一、研究背景

多年来，在开发模拟体内微环境的细胞培养平台方面取得了重大进展，并极大地促进了模拟体内生理的体外器官/组织模型的构建。虽然传统的细胞培养平台仅限于通过调节培养基成分或细胞外基质（ECM）成分在基质上的功能化来实现生化微环境，但细胞培养平台的进步已经使得实现体内组织的生物物理（机械和结构）微环境成为可能。最近的研究表明生物物理微环境对促进细胞行为和功能的重要性，这极大地增加了开发实现生物化学和生物物理微环境的先进细胞培养平台的需求和兴趣。

在先进细胞培养平台的发展过程中，具有仿生特性的纳米、微或多尺度材料在实现生物物理微环境方面发挥了关键作用。在用于开发先进细胞培养平台的仿生材料中，纳米纤维膜（NFM）是一种这样的平台材料，由于其独特的结构类似于天然组织中ECM的纳米纤维结构，因此获得了广泛的关注。此外，NFM具有kPa至MPa的生理刚度，以及高孔隙率和微尺度厚度，提供了一个高渗透性的微环境，促进了细胞周围营养物质/气体的扩散。利用NFM作为细胞培养平台的一个主要问题是实现其结构特征以提供结构微环境。近年来，NFM制造技术取得了显著进展，实现了各种结构的NFM，如微观结构的NFM和宏观结构形成的NFM。

综述了纳米纤维支架的制备方法及其作为细胞培养平台开发体外模型的优势。然而，值得注意的是，这些讨论仅限于一般的NF支架，并没有全面分析基于NFM的细胞培养平台开发的NFM制造技术。在这里，我们回顾了基于仿生NFM细胞培养平台的NFM制造技术，涵盖了从NFM生产到创建生理体外器官/组织模型的平台化方法的整个过程（图1）。首先，我们介绍了具有多种结构的NFM的制造技术。重点介绍了静电纺丝工艺，这是一种用途广泛、应用最广泛的制备nfm的方法。根据可获得的NFM结构，在本综述中，我们将NFM分为以下几种：1)2D NFM, 2) 2.5D NFM，即微观结构的NFM，以及3)3D NFM，即NFM本身形成宏观结构。此外，还讨论了在NFM上实现附加结构/化学特性的后处理技术，以及将NFM与培养基质（如微流控芯片）集成。最后，我们讨论了具有改进特性和功能的nfm在开发各种类型体外模型中的应用，以及基于nfm的细胞培养平台在学术界和工业界实际应用中的其余挑战。

二、摘要

纳米纤维膜（NFMs）具有细胞外基质模拟结构和独特的物理特性，作为一种仿生材料在体外器官/组织模型的研究中受到广泛关注。NFM制造技术的最新进展极大地促进了基于NFM的细胞培养平台的发展，用于构建生理器官/组织模型。然而，尽管NFM制造技术具有重要意义，但对该制造技术及其未来发展方向的深入讨论还不够。这篇综述概述了目前最先进的NFM制造技术，从静电纺丝技术到各种类型的基于NFM的细胞培养平台的后处理技术。此外，还讨论了基于nfm的培养平台在构建器官/组织模型方面的优势，特别是在组织屏障模型、球体/类器官和仿生器官/组织构建方面。最后，对nfm的制备和利用面临的挑战和未来的发展方向进行了展望。

三、结论

本文介绍了各种类型的2D、2.5D和3D NFM制造技术，用于生产仿生细胞培养平台，以开发与生理相关的体外器官/组织模型。基于nfm的细胞培养平台的出现具有各种几何形状，在构建生理体外器官/组织模型方面显示出巨大的能力。虽然这些成果也对生理病理研究和药物开发提出了很大的期望，但nfm作为细胞培养平台的实际应用仍然具有挑战性。最重要的是，nfm通常是在实验室规模制造的，没有考虑可扩展的生产，从而限制了nfm在体外器官/组织模型开发中的高通量筛选、一致性、成本效益和可及性。虽然已经提出了多种可扩展生产nfm的方法，如多喷嘴静电纺丝和自由移动表面静电纺丝，但由于通过这些方法制造的nfm主要限于2D nfm，因此能够大规模批量制造独立式2D/2.5D/3D nfm的新方法将为扩大使用各种类型的基于nfm的细胞培养平台提供巨大的机会。关于薄NFM的利用，虽然由于其提供生理相关的刚度和高度渗透性的环境，它们为开发仿生细胞培养平台提供了优势，但其微妙的性质在处理和实际应用过程中会带来挑战。由于其小尺寸和轻重量的特性，将薄的nfm精确地转移和定位到特定的表面或基板上变得困难，并且在操作时它们可能更容易撕裂或损坏。为了解决这一挑战，一种有前途的方法涉及纳米/微制造技术的集成，如熔融纺丝和3D打印，在开发基于nfm的细胞培养平台中使用静电纺丝。这种方法可以生产结合静电纺nfm和微纤维的复合材料，保留nfm的固有特性，同时便于操作和处理。此外，使用nfm作为细胞培养平台时经常引起的一个突出问题与图像分辨率有关。NFM由相互连接的NFs网络组成，导致该网络结构中的光散射和捕获，从而导致NFM的整体不透明。因此，nfm的不透明性对高分辨率成像技术（如共聚焦显微镜或双光子显微镜）提出了挑战，因为它阻碍了光进入样品，限制了对细胞过程的详细观察。为了解决成像中NFM不透明所带来的限制，一种常见的方法是使用更薄和对齐的NFM，这样可以更好地穿透光线并提高成像质量。

图1.基于nfm的静电纺丝仿生细胞培养平台的制造技术示意图（先进的静电纺丝、结构形成、表面修饰和与培养基质的整合）。

图2.基于专用喷嘴的NFM先进静电纺丝技术示意图。a)共轭静电纺丝。b)同轴静电纺丝。c)多喷嘴静电纺丝。d)无喷嘴静电纺丝。

图3.利用具有多种结构的NFM来概括人体器官/组织的结构。