摘要：生物聚合物基纤维聚集体材料（BFAMs）因其优异的生物相容性、可加工性、可生物降解性和多功能性而在生物医学领域受到越来越多的关注。特别是，BFAM 的医疗应用需要先进的结构、性能和功能，而传统的试错法难以提供。这需要合理选择材料和制造方法，以设计具有各种预期功

生物聚合物基纤维聚集体材料（BFAMs）因其优异的生物相容性、可加工性、可生物降解性和多功能性而在生物医学领域受到越来越多的关注。特别是，BFAM 的医疗应用需要先进的结构、性能和功能，而传统的试错法难以提供。这需要合理选择材料和制造方法，以设计具有各种预期功能和结构的 BFAM。

基于此，东华大学朱美芳院士团队在期刊《Advanced Materials ( IF 27.4 )》上发表题目为“Biopolymer based Fibrous Aggregate Materials for Diagnosis and Treatment: Design, Manufacturing, and Applications”的综述，总结了BFAMs在原材料选择、结构和功能设计、加工工艺和应用等方面的研究进展。

本文要点：

1、本文从材料选择、结构与功能设计、加工技术及应用等方面综述了生物膜材料的研究进展。

2、讨论了在BFAM发展过程中遇到的挑战，并提出了相关领域的未来展望。

图1 从材料、形态、技术、应用等方面介绍了BFAM的发展历史。

图2 为诊断和治疗应用而设计的BFAM原理图。

BFAM的设计

材料的制备一般是一个从原材料开始自下而上组装的过程。从微观到宏观尺度，聚合物链通过分子间和分子内的相互作用形成纤维，这些纤维折叠成纤维膜和聚集体，类似于木材中的分层结构(图3)。本文从微观聚集结构的控制、介观多元结构的组装和宏观结构的制备三个层面讨论了BFAM结构设计的最新进展。

图3 以木材的层次化结构为例，从微观到细观和宏观尺度进行BFAM的结构设计示意图。

图4 具有设计结构的BFAM的制造。a)微观聚集结构形成示意图；b)介观多重结构的形貌；c)具有代表性的宏观结构。

BFAM的功能设计

BFAM可以通过纳米混合、表面涂层和结构调节设计用于医学诊断和治疗。它们可以被设计成具有信号传输（包括光和电）、物质传输的特性（药物持续释放等）和环境反应性。本节详细介绍了BFAM的功能化，重点介绍了它们的电导率、透光性、刺激反应、抗菌性能和药物传递。

图5 具有代表性功能的BFAM示意图。a)导电性能。b)光传输。c)刺激反应。d)抗菌性能。e)给药。

图6 通过不同的策略制造具有预期功能的BFAM。a)导电BFAM含有i)电子，ii)离子和iii)混合导电填料。b)光传输：由i) RSF和ii) CMC制备的光纤图像。c)具有i) pH-和ii)多重响应性的刺激响应性BFAM。d)从i)内在抗菌壳聚糖，ii)无机和iii)有机抗菌剂中获得的抗菌BFAM。e)具有药物递送功能的bfam: i)通过降解持续递送，ii)具有双重响应性的受控递送系统。

图7 具有稳定界面的BFAM的制造策略示意图。

图8 具有集成功能和结构的BFAM。

BFAM的制备

在选择原材料并确定其特定的结构和功能后，下一步就是制造所需的材料BFAM。通过适当的处理技术用于图2中前面提到的三个应用场景。BFAM可以分为1D、2D和3D形状。介绍纤维的形成原理、影响纤维结构和功能的调节因素及其适用性。讨论分为一维结构纤维的纺丝，二维纤维膜的制造和三维纤维聚集体的构建。

对于一维纤维，关键是在一维密闭空间内实现完全固化，原料可以作为溶液或熔体使用。纤维的形成过程可以通过溶剂、张力、光学和温度等外部场来调节

(图9)。基于这一形成机理，主要有湿法纺丝、微流控纺丝、熔融纺丝和拉伸纺丝等技术。

图9 一维结构纤维纺丝示意图及每种方法的关键参数。a)湿纺；b)微流控纺丝；c)熔融纺丝；d)拉伸旋转。

2D纤维膜由一维纤维在2D密闭空间中加工而成（图10）。加工主要基于静电场、气流场、力场等外部场，可以有序堆叠，也可以无序组装。二维纤维膜可以通过静电纺丝、溶液吹纺、非织造和织造技术以及其他新技术制备。

图10 制作二维纤维膜的示意图及每种方法的关键参数。)电纺;b)溶液吹丝；c)离心纺丝。d)编织工艺；e)非织造布加工。

图11 采用不同工艺制备二维纤维膜。a)静电纺丝法制备PLLA/CFO纳米纤维膜示意图。b)

溶液吹纺生产胶原/壳聚糖纳米纤维膜示意图。c)离心纺丝工艺示意图。d)不同针型针织物的制备。e)真丝无纺布制备路线。f)纺纱技术。

3D纤维聚集体的构造

对于三维纤维骨料，制备主要需要安排通过加工现有纤维或直接从熔体或溶液中形成纤维，在3D开放空间中形成1D纤维（图14）。重点介绍两种主要方法：3D打印和三维编织。

3D打印是一项先进的技术，通过逐层顺序沉积材料来构建3D物体。这个过程从数字模型开始，通过打印机制备3D BFAM，具有1D纤维构成单元（图14a）。

3D编织是另一种先进的纤维聚集体制造技术，能够通过编程设计将一维纤维加工成三维聚集体。结果可称为三维织物，通过多根纱线的规则运动在三维空间中排列或交织。这些3D织物提供了灵活的结构设计和优异的层间性能，提高了整体机械强度。

图12 构建三维纤维聚集体的示意图。a) 3D打印；b)三维编织。

图13 构建三维纤维聚集体的案例。

BFAM的应用场景

近年来，BFAM具有易于加工或功能化、良好的生物相容性和生物降解性，在生物医学工程中显示出巨大的潜力。从人体的两种基本信号（物理信号和化学信号）出发，根据BFAM的传输功能（如光波导、电导率和药物释放）、多孔性、响应性和高力学性能四个关键特性，讨论BFAM在疾病诊断和治疗中的应用。

图14 BFAM在诊断和治疗领域的应用示意图。

图15 BFAM的发展前景。

总结与展望

用于生物医学诊断和治疗的具有集成功能和结构的BFAM的制备是一个不断发展和发展的研究领域。BFAM包含一维结构纤维，2D纤维膜和3D纤维聚集体为上述特定应用开发。尽管在功能和结构的多样性方面取得了成就，但医学诊断和治疗领域对BFAM的结构、性能和功能的要求越来越高。随着新材料体系的发展、制造技术的发展和产业链的形成，低成本、环保、高性能的生物医学领域的生物膜有望得到发展和广泛应用。

来源：科学风向标