Chem. Rev.：生物活性電紡纖維的制備、表面敏感性表征和定量分析

DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00816

制備具有高比表面積的多孔支架已成為組織工程領域的一個重要策略。在眾多制備方法中，靜電紡絲技術因其能夠制備天然或合成的高孔隙率纖維支架而成為基礎技術之一。除了對機械穩定性和生物相容性的基本要求外，支架還應包含驅動細胞功能（如粘附、擴散、增殖、遷移和分化）的功能線索。目前，可通過多種方法來引入生物活性分子以控制細胞功能。然而，人們對于3D纖維支架中生物活性分子的可用性和空間分布方面的細胞行為仍缺乏深入的了解。選擇適合的表征技術將從根本上影響細胞-支架間相互作用。本文綜述了將功能性化合物引入電紡纖維的最普遍的方法。在此基礎上，重點分析了常規表征方法的優勢和局限性。最后，進一步討論了高分辨率/相關顯微技術等新興表征技術的潛力和適用性。

圖1.模仿天然ECM的生物活性電紡纖維的制備。

圖2.制備生物活性電紡纖維的兩種主要途徑的圖示：紡前功能化和紡后功能化。

圖3.與生物反應有關的生物活性電紡纖維的表面敏感性表征和定量圖示。

圖4.（a）光學顯微鏡（光束（黃色）通過物鏡和目鏡透鏡照亮樣品以形成放大的圖像）和熒光顯微鏡（過濾特定波長的光以照亮預先標記的樣品）的示意圖。（b）利用電子束產生納米纖維高分辨率圖像的電子顯微鏡示意圖。掃描電子顯微鏡（SEM）檢測電子束撞擊樣品后發射的背散射電子和二次電子，以便成像，而透射電子顯微鏡（TEM）則利用電子在樣品中的透射。另外，電子束產生X射線（對于EDX）和非彈性電子（對于EELS）用于元素映射。（c）PLGA納米纖維的光學和熒光顯微鏡，以評估作為模型蛋白的熒光標記BSA的吸附和分布。（d）PCL和PCL-1％nSi復合納米纖維的SEM圖像。（e）PCL-1％nSi納米纖維的TEM圖像。黑色箭頭表示nSi。（f）PCL-1％nSi納米纖維中C、O和Si的EDX圖譜。

圖5.（a）用于評估納米纖維樣品表面形貌的AFM示意圖。激光聚焦在懸臂梁上，懸臂梁偏轉后，由光電探測器監測并轉換為電信號生成形貌圖。（b）PLLA和PLLA-聚多巴胺-BMP-2的AFM圖像表明表面粗糙度隨聚多巴胺和BMP-2的增加而增加。（c）比較光學顯微鏡、SEM、TEM和AFM的成像時間和樣品尺寸。（d）比較光學顯微鏡、SEM、TEM和AFM的成像長度尺度。

圖6.最常見的材料表征方法及其表面敏感性。

圖7.（a）拉曼光譜和成像示意圖。（b）PEO/PCL混合納米纖維的平均拉曼光譜。PEO/PCL混合納米纖維的拉曼圖像。使用1726cm-1波段積分（紅色）對PCL分布進行成像，使用366cm-1波段積分（藍色）對PEO分布進行成像。（c）PLLA、PLLA-聚多巴胺和PLLA-聚多巴胺-OGP的紅外光譜分析。（d）PLLA、PLLA-聚多巴胺和PLLA-聚多巴胺-OGP的XPS分析以及每個表面的原子化學組成。

圖8.（a）ToF-SIMs示意圖表明一次離子束撞擊樣品產生二次離子，二次離子經探測器轉換為電信號，并被處理為質譜和圖譜。（b）聚乙二醇化生物素共軛PLGA納米纖維的ToF-SIMS化學成像。

圖9.（a）AFM-IR示意圖。（b）老化PET（500h）（紅色）和原始PET納米纖維（藍色）的納米紅外光譜，并用紅色和藍色圓圈表示相應區域的AFM圖像。（c）在1720（羰基拉伸，結晶），1445（羧酸中的O-H彎曲），1283（O-CH2拉伸），1196（R-CO-R'）和1044cm-1（烷氧基，R-O）處老化PET納米纖維（500h）的高分辨率AFM圖像。