综述：仿细胞外基质纳米纤维微球：制备及其在干细胞递送用于组织修复与再生中的应用
干细胞具有显著的自更新能力、独特的多分化潜能、突出的旁分泌效应及强大的免疫调节功能，已成为治疗重症疾病与损伤的有力候选策略。干细胞直接注射常面临靶组织内细胞滞留率有限的问题。大量证据表明，具有天然细胞外基质（extracellular matrix, ECM）
干细胞具有显著的自更新能力、独特的多分化潜能、突出的旁分泌效应及强大的免疫调节功能，已成为治疗重症疾病与损伤的有力候选策略。干细胞直接注射常面临靶组织内细胞滞留率有限的问题。大量证据表明，具有天然细胞外基质（extracellular matrix, ECM）样形貌、连通孔道、高孔隙率、高比表面积及优异可注射性的纳米纤维微球，可作为理想的干细胞载体，促进细胞黏附、铺展、增殖、滞留及特异性基因表达。过去几十年间，研究者通过多种制备技术开发了组成、尺寸、形貌与结构各异的纳米纤维微球。本综述系统总结了纳米纤维微球的最新研究进展，重点涵盖其制备方法、化学组成、理化性质及生物活性，并展望了该领域未来的挑战与研究方向。
干细胞是一类未分化或部分分化的细胞，具备显著的自更新能力、独特的多分化潜能、突出的旁分泌效应及强大的免疫调节功能，可分为全能干细胞（胚胎干细胞与诱导多能干细胞）与成体干细胞两大类。以间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）为代表的成体干细胞可分化为脂肪细胞、成骨细胞、软骨细胞及肌细胞等多种细胞类型，同时可分泌血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、转化生长因子及白细胞介素等多种生长因子与细胞因子调控细胞行为，还可通过抑制T细胞增殖、树突状细胞成熟及B细胞活化发挥免疫调节作用，使其成为癌症、糖尿病、白血病、神经退行性疾病、免疫疾病及常规方法难以治愈的大面积组织缺损等疾病治疗的理想候选方案。然而，干细胞临床转化受限于细胞供给不足——从供体分离获得的干细胞数量难以满足临床治疗的有效剂量需求，且直接注射后靶组织内细胞滞留率低，导致治疗效果受限。因此，开发体外扩增与高效递送干细胞的策略具有重要需求。
传统体外干细胞扩增多采用二维（two-dimensional, 2D）单层培养模式，但存在扩增效率低、长期培养易导致干细胞干性丢失等问题，这与2D环境与体内细胞生长微环境的显著差异密切相关。生物组织中，细胞由具有复杂三维（three-dimensional, 3D）纳米纤维网络的细胞外基质（ECM）支撑，ECM在调控细胞黏附、增殖与分化等行为中发挥关键作用。因此，模拟细胞局部微环境的3D细胞培养体系成为替代2D培养的理想方案，其更准确地还原体内3D微环境，促进干细胞与ECM的信息交换、维持干细胞自我更新及原始生物学特性。3D培养体系可分为无支架与有支架两类，其中有支架体系通过将干细胞与载体共培养，为细胞提供附着、迁移与增殖的支撑结构。现有载体包括薄膜、水凝胶与球体等，相较于前两者，微球载体尺寸更小、比表面积更大，利于干细胞附着、生长与迁移，且小尺寸赋予其优异的可注射性、形状适应性与不规则缺损微创治疗优势。根据理化性质，微球可分为大孔微球、空心微球、核壳微球、表面修饰微球与纳米纤维微球五类。前四类微球虽在促进细胞黏附、浸润与分化方面表现优异，但无法提供类似天然ECM的3D网络微环境。纳米纤维微球因兼具高比表面积利于细胞定植与扩增、连通多孔结构保障氧与营养供应及代谢废物清除、类ECM纤维拓扑结构维持干细胞干性、小尺寸适配微创手术与复杂缺损治疗等独特优势，成为干细胞扩增与递送的理想候选载体。
目前已通过多种制备方法开发出不同生物材料组成的纳米纤维微球，大量体外与体内研究证实其在软骨再生、心肌修复、骨缺损修复等组织修复与再生应用中具有显著有效性。本综述首先系统梳理仿ECM纳米纤维微球的制备技术，随后按材料组成分类介绍其在干细胞扩增、递送与组织再生中的研究进展，进一步探讨纳米纤维微球理化性质调控干细胞行为的潜在机制，最后总结现有挑战并提出未来研究方向，为设计用于组织修复与再生的新型先进纳米纤维微球生物材料提供参考。
现有制备方法可根据微球形成与纳米纤维形成的先后顺序分为直接法与间接法两类。直接法中微球形成先于纳米纤维网络构建：首先通过乳化法或微流控法等制备微球模板，随后通过热致相分离（thermally induced phase separation, TIPS）、水热处理等方法诱导纳米纤维原位组装形成网络结构。直接法反应条件温和、制备流程简单，可精准调控微球微观结构与尺寸，但适用材料有限，主要包括明胶、壳聚糖、细菌纤维素、聚乳酸（polylactic acid, PLA）与二氧化钛（TiO
）等；其中乳化法制备模板具备工业化生产潜力但粒径均一性差，微流控制备模板粒径均一性高但通量低、规模化生产受限。间接法则先通过静电纺丝或化学合成等方法制备纳米纤维，随后将纳米纤维悬浮液均质化，再通过静电喷雾联合冷冻干燥、乳化联合冷冻干燥或乳化联合热致相分离等方法诱导纳米纤维自组装形成微球。间接法适用于绝大多数天然与合成、有机与无机生物材料，可精准调控纳米纤维直径、长度、南宫28官方网站微球尺寸、孔径与孔结构，但静电纺丝与化学合成纳米纤维的规模化难度大，且多步工艺增加了制备复杂度与成本。尽管该领域已取得显著进展，但开发尺寸、理化与生化性质可控、粒径均一且具备规模化生产潜力的纳米纤维微球仍是推动其临床转化的核心挑战。
根据纳米纤维的化学组成，纳米纤维微球可分为天然聚合物基、天然聚合物衍生、合成聚合物基、无机与复合纳米纤维微球五类，各类材料赋予微球独特的组成、拓扑、孔径、孔隙率与刚度特征，广泛应用于骨再生、软骨再生、血管再生、牙科治疗与皮肤修复等领域。
天然聚合物是从自然界分离纯化获得的高分子化合物，其中多糖（如甲壳素、纤维素）与蛋白质（如丝素蛋白、胶原）因优异的生物相容性与/或生物降解性被广泛用于药物递送与组织工程。甲壳素提取自海洋甲壳类动物外壳，具有低毒性、良好生物相容性、高机械强度与低成本优势，研究人员通过热致自组装法制备的甲壳素纳米纤维微球孔径为微米级，可支持人正常肝细胞系L02高效黏附但铺展受限，表明其细胞亲和性不足；通过在甲壳素微球表面原位生长羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）晶体，可显著提升细胞黏附能力与体内骨愈合效果。纤维素是植物细胞壁的主要成分，为自然界最丰富的多糖，研究人员通过喷雾冷冻干燥法制备的纤维素纳米纤维微球具有高孔隙率、优异吸水能力与超低密度的特点，且共价交联后稳定性强，可支持小鼠成纤维细胞NIH3T3的附着与增殖；后续研究发现较大尺寸的纤维素微球（约503.9 μm）比较小尺寸（约94.5 μm）更利于3T3细胞生长，可能与孔径适配性相关。氧化细菌纤维素（dialdehyde bacterial cellulose, DBC）纳米纤维微球经DL-别羟基赖氨酸（DL-allo-hydroxylysine, DHYL）接枝与壳聚糖复合后，可通过高比表面积吸附更多细胞黏附蛋白，显著提升骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）的增殖效率，其与BMSCs共培养形成的微组织可在小鼠膝关节软骨缺损模型中实现显著的软骨修复。天然蛋白质中，胶原虽生物活性优异但纳米纤维微球制备报道较少，现有研究通过乳化结合胶原纤维自组装重构工艺获得了具有随机取向纳米纤维网络的结构；丝素蛋白提取自蚕丝，具有低免疫原性与可调机械稳定性，以其纳米纤维为构筑单元制备的微球具有高孔隙率与高比表面积，相较于无纤维拓扑的丝素蛋白海绵，可更有效地促进MSCs的增殖与成骨分化。天然聚合物基微球原料来源丰富，但生物活性普遍较低，通过修饰或与高活性材料复合是提升其应用潜力的有效策略。
天然聚合物衍生物通过对天然聚合物进行物理化学处理获得，在保留优异生物相容性的同时具备温敏、光敏、水溶性、抗菌性等附加性能。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化的线性多糖，具有良好生物相容性、溶解性、抗菌性与止血能力，通过碱诱导乳液直接凝胶化制备的壳聚糖纳米纤维微球可提供更多细胞黏附位点，以之为单元构建的宏观3D软骨样复合物显示出软骨组织工程应用潜力；后续开发的温敏诱导壳聚糖纳米纤维微球可激活黏附相关基因（ITGA5、ITGB1、FAK、PXN、VCL）的表达，促进细胞铺展与宏观细胞-微球结构形成，负载大鼠间充质干细胞（rat mesenchymal stem cells, RMSCs）后可显著提升大鼠颅骨缺损的新骨生成量；进一步通过聚烯丙胺盐酸盐稳定的无定形磷酸钙（poly(allylamine hydrochloride)-stabilized amorphous calcium phosphate, PAH-ACP）修饰后，可模拟基质囊泡功能促进胶原矿化，上调细胞黏附与成骨相关基因表达，降低炎症反应并促进原位生物矿化。明胶是胶原的部分水解产物，具有良好生物相容性、生物降解性与低免疫原性，通过乳化联合热致相分离制备的肝素修饰明胶纳米纤维微球（heparin-modified gelatin nanofibrous microsphere, NHG-MS）可实现白细胞介素4（interleukin 4, IL4）的持续释放，调控巨噬细胞极化并减轻炎症反应，促进成骨分化与骨再生；通过微乳液联合热致相分离制备的明胶纳米纤维微球可显著提升干细胞结合效率、促进增殖并诱导成骨与成软骨分化；引入锂皂石或EPLQLKM（E7）肽可进一步增强其成骨诱导能力或选择性促进BMSCs与牙周膜干细胞黏附，负载骨形态发生蛋白7（bone morphology protein 7, BMP7）的E7偶联明胶纳米纤维空心微球可在大鼠开窗缺损模型中显著促进牙槽骨再生。明胶甲基丙烯酰（gelatin methacryloyl, GelMA）是明胶经甲基丙烯酰修饰的光敏生物聚合物，通过微流控联合热致相分离制备的GelMA纳米纤维微球可支持BMSCs黏附与铺展，以其构建的3D支架因层级多孔结构可提供充足黏附位点与物质传输通道，相较于传统GelMA水凝胶支架显著提升BMSCs的增殖、浸润、成骨基因表达与钙沉积，并在体内促进更多新骨形成，其机制可能与调控免疫微环境与增强外源干细胞存活相关。
合成聚合物通过重复单体聚合人工合成，相较于天然聚合物具有更可调的分子量、化学组成与物理结构，且免疫原性低、无内毒素。聚左旋乳酸（poly(L-lactic acid), PLLA）基纳米纤维微球是研究热点：星形PLLA（star-shaped PLLA, SS-PLLA）纳米纤维空心微球具有高孔隙率（达96.7%），相较于光滑表面实心PLLA微球可显著提升软骨细胞黏附、增殖与糖胺聚糖（glycosaminoglycans, GAG）分泌，并支持人牙髓干细胞（human dental pulp stem cells, hDPSCs）递送以促进牙髓组织再生；通过在PLLA链段引入聚羟乙基甲基丙烯酸酯（poly(hydroxyethyl methacrylate), PHEMA）制备的PLLA-g-PHEMA空心纳米纤维微球可高效递送细胞调节肽与骨形态发生蛋白2（bone morphogenetic protein-2, BMP2），诱导软骨形成与异位成骨；聚左旋乳酸-聚乙二醇-聚N-异丙基丙烯酰胺（poly(l-lactic acid)-b-poly(ethylene glycol)-b-poly(N-isopropylacrylamide), PLLA-PEG-PNIPAm）共聚物可自组装形成温敏纳米纤维微球，注射后在生理温度下原位形成3D水凝胶，负载心肌细胞移植可显著缩小心肌梗死面积、促进移植物整合与梗死区血管化，改善心功能。聚己内酯（polycaprolactone, PCL）基纳米纤维微球通过静电纺丝与静电喷雾技术制备，引入生物玻璃颗粒后可促进BMSCs的成骨分化，在体内同时提升血管生成与成骨能力，加速骨缺损愈合。合成聚合物微球虽生物活性低于蛋白质基微球，但可通过表面修饰（如聚多巴胺、肝素-多巴胺修饰）或负载功能性纳米颗粒（明胶纳米球、介孔二氧化硅纳米颗粒等）显著提升生物相容性与治疗效果。
无机生物材料（如磷酸钙、生物玻璃）的化学组成与天然骨组织的无机成分相似，具有优异的生物相容性与生物活性。现有研究通过静电纺丝结合静电喷雾制备了生物玻璃纳米纤维微球；通过乳化烧结结合水热法制备的TiO
纳米线微球经丝素蛋白修饰后可增强细胞铺展与增殖；通过碱水热处理空心TiO
微球可获得纳米纤维空心结构，提升细胞黏附与四环素盐酸盐的缓释能力；壳聚糖/四氧化三铁/TiO
纳米线提升了比表面积与锚定位点，可显著促进人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）的黏附与增殖。除已报道的材料外，羟基磷灰石纳米线、氧化镁纳米线与硅酸钙纳米线等无机纳米纤维已成功合成，其高长径比与结构柔性适合构建自支撑3D网络，有望用于开发新型硬组织再生用无机纳米纤维微球。
复合纳米纤维微球以合成聚合物与蛋白质复合纳米纤维为构筑单元，结合合成聚合物优异的机械性能与蛋白质的高生物活性。通过静电纺丝结合静电喷雾制备的聚己内酯-明胶（PCL-gelatin）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物-明胶（PLGA-gelatin）等复合微球可显著提升大鼠骨髓间充质干细胞（rat bone marrow stromal cells, rBMSCs）的增殖与分化；通过气体气泡介导同轴静电喷雾制备的多孔复合微球可调控孔径与孔数量，相较于无孔微球更利于人神经祖细胞的3D生长、细胞浸润与宿主组织整合，在糖尿病小鼠伤口模型中可促进宿主细胞浸润、新生血管化与再上皮化；通过3D打印微流控平台可实现多孔复合微球的大规模制备，精准调控尺寸、孔结构与形貌。复合微球兼具优异的生物相容性、生物活性与机械性能，制备工艺相对简便，具备较高的临床转化潜力。
微环境通过整合素介导的信号通路、黏着斑激酶（focal adhesion kinase, FAK）通路及Yes相关蛋白（Yes-associated protein, YAP）/转录共激活因子PDZ结合基序（transcriptional co-activator with PDZ-binding motif, TAZ）机械转导等途径调控干细胞行为。跨膜受体整合素可感知ECM刚度，通过黏着斑（focal adhesion, FA）将信号传递至细胞骨架，激活踝蛋白、桩蛋白与纽蛋白等机械敏感蛋白，调控细胞黏附；信号进一步通过FA-肌动球蛋白细胞骨架-核骨架与细胞骨架连接复合物-SUN蛋白-核纤层蛋白传递至细胞核，调控核孔变形与YAP/TAZ入核，影响基因表达与细胞分化：软基底通过小窝/脂筏依赖性内吞作用增强β1整合素内化，阻断BMP/Smad信号并促进MSCs的神经分化；中等刚度基底通过整合素β3-RhoA-ROCK-肌球蛋白轻链激酶通路驱动肌动蛋白束与应力纤维收缩，促进成肌基因表达；硬基底通过整合素α2-ROCK-FAK-ERK1/2通路增加RUNX2活性，促进MSCs成骨分化；此外，基底刚度还可通过FAK、ERK与Rac通路调控细胞周期蛋白D1表达，影响细胞周期进程与增殖。
拓扑结构中，纳米纤维直径可调控干细胞分化方向：小直径纤维促进神经干细胞向神经元分化，大直径纤维促进其向胶质细胞分化；580 nm直径的聚左旋乳酸纳米纤维相较于1210 nm直径可增强MSCs的成骨分化，其机制可能与BMP/SMAD信号通路相关；400 nm直径纳米纤维比800 nm/1200 nm直径更利于MSCs迁移。纤维排列方面，定向排列的纳米纤维可诱导干细胞定向排布，相较于随机分布状态，定向排列的干细胞具有更高的增殖、迁移速率与成骨分化倾向，这可能与整合素、FAK与ROCK等机械敏感蛋白的上调表达相关。
孔隙率与孔径通过调控氧、营养供应与废物清除影响干细胞增殖，大孔更利于干细胞浸润，且孔结构可调控干细胞分化，但具体信号通路仍需深入解析。微球尺寸方面，常用干细胞载体的尺寸范围为数十至数百微米，小尺寸适配注射与微创治疗，大尺寸可为体内移植提供更大的细胞迁移间隙；微球曲率可通过影响细胞肌动蛋白应力纤维、黏着斑与细胞核的尺寸与形状调控细胞黏附过程，但其对干细胞增殖与分化的调控机制尚未明确。综上，干细胞可通过多种机制感知纳米纤维微球的理化特征，为通过理性设计微球参数编程干细胞行为提供了理论基础。
本综述系统梳理了不同组成、尺寸、形貌与结构的纳米纤维微球在再生医学中的研究进展，将其制备技术分为直接法与间接法，根据材料组成分为五类并分析了各自特征。尽管现有研究已证实纳米纤维微球在促进细胞行为与组织修复中的优势，其临床转化仍面临三大挑战：一是纳米纤维微球的最佳结构参数（尺寸、模量、纳米纤维直径等）尚未明确，需阐明多参数协同调控干细胞行为与组织修复的机制；二是符合药品生产质量管理规范（Good Manufacturing Practice, GMP）的均一尺寸微球大规模制备仍存在瓶颈；三是微球的质量标准与监管合规性（尺寸均一性、生物相容性、生物降解性、内毒素含量、免疫反应与长期体内生物安全性等）亟待建立。
未来研究可从三方面推进：一是开发新型全无机生物玻璃与生物陶瓷纳米纤维微球，解决现有聚合物微球的溶胀不可控、疏水性过高阻碍细胞黏附、动物源蛋白内毒素污染风险高等问题；二是结合人工智能（artificial intelligence, AI）模型与实验技术，解析多结构参数的最优组合，突破传统试错法的局限性；三是拓展应用场景，利用其类ECM微环境特性作为外泌体生产的理想干细胞载体，作为构筑单元构建异质人工组织/器官，并开发响应磁场、南宫28官方网站电场、声信号等外界刺激的环境响应型智能纳米纤维微球，实现治疗效应的增强与精准调控。