一、研究背景

随着生活水平的提高，人们期望获得更好的健康和伤病后的康复，这使得生物医学工程变得更加复杂和精确。生物医学材料作为生物体的诊断、治疗或替代来源，引起了人们极大的兴趣。用于生物医学目的的材料需要满足几个严格的要求：它们必须具有生物兼容性，避免在体内产生任何不良反应；材料必须具有生物活性，能够对活细胞、组织或生物体产生作用；材料应具有足够的物理和机械性能，以便于加工。因此，与生物系统的直接接触和相互作用使生物医学材料的选择成为一项巨大的挑战。

随着纳米技术和跨学科研究的发展，具有独特物理和化学特性的纳米材料已成为可行的生物医学材料。其中，纳米纤维因其仿生特性和易于生产而在生物医学应用中引发了广泛的兴趣。电纺丝是一种直接形成连续纳米级纤维的技术。电纺纳米纤维具有孔隙率大、比表面积大、易于改性和成本低等特点。最近，如图 1 所示，它们已被广泛应用于生物医学的许多领域，如组织工程、药物输送、癌症研究、生物传感器、过滤和脂肪酶固定等。与传统的生物传感器相比，基于纳米纤维的生物传感器具有许多优点，包括反应速度快、灵敏度高、检测范围广以及成本效益高。本文综述了电纺的工作原理、用于生物医学的电纺纳米纤维的典型结构，以及电纺纳米技术在生物传感器和其他生物医学领域的应用。

二、摘要

纳米技术正经历着前所未有的发展，从而推动了功能性纳米材料的进步。静电纺丝设备电纺纳米纤维具有显著的多孔性、高比表面积、出色的负载能力、易改性和低成本等特性。在生物医学领域，尤其是在生物传感器方面，电纺纳米纤维表现出惊人的潜力。本综述介绍了电纺的原理，描述了几种用于生物医学的电纺纳米纤维的结构和生物材料，并总结了该技术在生物传感器和其他生物医学应用中的应用。此外，还讨论了电纺丝用于生物医学所面临的技术挑战和局限性；然而，要阐明电纺丝的全部潜力，还需要开展更多的研究工作。

三、结论

随着纳米技术的跨学科发展，纳米材料的功能性和实用性越来越强，从而在生物医学领域发挥着越来越重要的作用。其中，纳米纤维因其仿生特性而备受瞩目。利用静电纺丝设备是制备纳米纤维的一种低成本、简便易行的方法。与传统的生物传感器相比，基于纳米纤维的生物传感器具有许多优势，如反应性更强、灵敏度更高、检测范围更广、成本效益更高。本综述涵盖电纺丝的基本原理、生物医学领域使用的典型电纺纳米纤维结构，以及电纺丝在生物传感器和其他生物医学领域的应用。

尽管电纺丝技术已在生物医学领域证明了其优势，但它仍面临许多挑战。目前急需一种高效的机制来大规模生产电纺丝纤维。制造时间长和产量低阻碍了电纺丝技术的商业化。文章中介绍的大规模生产方法，包括无针电纺和多针电纺，若要实现工业化生产，还需要进一步改进。具有高生产率的电纺丝设备通常面临着自由液稳定性差和难以控制多个射流的问题。Xiong 等人在自由液面上构建了一个高曲率环形预泰勒锥，以形成多个喷流。他们使用蘑菇喷丝板来确保多个喷流的稳定运动，显示出 13.7 g/h 的出色生产率。

由于电纺纳米纤维通常通过植入人体或与人体直接接触发挥作用，因此另一个需要关注的问题是材料的安全性。关于电纺纤维产品的临床试验屈指可数，更不用说还需要获得美国食品药品管理局（FDA）和欧洲药品管理局（EMA）的批准。虽然 PVA 等合成聚合物已获得 FDA 批准用于临床，但其生物活性和生物相容性相对不足。一种解决方案是将天然聚合物与合成聚合物相结合，同时利用合成聚合物的物理性质和天然聚合物的生物活性。开发一种无毒、生物兼容、可在人体内降解的电纺材料仍是一项巨大挑战。由于新陈代谢系统的巨大差异，仅在大鼠等小动物身上测试电纺纤维生物医学产品的效果是不够的。需要进行更多的临床试验，以提高实验的可重复性，实现实际应用。总之，电纺丝技术在生物医学领域发展迅速，前景广阔。

图1.静电纺丝技术在生物医学中的主要应用

图2.典型静电纺丝装置原理图

图3.(a) 同轴电纺丝、(b) 多针电纺丝、(c) 近场电纺丝、(d) 使用旋转喷丝板装置的无针电纺丝、(e) 使用固定喷丝板装置（阶梯式金字塔）的无针电纺丝和 (f) 使用固定喷丝板装置（气泡喷丝板）的无针电纺丝的示意图。

图4.不同的电纺纳米纤维结构： (a) 芯壳纤维；(b) 空心纤维；(c) 多孔纤维；(d) 珠状纤维；(e) 多通道纤维；(f) 带状纤维；(g) 螺旋状纤维；(h) 松针状纤维；(i) 并排纤维。

图5.(a) PHB-S-1%MWCNTs 电纺纤维的 TEM 图像。(b) 倒置光学显微镜图像显示第 7、14 和 21 天 MG-63 细胞在 PHB-S-1%MWCNTs 电纺支架和对照样品上的茜素红 S 应变情况。(c) 用于骨组织再生的 GNPs 嵌入 PVP/EC 同轴电纺纳米纤维支架。GNPs负载的PVP/EC同轴电纺纳米纤维支架的体内骨再生：（d）重建的三维显微CT图像。(e）电纺丝装置及其 BTNP/PVDF 产品。