Конформное изготовление электропряденого мата из нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща на основе электропрядения с использованием гидрогеля

Введение

Электроспиннинг - это эффективный и универсальный метод изготовления нановолокон и их сборок, который широко изучался в течение последних десятилетий [1]. Благодаря своим уникальным свойствам, таким как высокая пористость, высокое отношение поверхности к объему и структура, имитирующая внеклеточный матрикс [2], необычайный электромагнетизм, электропряденые нановолокна и их сборки вызвали значительный интерес в различных областях исследований, включая одежду [ 3], экологический фильтр [4,5,6], аккумулятор [7] и тканевые каркасы [8,9,10]. Однако хаотическое движение электропряденых нановолокон из-за нестабильности изгиба затрудняло точный и точный контроль при построении сборок нановолокон и, как правило, создавало случайно переплетенный двумерный мат из нановолокон [11]. Недавние достижения в процессе электроспиннинга расширили диапазон узлов из нановолокон от плоского 2D-мата из нановолокна до трехмерной макроструктуры из нановолокна [12,13,14,15]. С помощью технологий изготовления трехмерных нановолоконных каркасов, включая трехмерное электроспиннинг по шаблону, укладку нановолоконных пленок и центробежное прядение [13,14,15,16], были изготовлены различные трехмерные макроструктуры нановолокон, в том числе полая трубчатая форма [17], формованные трехмерные сложные геометрические формы. [18], и нановолоконные каркасы в форме нативных тканей [19]. Такие трехмерные нановолоконные макроструктуры становятся все более интересной темой, особенно в тканевой инженерии, не только из-за наличия биомиметической нановолоконной структуры, но и имитации трехмерной макроструктуры нативных тканей [20, 21]. В результате различные исследования привели к улучшению эстетических и эксплуатационных характеристик сборок из трехмерных нановолокон [22, 23].

Среди различных методов трехмерного электропрядения, включая гидролиз, методы газообразования, прокатку, складывание и трехмерный электропроводящий коллектор, электроспиннинг на трехмерном электропроводящем коллекторе обеспечил простой способ сборки электропряденых нановолокон в трехмерную нановолоконную макроструктуру без какой-либо последующей обработки [24, 25,26,27]. Сложная геометрия трехмерного электропроводящего коллектора, такая как большой изгиб или утопленная форма, позволила производить выровненные маты из нановолокон или пушистые трехмерные макроструктуры из нановолокон [28]. Однако такая сложная геометрия в то же время препятствовала нанесению электропряденых нановолокон на углубленную область коллектора и вызывала неполное покрытие трехмерного электропроводящего коллектора. Таким образом, было очень сложно воспроизвести сложную геометрию трехмерного электропроводящего коллектора на трехмерном мате из нановолокна. Учитывая, что такое неполное покрытие может вызвать ухудшение функциональных возможностей, таких как эффективность фильтрации и механические свойства, необходимо разработать методику, которая воспроизводит форму трехмерного электропроводящего коллектора с высокой сложностью в трехмерную нановолоконную макроструктуру, чтобы расширить область применения сборок из электропряденых нановолокон. .

В этом исследовании мы предложили конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна, который воспроизводит форму трехмерного электропроводящего коллектора со сложной геометрией. В качестве репрезентативного примера трехмерного электропроводящего коллектора мы выбрали трехмерный коллектор в форме ушного хряща для конформного изготовления мата из электропряденого нановолокна из-за его сложной геометрии. В предыдущем исследовании мы предложили гидрогель, который обладал достаточным количеством подвижных ионов для генерации электрического поля, как металлический коллектор, в качестве электропроводящего коллектора для электроспиннинга [29]. Здесь мы использовали гибкость коллектора гидрогеля для конформного и равномерного осаждения электропряденых нановолокон на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща. В отличие от металлического коллектора, коллектор гидрогеля может быть сплющен из-за гибкости гидрогеля и, таким образом, генерировать однородное электрическое поле для равномерного осаждения нановолокон на всей поверхности коллектора гидрогеля в форме трехмерного ушного хряща. Кроме того, механическую прочность гидрогеля можно отрегулировать до механической прочности нативной ткани, найдя подходящий гидрогель. Мы выбрали альгинат и желатин в качестве гидрогелевых материалов из-за их превосходной биосовместимости [30, 31]. Смешивая альгинат и желатин, мы могли получить механические свойства, аналогичные свойствам нативного ушного хряща [32]. Мы численно исследовали влияние уплощения трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща на конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна на коллекторе. Наконец, мы подтвердили конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща путем измерения толщины мата из электропряденого нановолокна в нескольких положениях, включая спираль, антиспираль, ладонь и антитрагус.

Материалы и методы

Материалы

Основа силиконового эластомера Sylgard® 184 на основе мономера полидиметилсилоксана (PDMS) и отвердитель силиконового эластомера Sylgard® 184 отвердителя были приобретены у Dow Corning (США). Нити из полимолочной кислоты (PLA) были получены от Snapmaker (США). Желатин из кожи крупного рогатого скота, натриевая соль альгинатной кислоты, дигидрат хлорида кальция (≥ 99%), поликапролактон (PCL, Mw 80000) и хлороформ (≥ 99,5%) получали от Sigma Aldrich (США). Деионизированная вода и метиловый спирт (≥ 99,5%) были получены от Samchun Chemical Co., Ltd. (Южная Корея). Все материалы использовались без дополнительной очистки.

Изготовление отрицательной формы PDMS для трехмерного шаблона в форме ушного хряща

CAD-файл трехмерного шаблона в форме ушного хряща размером 70 (длина) × 20 (ширина) × 1,1 мм (толщина) был получен через веб-сайт Turbosquid и изменен в 3DS Max. Затем 3D-шаблон в форме ушного хряща был напечатан на 3D-принтере (A150, Snapmaker, США). Мономер ПДМС и отвердитель смешивали в соотношении 10:1. Смесь неотвержденного ПДМС перемешивали вручную в течение 5 мин для равномерного перемешивания, а затем дегазировали в вакуумной камере до исчезновения всех видимых пузырьков воздуха. Когда все пузырьки воздуха исчезли, неотвержденную смесь PDMS вылили в одноразовую чашку для взвешивания, а трехмерный шаблон в форме ушного хряща в чашке полностью погрузили в смесь PDMS. Чашка помещалась в духовку и выдерживалась при 50 ° C в течение 24 часов. После отверждения чашку разрезали пополам и удалили трехмерный шаблон в форме ушного хряща, чтобы получить отрицательную форму PDMS.

Приготовление альгинатно-желатинового гидрогеля

Были приготовлены четыре альгинат-желатиновых гидрогеля с различным весовым соотношением (таблица 1). Желатин растворяли в воде при 50 ° C с помощью магнитной мешалки при 300 об / мин в течение 1 часа. Затем добавляли альгинат и перемешивали вручную в течение 5 минут. Затем раствор альгинат-желатинового геля заливали в отрицательную форму PDMS. Раствор альгинат-желатинового геля подвергали ионной сшивке в течение 2 ч в 10% -ном растворе хлорида кальция. После этого альгинатно-желатиновый гидрогель был извлечен из отрицательной формы PDMS и использован в качестве электропроводящего коллектора для электроспиннинга.

Механическое испытание альгинатно-желатинового гидрогеля

Альгинат-желатиновые гидрогели были приготовлены в форме образца ASTM D638 типа IV для измерения механических свойств путем испытания на растяжение. Каждый приготовленный образец гидрогеля загружали на универсальную испытательную машину (QM100S, QMESYS, Южная Корея). Испытание на растяжение проводилось при постоянном перемещении со скоростью 10 мм мин ^-1 . . Модуль упругости и предел прочности при растяжении (UTS) образца были рассчитаны по кривой зависимости напряжения от деформации.

Конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна

PCL (7,5%, мас. / Об.) Растворяли в смеси хлороформ-метанол (3:1) при перемешивании в течение 6 ч. Раствор PCL помещали в пластиковый шприц объемом 3 мл, и шприцевой насос (NE-1000, New Era Pump Systems, Inc., США) эжектировал раствор PCL через металлическую иглу со скоростью потока 0,4 мл h -1 . Трехмерный коллектор гидрогеля в форме ушного хряща из альгинат-желатинового гидрогеля с соотношением 25:75, а именно A25G75, был помещен на плоскую подложку из полиметилметакрилата (ПММА), а подложка из ПММА была расположена на 20 см ниже металлической иглы. Для электропрядения высокое напряжение 19 кВ (HV30, NanoNC Co., Ltd., Южная Корея) подавали между металлической иглой 23-го калибра с внутренним диаметром 0,6 мм и трехмерным коллектором гидрогеля в форме ушного хряща при комнатной температуре. и контролируемая влажность около 40–50%. Чтобы конформно нанести мат из электропряденого нановолокна на всю поверхность коллектора гидрогеля, мы сплющили внешнюю часть трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща. После изготовления мата из электропряденого нановолокна на одной стороне коллектора гидрогеля, трехмерный коллектор гидрогеля в форме ушного хряща был перевернут, чтобы изготовить электропряденый мат из нановолокна на другой поверхности трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща.

Характеристика мата из электропряденого нановолокна

Наноструктура мата из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща наблюдалась с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM; Supra 25, Carl Zeiss, Германия), а диаметры нановолокон были измерены на изображении SEM с помощью ImageJ. Для измерения толщины мат из электропряденого нановолокна с трехмерным коллектором гидрогеля в форме ушного хряща погружали в смесь мономера ПДМС и отвердителя в массовом соотношении 10:1. Затем ПДМС с матом из электропряденого нановолокна отверждали в сухой печи при умеренной температуре 50 ℃ в течение 24 часов. Мата из электропряденого нановолокна, залитого PDMS, делали поперечные сечения, и толщину мата из электропряденого нановолокна измеряли на основании изображения поперечного сечения, полученного под микроскопом (Olympus BX53F2, Olympus, Япония).

Численное моделирование

Электрическое поле, возникающее между металлической иглой и коллектором, численно моделировалось с помощью программы COMSOL Multiphysics v5.0 (COMSOL, США). Для численного моделирования использовались три модельных коллектора в форме ушного хряща, изготовленные из меди, PLA и гидрогеля. Трехмерный коллектор в форме ушного хряща был упрощен до двухмерного поперечного сечения. Металлический заземляющий провод был подключен к коллектору в форме трехмерного ушного хряща. Остальные геометрические параметры были обозначены как фактические значения процесса конформного электропрядения:(1) расстояние между металлической иглой и модельным коллектором 20 см и (2) приложенное электрическое напряжение 19 кВ. Коллектор гидрогеля, представляющий собой альгинат-желатиновый гидрогель, моделировался на основе плотности объемного заряда межклеточной жидкости гидрогеля. Подвижные ионы в межузельной жидкости можно описать уравнением Больцмана, в результате чего получится плотность объемного заряда ρ ( x ) следующим образом [33]:

где \ (e \) - заряд электрона, \ ({c} _ {0} \) - концентрация электролита, \ ({k} _ {B} \) - постоянная Больцмана, \ (T \) - температура, а \ (\ phi \) - электрическое напряжение. Диэлектрическая проницаемость коллектора гидрогеля была принята равной 70 [34]. Чтобы отобразить направление электрического поля, на 10 мм над углубленной областью трехмерного коллектора в форме ушного хряща была проведена контрольная линия \ (l \ left (\ mathrm {x} \ right) \) длиной 10 мм.

Статистический анализ

Статистический анализ проводили с помощью одностороннего анализа ANOVA с использованием программного обеспечения MINITAB v17.1.0 (MINITAB. LCC, США). Статистическая значимость считалась, если \ (p \) - значение меньше 0,05.

Результаты и обсуждение

Электропрядение с использованием гидрогеля

На рис. 1 схематически показано конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща. На рисунке 1а показано, что трехмерный шаблон в форме ушного хряща был напечатан на 3D-принтере для моделирования методом сплавленного осаждения (FDM). Поскольку в процессе конформного изготовления использовался 3D-принтер, печатная структура может быть свободно спроектирована и легко изменена для соответствия очень сложной форме, такой как ушной хрящ. Кроме того, структуры с более высоким разрешением могут быть получены с помощью 3D-принтеров со стереолитографией (SLA) или цифровой обработки света (DLP), которые достигают лучшего разрешения за счет фотополимеризации по сравнению с 3D-принтером FDM. На рисунке 1b показана негативная форма PDMS, которая копирует трехмерный шаблон в форме ушного хряща, сделанный с помощью трехмерной печати. На рис. 1c показан сборщик альгинат-желатинового гидрогеля в форме ушного хряща, воспроизведенный с помощью отрицательной формы PDMS. На рис. 1d показано конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща. Когда мы поместили трехмерный коллектор гидрогеля в форме ушного хряща на плоскую подложку, спираль трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща не контактировала с подложкой с плоским дном и отдельно от подложки из-за сложной геометрии ушного хряща, которая индуцированная разность высот спирали, ладони и антиспирали трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща. Как правило, разница в высоте из-за выступающей части трехмерного электропроводящего коллектора препятствовала конформному изготовлению электропряденого мата из нановолокна на трехмерном электропроводящем коллекторе. Это связано с тем, что выступающая часть трехмерного электропроводящего коллектора притягивает большую часть электропряденых нановолокон и препятствует осаждению нановолокон в нижней части трехмерного электропроводящего коллектора [35, 36]. Чтобы уменьшить влияние сложной геометрии трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща, мы прижали выступающую часть трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща к плоской нижней подложке, используя гибкость гидрогеля. После этого путем выполнения электроспиннинга на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща, электропряденый мат из нановолокон был нанесен конформно на всю поверхность трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща. Наконец, уплощенный трехмерный гидрогель в форме ушного хряща с электропряденым матом из нановолокна был возвращен к своей первоначальной форме ушного хряща. Это восстановление исходной формы могло быть возможным, потому что сплющивание коллектора гидрогеля было выполнено в области упругой деформации, и мат из нановолокна оказывает незначительное влияние на механические свойства коллектора гидрогеля с матом из нановолокна из-за его меньшей толщины по сравнению с матом из нановолокна. коллектор гидрогеля.

Схема процесса конформного изготовления мата из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща. а Процесс 3D-печати 3D-шаблона в форме ушного хряща. б Отрицательный слепок PDMS воспроизведен трехмерным шаблоном в форме ушного хряща. c Альгинатно-желатиновый гидрогелевый коллектор по форме ушного хряща. г Конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна со сплющенным трехмерным коллектором гидрогеля в форме ушного хряща

Производство и оценка механических свойств альгинатно-желатинового гидрогеля

На рис. 2а показан трехмерный шаблон в форме ушного хряща, напечатанный из нитей PLA. PLA обладает достаточными механическими свойствами и высокой температурой плавления (~ 130 ℃), подходящей для формования PDMS с сохранением исходной формы ушка. Отрицательная пресс-форма PDMS показана на рис. 2b. ПДМС был выбран в качестве материала для форм из-за его гибкости, необходимой для извлечения из формы коллектора гидрогеля сложной формы. Коллектор альгинат-желатинового гидрогеля на рис. 2c показывает сложную структуру уха, такую ​​как спираль, ладонь и антиспираль. Чтобы выявить широкий выбор механических свойств коллектора альгинат-желатинового гидрогеля, мы подготовили 4 образца для механического испытания с различными соотношениями смешивания альгината и желатина. На рис. 2d, e показаны кривая напряжение-деформация и модуль Юнга, соответственно, в зависимости от соотношения материалов гидрогеля. На рис. 2г показано, что образец, изготовленный из чистого желатина, показал самую низкую механическую прочность, и при увеличении содержания альгината механическая прочность смеси альгинат-желатин линейно увеличивалась. На рис. 2e модуль Юнга альгинат-желатинового гидрогеля изменялся от 0,04 МПа до 5,53 МПа. В случае чистого желатина, названного A0G100, образец показал самый низкий модуль Юнга 0,04 ± 0,01 МПа, и, таким образом, было трудно сохранить свою форму во время электропрядения. Напротив, образец чистого альгината, названный A100G0, имел наивысший модуль Юнга 5,53 ± 0,77 МПа, способный сохранять свою форму во время электропрядения. Образцы A50G50 и A25G75, которые представляют собой смесь альгината и желатина, показали модуль Юнга 2,10 ± 0,45 МПа и 1,35 ± 0,03 МПа, соответственно. В частности, рассматривая ушной хрящ в качестве мишени, модуль Юнга образца A25G75 находился в пределах диапазона модуля Юнга (1-2 МПа) нативного ушного хряща, который показан серой областью на рис. 2e. На основании этих результатов соотношение A25G75 было использовано для трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща.

а 3D-шаблон в форме ушного хряща, напечатанный на 3D-принтере FDM. б Отрицательная форма PDMS для изготовления трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща. c Трехмерный коллектор гидрогеля в форме ушного хряща, сделанный из смеси альгината и желатина. г Кривая деформации-напряжения для 4 образцов с различными соотношениями смешивания альгината и желатина. е Модуль Юнга 4 образцов и диапазон модуля Юнга нативного ушного хряща (серая область). Все масштабные линейки - 1 см

Изготовление мата из нановолокна на сборщике альгинат-желатинового гидрогеля

Чтобы исследовать поведение осаждения электропряденых нановолокон на коллекторе альгинат-желатинового гидрогеля, мы провели численное моделирование электрического поля с тремя типами коллекторов:медным коллектором, коллектором PLA и коллектором альгинат-желатинового гидрогеля. Осаждение электропряденых нановолокон обычно определялось взаимодействием между зарядом электропряденых нановолокон и электрическим полем. В этом смысле моделирование электрического поля использовалось для понимания осаждения электропряденых нановолокон на коллекторе. В результате моделирования с коллектором PLA, как показано на рисунке S1b, поскольку большая часть электрического поля была сосредоточена в направлении заземляющего провода, ожидалось, что электропряденые нановолокна не будут осаждаться на поверхности коллектора гидрогеля. Напротив, в результате моделирования с коллектором альгинат-желатинового гидрогеля, показанным на рисунке S1c, электрическое поле было сфокусировано по всей поверхности коллектора альгинат-желатинового гидрогеля, как медный коллектор (дополнительный файл 1:рисунок S1a). Исходя из этого результата моделирования, мы ожидали, что электропряденые нановолокна будут в основном осаждаться на поверхности коллектора альгинат-желатинового гидрогеля. Это связано с тем, что коллектор гидрогеля имеет достаточную электрическую проводимость за счет подвижных ионов в гидрогеле и создает однородное электрическое поле по направлению к коллектору, как металлический коллектор. Однако коллектор PLA, который представляет собой диэлектрический материал, не может в достаточной степени притягивать электрическое поле, и, следовательно, электрическое поле притягивается к заземляющему проводу, а не к коллектору PLA. Эти результаты моделирования были подтверждены электропрядением на коллекторе из PLA и альгинат-желатинового гидрогеля и сравнением толщины мата из электропряденого нановолокна (дополнительный файл 1:рисунок S1d). Подобно результатам моделирования с коллектором PLA, большая часть электропряденых нановолокон была помещена на заземляющий провод и спиральную часть коллектора PLA. В местах, исключая заземляющий провод и спиральную часть, на поверхности коллектора PLA были уложены электропряденые нановолокна в микрометровом масштабе или меньше. Напротив, толщина мата из электропряденого нановолокна, нанесенного на спираль, была измерена для коллектора PLA и альгинат-желатинового гидрогеля для сравнения осаждения нановолокон в зависимости от типа коллектора, а толщина мата из нановолокна на каждом коллекторе составляла 3,09 ± 0,37 мкм и 33,24 ± 2,43 мкм соответственно (дополнительный файл 1:рисунок S1d). В случае коллектора PLA, показанного в Дополнительном файле 1:Рисунок S1b, электрическое поле в основном было сфокусировано на земле, и нановолокна, полученные методом электропрядения, были нанесены на коллектор PLA более чем в 10 раз тоньше, чем коллектор гидрогеля, за то же время электропрядения. Учитывая, что PLA имеет гораздо более низкую диэлектрическую проницаемость по сравнению с гидрогелем при комнатной температуре, электрическое поле не может быть сконцентрировано в основном на самом коллекторе, и, таким образом, нановолокна осаждаются где-то еще, например, на земле. Этот результат и наше предыдущее исследование подтверждают, что коллектор гидрогеля мог в достаточной степени собирать электрическое поле, и, таким образом, маты из нановолокон осаждались на коллектор гидрогеля большей толщины по сравнению с коллектором из PLA. Этот результат означает, что альгинат-желатиновый гидрогель является эффективным собирателем для электропряденых нановолокон во время электроспиннинга. Затем мы подтвердили, что сборщик альгинат-желатинового гидрогеля может производить нано-волокна во время электроспиннинга. Мат из электропряденых нановолокон на альгинат-гидрогелевом коллекторе показан на рис. 3а с неполным покрытием из электропряденых нановолокон на поверхности коллектора. На рис. 3b показано увеличенное изображение на сканирующем электронном микроскопе электропряденых нановолокон на коллекторе альгинат-желатинового гидрогеля. Из изображения, полученного с помощью SEM, высокое соотношение сторон было подтверждено с помощью наноразмерной толщины нановолокна и микромасштабной длины нановолокна. Также не были обнаружены такие дефекты, как пузырьки, которые могут привести к ошибкам при измерении толщины нановолокна, и не было существенной разницы в изменении толщины. Исходя из этих результатов, мы полагали, что электроспиннинг с вышеуказанным условием проводился непрерывно. Средний диаметр изготовленных электропряденых нановолокон на сборнике альгинат-желатинового гидрогеля составлял 564 ± 153 нм, а диаметр большинства нановолокон находится в диапазоне от 400 до 600 нм на рис. 3в. На снимке, полученном на сканирующем электронном микроскопе, нановолокна, полученные методом электропрядения, показали высокое соотношение сторон с наноразмерным диаметром и микромасштабной длиной. Таким образом, этот метод электропрядения можно рассматривать как процесс получения непрерывного волокна.

а Коврик из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща. б Увеличенное изображение мата из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща, отмеченное пунктирной линией ( a ). c Население электропряденых нановолокон на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща. Масштабная линейка составляет 1 см ( a ) и 1 мкм ( b )

Как показано на рис. 3а, мы заметили, что мат из электропряденых нановолокон не полностью покрыл трехмерный коллектор гидрогеля в форме ушного хряща, особенно на ладони, углубленной области между спиралью и антиспиралью. Этот результат показал, что на мате из электропряденого нановолокна были пустоты. Кроме того, электропряденые нановолокна не осаждались конформно по всей поверхности, а были подвешены в виде выровненной конфигурации, что наблюдалось в методе наклонного зазора [28]. Не только из-за формы ушного хряща, сложная геометрия трехмерного электропроводящего коллектора, такая как выступ или большая кривизна, обычно приводит к неполному покрытию электропряденого мата из нановолокна на поверхности коллектора.

Численное моделирование конформного изготовления мата из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща

Чтобы добиться конформного изготовления мата из электропряденого нановолокна на трехмерном электропроводящем коллекторе, мы использовали гибкость гидрогелевого коллектора, которая обычно не достигается металлическим коллектором. Гибкость коллектора гидрогеля позволила ему изменить форму коллектора, тем самым уменьшив разницу в высоте и сплющив коллектор гидрогеля. Во-первых, мы численно подтвердили конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща. На рис. 4a (i) показана конфигурация процесса электроспиннинга с трехмерным коллектором гидрогеля в форме ушного хряща. Принимая во внимание, что электропряденые нановолокна было трудно отложить на углубленную область трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща, мы выделили углубленную область между спиралью и антиспиралью с помощью двухмерного поперечного сечения трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща, как показано на Рис. 4a (ii). Спираль была наклонена под углом около 60 ° к нижней подложке, тем самым образуя углубленную область между спиралью и антиспиралью. Чтобы облегчить такую ​​углубленную область, мы уменьшили угол, изогнув спираль трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща, используя гибкость коллектора гидрогеля, в отличие от металлического коллектора. Результаты численного моделирования с различными углами изгиба 0 °, 30 ° и 60 ° показаны на рис. 4b- (i), b- (ii) и b- (iii) соответственно. На рис. 4b- (iv) показан угол электрического поля вдоль воображаемой линии для трех случаев. Средние значения угла электрического поля с воображаемыми линиями составляли 79,56 °, 79,39 ° и 77,26 ° с углами изгиба 0 °, 30 ° и 60 °, соответственно, показывая смещенный угол без значительных изменений между ними. кейс. Такой смещенный угол был вызван тем, что углубленная область между спиралью и антиспиралью была левой частью трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща, как показано на рис. 4a (i). Для случая углового отклонения электрического поля случай угла изгиба 0 ° показал отклонение 8,23 ° вдоль опорной линии \ (l (\ mathrm {x}) \). Напротив, при изгибе спирали на 60 ° угловое отклонение электрического поля было значительно уменьшено на 2,36 °, что более чем на 70% уменьшилось из-за углового отклонения электрического поля, вызванного изгибом 0 °. Такое отклонение на большой угол в случае угла изгиба 0 ° можно объяснить сфокусированным электрическим полем в направлении выступающей спирали, что привело к концентрированному осаждению электропряденых нановолокон на спирали и, таким образом, затруднило конформное изготовление нановолокна из электропряденого волокна. коврик на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща. Уменьшение углового отклонения за счет изгиба спирали снимало такое концентрированное электрическое поле, и поэтому ожидается, что изгиб спирали позволит конформное осаждение электропряденых нановолокон на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща.

Моделирование электрического поля коллектора гидрогеля ( a - (i)) и увеличенное изображение пунктирного прямоугольника на a - (i) ( a - (ii)). ( б ) Пунктирный прямоугольник в a - (ii) показ углубленной области коллектора гидрогеля. Стрелки электрического поля вдоль опорной линии \ (l (\ mathrm {x}) \) с углами изгиба 0 ° ( b - (i)), 30 ° ( b - (ii)) и 60 ° ( b - (iii)). б - (iv) Угол электрического поля к трехмерному коллектору гидрогеля в форме ушного хряща с углом изгиба 0 °, 30 ° и 60 ° вдоль опорной линии \ (l (\ mathrm {x}) \)

Конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме хряща уха

Чтобы обеспечить конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща, коллектор гидрогеля должен быть сплющен в соответствии с результатом моделирования. В этом исследовании мы сплющили трехмерный коллектор гидрогеля в форме ушного хряща, чтобы согнуть спираль. Спираль и внешние части были сплющены металлическими приспособлениями, как показано на рисунке S2b. Коллектор гидрогеля с покрытием из нановолокна может быть возвращен к своей исходной форме при деформации в области упругой деформации гидрогеля. Это связано с тем, что мат из нановолокна оказывает незначительное влияние на механические свойства покрытого волокном коллектора гидрогеля из-за его меньшей толщины по сравнению с толщиной коллектора гидрогеля. Коллектор гидрогеля деформировался в области упругой деформации, и, таким образом, гидрогелю с покрытием из нановолокон можно было восстановить свою первоначальную форму. После этого электропрядение было выполнено на исходном сплющенном трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща. Изображения поперечного сечения исходного и сплющенного трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща после электроспиннинга показаны на рис. 5a (i), (ii).

а Маты из нановолокна из электропряденого волокна на ладони исходного коллектора гидрогеля ( a - (i)) и сплющенный коллектор гидрогеля ( a - (ii)). б Толщина матов из электропряденых нановолокон на ладони исходного и сплющенного коллектора гидрогеля. Все масштабные линейки - 1 см

В случае исходного трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща, электропряденые нановолокна были подвешены между спиралью и антиспиралью, а не откладывались на ладони трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща. Когда трехмерный коллектор гидрогеля в форме ушного хряща был сплющен, электропряденый мат из нановолокон полностью покрыл спираль, ладонь и антиспираль. В частности, электропряденые нановолокна могли быть отложены на углубленной области между спиралью и антиспиралью, что было невозможно без уплощения трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща. Резкое различие толщины мата из электропряденого нановолокна на оригинале и сплющенного трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща показано на рис. 5b. Более низкая толщина мата из электропряденых нановолокон на исходном коллекторе гидрогеля показывает замедленное осаждение на углубленной области, в то время как сплющенный коллектор гидрогеля может привлекать достаточное количество электроспряденных нановолокон на углубленной области. В результате электропряденые нановолокна конформно осаждались на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща даже со сложной геометрией, такой как спираль и антиспираль, путем сглаживания коллектора.

Наконец, мы подтвердили однородность мата из электропряденого нановолокна на сплющенном трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща (рис. 6). На рис. 6а показано, что мат из нановолокна из электропряденого материала может полностью покрывать трехмерный коллектор гидрогеля в форме ушного хряща, не показывая никаких пустот в случае оригинального трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща. На рисунке 6b показана толщина мата из электропряденого нановолокна, нанесенного на спираль (54,58 ± 3,99 мкм), антиспираль (55,40 ± 1,17 мкм), антитрагус (53,05 ± 1,39 мкм) и ладонь (51,49 ± 1,24 мкм), где нановолокна не были депонированы с помощью оригинального трехмерного коллектора гидрогеля в форме ушного хряща. В результате электроспиннинга со сплющенным трехмерным коллектором гидрогеля в форме ушного хряща мы смогли подтвердить, что электропряденый мат из нановолокна был нанесен конформно и равномерно на коллектор гидрогеля. Кроме того, основываясь на результатах предыдущего исследования электроспиннинга с использованием гидрогеля, мы убеждены, что толщину изготовленных трехмерных конформных матов из нановолокон можно контролировать, используя коллектор из гидрогеля. В перспективе, учитывая, что трехмерный гидрогель в форме ушного хряща с этим матом из нановолокна обладает механическими свойствами, аналогичными свойствам нативного ушного хряща, и имеет биомиметическую наноструктуру, можно ожидать его применения в качестве имплантата искусственного ушного хряща. Принимая во внимание использование в тканевой инженерии, нельзя пренебрегать остаточным зарядом в мате из нановолокна, который может повлиять на поведение клеток. Мы полагали, что это конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна является новаторской работой по производству трехмерной мембраны из нановолокна и, таким образом, может быть использовано в широком диапазоне приложений, предлагая новый тип узлов нановолокна, таких как трехмерный каркас, имитирующий естественную ткань и трехмерный пористая мембрана для эффективной фильтрации.

а Конформно изготовленный коврик из нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща. Масштабная линейка 1 см. б Толщина мата из электропряденого нановолокна в нескольких положениях, включая спираль, ладонь, антиспираль и антитрагус на сплющенном трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща

Выводы

Таким образом, мы разработали конформное изготовление мата из электропряденого нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща, который имеет углубленную область. В результате мат из нановолокна на трехмерном коллекторе гидрогеля в форме ушного хряща был изготовлен с полностью воспроизведенной формой коллектора. Наиболее важно то, что использование гибкости коллектора гидрогеля позволило отрегулировать углубленную область коллектора, и, таким образом, мат из нановолокна из электропряденого материала был конформно нанесен с однородной толщиной на всю поверхность коллектора, которая не была бы покрыта обычный электроспиннинг. Учитывая, что этот метод конформного изготовления будет совместим с различными гидрогелевыми материалами, этот метод может быть более универсальным и эффективным методом изготовления конформного мата из нановолокна в различных областях тканевой инженерии, доставки лекарств / клеток, одежды и аккумуляторов.

Доступность данных и материалов

Все данные, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью и дополнительный документ.

Сокращения

3D:

Трехмерный

PDMS:

Полидиметилсилоксан

PLA:

Полимолочная кислота

PCL:

Поликапролактон

PMMA:

Полиметилметакрилат

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

FDM:

Моделирование наплавления

SLA:

Стереолитография

DLP:

Цифровая обработка света

A100G0:

Чистый альгинат

A0G100:

Чистый желатин

A50G50:

Альгинат / желатин =50:50

A25G75:

Альгинат / желатин =25:75