DOI：10.1016/j.pmatsci.2020.100656
由碎片狀靜電紡納米纖維氈/膜組裝而成的三維（3D）整體結構（即氣凝膠/海綿/支架）是靜電紡絲領域的一個新興研究課題。由于其極高的孔隙率以及優異的結構柔韌性和穩定性，這些三維納米纖維結構在各種應用中引起了研究者們的極大興趣。性質及其在環境（有機物去除、染料吸附、過濾分離）、能量（超級電容器）、電子（壓力傳感器）等領域的應用，綜述了化學工程（如催化劑本文綜述了三維整體結構的制備方法，討論了三維整體結構的載體、絕熱材料和焦耳加熱器）和生物醫學工程（如組織工程、水凝膠和藥物傳遞）的研究進展。此外，本文還提出了未來的展望和挑戰。該綜述將為設計新穎的三維電紡納米纖維結構和探索其潛在應用提供重要的指導。
圖1.示意圖顯示了電紡三維結構的不同制造方法，包括（A）溶劑浴收集，（B）無針靜電紡絲，（C）靜電推斥，（D）接觸紡絲，（E）針尖結合靜電紡絲，（F）膨脹納米纖維，（G）氣體發泡，（H）模板輔助收集，（I） 快速成型與靜電紡絲相結合，（J）飛秒激光與靜電紡絲相結合，（K）穩定射流直寫電紡絲，（L）靜電紡納米纖維紗，（M）靜電紡納米纖維的自組裝。
圖2.示意圖顯示了纖維，各向同性結合彈性重建3D納米纖維氣凝膠（NFAs）的合成步驟。（1）柔性PAN/BA-a和SiO2納米纖維膜是通過靜電紡絲生產的。（2）通過高速均質化制備均勻的納米纖維分散體。（3）通過冷凍干燥納米纖維分散體來制備未交聯的納米纖維氣凝膠。（4）通過交聯處理制備得到的FIBER 納米纖維氣凝膠。
圖3.分層細胞結構形成的機制。
圖4.SEM圖像顯示了縮短的（A）PAN和（B）CNFs電紡納米纖維。插圖：顯示納米纖維分散在水中的照片。（C）照片顯示了在叔丁醇中具有不同濃度（wt％）的冷凍納米纖維分散體。最高值指示體積變化（定義為相關冷凍缸中心高度的變化）。
圖5.（A1）FIBER納米纖維氣凝膠具有明顯的交聯3D纖維網絡，在未交聯納米纖維氣凝膠和FIBER納米纖維氣凝膠的纖維之間具有牢固的鍵合（A2）FT-IR光譜。（B1）SEM圖像顯示RC納米纖維與PVA的結合。（B2）在約230℃穩定前后從UECS獲得的FT-IR光譜。（C1）SEM圖顯示了聚（MA-MMA-MABP）的結合。（C2）聚（MA-MMA-MABP）在紫外線照射下交聯前后的ATR-IR光譜圖。（D1）通過熱誘導的分子間縮合結合的PINFA的SEM圖像。（D2）PINFA和非PINFA的XPS頻譜。
圖6.（A）FIBER氣凝膠的SEM圖像，顯示了分層的細胞纖維結構和SiO2 納米粒子。（B）具有1：3的CNFs與PAN/PI的3D導電海綿的SEM圖像。（C）PIS/AgNW海綿的SEM圖像。（D）固定在海綿中納米纖維上的Au納米粒子（3.56 wt％.）的TEM圖像，插圖顯示了單個Au納米粒子。（E）從HNT海綿獲得的SEM圖像，納米纖維與HNT的重量比為1：8。（F）PI碳納米顆粒海綿的SEM圖像。（G1-G2）SEM圖顯示涂有1.0 μm PPX的海綿（G1）和相應的橫截面（G2）。
圖7.一系列照片顯示了通過TISA工藝形成的PCL 3D納米纖維團聚物：（A）短納米纖維和細小PCL碎片在熱處理前均勻懸浮；在55℃下加熱（B）30 s、（C）60 s、（D）90 s、（E）120 s和（F）150 s后的懸浮液。（G）熱處理180 s后獲得的附聚物（注意，此后立即將瓶子浸入冰水中）。
圖8.SEM圖像顯示了電紡CA/PCL支架的內表面（A1-A3）和外表面（B1-B3）的典型形態。高倍率SEM圖像（A3）和（B3）顯示了結合位置。
圖9. SEM圖像顯示了羥基磷灰石涂層PCL支架的外表面（A-C）和內截面（D-F）的代表性形態。
圖10.（A）靜電紡絲氣凝膠/海綿（ρ= 0.12 mg cm-3）站在染色羽毛的尖端。（B）照片顯示超輕氣凝膠可以在冷空氣中漂浮。
圖11.（A）各種形狀的FIBER 納米纖維氣凝膠的照片。（B-D）FIBER納米纖維氣凝膠在不同放大倍數下的微觀結構，顯示分層的細胞纖維結構。（E）相關結構尺寸的示意圖。
圖12.（A）冷凍條件對海綿微結構的影響。緩慢的冰凍前沿速度提供了最大的孔徑，而海綿的表觀密度在8.7±0.1 mg mL-1范圍內保持恒定。（B）SEM圖像顯示使用不同vf獲得的海綿在中心高度7.5 mm處的橫截面。
圖13.（A）隨著SiO2 納米粒子濃度的增加，FIBER氣凝膠/海綿的水接觸角。 （B）水接觸角與海綿1、2、4和5的PPX涂層厚度的關系。（C）兩親性交聯的支鏈淀粉/PVA氣凝膠和疏水性甲硅烷基化氣凝膠的水接觸角。（D）在不同溫度下穩定的超輕紡纖維素海綿的水接觸角。
圖14.（A）CNFAs沿加載方向的壓縮應力（σ）與壓縮應變（ε）曲線。插圖顯示了壓縮循環中CNFAs的分布（ε= 80％）。（B）CNFAs的泊松比與將壓縮應變增加至80％的函數。插圖：循環壓縮和釋放下CNFAs的SEM觀察，重點是小片（<1 mm）。（C）示意圖顯示了具有壓縮應變的納米纖維細胞壁的倒置。
圖15.（A）具有不同CNFs與PAN/PI比的3D導電海綿的電阻值。（B）3D導電海綿在不同壓縮應變下的電阻變化。
圖16.（A）PI海綿（樣品PISG-50）的TGA曲線。（B）照片顯示海綿SG、PISG-50和SG-PPX在室溫（頂部）和300℃（底部）下保持0.5 h的熱阻。
圖17.（A）培養1天和3天后，人間充質干細胞在PCL-3D和PCL/PLA-3D支架上的活力。培養16 h后，在（B1）PCL-3D和（B2）PCL/PLA-3D支架上的人間充質干細胞形態。注意，PCL-3D支架作為對照樣品包括在內。數據表示為平均值±標準偏差（n=3）。接種在3DS-2上的軟骨細胞的熒光顯微照片（修飾的明膠/ PLA支架與透明質酸（HA）交聯），共7天。活細胞和死細胞分別染成綠色和紅色。
圖18.一塊質量為0.03 g的電紡纖維制成的海綿（A1），吸收30 g礦物油后的海綿（A2）。該示意圖顯示了通過有機膠凝劑作用于液體（B1）并通過將電紡纖維海綿浸入液體（B2）形成有機凝膠的示意圖。
圖19.（A）UECS對不同有機化合物的體積吸收能力。照片顯示UECS在有機化合物上的分離性能。（B）從水面清除泵油。（C）從水底收集氯仿（含有蘇丹一號染料）。
圖20.（A）照片顯示吸附前（左）和吸附后（右）的MB水溶液。（B）PVASi@TEDB-NH2通過壓縮和釋放過程吸附MB的結果。（C）連續照片顯示了使用PVASi@TEDB-NH2針筒式過濾器進行過濾的過程。
圖21.用PINFAs去除PM2.5。（A）PINFAs、3 M和PINFMs的過濾效率和壓降比較。（B）過濾前后PM2.5的濃度。請注意，經PINFMs過濾后，PM2.5的數量濃度太低，無法顯示。（C&D）掃描電鏡圖像顯示長期過濾PM2.5后的PINFAs。
圖22.（A）照片顯示通過使用IENFA填充柱進行的連續溶菌酶分離和提取。（B）從蛋清中提取溶菌酶后，用IENFA填充的色譜柱的動態洗脫曲線。顯示獲得的洗脫液的相應SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳（PAGE）分析的插圖。（C）各種預裝的IENFA填充色譜柱。（D）照片顯示將IENFA填充柱直接應用于?KTApure 100色譜系統。（E）以150 mL h-1的處理速度獲得的1 mL預裝IENFAs色譜柱的?KTA色譜圖。
圖23.（A1）從oPP-33.3碳氣凝膠獲得的典型SEM圖像，（A2）站在蒲公英上的oPP-33.3碳氣凝膠的照片，以及（A3）oPP-0和oPP-33.3碳氣凝膠之間的耐應力性比較。（B）oPP-33.3@MnO2-2 h混合碳氣凝膠的TEM圖像。使用三電極系統在1.0 M Na2SO4電解液中的正極上進行電化學測試結果：（C1）oPP-33.3@MnO2-x h雜化碳氣凝膠的CV曲線，掃描速率為50 mV s-1（其中×分別為0.5、1、2和4）；（C2）oPP-33.3 @ MnO2-x h雜化碳氣凝膠在不同掃描速率下的速率穩定性；（C3）oPP-33.3@MnO2-x h雜化碳氣凝膠在50 mV s-1的掃描速率下的循環穩定性。
圖24.（A1-A2）在不同壓縮應變下3D導電海綿的△R/R0變化（A1）和應變系數變化（A2）。（B）3D導電海綿（CNFs與PAN/PI比為1到3的樣品）在連續壓縮下的電阻變化，并在10,000 s的50％和0％應變之間釋放。（C1）傳感器陣列的概念驗證矩陣的示意圖，其中包含5個像素×5個像素的壓力傳感器單元。（C2）頂部放置電池的傳感器陣列的照片。（C3）電阻變化的2D映射對應于電池在傳感器陣列上施加的壓力。
圖25.（A）不同Au納米粒子含量的海綿照片；（B1-B3）固定在海綿納米纖維上的不同Au納米粒子含量的TEM圖像（B1）0.29 wt%、（B2）0.65 wt%和（B3）3.56 wt%。（C）金海綿還原4-硝基苯酚過程中ln（C/C0）隨時間和反應速率常數的擬一級曲線。
圖26.（A）PISG-50在不同壓縮應變下的導熱系數和熱擴散系數。紅外（IR）相機圖像顯示了PI海綿的隔熱效果：（B）在PI海綿的幫助下手持一塊熱鐵板（~376℃），在加熱板（~400℃）上手持厚度為（C）1.8和（D）3.0 cm的PI海綿。插圖顯示紅外相機圖像的普通照片。樣品尺寸為1.8×2.5×3.0 cm3。
圖27.（A1-A4）4周后從小鼠身上采集聽小骨的放射照相檢查。分別對僅BMP2組（A1），BMP2+HA組（A2），phenamil+HA組（A3）和BMP2/phenamil+HA組（A4）進行成像，并對支架的平均強度值進行定量（B）。數據表示為平均值±標準偏差（n=4）。（C1-C4）體內植入4周后，取回的聽小骨的H＆E染色。用ImageJ軟件（D）測量僅BMP2組（C1），BMP2+HA組（C2），phenamil+HA組（C3）和BMP2/phenamil+HA組（C4）的新骨面積。
圖28.術后12周來自三組的軟骨關節的宏觀圖像（A1，A2和A3）。術后12周，三組軟骨缺損區域的組織學分析，分別用番紅O-固綠（B1，B2和B3）和H＆E（C1，C2和C3）染色。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29.（A）將含NS的NGC移植到SD大鼠坐骨神經缺損模型中的示意圖。插圖：低分辨率（左）和高分辨率（右）的含NS的NGC的橫截面SEM圖像。（B）在第0周手術后的坐骨神經大體觀察，以及在植入4周和12周后的坐骨神經再生（比例尺=10 mm，其標記了神經缺損部位）。（C1）TSMs的Masson染色圖像（實驗側）和（C2）植入4周和12周后膠原蛋白陽性面積百分比的統計結果。
圖30.（A）表示合成步驟的示意圖。（1）通過高速均質化制備均質的藻酸鹽/納米纖維分散體。（2）將分散液冷凍干燥成藻酸鹽/納米纖維復合氣凝膠。（3）通過Al3+交聯制備得到的NFHs。（B）照片顯示NFHs的保水能力。約10 mg的壓榨和干燥NFH樣品可容納約5 g的水。
圖31.（A）從多孔海綿載體釋放ART的示意圖。（B1和B2）用ART負載后制備的海綿SG6的橫截面SEM圖像。（C）從ART粉末和具有不同密度（3.5和6 mg cm-3）和PPX涂層厚度（0、88、150、423和1000 nm）的海綿中進行體外ART釋放。
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