《Bioprinting》：Integration of Electrospinning and 3D Bioprinting for Fibrous Tissue Manufacturing
编辑推荐：
本文综述了电纺纳米纤维技术及其与3D生物打印的整合，分析溶剂和无溶剂电纺方法、多喷嘴技术对纤维特性的影响，探讨参数与生物打印的协同机制，提出表面修饰或嵌段共聚物解决材料相容性问题，为人工组织构建提供技术路线。
Moein Zarei|Ayda Pourmostafa|Amirhossein Moghanian|Amir K. Miri
波兰华沙工业大学先进材料与技术中心（CEZAMAT）
摘要
静电纺丝技术已被广泛应用于生成纳米纤维支架，这些支架在结构上模仿了天然细胞外基质（ECM）。仿生静电纺丝纤维可用于细胞培养、药物输送和伤口愈合。本文综述了当前的静电纺丝方法，重点介绍了无溶剂和多喷嘴技术。我们分析了决定纳米纤维结构性能的关键操作参数和材料参数，并探讨了这些静电纺丝参数与现有生物打印技术之间的关联，以提升静电纺丝支架的生物性能。同时详细阐述了实现支架成功整合及后续生物制造所需的关键生物打印参数。本文为选择生物墨水及细胞组成以优化工程组织构建和植入物的效果提供了指导。
引言
静电纺丝技术可制备出模仿天然细胞外基质（ECM）的纳米纤维支架，这类支架已被用于组织构建[1]、[2]、[3]。通过向聚合物溶液中施加高压电场，可形成带电液滴，这些液滴会在收集器表面凝结成超薄纤维[4]、[5]、[6]。静电纺丝纳米纤维与ECM的纤维结构高度相似[7]，因此非常适合用于组织工程、细胞培养支架、药物载体和伤口敷料[8]、[9]、[10]、[11]。静电纺丝技术的进步使得能够制造出更复杂的组织模型，如软骨、皮肤、骨膜和心血管组织[12]、[13]、[14]。ECM的纤维组成调控着细胞生长、组织发育以及营养物质、气体和废物的交换，这对传统组织工程技术来说是一个重大挑战[15]、[16]。支架的结构特征包括纳米级的亚细胞成分（如膜蛋白和氨基酸），以及毫米级的ECM成分（如纤维蛋白[17]）。
三维（3D）生物打印技术有助于制造具有可调节孔径、最佳组成和理想机械性能的预定义三维结构，其中包含了生物材料、活细胞和生物活性剂[18]、[19]、[20]。多种技术和丰富的生物墨水选择使得生物打印能够实现患者特异性和异质性组织的制备。静电纺丝纤维可以与生物打印技术结合，制造出既能再现ECM纳米结构又能模拟器官几何形状的混合支架[21]、[22]、[23]。
传统的组织制造方法在制备仿生模型方面存在局限性[24]、[25]、[26]。静电纺丝对制造结构的几何形状控制有限[27]，通常得到的结构是二维的，且细胞是在制造后接种的[28]，这导致细胞在结构中的分布不均匀。相比之下，生物打印技术能够精确控制结构的几何形状、细胞的空间排列和材料组成，从而实现具有更高几何精度和可控细胞组织的三维组织模型[21]、[29]、[30]。
典型的静电纺丝装置包括高压电源、带有纺丝针的注射泵以及接地收集器[31]，如图1所示。液滴的表面张力使其形成锥形（即泰勒锥[32]），然后液滴喷射成带电射流，在导电收集器上形成纳米纤维。该过程涉及溶液的持续拉伸和溶剂蒸发[4]。静电纺丝纤维的直径受多种因素影响，包括聚合物前体的动态粘度和表面张力、针与收集器之间的距离、收集器的几何形状和运动方式、施加的电压以及聚合物主链的结晶特性[33]、[34]、[35]、[36]。通过调整这些参数，可以优化静电纺丝支架的性能，使其具备仿生特性[37]、[38]。
本文阐述了结合静电纺丝和生物打印技术制备复杂纤维组织结构的协同潜力（见图1），旨在全面评估这两种技术在纤维组织制造中的优势与局限性，并探讨克服相关障碍的混合策略。同时对比了近期研究中的各种方法，以理解关键特性、评估技术成熟度，并明确未来发展的方向。
部分内容摘录
传统静电纺丝
传统静电纺丝技术通过向聚合物溶液中施加高压，形成直径从纳米到微米级别的细纤维（见图2A）[39]、[40]。尽管这种方法具有灵活性，但纤维的排列和形态很大程度上取决于溶液粘度、环境条件和收集器的几何形状[7]、[41]、[42]。虽然这些纳米纤维可以模拟ECM的尺度，但传统方法制成的支架通常较为密集且为二维结构。
骨支架
用于模拟骨组织的静电纺丝纳米/微纤维在促进骨生成分化方面显示出治疗潜力，但其机械硬度仍低于天然骨[59]、[60]、[61]。一种改进方法是结合合成聚合物和生物活性无机物质（如羟基磷灰石或三钙磷酸盐），以提升支架的结构和机械性能[62]。优点与缺点
静电纺丝纳米纤维具有较大的比表面积和多孔性，有助于提高细胞黏附性、增殖以及营养物质和氧气的传输[87]。这些特性使其在药物输送[88]等应用中得到广泛应用。天然来源和合成聚合物的多样性以及生物活性因子（如生长因子或药物）的加入，进一步增强了静电纺丝纤维的治疗潜力[89]。此外，这一过程成本相对较低。静电纺丝与生物打印的结合
生物打印主要包括三个组成部分：生物细胞、生物墨水（主要以含有生长因子的水凝胶-细胞培养基形式存在），以及基于计算机辅助设计（CAD）文件（来源于计算机断层扫描（CT）数据或其他设计软件）的机器人分配系统[97]。现有的生物打印方法包括挤压式[图3A]、喷射式[图3B]和激光式[图3C]等。技术挑战与未来发展方向
疏水性合成纤维（通常是PCL或PLGA）与亲水性水凝胶生物墨水之间的界面不相容性可能导致结构不稳定。通过表面修饰或使用两亲嵌段共聚物，可以实现这些不同材料相的化学结合，从而防止结构失效。例如，最近采用等离子体处理纤维后再进行封装的策略在提高润湿性和防止分层方面显示出良好效果。结论
生物制造技术已朝着通过模拟天然组织的微观和纳米结构来生成功能性组织模型和器官的方向发展。静电纺丝技术能有效模仿ECM的纳米纤维结构，而3D生物打印技术的进步则实现了生物细胞和材料的空间可控沉积。然而，单独使用静电纺丝技术难以实现三维复杂性和细胞整合，而生物打印技术在保持细胞活力的同时往往难以达到足够的机械强度。作者贡献声明
Ayda Pourmostafa：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、实验研究。Moein Zarei：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、软件应用、实验研究。Amir K. Miri：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源调配、方法设计、概念构思。Amirhossein Moghanian：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源调配、方法设计、概念构思利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
A.K.M.感谢New Jersey Health Foundation（NJHF）对本研究工作的支持。
