用

 图16：展示了BFAMs在可穿戴设备中实现的实时生理信号检测功能，如监测心电、脑电、肌电信号的导电纤维器件

 图17：总结了BFAMs在治疗应用中的功能，如光热/光动力治疗载体、pH/热响应智能释放系统等，支持精准治疗

图18：展示了BFAMs在组织修复（如骨、软组织、神经）领域的应用，强调其促进细胞黏附、生长、分化的能力

 图19：描述了自供能BFAMs在环境诊疗设备（如空气过滤、病原体杀灭、环境监测）中的应用，体现了其在非植入医疗领域的潜力

图20：总结了BFAMs发展中的关键挑战（如性能提升、绿色制造、规模化生产）及未来趋势（如AI设计、诊疗一体化、个性化医疗），展望其广阔前景

总结与展望

基于生物聚合物的纤维状聚集体材料（BFAMs）在生物医学诊断和治疗领域已取得显著进展，拥有多样的功能和结构。然而，该领域仍面临更高要求，未来的发展和应用需要重点解决以下几个关键挑战和方向：

首先，需要加速生物聚合物的筛选，通过高通量筛选等方法优化材料选择，提高效率并减少人工误差。其次，改善制造技术至关重要，以克服现有技术（如静电纺丝、溶液吹纺和3D打印）在有毒溶剂、生产效率和纤维质量一致性方面的局限性，实现大规模、高效生产，并使其性能与主流商业纤维媲美。再者，需要开发高性能BFAMs，通过材料选择、改性或分子结构调整来弥补生物聚合物固有的缺陷（如机械强度低、溶解性差、脆性高和降解速度慢），确保材料在各种应用环境中的稳定性和适用性。此外，持续提高诊断和治疗的精准性是核心需求，这意味着传感材料需具备更高的灵敏度，药物递送系统需提升载药量和控释精度，伤口敷料则需增强柔韧性、生物相容性、抗菌性能及促进愈合的能力。最终，实现个性化诊疗是重要的发展方向，这要求开发出具有多样化和可调节综合性能的生物医学材料，以针对不同患者的年龄、体质和健康状况提供量身定制的治疗方案。

DOI： https://doi.org/10.1002/adma.202414877