一、研究背景

多年來，在開發(fā)模擬體內(nèi)微環(huán)境的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)方面取得了重大進(jìn)展，并極大地促進(jìn)了模擬體內(nèi)生理的體外器官/組織模型的構(gòu)建。雖然傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)僅限于通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)基成分或細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）成分在基質(zhì)上的功能化來實(shí)現(xiàn)生化微環(huán)境，但細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的進(jìn)步已經(jīng)使得實(shí)現(xiàn)體內(nèi)組織的生物物理（機(jī)械和結(jié)構(gòu)）微環(huán)境成為可能。最近的研究表明生物物理微環(huán)境對(duì)促進(jìn)細(xì)胞行為和功能的重要性，這極大地增加了開發(fā)實(shí)現(xiàn)生物化學(xué)和生物物理微環(huán)境的先進(jìn)細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的需求和興趣。

在先進(jìn)細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的發(fā)展過程中，具有仿生特性的納米、微或多尺度材料在實(shí)現(xiàn)生物物理微環(huán)境方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在用于開發(fā)先進(jìn)細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的仿生材料中，納米纖維膜（NFM）是一種這樣的平臺(tái)材料，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)類似于天然組織中ECM的納米纖維結(jié)構(gòu)，因此獲得了廣泛的關(guān)注。此外，NFM具有kPa至MPa的生理剛度，以及高孔隙率和微尺度厚度，提供了一個(gè)高滲透性的微環(huán)境，促進(jìn)了細(xì)胞周圍營養(yǎng)物質(zhì)/氣體的擴(kuò)散。利用NFM作為細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的一個(gè)主要問題是實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)特征以提供結(jié)構(gòu)微環(huán)境。近年來，NFM制造技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)的NFM，如微觀結(jié)構(gòu)的NFM和宏觀結(jié)構(gòu)形成的NFM。

綜述了納米纖維支架的制備方法及其作為細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)開發(fā)體外模型的優(yōu)勢(shì)。然而，值得注意的是，這些討論僅限于一般的NF支架，并沒有全面分析基于NFM的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)開發(fā)的NFM制造技術(shù)。在這里，我們回顧了基于仿生NFM細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的NFM制造技術(shù)，涵蓋了從NFM生產(chǎn)到創(chuàng)建生理體外器官/組織模型的平臺(tái)化方法的整個(gè)過程（圖1）。首先，我們介紹了具有多種結(jié)構(gòu)的NFM的制造技術(shù)。重點(diǎn)介紹了靜電紡絲工藝，這是一種用途廣泛、應(yīng)用最廣泛的制備nfm的方法。根據(jù)可獲得的NFM結(jié)構(gòu)，在本綜述中，我們將NFM分為以下幾種：1)2D NFM, 2) 2.5D NFM，即微觀結(jié)構(gòu)的NFM，以及3)3D NFM，即NFM本身形成宏觀結(jié)構(gòu)。此外，還討論了在NFM上實(shí)現(xiàn)附加結(jié)構(gòu)/化學(xué)特性的后處理技術(shù)，以及將NFM與培養(yǎng)基質(zhì)（如微流控芯片）集成。最后，我們討論了具有改進(jìn)特性和功能的nfm在開發(fā)各種類型體外模型中的應(yīng)用，以及基于nfm的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界實(shí)際應(yīng)用中的其余挑戰(zhàn)。

二、摘要

納米纖維膜（NFMs）具有細(xì)胞外基質(zhì)模擬結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的物理特性，作為一種仿生材料在體外器官/組織模型的研究中受到廣泛關(guān)注。NFM制造技術(shù)的最新進(jìn)展極大地促進(jìn)了基于NFM的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的發(fā)展，用于構(gòu)建生理器官/組織模型。然而，盡管NFM制造技術(shù)具有重要意義，但對(duì)該制造技術(shù)及其未來發(fā)展方向的深入討論還不夠。這篇綜述概述了目前最先進(jìn)的NFM制造技術(shù)，從靜電紡絲技術(shù)到各種類型的基于NFM的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的后處理技術(shù)。此外，還討論了基于nfm的培養(yǎng)平臺(tái)在構(gòu)建器官/組織模型方面的優(yōu)勢(shì)，特別是在組織屏障模型、球體/類器官和仿生器官/組織構(gòu)建方面。最后，對(duì)nfm的制備和利用面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

三、結(jié)論

本文介紹了各種類型的2D、2.5D和3D NFM制造技術(shù)，用于生產(chǎn)仿生細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)，以開發(fā)與生理相關(guān)的體外器官/組織模型?；?/span>nfm的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的出現(xiàn)具有各種幾何形狀，在構(gòu)建生理體外器官/組織模型方面顯示出巨大的能力。雖然這些成果也對(duì)生理病理研究和藥物開發(fā)提出了很大的期望，但nfm作為細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用仍然具有挑戰(zhàn)性。最重要的是，nfm通常是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制造的，沒有考慮可擴(kuò)展的生產(chǎn)，從而限制了nfm在體外器官/組織模型開發(fā)中的高通量篩選、一致性、成本效益和可及性。雖然已經(jīng)提出了多種可擴(kuò)展生產(chǎn)nfm的方法，如多噴嘴靜電紡絲和自由移動(dòng)表面靜電紡絲，但由于通過這些方法制造的nfm主要限于2D nfm，因此能夠大規(guī)模批量制造獨(dú)立式2D/2.5D/3D nfm的新方法將為擴(kuò)大使用各種類型的基于nfm的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)提供巨大的機(jī)會(huì)。關(guān)于薄NFM的利用，雖然由于其提供生理相關(guān)的剛度和高度滲透性的環(huán)境，它們?yōu)殚_發(fā)仿生細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)提供了優(yōu)勢(shì)，但其微妙的性質(zhì)在處理和實(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)帶來挑戰(zhàn)。由于其小尺寸和輕重量的特性，將薄的nfm精確地轉(zhuǎn)移和定位到特定的表面或基板上變得困難，并且在操作時(shí)它們可能更容易撕裂或損壞。為了解決這一挑戰(zhàn)，一種有前途的方法涉及納米/微制造技術(shù)的集成，如熔融紡絲和3D打印，在開發(fā)基于nfm的細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)中使用靜電紡絲。這種方法可以生產(chǎn)結(jié)合靜電紡nfm和微纖維的復(fù)合材料，保留nfm的固有特性，同時(shí)便于操作和處理。此外，使用nfm作為細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)時(shí)經(jīng)常引起的一個(gè)突出問題與圖像分辨率有關(guān)。NFM由相互連接的NFs網(wǎng)絡(luò)組成，導(dǎo)致該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的光散射和捕獲，從而導(dǎo)致NFM的整體不透明。因此，nfm的不透明性對(duì)高分辨率成像技術(shù)（如共聚焦顯微鏡或雙光子顯微鏡）提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)樗璧K了光進(jìn)入樣品，限制了對(duì)細(xì)胞過程的詳細(xì)觀察。為了解決成像中NFM不透明所帶來的限制，一種常見的方法是使用更薄和對(duì)齊的NFM，這樣可以更好地穿透光線并提高成像質(zhì)量。

圖1.基于nfm的靜電紡絲仿生細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)的制造技術(shù)示意圖（先進(jìn)的靜電紡絲、結(jié)構(gòu)形成、表面修飾和與培養(yǎng)基質(zhì)的整合）。

圖2.基于專用噴嘴的NFM先進(jìn)靜電紡絲技術(shù)示意圖。a)共軛靜電紡絲。b)同軸靜電紡絲。c)多噴嘴靜電紡絲。d)無噴嘴靜電紡絲。

圖3.利用具有多種結(jié)構(gòu)的NFM來概括人體器官/組織的結(jié)構(gòu)。