DOI:10.1016/j.jmst.2020.04.037
組織工程學是一個跨學科領域，集醫學、生物學和工程學專業知識于一體，以恢復或再生健康組織和器官的功能。組織工程學的三個基本支柱是支架、細胞和生物分子。電紡納米纖維是一種天然纖維狀細胞外基質（ECM）的仿生材料，其中包含連通孔的三維（3D）結構，因此可成功用作組織工程的支架材料。本文綜述了靜電紡絲的步驟、原理及其所得電紡納米纖維在組織工程中的應用。首先簡要介紹靜電紡絲工藝，然后介紹其原理和生物材料制備的標準設備。接下來，重點介紹與電紡納米纖維在組織工程中的應用相關的最重要及最新進展，包括皮膚、血管、神經、骨骼、軟骨和肌腱/韌帶應用。最后，作者總結了電紡納米纖維支架的制備及其在新興領域的生物醫學應用方面的最新進展。
圖1.自2000年以來每年在世界范圍內發表的有關靜電紡絲的文章數量的圖形表示。
圖2.世界各國發表的靜電紡文章比例。
圖3.不同電紡技術的示意圖。（A）傳統的靜電紡絲，（B）同軸靜電紡絲，（C）乳液靜電紡絲，（D）動態水流靜電紡絲。
圖4.雙噴頭靜電紡絲示意圖。（a）雙噴頭靜電紡絲的示意圖，（b）接收漏斗的照片，（c）納米紗線形成和纏繞過程的照片，（d）紗線卷的照片，（e）單納米紗線的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
圖5.冷凍干燥后，天然組織中成纖維細胞的SEM。
圖6.支架結構如何影響細胞黏附和擴散的示意圖。（A），（B）細胞以扁平形態粘附在微孔和超細纖維支架上，類似于在平面上觀察到的形態。（C）納米纖維具有更大的表面積，因此吸附了更多的蛋白質，從而為細胞膜受體提供了更多的粘附位點。
圖7.通過四步制備用于皮膚組織工程支架的示意圖以及評估傷口修復的動物實驗。（1）通過靜電紡絲制備二維納米纖維氈。（2）通過高速機械切割制備均勻的短纖維溶液。（3）將溶液冷凍干燥后獲得3D支架。（4）通過熱處理加固3D支架。
圖8.在P（LLA-CL），3:1和1:1復合支架上培養5天后，人平滑肌細胞（hSMC）和L929鼠成纖維細胞的共聚焦顯微鏡圖像（A）。培養1、3和5天的hSMC（B）和L929細胞（C）的細胞活力。
圖9.制備核（肝素）-殼（PC/SAB-MSN）纖維的過程（左）。MSN（A）和芯（肝素）鞘（P（LLA-CL）和膠原與SAB-MSN）纖維的透射電子顯微鏡圖像（B），表面具有MSN顆粒的納米纖維的SEM（C），纖維膜的SEM-EDS圖像（D）。
圖10.（A-D）雙層血管支架植入2個月后的熒光顯微照片，以及（E-H）自體血管的熒光顯微照片，均通過（A，E）DAPI免疫染色細胞核，（B，F）CD31染色內皮細胞，（C，G）α-SMA染色平滑肌細胞，（D，H）相應的合并熒光顯微照片。
圖11.示意圖顯示如何通過將各種物理和生物學線索整合到具有不同配置的神經支架中來構建理想的NGC。
圖12.制備氧化石墨烯涂覆柞蠶絲素蛋白（ApF）/P（LLA-CL）支架的示意圖。
圖13.納米纖維紗線的制備機理和將納米纖維紗線摻入NGC的示意圖。
圖14.制備聚吡咯（Ppy）涂覆PCL納米紗線（NY）的示意圖，用于開發導電纖維填充的NGC。
圖15.示意圖顯示電紡3D納米纖維海綿的制備和通過靜電紡絲制備NGC。
圖16.示意圖顯示在體內顱骨缺損再生模型中制備包含納米羥基磷灰石（nHA）和BMP-2的3D納米纖維支架，用于測試。
圖17.設計包含MSN和阿侖膦酸鹽（ALN）的支架，用于ALN和硅酸鹽的雙重遞送以調節骨吸收和形成，從而促進骨修復。MSN內預負載的ALN從納米纖維中釋放出來，通過阻止GTP相關蛋白的表達來抑制骨吸收過程。MSN水解產生的硅酸鹽從納米纖維中釋放出來，并通過改善血管生成和骨鈣化作用來促進成骨過程。
圖18.經過兩步羥基磷灰石（HA）顆粒功能化設計的靜電紡絲素蛋白納米纖維支架。研究發現這些支架可在體外21天后支持基因修飾的人脂肪來源的間充質干細胞的成骨分化，且8周后在臨界尺寸顱骨缺損中增強了體內礦化骨形成和膠原沉積。
圖19.在手術后12周，未處理組、未官能化支架（3DS-1）處理組和透明質酸官能化支架（3DS-2）處理組的軟骨關節的宏觀圖像（a，d和g）。對三組軟骨缺損區域的組織學分析，用番紅O-固綠（b，e和h）和H＆E（c，f和i）染色，表明功能化支架可增強修復作用。箭頭和虛線指示缺陷部位。OC：原始軟骨組織。RC：修復的軟骨組織。
圖20.各種電紡纖維支架的示意圖。（a）傳統的纖維支架-電紡纖維膜。（b）三維纖維支架由分散電紡、短纖維冷凍成型。（c）3D打印纖維基支架的合成步驟。
圖21.用含電紡納米纖維的墨水制成的3D打印支架的水誘導形狀記憶。（a）方形支架。（b）在濕潤狀態下，通過折疊正方形的對角而獲得管狀支架，并將支架冷凍干燥以保持其變形形狀。（c）吸水12秒后方形支架的形狀恢復過程。（d）方形支架在吸水后20秒內完全恢復了其原始形狀。（e）矩形支架。（f）將濕支架折疊成波浪形并冷凍干燥以保持其形狀。（g）吸水12秒后矩形支架的形狀恢復過程。（h）矩形支架在吸水30秒內完全恢復了其原始形狀。
圖22.膠原蛋白對照支架以及電紡PLA和膠原蛋白雙層支架的制備和表征。膠原蛋白支架（A）和雙層支架（B）的制備過程及其微結構。
圖23.術后6周（上圖）和12周（下圖）的三組軟骨關節的宏觀圖像。（A，D）未治療組、（B，E）膠原蛋白對照組和（C，F）雙層支架組。
圖24.（A）復合支架的制備。采用雙重靜電紡絲技術制備了包含PCL和甲基丙烯酸明膠（mGLT）纖維的支架（插圖1）。將干燥的支架用光引發劑水溶液（插圖2）潤濕，然后通過可見光進行光交聯以保留明膠（插圖3）。（B）將支架片潤濕、堆疊并暴露于可見光以在相鄰支架層之間形成交聯，從而構建復雜的多層結構。
圖25.連續定向納米纖維線（CANT）的電紡裝置和分層組裝的示意圖。（A）連續靜電紡絲系統以生產CANT；（B）CANT作為3D組件的基本單元，模仿天然肌腱中的膠原纖維；（C）由扭曲的CANT組成的紗線代表肌腱束：i）紗線6，ii）紗線9，以及iii）紗線12；（D）由紗線編織的3D支架；（E）使用紗線的編織過程：（i）1毫米針的陣列，（ii）紗線編織，以及（iii）最終的3D編織支架。兩種紡織基支架均代表肌腱單元。
圖26.示意圖顯示天然骨-肌腱插入位點的結構，和制備含固定化PDGF-BB的定向梯度平臺，以模擬骨-腱插入位點。
圖27.雙層膜的應用示意圖。（a和b）將納米纖維膜放置在肌腱-骨插入的位置。（c）模擬正常纖維軟骨填補的支架結構和構成。（d）PLLA纖維上羥基磷灰石（HA）生長的圖示。
