制备高性能的二维（2D）和三维（3D）微纳米纤维结构可以为组织工程和生物电子的发展提供新的技术手段。

剑桥大学Yan Yan Shery Huang教授与港科大（广州）王文宇教授发表综述，该综述“应用聚焦”(Spotlight on Applications)总结了近年来用于生物支架和传感器的功能性微纳米纤维器件制备技术的进展，回顾了从经典的静电纺丝到新兴的零电压3D纤维打印等多种技术，尤其强调了剑桥大学Shery Huang教授团队近十年来对该领域的贡献。最后，该论文展望了未来利用模块化微纳纤维搭建下一代生物电子和“纤物网”(Fibre-of-Things，FoT)的战略路径。

从细胞外基质（ECM）到蜘蛛丝，再到日常生活中的纺织物，纤维在自然界中广泛存在，并与我们的日常生活息息相关。这些直径小于约100微米的一维纤维结构，往往具有很低的弯曲刚度和卓越的柔韧性；而纤维阵列和纺织物通常具有良好的透气性和可设计性，使其非常适合直接与生物系统直接接触，可以为从组织工程支架到生物电子以及电子皮肤和可穿戴设备等众多领域提供新的技术手段。

为了制备生物相容或具有传感功能的为纳米纤维器件，人们提出了静电纺丝、近场直写、气流纺丝等多种工艺路线，使得纤维纺织物的规模化生产成为可能。然而，高精度和多样化的打印2D和3D的微纳米纤维器件仍是一个挑战。鉴于此，作者团队专门研发了多种微纳米纤维打印工艺，从传统的静电纺丝到低电压纤维打印、3D纤维支架打印、再到零电压的纤维传感器打印等多种微纳米纤维器件制造工艺。如图1所示，这些工艺极大的拓宽了功能性材料的可适用范围，实现了外组织工程支架、生物传感器和可穿戴设备等多种新兴应用展示。

图1. 作者团队开发的纤维打印技术及其适用材料和应用概览。

比如说，作者团队基于近场电纺开发的动态近场电纺丝，可以将压电高分子材料（P(VDF-TrFE)）制成透明透气无衬底的宽频声音传感器，该压电纳米纤维传感器受蜘蛛丝作为非共振和宽频声学传感器的物理优点启发，展示了自供电和宽带声学感测能力（从100到5000赫兹，至少1赫兹的分辨率）（图2），可以为未来在智能设备和物联网中提供新的思路。

图2. 通过动态近场电纺丝制备的宽频声音传感器。

传统的静电纺丝需要很高的电压和电场，这可能会限制一些生物高分子和活性材料的使用。因此，该课题组开发了低压静电纺丝，如图3所示，只需要约100 V的电压就可以高精度打印多种高浓度的生物高分子材料，甚至活体细菌包裹的材料，这大大拓宽了生物材料的适用性。

图3. 低压静电纺丝制备生物材料和活性材料。

这些微纳米纤维打印技术可以制备多样可设计的组织工程支架，更好地模拟原生ECM中多样的微纤维环境，从而助力研究从简化的一维条件到类似体内的三维条件进行细胞和组织力学，如图4所示，这可用于未来疾病建模和基础生物学研究。

图4. 从一维到三维的组织工程支架。

除了组织工程支架外，该团队还开发了直接打印具有导电和传感功能的微纳米纤维器件技术，如图5所示，高电导率的银颗粒纤维或者生物相容的导电高分子 PEDOT:PSS 可以被直接打印作无衬底的高分辨率微米纤维阵列。该纤维打印技术无需外加电压和特殊环境，因此可以直接实现纤维打印和外电路连接，并可以与多种材料相结合；基于此，课题组展示了可穿戴的呼吸传感器以及生物相容的细胞黏附传感器。

图5. 打印PEDOT:PSS无衬底纤维阵列制备细胞传感器和和穿戴的呼吸传感器。

最后，这篇文章展望了未来微纳米纤维制备和应用的前景。从材料的角度来看，响应性材料的发展，即对外部刺激进行受控和可预测变化的材料，为制造可能进行重塑、修复或再生的支架提供了机会，将响应性或生物活性材料与纤维打印技术相结合，可以实现4D纤维生物制造，这可能是生产仿生组织工程支架甚至人工和生物混合组织的一种有前景的策略。传感器型纤维（例如压电机械刺激和光发生用于光遗传学操作）可以将主动刺激引入系统，为下一代基于纤维的电子设备增加额外的输入控制。从结构的角度来看，设备的功能也依赖于纤维形态和结构设计，以在纳米和微米尺度与毫米和厘米尺度之间建立桥梁。

受可定制设备设计的需求和可持续性要求的驱动，未来基于纤维的生物制造将朝着按需生产和可持续的方向发展。人工智能可以提供高效的设备结构和功能设计，以最大程度地提高定制自由度和供应链的稳健性。轻型材料和能源的纤维打印技术可以促使灵活的按需生产纤维制造（即通过智能手机推荐的可移动机器人打印平台）。 展望未来，我们可以期待多功能、环保和按需的纤维设备的出现，从而彻底改变基础神经科学研究、3D细胞培养和微生理系统以及可穿戴传感器和“纤物网”（Fibre-of-Things，FoT）的生物电子技术。

人物简介：

通讯作者：Yan Yan Shery Huang是英国剑桥大学生物工程学教授,工程系博士生导师，生物界面（Biointerface）课题组负责人、剑桥大学哈莫顿学院院士、美国化学学会ACS Applied Materials & Interfaces期刊副编辑。

第一作者：剑桥大学工程系博士后王文宇。王文宇博士于2016年在清华大学获得机械工程学士学位，2021年在剑桥大学获得工程博士学位，主要研究可穿戴设备和生物电子设备，可用于精准医疗和人机界面。王文宇博士于2024年1月加入香港科技大学（广州）智能制造学域担任助理教授，博士生导师。