一、研究背景

精准医疗是一种基于临床诊断和患者生物信息分析的新型医疗模式，它在提供疾病诊断、预防和治疗时考虑到了每位患者在基因、环境和生活方式上的个体差异。与传统的 “千篇一律 ”的临床和医疗保健不同，精准医学允许医生和研究人员预测、设计和实施针对特定患者的最佳或特定治疗方法。要实现这一目标，关键是要获取和分析足够的患者生物和生理病理信息，并利用具有指导意义的医疗数据来实现针对患者的治疗。近年来，医疗纳米/微型机器人、可穿戴/植入式生物传感器和人体器官芯片（OOCs）等先进医疗设备不断涌现，可实现药物/细胞的靶向输送、生理状况的精确监测以及患者对定制药物组合反应的评估。尽管如此，这些精密仪器的设计和制造仍需要工程技术的创新。

作为现代生物医学的一个重要发展方向，医用微型机器人是一种功能性装置，可以在外力刺激（如光/磁/声场、pH 值和化学物质）或自我推动（如细胞和微生物的移动性）的驱动下在人体内进行导航运动，从而实现微观治疗。这些微型外科医生为推进靶向治疗、微创/无创医疗手术和医学成像做出了贡献。目前，已有多种技术被用于制造微型机器人，包括物理气相沉积、激光直写三维（3D）打印、电化学沉积和湿化学合成。然而，这些流行的技术仅限于以低成本稳定、大规模地生产功能微机器人，这些微机器人应能控制机器人的尺寸和结构，并集成刺激响应材料或生物元件，以实现智能操纵。

诊断和分析是精准医疗的关键过程。如果不能准确、及时地检测出个体出现的异常生理现象，就很难提供适当、有效的医疗服务。可穿戴和植入式生物传感器能够通过生物组件（生物受体或生物分子）感知目标分析物的变化，然后将其转化为可测量的信号（如电、光、热或其他形式的信号）进行实时读取，从而监测患者的状态。考虑到所需的有效性和工作环境，合格的生物传感器应具备高灵敏度，能够精确辨别微妙的生理变化，同时还应具有良好的生物兼容性、灵活性和/或长期的体内稳定性，以获得用户的认可。因此，确实需要具有传感性能和可调理化特性的先进材料和元件来促进生物传感器的开发。

OOC 的出现为在分区微流控芯片上创建微型人体组织/器官模型铺平了道路。通过协调多种类型的细胞和提供生理信号（如动态机械力、细胞外基质（ECM）线索和生化梯度），OOC 与动物和平面细胞模型相比，能提供更贴切的生理再现。更重要的是，有了从患者体内分离的细胞的参与，就有可能利用这种装置建立患者特异性病理微环境，从而为探索个性化治疗（如优化药物剂量和组合）带来益处。尽管 OOC 已显示出巨大的前景，但材料和制造技术的不断进步将提高其复杂性和可靠性，从而可能增强此类平台的生物仿生反映，从而扩大其在精准医学中的应用。

电纺丝是一种广泛应用的纳米技术，它能在静电场中从聚合物溶液或熔体中获得连续纤维，具有可扩展性强、材料适应性广、易于功能化和成本低等优点。通过调节加工参数，该技术可生产出各种功能材料和结构，如纳米纤维、微珠和多孔膜，这些材料和结构已被广泛用作生物医学产品。然而，纤维沉积混乱、缺乏多种功能集成和生产效率低等几个关键缺点阻碍了其从实验室到临床的转化。最重要的是，电纺丝过程中广泛使用的有毒溶剂通常会限制生物分子和活细胞等生物元素在纳米/微纤维制造过程中的参与，这大大限制了其在精准医疗领域的进一步应用。

为了克服这些挑战，人们在确定纤维模式、丰富纤维成分、实现大规模生产以及封装脆弱分子和细胞等方面做出了开创性的努力，从而带来了多种先进的电纺丝技术。利用电纺丝的这些优点，可以设计、制造先进的构件，并将其与医疗微型机器人、生物传感器和 OOC 相结合，以提高其性能和功能多样性，从而在精准医疗领域实现更丰富的应用。

本综述重点介绍最近出现的先进电纺丝技术，这些技术分为功能复合材料、协调结构、活体构造物和高通量制造纤维的制造，讨论它们对提高生物医学设备（包括医疗微型机器人、生物传感器和 OOC）性能的影响，并讨论当前面临的挑战和未来展望（图 1）。

图1.综述示意图。

二、摘要

在精准医疗领域，制造技术的进步对于提高纳米/微型机器人、可穿戴/可植入生物传感器和片上器官系统等医疗设备的能力至关重要，这些设备可准确获取和分析患者的生理病理信息，并进行针对患者的治疗。电纺丝技术在先进医疗设备的材料和组件工程方面大有可为，因为它能够推动纳米材料科学的发展。然而，电纺丝面临的挑战包括：成分种类有限、纤维取向不可控、难以结合脆弱的分子和细胞以及生产效率低，这些都阻碍了电纺丝的进一步应用。为了克服这些挑战，人们探索了先进的电纺丝技术，以制造功能复合材料、协调结构、活体构建物和放大制造。本综述深入探讨了电纺丝技术的最新进展，在介绍传统电纺丝技术的基本信息、讨论当前挑战和未来展望的基础上，强调了电纺丝技术在彻底改变精准医学领域的潜力。

三、结论

电纺纤维具有高比表面积和模拟细胞外基质的优异性能，因此被广泛应用于医疗领域。随着先进电纺技术的发展，在提高材料多样性、优化材料性能和商业化方面取得了进展。因此，先进的电纺丝技术为精准医疗的发展提供了实用的手段，同时也促进了该领域的发展。

尽管电纺丝技术已被用于设计先进的生物医学设备，但未来的研究应侧重于进一步挖掘其潜力，以扩展和改进其在精准医疗中的应用。例如，为了实现不同的运动模式，人们为医疗微型机器人设计了各种形状，如螺旋形、管状、球形、仿细胞形等。尽管如此，在有限的开创性工作中，只有先进的电纺丝技术实现了类似精子和火箭的结构。不过，结合其他制造技术（如三维打印和电喷雾），电纺丝极有可能扩展到制造其他类型的微型机器人，包括螺旋和珠状机器人，因为之前已经制造出了更复杂的结构（如支架和药物球）。

除生物医学设备外，组织工程和药物输送方面也有很多发展前景，这些内容已在其他地方进行了全面评述。先进电纺丝技术的出现有望不断为再生医学和现代制药学的发展带来创新方法。在这篇综述中，总结了直接工程化含有细胞的生物纤维和复杂构造的卓越成就。虽然组织工程人员曾尝试将细胞播种到电纺支架上，但细胞穿透深度有限（小于 100 μm），这限制了均质活组织的构建。此外，与三维生物打印丝（大于 200 微米）相比，电纺生物纤维较细（约 10 微米），有利于引导细胞排列和定向迁移，从而有助于构建具有各向异性特征的功能组织/器官（如肌肉和神经元）。

制造超细、有序和复杂的结构是纳米科学的追求。电纺丝技术在实现超细纤维、构建有序纳米纤维阵列以及制造特殊结构（如核壳结构、Janus 结构及其组合）方面具有显著优势。多腔结构允许在电纺纤维中封装和控制释放多种物质，可极大地推动药物输送技术的发展。串珠混合物可将纳米颗粒、微颗粒或其他功能材料融入电纺纤维，为定制纤维的性能和功能提供了机会。电纺丝的这些成就进一步促进了纳米科学和纳米技术在精准医疗中的应用。

尽管电纺丝具有显著的优点，但其缺点也是显而易见的，如产品一致性相对不稳定，控制因素较多。要稳定电纺工艺，需要系统地考虑大量参数，包括材料特性、溶剂配方、电压水平、喷嘴规格、材料流速、收集方式和距离、环境湿度、温度等。每个因素的细微变化都可能导致纤维状态的变化。此外，化学溶剂的使用不仅会影响临床安全检查，还不可避免地限制了对医疗保健有益的易损载体（如蛋白质、化学/热敏感化合物和细胞因子）的选择，极大地阻碍了它们在生物医学领域的应用。因此，有必要在材料学家、化学家、生物学家、工程师和医生之间开展合作，以拓宽其在精准医疗领域的应用。

图2.电纺丝装置和过程示意图。(A) 泰勒锥形成示意图和泰勒锥截图。(B) 电纺丝原理图和电纺丝纤维图片。

图3.用于异质纤维的先进电纺丝原理图。(A) 扫描电子显微镜（SEM）显示的同轴电纺丝和纤维示意图。(B) 三轴电纺丝示意图和扫描电子显微镜观察到的三轴纤维。(C) 乳化电纺丝示意图和核壳纤维图像。(D) 共轭电纺丝示意图和纤维的扫描电镜图像。(E) 混沌电纺原理图和混沌电纺纤维的显微照片。

图4.先进电纺丝法制造协调纤维的示意图。(A) 近场电纺丝和纤维示意图。(B) 熔体电纺丝和纤维示意图。

图5.用于高通量制造纤维的先进电纺丝示意图。(A) 无针电纺原理图和无针电纺工艺照片。 (B) 离心电纺方案和离心电纺纤维的 SEM 图像。