如果不提及或研究涉及静电纺丝技术，纳米纤维的制造则变得不可想象。由于这项技术在纳米纤维形态、纳米纤维结构和应用前景方面提供了巨大的可能性，它已成为许多具有各种专业知识的科学家的主要兴趣。电纺纳米纤维比传统纤维更有优势，因为它们重量轻、表面积与体积比高、纤维形态可调以及功能可控。

静电纺丝工艺的原理基于物理现象，该现象描述了当带电琥珀保持在水滴上方时水滴的圆锥体拉伸。静电力拉伸聚合物溶液或熔体，形成流行的泰勒锥，同时借助泵和高压电源生成纳米级纤维。所生产的纳米纤维具有优于传统纳米纤维的优势特性，包括小直径、高表面积与体积比、具有互连孔隙的轻质结构、高孔隙率和易于控制的功能。

发展简史

静电纺丝本质上是高分子流体(黏度较高的非牛顿流体)在正极1-50 kV电压的推动下，形成静电雾化的特殊形式，最终在收集装置上固化成纤维。电纺纤维直径通常介于数十纳米至数微米之间，具有极大的比表面积、高孔隙率和相互连通的三维网状结构，构造与天然的细胞外基质接近。

静电纺丝广泛用于制备具有非凡性能的超细纤维，其制备获得的纤维产品具有高表面积、高孔隙率、柔韧性和结构多样化等优点，广泛应用于组织工程、药物控释、水处理、光电器件、储能器件和柔性电子等众多领域，受到学术界和工业界的极大关注。

静电纺丝最早可追溯到1745年，成为专利则是1934年。

长期以来，静电纺丝技术发展较为缓慢，到了20世纪90年代静电纺丝工艺和应用得到了深入和广泛的研究，特别是近年来，随着纳米技术的发展，静电纺丝技术获得了快速发展，世界各国的科研界和工业界都对此技术表现出了极大的兴趣。

由于静电纺丝具有制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一，在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域被采用。

目前，科学家最新研究发现，静电纺丝高表面积与体积比使其具有更高的孔隙率和透气性，通过适当的聚合物混合，可实现卓越的生物兼容性，其制品适用于身体活动监测、运动跟踪、测量生物势、化学和生物传感等方面，这对长期穿戴非常重要。

药物释放速度机制

通过所谓的爆发效应，药物可以立即从电纺纳米纤维中释放出来。当需要立即采取行动时，药物会很快释放。释放可以持续或缓慢经过特定时间段。这意味着在数小时、数天或数年内递送的药物浓度较低。释放可以由外部刺激触发，这将导致前两个释放率。外部刺激可能涉及pH、温度、光照、溶剂、离子强度等的变化。

在电纺纳米纤维中，药物释放速率可以通过聚合物类型、药物特性、制造技术、纤维形态和微观结构来控制。药物释放曲线中涉及的机制包括扩散和膨胀，然后是扩散、降解或侵蚀。

添加剂通过扩散、松弛或降解从聚合物基质中释放出来。当发生扩散时，添加的组分由于浓度差而向下扩散，而在松弛状态下，由于链松弛，它从聚合物中移出。扩散取决于药物的分子量、药物浓度和溶解度，还取决于扩散系数和扩散距离。

介质可导致聚合物溶解，从而释放添加的成分。在表面侵蚀中，聚合物表面由于断链而被侵蚀，而在整体侵蚀中，整个基质被侵蚀。在电纺纤维中，由于松弛机制或两者兼而有之，药物从纤维中释放到孔隙中，以及通过扩散机制从孔隙中释放出来。

制造技术肯定会影响药物释放曲线，因此递送系统的设计将符合治疗要求。电纺纤维的混合物可实现立即爆发释放效果，而同轴纤维通常会延长药物释放，药物位于纤维的核心内。药物的爆发释放通常处于初始阶段，如有必要，可以通过并排静电纺丝技术延迟释放。

乳液电纺纤维也会降低最初的突释效果。为了进一步减慢药物释放速率，可以在多轴方法产生的同轴纤维中添加几个聚合物层/屏障。

与纤维表面化学改性方法中的共价键不同，物理吸附由于弱氢键和静电或疏水相互作用而导致药物快速释放。可以将封装药物的特殊载体添加到电纺纤维中，从而促进药物缓释。

它们提供细胞内药物递送，这些混合制剂可以消除突发释放问题，提高载药效率和肾脏排泄，并最大限度地减少药物波动。

电纺纳米纤维在组织修复中的应用

功能性电纺材料研究最多的应用领域可能是用于组织工程的电纺支架领域。支架充当细胞附着、生长和增殖的临时结构支撑，最重要的是用于随后的组织再生。

为了可靠地模拟天然细胞外基质，支架应具有考虑其结构、机械性能、细胞和组织相容性以及生物活性的功能。多孔结构和一定的空隙体积以及与宿主组织匹配的机械完整性将促进组织修复。支架材料应与细胞和组织均具有生物相容性，必要时应与组织降解率相匹配。

骨组织工程

骨骼是天然复合材料，具有两种类型的骨组织，即致密组织和海绵组织。致密组织的结构有规律地组织成薄片状，厚度或形状根据其构成的骨骼类型而有所不同。人体总骨量大约80%属于这种组织。胶原纤维在松质骨组织的薄片中呈不规则排列。

该组织比致密组织具有更高的代谢活性。还有五种类型的骨细胞，包括骨原细胞、成骨细胞、骨衬细胞、骨细胞和破骨细胞。成骨细胞、骨细胞和骨衬细胞起源于骨祖细胞或间充质干细胞，而破骨细胞起源于造血干细胞。

就化学成分而言，骨有机ECM由I型胶原蛋白和非胶原蛋白组成，而骨无机ECM以具有羟基磷灰石结构的矿物质为代表，即钙、磷酸盐和碳酸盐。骨骼病理状况分为不同类型：骨折损伤、骨科手术、缺血性、遗传性和代谢性疾病以及骨癌。关节炎、骨癌、骨肉瘤和骨关节炎等骨骼疾病被认为是人类死亡的最大原因之一。

体外成骨细胞性能研究

静电纺丝支架由PCL和石榴皮提取物制成，作为一种具有高酚含量的天然食物垃圾。这种支架显示抗氧化活性增强了96%，培养的成骨细胞显示完全嵌入支架中，具有活跃的成骨基质分泌以促进骨向内生长。

纳米羟基磷灰石沉积在聚天冬氨酸上，形成多孔、亲水且强度良好的支架。由于增强了人类胎儿成骨细胞的粘附和骨整合以及钙和磷沉积的组织矿化，该支架有望用于新骨形成掺入电纺的掺银显示初始高爆发释放以清除细菌，而银含量的进一步降低导致培养第21天大鼠间充质干细胞代谢活性的增强作用。

这一结果与愈合过程的开始一致。根据电纺PLLA纳米纤维支架表面形貌观察骨髓间充质干细胞行为。由于与对齐的纳米纤维的方向接触引导，细胞表现出增加的迁移速度。

这种比对还改善了成骨分化并显着促进了成骨基因的表达.通过静电纺丝和赤铁矿纳米粒子的逐层沉积制备具有生物活性界面的PLGA支架。大鼠脂肪来源的干细胞在细胞扩散、细胞骨架组织、成骨分化和骨基质矿物质合成方面的表现得到增强。

电纺结构体内植入物

电纺3D细胞/网格复合物是通过逐层沉积明胶在随机和巢状结构中制造的。预先用骨髓间充质基质细胞培养，然后植入大鼠颅骨缺损中。这体外研究表明促进细胞的成骨分化，而体内研究表明，在巢状细胞与网状复合物的情况下，新的钙化骨形成和更好的骨愈合。

类似地，细胞支架复合物是通过将人类胎儿成骨细胞培养而制成的，通过逐层组装电纺到不锈钢网上。

该复合物被阿仑膦酸盐进一步功能化以促进成骨分化。成功的成骨细胞粘附和增殖，以及它们分化和矿化的基因表达，是通过电纺聚实现的。植入六周后，支架在大鼠胫骨缺损模型中形成了最高的骨量。用BMP-2固定的电纺聚用于治疗继发性髋骨关节炎。

培养的人骨髓间充质干细胞附着良好，细胞毒性较小，研究揭示了对成骨的积极影响，即完全修复髋臼缺损，以及受剂量不足影响的不完全骨形成将几种技术与静电纺丝相结合来制造明胶3D支架。

明胶垫通过匀浆形成短纳米纤维，而3D纳米纤维支架通过纳米纤维的冷冻干燥和热交联制造。最终结构是通过用预先的聚多巴胺涂层固定BMP-2并随后冷冻干燥获得的。准备好的结构增强了BMSCs的成骨分化，最重要的是，从植入的第四周到第八周，大鼠颅骨缺损模型中新形成的骨体积和生长速度，通过管状3D结构进行治疗，该结构由分别来自电纺胶原蛋白和冻干胶原蛋白的壳聚糖微球的壳和核组成。由于HA和淫羊藿苷的同时作用，这些支架具有出色的骨诱导性和骨传导性。支架的孔隙结构提供骨重塑，而与宿主缺陷匹配的降解率提供骨基质矿化。

挑战和未来

最近对用于纳米医学应用的电纺纳米纤维材料的研究考虑了合成或天然生物材料，以及无机或复合材料多功能系统，这些系统通常包含生物活性化合物，以提供机械支持、细胞活力和生命活动支持，以及与ECM相互作用的相容性和新组织的形成。尽管在材料多样性、制造程序、治疗/愈合性能方面取得了进步，但挑战仍然存在，需要加以解决。

当封装新材料或生物活性化合物时，一些研究提到可能的细胞毒性，因此需要进一步研究不会影响细胞活力的最佳浓度设置问题。体外研究应用基于动物或商业细胞系，其中一些是癌症衍生的，基于人类的细胞将是模拟自然环境的更好选择。由于人体细胞对新环境的适应更敏感、更慢，因此也能更贴近地反映原有情况。仍然缺乏临床试验，因为大多数研究是在大鼠动物模型上进行的。

结论

用于纳米医学应用的电纺纳米纤维材料领域的研究并没有减少，实际上仍在增长，并且最近几年显示出更多的挑战和前沿。自2017年以来，这些研究涉及用于药物输送、伤口愈合和组织工程的电纺纳米纤维材料的开发和性能，重点是骨骼和神经组织修复。

在药物输送系统中，材料的组成和制造技术会影响药物的起搏机制，最终影响治疗效果。在需求方面，药物输送材料主要针对癌症治疗、组织修复和一些小病痛。

伤口治疗电纺材料专注于慢性糖尿病伤口和皮肤烧伤伤口，通常包括具有抗菌和愈合功能的天然或合成药物。多种组织工程支架旨在携带生长因子、遗传物质或靶向选定的囊泡以提高系统的再生性能。

多功能细胞在支架上培养，在制造过程之后或期间在细胞活力、生长、迁移和特异性分化方面取得普遍成功的结果。体内尽管也有一些临床试验，但研究仍然基于动物模型。据报道，外周和脊髓损伤在具有生物化学和导电信号的对齐结构的情况下有更好的结果，用于轴突生长和神经分化。