Гидрогель-ассистированный электроспиннинг для конформального нановолоконного покрытия на 3D гидрогельных коллекторах в форме хряща уха

Аннотация

Электроспинниг — это распространенный и универсальный процесс производства нановолокон и их осаждения на коллекторе в виде двумерного ковра из нановолокон или трехмерной (3D) макроскопической структуры. Однако 3D электроэлектрически проводящие коллекторы со сложными геометриями, включающими выступающие, изогнутые и углубленные области, обычно препятствуют конформальному осаждению и приводят к неполному покрытию электроспиннированными нановолокнами. В данном исследовании мы предложили конформальное изготовление ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха на основе гидрогель-ассистированного электроспиннинга. Для снижения влияния сложных геометрий мы выпрямили выступающие части 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха, используя гибкость гидрогеля. Мы выяснили, что предложенная техника изготовления может значительно уменьшить неравномерно сфокусированное электрическое поле, вызванное сложными геометриями 3D коллектора, снизив стандартное отклонение более чем на 70% согласно численному моделированию. Кроме того, экспериментально подтверждено, что ковер из электроспиннированных нановолокон конформально покрывает выпрямленный гидрогельный коллектор с равномерной толщиной, чего не удавалось достичь с исходным гидрогельным коллектором. Поскольку это исследование установило технику конформального электроспиннинга на 3D электроэлектрически проводящих коллекторах, оно будет способствовать различным исследованиям, связанным с электроспиннингом, включая тканевую инженерию, доставку лекарств/клеток, экологические фильтры и одежду.

Введение

Электроспинниг — эффективный и универсальный метод изготовления нановолокон и их сборок, который интенсивно изучался в последние десятилетия. Благодаря уникальным свойствам, таким как высокая пористость, высокое отношение поверхности к объему и структура, имитирующая внеклеточную матрицу, электроспиннированные нановолокна и их сборки вызывают огромный интерес в различных областях исследований, включая одежду, экологические фильтры, батареи и тканеинженерные матрицы. Однако хаотичное движение электроспиннированных нановолокон из-за нестабильности изгиба затрудняло точное и точное управление при построении нановолоконных сборок и обычно создавало случайно переплетенные 2D ковры из нановолокон. Недавние достижения в процессе электроспиннинга расширили диапазон нановолоконных сборок от плоского 2D ковра до 3D нановолоконных макроструктур. С помощью техник изготовления 3D нановолоконных матриц, включая электроспиннинг на 3D шаблонах, наслаивание пленок из нановолокон и центрифугальный спиннинг, были изготовлены различные 3D нановолоконные макроструктуры, включая полые трубчатые формы, отлитые 3D сложные геометрии и нановолоконные матрицы в форме родных тканей. Такие 3D нановолоконные макроструктуры стали растущей темой интереса, особенно в тканевой инженерии, благодаря не только биомиметической нановолоконной структуре, но и имитации 3D макроструктуры родных тканей. В результате различные исследования привели к улучшению эстетических и функциональных свойств 3D нановолоконных сборок.

Среди различных техник 3D электроспиннинга, включая гидролиз, газообразующие методы, намотку, складывание и 3D электроэлектрически проводящий коллектор, электроспиннинг на 3D электроэлектрически проводящем коллекторе обеспечивает простой способ сборки электроспиннированных нановолокон в 3D нановолоконную макроструктуру без дополнительной обработки. Сложные геометрии 3D электроэлектрически проводящего коллектора, такие как большой изгиб или углубленная форма, позволяют производить выровненные ковры из нановолокон или пушистые 3D нановолоконные макроструктуры. Однако такие сложные геометрии одновременно препятствуют осаждению электроспиннированных нановолокон на углубленную область коллектора и вызывают неполное покрытие 3D электроэлектрически проводящего коллектора. Таким образом, было крайне трудно воспроизвести сложные геометрии 3D электроэлектрически проводящего коллектора в 3D ковре из нановолокон. Учитывая, что такое неполное покрытие может вызывать деградацию функциональности, такой как фильтрующая эффективность и механические свойства, необходимо разработать технику, которая воспроизводит форму 3D электроэлектрически проводящего коллектора с высокой сложностью в 3D нановолоконной макроструктуре для расширения применения сборок из электроспиннированных нановолокон.

В данном исследовании мы предложили конформальное изготовление ковра из электроспиннированных нановолокон, воспроизводящего форму 3D электроэлектрически проводящего коллектора со сложными геометриями. В качестве представительного примера 3D электроэлектрически проводящего коллектора мы выбрали 3D коллектор в форме хряща уха для конформального изготовления ковра из электроспиннированных нановолокон благодаря его сложным геометриям. В предыдущем исследовании мы предложили гидрогель, обладающий достаточными подвижными ионами для генерации электрического поля как металлический коллектор, в качестве электроэлектрически проводящего коллектора для электроспиннинга. Здесь мы использовали гибкость гидрогельного коллектора для конформального и равномерного осаждения электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха. В отличие от металлического коллектора, гидрогельный коллектор мог быть выпрямлен благодаря гибкости гидрогеля и, таким образом, генерировать равномерное электрическое поле для равномерного осаждения нановолокон на всей поверхности 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха. Кроме того, механическая прочность гидрогеля могла быть настроена на уровень родной ткани путем подбора подходящего гидрогеля. Мы выбрали альгинат и желатин в качестве материалов гидрогеля благодаря их отличной биосовместимости. Смешивая альгинат и желатин, мы могли достичь механических свойств, похожих на родной хрящ уха. Мы численно исследовали влияние выпрямления 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха на конформальное изготовление ковра из электроспиннированных нановолокон на коллекторе. Наконец, мы подтвердили конформальное изготовление ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха, измеряя толщину ковра из электроспиннированных нановолокон в нескольких позициях, включая спираль, противоспираль, лодочку и противоушник.

Материалы и методы

Материалы

Основа силиконового эластомера Sylgard® 184 полидиметилсилоксана (ПДМС) мономера и отвердитель Sylgard® 184 силиконового эластомера закупались у Dow Corning (США). Нити полилактида (ПЛА) получены от Snapmaker (США). Желатин из бычьей кожи, натриевая соль альгиновой кислоты, хлорид кальция дигидрат (≥ 99%), поликапролактон (ПКЛ, Мв 80000) и хлороформ (≥ 99.5%) готовились из Sigma Aldrich (США). Деионизированная вода и метиловый спирт (≥ 99.5%) получены от Samchun Chemical Co., Ltd. (Южная Корея). Все материалы использовались без дополнительной очистки.

Изготовление негативной формы ПДМС 3D шаблона в форме хряща уха

CAD-файл 3D шаблона в форме хряща уха с размерами 70 (длина) × 20 (ширина) × 1.1 мм (толщина) был получен через веб-сайт Turbosquid и модифицирован в 3DS Max. 3D шаблон в форме хряща уха затем печатался 3D принтером (A150, Snapmaker, США). Мономер ПДМС и отвердитель смешивались в соотношении 10:1. Неокисшая смесь ПДМС размешивалась вручную в течение 5 минут для однородного смешивания, а затем дегазировалась в вакуумной камере до исчезновения всех видимых пузырьков воздуха. Когда все пузырьки исчезли, неокисшая смесь ПДМС разливалась в одноразовую взвешивающую чашку, и 3D шаблон в форме хряща уха в чашке полностью погружался в смесь ПДМС. Чашку помещали в печь и выдерживали при 50 °C в течение 24 часов. После отверждения чашку разрезали пополам, и 3D шаблон в форме хряща уха удаляли для получения негативной формы ПДМС.

Приготовление гидрогеля альгинат-желатин

Были приготовлены четыре гидрогеля альгинат-желатин с разными массовыми соотношениями (Таблица 1). Желатин растворяли в воде при 50 °C магнитным мешалкой при 300 об/мин в течение 1 часа. Затем добавляли альгинат и смешивали вручную в течение 5 минут. Раствор геля альгинат-желатин разливали в негативную форму ПДМС. Раствор геля альгинат-желатин ионно перекрестно связывали в течение 2 часов в 10% растворе хлорида кальция по массе. После этого гидрогель альгинат-желатин отделяли от негативной формы ПДМС и использовали как электроэлектрически проводящий коллектор для электроспиннинга.

Механическое испытание гидрогеля альгинат-желатин

Гидрогели альгинат-желатин готовили в форме образца типа IV по ASTM D638 для измерения механических свойств методом растяжения. Каждый приготовленный образец гидрогеля устанавливали на универсальную испытательную машину (QM100S, QMESYS, Южная Корея). Испытание на растяжение проводили при постоянном смещении со скоростью 10 мм/мин. Модуль упругости и предел прочности при растяжении (UTS) образца рассчитывали по кривой напряжение-деформация.

Конформальное изготовление ковра из электроспиннированных нановолокон

ПКЛ (7.5%, масс./объем) растворяли в хлороформ-метаноле (3:1) с перемешиванием более 6 часов. Раствор ПКЛ помещали в 3-миллилитровый пластиковый шприц, и шприцевая насосная установка (NE-1000, New Era Pump Systems, Inc., США) выдавливала раствор ПКЛ через металлическую иглу с расходом 0.4 мл/ч. 3D гидрогельный коллектор в форме хряща уха из гидрогеля альгинат-желатин соотношением 25:75, то есть А25Г75, размещали на плоском субстрате из полметакрилата метила (ПММА), а ПММА субстрат располагали на расстоянии 20 см под металлической иглой. Для электроспиннинга высокое напряжение 19 кВ (HV30, NanoNC Co., Ltd., Южная Корея) приложение между 23-калиберной металлической иглой с внутренним диаметром 0.6 мм и 3D гидрогельным коллектором в форме хряща уха при комнатной температуре и контролируемой влажности около 40–50%. Для конформального осаждения ковра из электроспиннированных нановолокон на всей поверхности гидрогельного коллектора мы выпрямляли внешнюю часть 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха. После изготовления ковра из электроспиннированных нановолокон на одной стороне гидрогельного коллектора, 3D гидрогельный коллектор в форме хряща уха переворачивали для изготовления ковра из электроспиннированных нановолокон на другой поверхности 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха.

Характеризация ковра из электроспиннированных нановолокон

Наноструктура ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха наблюдалась с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM; Supra 25, Carl Zeiss, Германия), а диаметры нановолокон измеряли на SEM-изображении с помощью ImageJ. Для измерения толщины ковер из электроспиннированных нановолокон с 3D гидрогельным коллектором в форме хряща уха погружали в смесь мономера ПДМС и отвердителя в массовом соотношении 10:1. Затем ПДМС с ковром из электроспиннированных нановолокон выдерживали в сухоем печи при умеренной температуре 50 °C в течение 24 часов. ПДМС с встроенным ковром из электроспиннированных нановолокон поперечно разрезали, и толщину ковра из электроспиннированных нановолокон измеряли на основе поперечного сечения, полученного микроскопом (Olympus BX53F2, Olympus, Япония).

Численное моделирование

Электрическое поле, возникающее между металлической иглой и коллектором, численно моделировали с помощью программного обеспечения COMSOL Multiphysics v5.0 (COMSOL, США). Для численного моделирования использовали три модели коллекторов в форме хряща уха из меди, ПЛА и гидрогеля. 3D коллектор в форме хряща уха упрощали до 2D поперечного сечения. Металлический заземляющий провод подключали к 3D коллектору в форме хряща уха. Другие геометрические параметры задавали как реальные значения процесса конформального электроспиннинга: (1) расстояние между металлической иглой и модельным коллектором 20 см и (2) приложенное электрическое напряжение 19 кВ. Гидрогельный коллектор, который был гидрогелем альгинат-желатин, моделировали на основе плотности пространственного заряда интерстициальной жидкости гидрогеля. Подвижные ионы в интерстициальной жидкости могут быть описаны уравнением Больцмана, что приводит к плотности пространственного заряда ρ(x). Диэлектрическая проницаемость гидрогельного коллектора устанавливали как 70. Для построения направления электрического поля опорную линию l(x) длиной 10 мм рисовали на высоте 10 мм над углубленной областью 3D коллектора в форме хряща уха.

Статистический анализ

Статистические анализы проводили с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с использованием программного обеспечения MINITAB v17.1.0 (MINITAB. LCC, США). Статистическая значимость считалась при p-value менее 0.05.

Результаты и обсуждение

Гидрогель-ассистированный электроспиннинг

На рисунке 1 схематично показан процесс конформального изготовления ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха. На рисунке 1a показано, что 3D шаблон в форме хряща уха печатался 3D принтером методом FDM (Fused Deposition Modeling). Поскольку конформальный процесс изготовления использовал 3D принтер, напечатанная структура может быть свободно спроектирована и легко изменена для соответствия высоко сложной форме, такой как хрящ уха. Более того, структуры с более высоким разрешением можно получить, используя стереолитографию (SLA) или цифровую обработку света (DLP) 3D принтеры, которые достигают лучшего разрешения за счет фотополимеризации по сравнению с FDM 3D принтером. На рисунке 1b показана негативная форма ПДМС, воспроизведенная 3D шаблоном в форме хряща уха, сделанным 3D печатью. На рисунке 1c показан гидрогельный коллектор альгинат-желатин в форме хряща уха, воспроизведенный негативной формой ПДМС. На рисунке 1d показано конформальное изготовление ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха. Когда мы размещали 3D гидрогельный коллектор в форме хряща уха на плоском субстрате, спираль 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха не контактировала с плоским нижним субстратом и была отстранена от субстрата из-за сложных геометрий хряща уха, что вызывало разницу высот между спиралью, лодочкой и противоспиралью 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха. Обычно разница высот из-за выступающей части 3D электроэлектрически проводящего коллектора препятствовала конформальному изготовлению ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D электроэлектрически проводящем коллекторе. Это связано с тем, что выступающая часть 3D электроэлектрически проводящего коллектора притягивает большинство электроспиннированных нановолокон и препятствует осаждению нановолокон в нижней части 3D электроэлектрически проводящего коллектора. Для уменьшения влияния сложных геометрий 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха мы выпрямляли выступающую часть 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха до плоского нижнего субстрата, используя гибкость гидрогеля. После этого, выполняя электроспиннинг на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха, ковер из электроспиннированных нановолокон осаждался конформально на всей поверхности 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха. Наконец, выпрямленный 3D гидрогельный коллектор в форме хряща уха с ковром из электроспиннированных нановолокон возвращали к исходной форме хряща уха. Это восстановление исходной формы было возможно, потому что выпрямление гидрогельного коллектора выполнялось в области упругой деформации, а ковер из нановолокон имеет пренебрежимое влияние на механическое свойство гидрогельного коллектора с ковром из нановолокон благодаря своей меньшей толщине по сравнению с толщиной гидрогельного коллектора.

Изготовление и оценка механических свойств гидрогеля альгинат-желатин

На рисунке 2a показан 3D шаблон в форме хряща уха, напечатанный нитями ПЛА. ПЛА обладает достаточными механическими свойствами и высокой температурой плавления (~ 130 °C), подходящей для формовки ПДМС с сохранением исходной формы уха. Негативная форма ПДМС показана на рисунке 2b. ПДМС был выбран в качестве материала формы благодаря своей гибкости, необходимой для разформовки сложных геометрий гидрогельного коллектора. Гидрогельный коллектор альгинат-желатин на рисунке 2c показывает сложную структуру уха, такую как спираль, лодочка и противоспираль. Для раскрытия широкого выбора механических свойств гидрогельного коллектора альгинат-желатин мы приготовили 4 образца для механического испытания с разными соотношениями смешивания альгината и желатина. На рисунке 2d, e показаны кривая напряжение-деформация и модуль Юнга соответственно в зависимости от соотношения материалов гидрогеля. На рисунке 2d видно, что образец из чистого желатина показал наименьшую механическую прочность, а с увеличением содержания альгината механическая прочность смеси альгинат-желатин линейно увеличивалась. На рисунке 2e модуль Юнга гидрогеля альгинат-желатин варьировался от 0.04 МПа до 5.53 МПа. В случае чистого желатина, названного А0Г100, образец показывал наименьший модуль Юнга 0.04 ± 0.01 МПа и поэтому было трудно сохранить его форму во время электроспиннинга. Напротив, образец чистого альгината, названный А100Г0, имел наивысший модуль Юнга 5.53 ± 0.77 МПа, способный сохранять свою форму во время электроспиннинга. Образцы А50Г50 и А25Г75, которые являются смесью альгината и желатина, показывали модуль Юнга 2.10 ± 0.45 МПа и 1.35 ± 0.03 МПа соответственно. В частности, учитывая хрящ уха как цель, модуль Юнга образца А25Г75 попадал в диапазон модуля Юнга (1–2 МПа) родного хряща уха, показанный серой областью на рисунке 2e. Основываясь на этих результатах, соотношение А25Г75 использовалось для 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха.

Изготовление ковра из нановолокон на гидрогельном коллекторе альгинат-желатин

Для изучения поведения осаждения электроспиннированных нановолокон на гидрогельном коллекторе альгинат-желатин мы выполнили численное моделирование электрического поля с тремя типами коллекторов: медным коллектором, коллектором ПЛА и гидрогельным коллектором альгинат-желатин. Осаждение электроспиннированных нановолокон обычно определялось взаимодействием между зарядом электроспиннированных нановолокон и электрическим полем. В этом смысле моделирование электрического поля использовалось для понимания осаждения электроспиннированных нановолокон на коллекторе. В результате моделирования с коллектором ПЛА, как показано на рисунке S1b, поскольку большинство электрического поля было сконцентрировано в направлении заземляющего провода, ожидалось, что электроспиннированные нановолокна не осадятся на поверхности гидрогельного коллектора. Напротив, в результате моделирования с гидрогельным коллектором альгинат-желатин, показанном на рисунке S1c, электрическое поле было сфокусировано по всей поверхности гидрогельного коллектора альгинат-желатин, как и для медного коллектора (Дополнительный файл 1: Рисунок S1a). Из этого результата моделирования мы ожидали, что электроспиннированные нановолокна в основном осадятся на поверхности гидрогельного коллектора альгинат-желатин. Это связано с тем, что гидрогельный коллектор имеет достаточную электропроводность благодаря подвижным ионам в гидрогеле и генерирует равномерное электрическое поле в направлении коллектора, как металлический коллектор. Однако коллектор ПЛА, являющийся диэлектрическим материалом, не мог достаточно притянуть электрическое поле, и поэтому электрическое поле притягивалось к заземляющему проводу, а не к коллектору ПЛА. Эти результаты моделирования были подтверждены электроспиннингом на коллекторах ПЛА и альгинат-желатин и сравнением толщин ковров из электроспиннированных нановолокон (Дополнительный файл 1: Рисунок S1d). Аналогично результатам моделирования с коллектором ПЛА, большинство электроспиннированных нановолокон располагались на заземляющем проводе и спиральной части коллектора ПЛА. В местах, исключающих заземляющий провод и спиральную часть, электроспиннированные нановолокна на поверхности коллектора ПЛА наслаивались в микрометровом масштабе или менее. Напротив, толщины ковра из электроспиннированных нановолокон, осажденных на спираль, измеряли для коллекторов ПЛА и альгинат-желатин для сравнения осаждения нановолокон в зависимости от типа коллектора, и толщины ковра из нановолокон на каждом коллекторе составляли 3.09 ± 0.37 мкм и 33.24 ± 2.43 мкм соответственно (Дополнительный файл 1: Рисунок S1d). В случае коллектора ПЛА, показанного в Дополнительном файле 1: Рисунок S1b, электрическое поле в основном фокусировалось на заземлении, и электроспиннированные нановолокна осаждались более чем в 10 раз тоньше на коллекторе ПЛА, чем на гидрогельном коллекторе за то же время электроспиннинга. Учитывая, что ПЛА имел гораздо более низкую диэлектрическую проницаемость по сравнению с гидрогелем при комнатной температуре, электрическое поле не могло быть в основном сконцентрировано на самом коллекторе, и поэтому нановолокна осаждались в других местах, таких как заземление. Из этого результата и нашего предыдущего исследования подтверждается, что гидрогельный коллектор может достаточно собирать электрическое поле, и поэтому ковры из нановолокон осаждались толще на гидрогельном коллекторе по сравнению с коллектором ПЛА. Этот результат подразумевает, что гидрогель альгинат-желатин является эффективным коллектором для электроспиннированных нановолокон во время электроспиннинга. Далее мы подтвердили, что гидрогельный коллектор альгинат-желатин может производить наномасштабные волокна во время электроспиннинга. Ковер из электроспиннированных нановолокон на гидрогельном коллекторе альгинат-желатин показан на рисунке 3a с неполным покрытием электроспиннированных нановолокон на поверхности коллектора. На рисунке 3b показано увеличенное SEM-изображение электроспиннированных нановолокон на гидрогельном коллекторе альгинат-желатин. Из SEM-изображения подтверждалось высокое соотношение сторон с наномасштабной толщиной нановолокон и микромасштабной длиной нановолокон. Также дефекты, такие как пузыри, которые могут приводить к ошибкам при измерении толщины нановолокон, не обнаруживались, и значимой разницы в вариации толщины не было. Из этих результатов мы считали, что электроспиннинг с указанными выше условиями проводился непрерывно. Средний диаметр изготовленных электроспиннированных нановолокон на гидрогельном коллекторе альгинат-желатин составлял 564 ± 153 нм, и большинство нановолокон имели диаметры в диапазоне от 400 до 600 нм на рисунке 3c. Из SEM-изображения электроспиннированные нановолокна показывали высокое соотношение сторон с наномасштабным диаметром и микромасштабной длиной. Таким образом, эта техника электроспиннинга могла рассматриваться как процесс непрерывного приготовления волокон.

Как показано на рисунке 3a, мы наблюдали, что ковер из электроспиннированных нановолокон не полностью покрыл 3D гидрогельный коллектор в форме хряща уха, особенно на лодочке, углубленной области между спиралью и противоспиралью. Этот результат указывал на наличие пустот в ковре из электроспиннированных нановолокон. Также электроспиннированные нановолокна не осаждались конформально на всей поверхности, а висели в выровненной конфигурации, что наблюдалось в методе наклонного зазора. Не только для формы хряща уха, сложные геометрии 3D электроэлектрически проводящего коллектора, такие как выступ или высокая кривизна, обычно вызывали неполное покрытие ковра из электроспиннированных нановолокон на поверхности коллектора.

Численное моделирование конформального изготовления ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха

Для достижения конформального изготовления ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D электроэлектрически проводящем коллекторе мы использовали гибкость гидрогельного коллектора, которой обычно не обладает металлический коллектор. Гибкость гидрогельного коллектора позволяла изменять форму коллектора, тем самым уменьшая разницу высот и выпрямляя гидрогельный коллектор. Во-первых, мы численно подтвердили конформальное изготовление ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха. На рисунке 4a-(i) показана конфигурация процесса электроспиннинга с 3D гидрогельным коллектором в форме хряща уха. Учитывая, что электроспиннированные нановолокна трудно осаждались на углубленной области 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха, мы выделили углубленную область между спиралью и противоспиралью с 2D поперечным сечением 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха, как показано на рисунке 4a-(ii). Спираль была наклонена под углом около 60° к нижнему субстрату, тем самым образуя углубленную область между спиралью и противоспиралью. Для смягчения такой углубленной области мы уменьшили угол, изогнув спираль 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха, используя гибкость гидрогельного коллектора, в отличие от металлического коллектора. Результаты численного моделирования с различными углами изгиба 0°, 30° и 60° показаны на рисунках 4b-(i), b-(ii) и b-(iii) соответственно. На рисунке 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° при углах изгиба 0°, 30° и 60° соответственно, показывая смещенный угол без значительной вариации между каждым случаем. Такой смещенный угол был вызван тем, что углубленная область между спиралью и противоспиралью была левой частью 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха, как показано на рисунке 4a-(i). Для случая отклонения угла электрического поле, случай с углом изгиба 0° показывал отклонение 8.23° вдоль опорной линии l(x). Напротив, изгибая спираль на 60°, отклонение угла электрического поля значительно снижалось до 2.36°, что было более чем на 70% снижено от отклонения угла электрического поля, вызванного изгибом 0°. Такое большое отклонение угла для случая угла изгиба 0° было бы приписано сфокусированному электрическому полю в направлении выступающей спирали, что приводило к концентрированному осаждению электроспиннированных нановолокон на спирали и тем самым препятствовало конформальному изготовлению ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха. Снижение отклонения угла за счет изгиба спирали снимало такое сконцентрированное электрическое поле, и поэтому изгиб спирали ожидаемо позволял конформальное осаждение электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха.

Конформальное изготовление ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха

Для достижения конформального изготовления ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха гидрогельный коллектор должен был быть выпрямлен согласно результату моделирования. В данном исследовании мы выпрямляли 3D гидрогельный коллектор в форме хряща уха, изгибая спираль. Спираль и внешние части выпрямляли с помощью металлических фиксуров, как показано на рисунке S2b. Гидрогельный коллектор, покрытый нановолокнами, может быть возвращен к исходной форме при деформации в области упругой деформации гидрогеля. Это связано с тем, что ковер из нановолокон имеет пренебрежимое влияние на механическое свойство гидрогельного коллектора, покрытого волокнами, благодаря своей меньшей толщине по сравнению с толщиной гидрогельного коллектора. Гидрогельный коллектор деформировали в области упругой деформации, и поэтому нановолоконный покрытый гидрогель мог быть восстановлен в исходную форму. После этого электроспиннинг проводили на исходном и выпрямленном 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха. Поперечные сечения исходного и выпрямленного 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха после электроспиннинга показаны на рисунке 5a-(i), (ii).

В случае исходного 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха электроспиннированные нановолокна висели между спиралью и противоспиралью, не осаждаясь на лодочке 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха. Когда 3D гидрогельный коллектор в форме хряща уха был выпрямлен, ковер из электроспиннированных нановолокон полностью покрывал спираль, лодочку и противоспираль. Особенно электроспиннированные нановолокна могли осаждаться на углубленной области между спиралью и противоспиралью, чего было невозможно без выпрямления 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха. Драматическая разница толщины между ковром из электроспиннированных нановолокон на исходном и выпрямленном 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха показана на рисунке 5b. Меньшая толщина ковра из электроспиннированных нановолокон на исходном гидрогельном коллекторе показывала замедленное осаждение на углубленной области, в то время как выпрямленный гидрогельный коллектор мог притянуть достаточное количество электроспиннированных нановолокон на углубленной области. С этим результатом электроспиннированные нановолокна конформально осаждались на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха даже со сложными геометриями, такими как спираль и противоспираль, за счет выпрямления коллектора.

Наконец, мы подтвердили равномерность ковра из электроспиннированных нановолокон на выпрямленном 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха (Рисунок 6). На рисунке 6a показано, что ковер из электроспиннированных нановолокон мог полностью покрыть 3D гидрогельный коллектор в форме хряща уха без каких-либо пустот для случая исходного 3D гидрогельного коллектора в форме хряща уха. На рисунке 6b показана толщина ковра из электроспиннированных нановолокон, осажденных на спирали (54.58 ± 3.99 мкм), противоспирали (55.40 ± 1.17 мкм), противоушнике (53.05 ± 1.39 мкм) и лодочке (51.49 ± 1.24 мкм), где нановолокна не осаждались с исходным 3D гидрогельным коллектором в форме хряща уха. В результате электроспиннинга с выпрямленным 3D гидрогельным коллектором в форме хряща уха мы могли подтвердить, что ковер из электроспиннированных нановолокон осаждался конформально и равномерно на гидрогельном коллекторе. Кроме того, основанные на результатах предыдущего исследования гидрогель-ассистированного электроспиннинга, мы убеждены, что толщина изготовленных 3D конформальных ковров из нановолокон может быть контролирована за счет использования гидрогельного коллектора. В качестве будущей перспективы, учитывая, что 3D гидрогель в форме хряща уха с этим ковром из нановолокон обладает механическими свойствами, похожими на родной хрящ уха, и имеет биомиметическую наноструктуру, можно ожидать его применение в качестве импланта искусственного хряща уха. Учитывая использование в тканевой инженерии, остаточный заряд в ковре из нановолокон не должен быть пренебрежен, который может влиять на поведение клеток. Мы считаем, что это конформальное изготовление ковра из электроспиннированных нановолокон является пионерской работой по производству 3D нановолоконной мембраны, и поэтому может быть использовано в широком спектре применений, предлагая новый тип нановолоконных сборок, таких как 3D матрицы, имитирующие родные ткани, и 3D пористые мембраны для эффективной фильтрации.

Заключение

Подводя итог, мы разработали конформальное изготовление ковра из электроспиннированных нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха, имеющем углубленную область. В результате ковер из нановолокон на 3D гидрогельном коллекторе в форме хряща уха был произведен с полностью воспроизведенной формой коллектора. Самое главное, использование гибкости гидрогельного коллектора позволило настроить углубленную область коллектора, и таким образом, ковер из электроспиннированных нановолокон конформально осаждался с равномерной толщиной на всей поверхности коллектора, чего не удавалось достичь с обычным электроспиннингом. Учитывая, что эта техника конформального изготовления будет совместима с различными материалами гидрогеля, эта техника может стать более универсальной и эффективной техникой для изготовления конформального ковра из нановолокон в различных областях тканевой инженерии, доставки лекарств/клеток, одежды и батарей.