突破光学屏障：用于生物医学应用的透明聚合物中空纤维

本综述首次报道了通过非溶剂诱导相分离（NIPS）技术结合干-喷-湿纺工艺，成功制备出具有优异光学透明度的聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维（HFs），其透光率超过83%，超越了体外细胞观察的标准。这一突破性材料克服了传统中空纤维的不透明性限制，首次实现了对腔内人脑微血管内皮细胞（hCMEC/D3）在静态和动态条件下的实时、非侵入式监测。研究系统分析了纤维壁厚（WT）、孔隙率、晶体尺寸及折射率等关键参数对透明性的影响，为构建动态体外血脑屏障（DIV-BBB）模型及新型生物医学器件提供了关键材料基础，显著推动了微流控、药物输送及组织工程等战略生物技术的发展。

引言：聚合物中空纤维膜（HFs）凭借其可调控的结构特性、多功能性及高效率，已成为水处理、 healthcare、环境保护及能源可持续性等领域中过滤、分离及纯化过程的首选材料。在生物医学等先进应用中，HFs需具备生物相容性、可控孔隙率等特性，以模拟体内动态流动条件，促进细胞间信号分子及营养物质的交换。然而，当前商用中空纤维的不透明性严重阻碍了实时细胞监测、药物释放动力学研究及光学检测方法（如荧光显微镜、拉曼光谱等）的应用。特别是在动态体外血脑屏障（DIV-BBB）模型中，传统中空纤维的 opacity 使得研究人员无法直接观察腔内内皮细胞的屏障重演过程，而只能依赖侵入性操作或间接代谢指标进行评估。

为获得透明多孔支架，既往研究探索了天然与合成聚合物的共混，例如通过静电纺丝技术制备透明半透膜用于伤口敷料或角膜组织工程，或利用微流控技术生成透明藻酸盐微纤维。然而，这些方法存在制备工艺复杂、设备 specialized、成本高昂及可扩展性差等局限。相比之下，基于非溶剂诱导相分离（NIPS）的聚合物中空纤维合成技术具有工业成熟、简单且可扩展的优势，可单批次生产数米长的膜材料。本研究旨在评估通过NIPS技术生产聚合物中空纤维的可行性，首次满足生物医学应用中实时细胞监测的透明度要求。

结果与讨论：评估聚合物中空纤维的透明度

研究通过NIPS结合干-喷-湿纺技术，在不同条件下合成了PVDF、聚丙烯腈（PAN）及聚己内酯（PCL）中空纤维，成功在湿态条件下制备出透明多孔HFs。通过将发丝置于纤维腔内并利用光学显微镜观察，定性评估显示PVDF HFs透明度最高，PAN次之，而PCL则呈半透明或不透明。定量分析采用 brightfield 及 fluorescence confocal microscopy，测得PVDF HFs的透光率超过83%，PAN降至22%，PCL最低仅5%。这一透明度水平达到了商用Transwell系统的标准（60%-90%），且无需添加改性剂或进行复杂后处理。

研究透明度关键影响因素

扫描电子显微镜（SEM）图像显示，PVDF M3及M4以及PAN HFs具有指状孔结构，而PVDF M1及M2则呈现致密形态，PCL HFs则为海绵状结构。引入聚乙二醇（PEG）作为成孔剂可扩大孔径分布并提高整体孔隙率，但孔隙率与透明度间并未发现直接关联。几何参数分析表明，所有HFs的外径（OD）介于350-700µm，壁厚（WT）多低于50µm。对于同一材料，较薄的壁厚有助于减少光散射及吸收，从而提高透明度，但壁厚比（WTR） alone 无法解释不同聚合物材料间的透明度差异。

水力渗透性及接触角测量显示，PVDF HFs具有疏水性，渗透性最低；PAN亲水且渗透性较高；PCL则呈现中间润湿性。所有HFs在高达1.5 bar的 transmembrane pressure 下均表现出良好的机械完整性。X射线衍射（XRD）分析表明，晶体尺寸对透明度的影响更为显著：PCL的晶粒尺寸最大（约 one order of magnitude 高于PVDF及PAN），加之其海绵状孔隙，增加了光散射，导致不透明。此外，材料折射率与周围培养基的匹配程度也影响透明度：PVDF的折射率（1.420）最接近培养基（1.337），而PAN（1.514）及PCL（1.462）的差异较大，导致更多光散射。

实时细胞显微镜及动态细胞培养概念验证

PVDF M3 HFs因其高孔隙率（79.4±1.1%）、薄壁厚（36±2µm）及较大有效孔径（1.03±0.16µm）被选为后续实验对象。这些特性有利于细胞间通讯及营养物质交换，同时防止壁侧渗透，适用于 mimic 生物屏障系统。通过微纳米计算机断层扫描（CT）验证了其多孔结构，且水力渗透性与既往报道的用于海马细胞培养的PAN HFs相当。

研究设计了定制化HF生物反应器模块，在静态条件下培养人脑微血管内皮细胞（hCMEC/D3）。纤维腔内预先包被胶原IV及纤连蛋白，细胞经CellTracker Deep Red（CTDR）荧光染料标记后接种，通过荧光显微镜实时监测细胞生长及相互作用。培养2天后，固定细胞并进行 confocal microscopy 分析，结果显示细胞良好粘附于腔内表面，形态正常，且高细胞密度表明 successful growth。透明度使得无需样品 manipulation 即可直接观察细胞。

在动态条件下， flow-based HF生物反应器系统实现了对腔内细胞 under 流体流动的实时观察。尽管高流速导致部分细胞脱落，但这一突破克服了传统系统无法显微镜下观察腔内细胞的限制。此外， fluorescence-based particles tracking 证明PVDF M3 HFs可用于微流控应用中的颗粒运动监测，为药物输送及细胞摄取研究提供了新平台。

结论：本研究通过简单、可扩展且成本效益高的NIPS技术，成功制备出光学透明的聚合物中空纤维，其中PVDF HFs透光率超过83%，首次实现了对聚合物HFs腔内hCMEC/D3细胞生长的实时、非侵入式监测。这一突破显著提升了静态及动态细胞培养系统的性能及效率，为生物医学应用（如动态体外BBB模型、血管化组织工程、药物输送、 mass transport 研究及微流控平台）提供了前沿材料，有力推动了下一代生物医学器件及功能材料的发展。

实验部分：材料包括PVDF（Kynar 761A）、PAN（MW 150 kDa）、PCL（MW 80 kDa）等聚合物，溶剂为N-甲基吡咯烷酮（NMP）及N,N-二甲基甲酰胺（DMF），添加剂为异丙醇（IPA）及聚乙二醇（PEG）。中空纤维通过干-喷-湿纺设备制备， spinneret 内径及外径分别为0.16及0.46 mm，气隙距离12-20 cm。纤维经水及70%乙醇冲洗后， ambient 条件下干燥。

表征技术包括SEM观察形态，XRD分析晶体结构，毛细流孔径仪测孔径分布， bulk density 法测孔隙率，共聚焦显微镜定量透明度，死端过滤系统测水力渗透性及营养物渗透性，接触角分析仪评估润湿性。生物相容性实验采用定制HF生物反应器模块，细胞为hCMEC/D3，培养于内皮基础培养基-2（EBM-2），并通过荧光染料（CTDR、CL594-Phalloidin、DAPI）进行标记及 staining。动态培养系统包含 peristaltic pump，可调控流速及脉冲流，实现实时监测。