DOI：10.1016/j.pmatsci.2020.100656

由碎片状静电纺纳米纤维毡/膜组装而成的三维（3D）整体结构（即气凝胶/海绵/支架）是静电纺丝领域的一个新兴研究课题。由于其极高的孔隙率以及优异的结构柔韧性和稳定性，这些三维纳米纤维结构在各种应用中引起了研究者们的极大兴趣。性质及其在环境（有机物去除、染料吸附、过滤分离）、能量（超级电容器）、电子（压力传感器）等领域的应用，综述了化学工程（如催化剂本文综述了三维整体结构的制备方法，讨论了三维整体结构的载体、绝热材料和焦耳加热器）和生物医学工程（如组织工程、水凝胶和药物传递）的研究进展。此外，本文还提出了未来的展望和挑战。该综述将为设计新颖的三维电纺纳米纤维结构和探索其潜在应用提供重要的指导。

图1.示意图显示了电纺三维结构的不同制造方法，包括（A）溶剂浴收集，（B）无针静电纺丝，（C）静电推斥，（D）接触纺丝，（E）针尖结合静电纺丝，（F）膨胀纳米纤维，（G）气体发泡，（H）模板辅助收集，（I） 快速成型与静电纺丝相结合，（J）飞秒激光与静电纺丝相结合，（K）稳定射流直写电纺丝，（L）静电纺纳米纤维纱，（M）静电纺纳米纤维的自组装。

图2.示意图显示了纤维，各向同性结合弹性重建3D纳米纤维气凝胶（NFAs）的合成步骤。（1）柔性PAN/BA-a和SiO2纳米纤维膜是通过静电纺丝生产的。（2）通过高速均质化制备均匀的纳米纤维分散体。（3）通过冷冻干燥纳米纤维分散体来制备未交联的纳米纤维气凝胶。（4）通过交联处理制备得到的FIBER 纳米纤维气凝胶。

图3.分层细胞结构形成的机制。

图4.SEM图像显示了缩短的（A）PAN和（B）CNFs电纺纳米纤维。插图：显示纳米纤维分散在水中的照片。（C）照片显示了在叔丁醇中具有不同浓度（wt％）的冷冻纳米纤维分散体。最高值指示体积变化（定义为相关冷冻缸中心高度的变化）。

图5.（A1）FIBER纳米纤维气凝胶具有明显的交联3D纤维网络，在未交联纳米纤维气凝胶和FIBER纳米纤维气凝胶的纤维之间具有牢固的键合（A2）FT-IR光谱。（B1）SEM图像显示RC纳米纤维与PVA的结合。（B2）在约230℃稳定前后从UECS获得的FT-IR光谱。（C1）SEM图显示了聚（MA-MMA-MABP）的结合。（C2）聚（MA-MMA-MABP）在紫外线照射下交联前后的ATR-IR光谱图。（D1）通过热诱导的分子间缩合结合的PINFA的SEM图像。（D2）PINFA和非PINFA的XPS频谱。

图6.（A）FIBER气凝胶的SEM图像，显示了分层的细胞纤维结构和SiO2 纳米粒子。（B）具有1：3的CNFs与PAN/PI的3D导电海绵的SEM图像。（C）PIS/AgNW海绵的SEM图像。（D）固定在海绵中纳米纤维上的Au纳米粒子（3.56 wt％.）的TEM图像，插图显示了单个Au纳米粒子。（E）从HNT海绵获得的SEM图像，纳米纤维与HNT的重量比为1：8。（F）PI碳纳米颗粒海绵的SEM图像。（G1-G2）SEM图显示涂有1.0 µm PPX的海绵（G1）和相应的横截面（G2）。

图7.一系列照片显示了通过TISA工艺形成的PCL 3D纳米纤维团聚物：（A）短纳米纤维和细小PCL碎片在热处理前均匀悬浮；在55℃下加热（B）30 s、（C）60 s、（D）90 s、（E）120 s和（F）150 s后的悬浮液。（G）热处理180 s后获得的附聚物（注意，此后立即将瓶子浸入冰水中）。

图8.SEM图像显示了电纺CA/PCL支架的内表面（A1-A3）和外表面（B1-B3）的典型形态。高倍率SEM图像（A3）和（B3）显示了结合位置。

图9. SEM图像显示了羟基磷灰石涂层PCL支架的外表面（A-C）和内截面（D-F）的代表性形态。

图10.（A）静电纺丝气凝胶/海绵（ρ= 0.12 mg cm-3）站在染色羽毛的尖端。（B）照片显示超轻气凝胶可以在冷空气中漂浮。

图11.（A）各种形状的FIBER 纳米纤维气凝胶的照片。（B-D）FIBER纳米纤维气凝胶在不同放大倍数下的微观结构，显示分层的细胞纤维结构。（E）相关结构尺寸的示意图。

图12.（A）冷冻条件对海绵微结构的影响。缓慢的冰冻前沿速度提供了最大的孔径，而海绵的表观密度在8.7±0.1 mg mL-1范围内保持恒定。（B）SEM图像显示使用不同vf获得的海绵在中心高度7.5 mm处的横截面。

图13.（A）随着SiO2 纳米粒子浓度的增加，FIBER气凝胶/海绵的水接触角。 （B）水接触角与海绵1、2、4和5的PPX涂层厚度的关系。（C）两亲性交联的支链淀粉/PVA气凝胶和疏水性甲硅烷基化气凝胶的水接触角。（D）在不同温度下稳定的超轻纺纤维素海绵的水接触角。

图14.（A）CNFAs沿加载方向的压缩应力（σ）与压缩应变（ε）曲线。插图显示了压缩循环中CNFAs的分布（ε= 80％）。（B）CNFAs的泊松比与将压缩应变增加至80％的函数。插图：循环压缩和释放下CNFAs的SEM观察，重点是小片（<1 mm）。（C）示意图显示了具有压缩应变的纳米纤维细胞壁的倒置。

图15.（A）具有不同CNFs与PAN/PI比的3D导电海绵的电阻值。（B）3D导电海绵在不同压缩应变下的电阻变化。

图16.（A）PI海绵（样品PISG-50）的TGA曲线。（B）照片显示海绵SG、PISG-50和SG-PPX在室温（顶部）和300℃（底部）下保持0.5 h的热阻。

图17.（A）培养1天和3天后，人间充质干细胞在PCL-3D和PCL/PLA-3D支架上的活力。培养16 h后，在（B1）PCL-3D和（B2）PCL/PLA-3D支架上的人间充质干细胞形态。注意，PCL-3D支架作为对照样品包括在内。数据表示为平均值±标准偏差（n=3）。接种在3DS-2上的软骨细胞的荧光显微照片（修饰的明胶/ PLA支架与透明质酸（HA）交联），共7天。活细胞和死细胞分别染成绿色和红色。

图18.一块质量为0.03 g的电纺纤维制成的海绵（A1），吸收30 g矿物油后的海绵（A2）。该示意图显示了通过有机胶凝剂作用于液体（B1）并通过将电纺纤维海绵浸入液体（B2）形成有机凝胶的示意图。

图19.（A）UECS对不同有机化合物的体积吸收能力。照片显示UECS在有机化合物上的分离性能。（B）从水面清除泵油。（C）从水底收集氯仿（含有苏丹一号染料）。

图20.（A）照片显示吸附前（左）和吸附后（右）的MB水溶液。（B）PVASi@TEDB-NH2通过压缩和释放过程吸附MB的结果。（C）连续照片显示了使用PVASi@TEDB-NH2针筒式过滤器进行过滤的过程。

图21.用PINFAs去除PM2.5。（A）PINFAs、3 M和PINFMs的过滤效率和压降比较。（B）过滤前后PM2.5的浓度。请注意，经PINFMs过滤后，PM2.5的数量浓度太低，无法显示。（C&D）扫描电镜图像显示长期过滤PM2.5后的PINFAs。

图22.（A）照片显示通过使用IENFA填充柱进行的连续溶菌酶分离和提取。（B）从蛋清中提取溶菌酶后，用IENFA填充的色谱柱的动态洗脱曲线。显示获得的洗脱液的相应SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）分析的插图。（C）各种预装的IENFA填充色谱柱。（D）照片显示将IENFA填充柱直接应用于ÄKTApure 100色谱系统。（E）以150 mL h-1的处理速度获得的1 mL预装IENFAs色谱柱的ÄKTA色谱图。

图23.（A1）从oPP-33.3碳气凝胶获得的典型SEM图像，（A2）站在蒲公英上的oPP-33.3碳气凝胶的照片，以及（A3）oPP-0和oPP-33.3碳气凝胶之间的耐应力性比较。（B）oPP-33.3@MnO2-2 h混合碳气凝胶的TEM图像。使用三电极系统在1.0 M Na2SO4电解液中的正极上进行电化学测试结果：（C1）oPP-33.3@MnO2-x h杂化碳气凝胶的CV曲线，扫描速率为50 mV s-1（其中×分别为0.5、1、2和4）；（C2）oPP-33.3 @ MnO2-x h杂化碳气凝胶在不同扫描速率下的速率稳定性；（C3）oPP-33.3@MnO2-x h杂化碳气凝胶在50 mV s-1的扫描速率下的循环稳定性。

图24.（A1-A2）在不同压缩应变下3D导电海绵的△R/R0变化（A1）和应变系数变化（A2）。（B）3D导电海绵（CNFs与PAN/PI比为1到3的样品）在连续压缩下的电阻变化，并在10,000 s的50％和0％应变之间释放。（C1）传感器阵列的概念验证矩阵的示意图，其中包含5个像素×5个像素的压力传感器单元。（C2）顶部放置电池的传感器阵列的照片。（C3）电阻变化的2D映射对应于电池在传感器阵列上施加的压力。

图25.（A）不同Au纳米粒子含量的海绵照片；（B1-B3）固定在海绵纳米纤维上的不同Au纳米粒子含量的TEM图像（B1）0.29 wt%、（B2）0.65 wt%和（B3）3.56 wt%。（C）金海绵还原4-硝基苯酚过程中ln（C/C0）随时间和反应速率常数的拟一级曲线。

图26.（A）PISG-50在不同压缩应变下的导热系数和热扩散系数。红外（IR）相机图像显示了PI海绵的隔热效果：（B）在PI海绵的帮助下手持一块热铁板（~376℃），在加热板（~400℃）上手持厚度为（C）1.8和（D）3.0 cm的PI海绵。插图显示红外相机图像的普通照片。样品尺寸为1.8×2.5×3.0 cm3。

图27.（A1-A4）4周后从小鼠身上采集听小骨的放射照相检查。分别对仅BMP2组（A1），BMP2+HA组（A2），phenamil+HA组（A3）和BMP2/phenamil+HA组（A4）进行成像，并对支架的平均强度值进行定量（B）。数据表示为平均值±标准偏差（n=4）。（C1-C4）体内植入4周后，取回的听小骨的H＆E染色。用ImageJ软件（D）测量仅BMP2组（C1），BMP2+HA组（C2），phenamil+HA组（C3）和BMP2/phenamil+HA组（C4）的新骨面积。

图28.术后12周来自三组的软骨关节的宏观图像（A1，A2和A3）。术后12周，三组软骨缺损区域的组织学分析，分别用番红O-固绿（B1，B2和B3）和H＆E（C1，C2和C3）染色。箭头和虚线指示缺陷部位。OC：原始软骨组织。RC：修复的软骨组织。

图29.（A）将含NS的NGC移植到SD大鼠坐骨神经缺损模型中的示意图。插图：低分辨率（左）和高分辨率（右）的含NS的NGC的横截面SEM图像。（B）在第0周手术后的坐骨神经大体观察，以及在植入4周和12周后的坐骨神经再生（比例尺=10 mm，其标记了神经缺损部位）。（C1）TSMs的Masson染色图像（实验侧）和（C2）植入4周和12周后胶原蛋白阳性面积百分比的统计结果。

图30.（A）表示合成步骤的示意图。（1）通过高速均质化制备均质的藻酸盐/纳米纤维分散体。（2）将分散液冷冻干燥成藻酸盐/纳米纤维复合气凝胶。（3）通过Al3+交联制备得到的NFHs。（B）照片显示NFHs的保水能力。约10 mg的压榨和干燥NFH样品可容纳约5 g的水。

图31.（A）从多孔海绵载体释放ART的示意图。（B1和B2）用ART负载后制备的海绵SG6的横截面SEM图像。（C）从ART粉末和具有不同密度（3.5和6 mg cm-3）和PPX涂层厚度（0、88、150、423和1000 nm）的海绵中进行体外ART释放。