為了解決實際問題或闡明生物領域的基本問題，人們開發了多種納米技術，制備了大量納米材料。在這些納米技術和納米材料中，電紡絲技術(簡稱“e-spin”)是制備多種生物功能性納米材料最簡單、最直接的技術，適用于廣泛的生物應用。e-spin不僅可以用來制造納米纖維，而且還可以多用途地制造具有多種拓撲結構的納米材料，從微珠、中空纖維到分層結構。
e-spin的快速發展得益于其以下優勢：1)這種裝置既簡單又便宜:關鍵儀器是一臺高壓發電機，幾乎每個實驗室都可以自己動手組裝；2)工藝簡單快捷:只需在聚合物或聚合物復合溶液上施加高壓即可；3)最吸引人的優點是產品的多樣性:幾乎所有的材料都可以加工，幾乎所有的拓撲都可以實現。e-spin的蓬勃發展無疑要歸功于它能夠滿足能源、健康和環境等廣泛的現實應用需求。對e-spin納米材料的應用領域進行了總結和分類(圖1B)，其中一半以上為生物學科。進一步將組織工程、創面愈合、藥物/生物活性分子傳遞、診斷和仿生學等五個主要亞群劃分為生物學領域。
圖1 (a)近二十年以“electrospunning”或“electrospun”為關鍵詞發表科技論文數量及比例，(b)統計不同應用領域發表的文獻，以及生物領域五大應用的分布。
近日，天津大學仰大勇教授、袁曉燕教授和北航趙勇教授共同通訊作者在期刊《Progress in Polymer Science》上發表一篇題目為“:Bio-functional electrospun nanomaterials: From topology design to biological applications”的綜述。在本文中，作者對電紡納米材料的拓撲設計和生物應用方面的最新進展進行了全面的綜述，并進一步展示了e-spin納米材料的通用性。
圖2 e-spin納米材料的拓撲結構分為單體、雜化和組裝三大類。
利用e-spin的通用性，通過設計不同的噴嘴或收集器，調控聚合物溶液的組成、e-spin參數和環境變量，并進行后處理，制備出各種有趣的拓撲結構。拓撲結構按邏輯關系分為三組：1)個體：具有不同內表面形貌的單個e-spin納米材料；2)雜化：將功能性納米材料或組分融入個體；3)組裝：由個體和/或雜化體組裝而成的層次結構。
生物學應用
e-spin納米材料的各種拓撲結構使其在生物領域的應用成為可能如組織工程，傷口愈合，藥物/生物活性分子的傳遞，診斷和仿生學。據文獻報道分析，超過50%的e-spin納米材料的生物應用在于組織工程，因為e-spin納米材料具有天然ECM中最重要的特征。E-spin納米材料被用來模擬或替代復雜生物組織的結構。此外，e-spin納米材料能夠吸收創面周圍多余的滲出液，促進氣流交換，為細胞生長提供舒適的表面環境，最終實現“完美修復”。E-spin納米材料具有比表面積大、拓撲結構理想釋放動力、柔性載體材料和分子水平排列等優點，被廣泛應用于各種生物活性分子和藥物的傳遞。E-spin納米材料在增強人類疾病中各種生物標志物的特異性、敏感性和信號轉導能力方面具有巨大潛力。
總結與展望
大量研究表明，e-spin納米材料在組織工程、創面愈合、藥物/生物活性分子傳遞、醫學診斷和仿生學等生物應用領域具有解決實際問題的巨大潛力。然而，e-spin納米材料的制備和應用仍面臨諸多挑戰。
1) 產業化。雖然已經有一些e-spin工業產品，如e-spin非織造膜，但是大多數具有特定拓撲結構的材料仍然是在實驗室規模下制備的。因此，需要擴大制造策略來滿足商業和真實世界的應用。
2) 均勻性。由于良好的生物性能很大程度上依賴于材料的均勻性，制備高度均勻的e-spin納米材料仍是挑戰。
3) 生物學特性。盡管e-spin納米材料已被證明是生物應用的潛在候選者，但仍存在一些問題需要解決。例如，同種異體移植物在體內系統中的排斥、收縮、膨脹或吸附，以及細胞遷移到e-spin納米材料的速率較低，都不利于其生物應用。
4) 多學科交叉。目前，對e-spin與其他生物技術深度融合的探索還不足以滿足生物應用的多樣化需求，這一重大挑戰需要多學科研究人員的合作。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2019.02.006
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