Hydrogel-geassisteerde elektrospinnen voor conformele nanovezelcoating op 3D oor-kraakbeen hydrogel collectors

Samenvatting

Elektrospinnen is een veelgebruikte en veelzijdige techniek om nanovezels te produceren en op een collector af te zetten als een tweedimensionale nanovezelmat of een driedimensionale (3D) macroscopische ordening. Echter, 3D electrogeleidende collectors met complexe geometrieën, waaronder uitstekende, gekromde en ingesloten gebieden, belemmeren doorgaans een conformele afzetting en leiden tot onvolledige bedekking met elektrogesponnen nanovezels. In deze studie stellen we een conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op een 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector voor, gebaseerd op hydrogel-geassisteerd elektrospinnen. Om de invloed van de complexe geometrieën te verminderen, werden de uitstekende delen van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector vervormd door de flexibiliteit van de hydrogel te benutten. We vonden dat de voorgestelde fabricagetechniek de ongelijkmatig gefocuste elektrische veldsterkte, veroorzaakt door de complexe geometrieën van de 3D collector, aanzienlijk kon verminderen door de standaarddeviatie met meer dan 70% te verlagen via numerieke simulatie. Daarnaast werd experimenteel bevestigd dat een elektrogesponnen nanovezelmat de vervormde hydrogel collector conform bedekte met een uniforme dikte, wat niet bereikt werd met de oorspronkelijke hydrogel collector. Aangezien deze studie de conformele elektrospintechniek op 3D electrogeleidende collectors vestigt, zal dit bijdragen aan diverse studies met betrekking tot elektrospinnen, waaronder weefseltechnologie, geneesmiddel/celdelivery, milieu-filters en kleding.

Inleiding

Elektrospinnen is een effectieve en veelzijdige techniek voor het fabriceren van nanovezels en hun assemblages, die de afgelopen decennia uitgebreid is bestudeerd. Vanwege hun unieke eigenschappen zoals hoge porositeit, hoge oppervlakte-tot-volume-verhouding en structuur die het extracellulaire matrix nabootsen, hebben elektrogesponnen nanovezels en hun assemblages aanzienlijk belang gewekt uit verschillende onderzoeksvelden, waaronder kleding, milieu-filters, batterijen en weefseltechnische scaffolds. Echter, de chaotische beweging van elektrogesponnen nanavezels door buigingsinstabiliteit heeft de nauwkeurige en precieze controle bij het construeren van nanovezelassemblages belemmerd en levert doorgaans willekeurig verflochten 2D nanovezelmatten op. Recente vooruitgang in het elektrospiproces heeft het bereik van nanovezelassemblages uitgebreid van een 2D vlakke nanovezelmat naar een 3D nanovezelachtige macrostructuur. Met 3D nanovezelachtige scaffold-fabricagetechnieken, waaronder 3D template elektrospinnen, nanovezelfilm stapelen en centrifugaal spinnen, zijn diverse 3D nanovezelachtige macrostructuren gefabriceerd, zoals holle buisvormige structuren, gegoten 3D complexe geometrieën en inheemse weefselvormige nanovezelachtige scaffolds. Zulke 3D nanovezelachtige macrostructuren zijn een groeiend onderwerp van belang, met name in weefseltechnologie, niet alleen omdat ze een biomimetische nanovezelstructuur bezitten, maar ook de 3D macrostructuur van inheemse weefsels nabootsen. Als resultaat hebben diverse studies geleid tot een verbetering van de esthetische en functionele prestaties van 3D nanovezelassemblages.

Onder de diverse 3D elektrospintechnieken, waaronder hydrolyse, gasvormende technieken, rollen, vouwen en 3D electrogeleidende collectors, biedt elektrospinnen op een 3D electrogeleidende collector een eenvoudige manier om elektrogesponnen nanovezels te assembleren tot een 3D nanovezelachtige macrostructuur zonder enige nabewerking. De complexe geometrieën van de 3D electrogeleidende collector, zoals een grote buiging of een ingesloten vorm, maken het mogelijk om uitgelijnde nanovezelmatten of vlokkige 3D nanovezelachtige macrostructuren te produceren. Echter, dergelijke complexe geometrieën belemmeren tegelijkertijd de afzetting van elektrogesponnen nanovezels op het ingesloten gebied van de collector en veroorzaken onvolledige bedekking van de 3D electrogeleidende collector. Het is daarom zeer moeilijk om de complexe geometrieën van de 3D electrogeleidende collector met hoge complexiteit te repliceren naar een 3D nanovezelmat. Gezien dergelijke onvolledige bedekking kan leiden tot afname van functionaliteiten zoals filterefficiëntie en mechanische eigenschappen, is het noodzakelijk om een techniek te ontwikkelen die de vorm van een 3D electrogeleidende collector met hoge complexiteit repliceert naar een 3D nanovezelachtige macrostructuur om de toepassing van elektrogesponnen nanovezelassemblages te verbreden.

In deze studie stellen we een conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat voor die de vorm van een 3D electrogeleidende collector met complexe geometrieën repliceert. Als representatief voorbeeld van de 3D electrogeleidende collector selecteren we een 3D oor-kraakbeenvormige collector voor de conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat vanwege zijn complexe geometrieën. In een eerdere studie hebben we een hydrogel voorgesteld, die voldoende mobile ionen bezit om het elektrische veld te genereren zoals een metalen collector, als een electrogeleidende collector voor elektrospinnen. Hier benutten we de flexibiliteit van een hydrogel collector om elektrogesponnen nanovezels conform en uniform af te zetten op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. In tegenstelling tot een metalen collector kan de hydrogel collector vervormd worden door de flexibiliteit van de hydrogel en daardoor een uniform elektrisch veld genereren om nanovezels gelijkmatig op het gehele oppervlak van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector af te zetten. Verder kan de mechanische sterkte van de hydrogel afgestemd worden op die van het inheemse weefsel door een geschikte hydrogel te vinden. We selecteerden alginaat en gelatine als hydrogelmaterialen vanwege hun uitstekende bio-compatibiliteit. Door alginaat en gelatine te mengen, konden we mechanische eigenschappen bereiken die vergelijkbaar zijn met die van inheemse oor-kraakbeen. We onderzochten numeriek de invloed van het vervormen van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector op de conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op de collector. Ten slotte bevestigen we de conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector door de dikte van de elektrogesponnen nanovezelmat op verschillende posities te meten, waaronder helix, antihelix, scapha en antitragus.

Materialen en Methoden

Materialen

Sylgard® 184 siliconelastomer basis van polydimethylsiloxane (PDMS) monomeer en Sylgard® 184 siliconelastomer harder van het verhardingsmiddel werden gekocht bij Dow Corning (VS). Polylactzuur (PLA) filamenten werden verkregen van Snapmaker (VS). Gelatine van rundervel, natriumzout van alginaatzuur, calciumchloride dihydraat (≥ 99%), polycaprolacton (PCL, Mw 80.000) en chlorofoorm (≥ 99,5%) werden geleverd door Sigma Aldrich (VS). Gedemineraliseerd water en methylalcohol (≥ 99,5%) werden verkregen van Samchun Chemical Co., Ltd. (Zuid-Korea). Alle materialen werden gebruikt zonder aanvullende zuivering.

Fabricage van een PDMS negatieve vorm van de 3D oor-kraakbeenvormige template

Het CAD-bestand van de 3D oor-kraakbeenvormige template met een afmeting van 70 (lengte) × 20 (breedte) × 1,1 mm (dikte) werd verkregen via de Turbosquid-website en aangepast in 3DS Max. De 3D oor-kraakbeenvormige template werd vervolgens geprint door een 3D-printer (A150, Snapmaker, VS). PDMS monomeer en verhardingsmiddel werden in een verhouding van 10:1 gemengd. Het onverharde PDMS-mengsel werd 5 minuten handmatig geroerd voor uniforme menging en vervolgens ontgast in een vacuümkamer tot alle zichtbare luchtbellen verdwenen waren. Toen alle luchtbellen verdwenen waren, werd het onverharde PDMS-mengsel in een wegwerp-weegschaal gegoten, en de 3D oor-kraakbeenvormige template in de schaal volledig in het PDMS-mengsel gedoopt. De schaal werd in de oven geplaatst en 24 uur bij 50 °C verhard. Na verharding werd de schaal in twee gesneden, en de 3D oor-kraakbeenvormige template verwijderd om een PDMS negatieve vorm te verkrijgen.

Bereiding van een alginaat-gelatine hydrogel

Vier alginaat-gelatine hydrogels werden bereid met verschillende gewichtsverhoudingen (Tabel 1). Gelatine werd opgelost in 50 °C water door een magnetische roerer op 300 rpm gedurende 1 uur. Alginate werd daarna toegevoegd en 5 minuten handmatig gemengd. Vervolgens werd een alginaat-gelatine geloplossing in de PDMS negatieve vorm gegoten. De alginaat-gelatine geloplossing werd 2 uur ionisch gekruist in een 10% w/w calciumchloride oplossing. Daarna werd een alginaat-gelatine hydrogel losgemaakt van de PDMS negatieve vorm en gebruikt als een electrogeleidende collector voor elektrospinnen.

Mechanische test van een alginaat-gelatine hydrogel

De alginaat-gelatine hydrogels werden bereid met de vorm van een ASTM D638 Type IV proefstuk om de mechanische eigenschappen te meten door de trektest. Elk bereide hydrogel proefstuk werd geladen op een universele testmachine (QM100S, QMESYS, Zuid-Korea). De trektest werd uitgevoerd onder een constante verplaatsing met een snelheid van 10 mm min⁻¹. De elastische modulus en uiteindelijke trekafschuivingssterkte (UTS) van het proefstuk werden berekend uit de spanning-rek kromme.

Conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat

PCL (7,5%, w/v) werd opgelost in chlorofoorm-methanol (3:1) met roeren gedurende 6 uur. Een PCL-oplossing werd in een 3-mL kunststof spuit geplaatst, en een spuitpomp (NE-1000, New Era Pump Systems, Inc., VS) persde de PCL-oplossing door de metalen naald met een vloeisnelheid van 0,4 mL h⁻¹. De 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector van de alginaat-gelatine hydrogel met een verhouding van 25:75, nl. A25G75, werd geplaatst op een polymethylmethacrylaat (PMMA) vlakke substraten, en het PMMA-substraat werd 20 cm onder de metalen naald gepositioneerd. Voor elektrospinnen werd een hoge spanning van 19 kV (HV30, NanoNC Co., Ltd., Zuid-Korea) toegepast tussen een 23-gauge metalen naald met een binnen-diameter van 0,6 mm en de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector bij kamertemperatuur en gecontroleerde vochtigheid van ongeveer 40-50%. Om de elektrogesponnen nanovezelmat conform op het gehele oppervlak van de hydrogel collector af te zetten, vervormden we het uiterste deel van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. Na het fabriceren van een elektrogesponnen nanovezelmat op één kant van de hydrogel collector, werd de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector omgedraaid om de elektrogesponnen nanovezelmat op de andere oppervlakte van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector te fabriceren.

Karakterisering van een elektrogesponnen nanovezelmat

De nanostruktuur van een elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector werd waargenomen door scanning elektronenmicroscopie (SEM; Supra 25, Carl Zeiss, Duitsland), en de diameters van de nanovezels werden gemeten in de SEM-afbeelding door ImageJ. Voor de dikte-meting werd een elektrogesponnen nanovezelmat met de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector gedoopt in het mengsel van PDMS monomeer en verhardingsmiddel in een gewichtsverhouding van 10:1. Vervolgens werd de PDMS met de elektrogesponnen nanovezelmat gecureerd in een droogoven bij een matige temperatuur van 50℃ gedurende 24 uur. De PDMS-ingebedde elektrogesponnen nanovezelmat werd dwarsdoorsneden, en de dikte van de elektrogesponnen nanovezelmat werd gemeten op basis van het dwarsdoorsnede-afbeelding vastgelegd door een microscoop (Olympus BX53F2, Olympus, Japan).

Numerieke simulatie

Een elektrisch veld ontwikkeld tussen de metalen naald en de collector werd numeriek gesimuleerd door COMSOL Multiphysics v5.0 (COMSOL, VS) software. Drie oor-kraakbeenvormige model collectors van koper, PLA en hydrogel werden gebruikt voor de numerieke simulatie. De 3D oor-kraakbeenvormige collector werd vereenvoudigd als een 2D dwarsdoorsnede geometrie. Een metalen aarddraad was verbonden met de 3D oor-kraakbeenvormige collector. Andere geometrische parameters werden aangewezen als de werkelijke waarden van het conformele elektrospiproces: (1) afstand tussen de metalen naald en de model collector van 20 cm en (2) toegepaste elektrische spanning van 19 kV. De hydrogel collector, nl. de alginaat-gelatine hydrogel, werd gemodelleerd gebaseerd op de ruimteladingsdensiteit van het interstitiële vocht van de hydrogel. Mobiele ionen in het interstitiële vocht kunnen beschreven worden door de Boltzmann-vergelijking, resulterend in de ruimteladingsdensiteit ρ(x), als volgt:

$${\rho }\left({x}\right)=-2e{c}_{0}\,\mathrm{sinh}\left(\frac{e}{{k}_{B}T}{\phi }\left(x\right)\right),$$ (1)

waarbij \(e\) de elektronlading is, \({c}_{0}\) de elektrolytconcentratie, \({k}_{B}\) de Boltzmann-constante, \(T\) de temperatuur, en \(\phi\) de elektrische spanning. De dielektrische constante van de hydrogel collector werd ingesteld op 70. Om de richting van het elektrisch veld te plotten, werd een referentielijn \(l(\mathrm{x})\) van 10 mm getekend 10 mm boven het ingesloten gebied van de 3D oor-kraakbeenvormige collector.

Statistische analyse

Statistische analyses werden uitgevoerd door de eensijdige ANOVA-analyse met behulp van MINITAB v17.1.0 software (MINITAB. LCC, VS). De statistische significantie werd overwogen als de \(p\)-waarde kleiner is dan 0,05.

Resultaten en Discussie

Hydrogel-geassisteerd elektrospinnen

Figuur 1 schematiseert de conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. Figuur 1a toont dat de 3D oor-kraakbeenvormige template geprint werd door een fused deposition modeling (FDM) 3D-printer. Aangezien het conformele fabricageproces de 3D-printer benut, kan de geprintte structuur vrij ontworpen en eenvoudig aangepast worden aan een zeer ingewikkelde vorm, zoals oor-kraakbeen. Bovendien kunnen hogere-resolutie structuren verkregen worden door stereolithografie (SLA) of digital light processing (DLP) 3D-printers te gebruiken, die een betere resolutie bereiken door fotopolymerisatie in vergelijking met de FDM 3D-printer. Figuur 1b toont de PDMS negatieve vorm die de 3D oor-kraakbeenvormige template repliceert gemaakt door 3D-printen. Figuur 1c toont de alginaat-gelatine hydrogel collector met de vorm van oor-kraakbeen door de PDMS negatieve vorm te repliceren. Figuur 1d toont de conformele fabricage van de elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. Toen we de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector op een vlak substraat plaatsten, was de helix van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector niet in contact met het vlakke bodemsubstraat en van het substraat gescheiden door de complexe geometrieën van oor-kraakbeen, wat een hoogteverschil induceerde tussen helix, scapha en antihelix van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. Over het algemeen verhinderde het hoogteverschil door het uitstekende deel van een 3D electrogeleidende collector een conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D electrogeleidende collector. Dit komt doordat het uitstekende deel van de 3D electrogeleidende collector de meeste elektrogesponnen nanovezels aantrekt en de afzetting van de nanovezels in het lagere deel van de 3D electrogeleidende collector belemmert. Om de invloed van de complexe geometrieën van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector te verminderen, vervormden we het uitstekende deel van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector tot het vlakke bodemsubstraat door de flexibiliteit van de hydrogel te benutten. Daarna, door elektrospinnen uit te voeren op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector, werd de elektrogesponnen nanovezelmat conform op het gehele oppervlak van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector afgestort. Ten slotte werd de vervormde 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel met de elektrogesponnen nanovezelmat teruggebracht naar zijn oorspronkelijke vorm van het oor-kraakbeen. Deze herstel naar de oorspronkelijke vorm was mogelijk omdat de vervorming van de hydrogel collector in het elastische vervormingsgebied werd uitgevoerd en de nanovezelmat een verwaarloosbare invloed heeft op de mechanische eigenschap van de hydrogel collector met de nanovezelmat vanwege zijn lagere dikte in vergelijking met die van de hydrogel collector.

Fabricage en mechanische eigenschapsevaluatie van de alginaat-gelatine hydrogel

Figuur 2a toont de 3D oor-kraakbeenvormige template geprint met PLA filamento. PLA heeft voldoende mechanische eigenschappen en een hoge smelttemperatuur (~ 130℃), geschikt voor de PDMS-vormgeving met behoud van de oorspronkelijke oorvorm. De PDMS negatieve vorm is weergegeven in Fig. 2b. PDMS werd geselecteerd als vormmateriaal vanwege zijn flexibiliteit die vereist is voor het ontvormen van complexe geometrieën van de hydrogel collector. De alginaat-gelatine hydrogel collector in Fig. 2c toont de complexe structuur van het oor, zoals helix, scapha en antihelix. Om de brede selectie van de mechanische eigenschappen van de alginaat-gelatine hydrogel collector te onthullen, bereidden we 4 proefstukken voor de mechanische test met verschillende mengverhoudingen van alginaat en gelatine. Figuur 2d, e toont de spanning-rek kromme en Young's modulus, respectievelijk, volgens de verhouding van de hydrogelmaterialen. Figuur 2d toont dat het proefstuk van puur gelatine de laagste mechanische sterkte vertoonde, en door de inhoud van alginaat te verhogen, steeg de mechanische sterkte van het alginaat-gelatine mengsel lineair. In Fig. 2e varieerde Young's modulus van alginaat-gelatine hydrogel van 0,04 MPa tot 5,53 MPa. In het geval van puur gelatine, genaamd A0G100, vertoonde het proefstuk de laagste Young's modulus van 0,04 ± 0,01 MPa en was het dus moeilijk om zijn vorm tijdens elektrospinnen te behouden. Integen, het proefstuk van puur alginaat, genaamd A100G0, had de hoogste Young's modulus van 5,53 ± 0,77 MPa, in staat om zijn vorm tijdens elektrospinnen te behouden. De A50G50 en A25G75 proefstukken, die het mengsel van alginaat en gelatine zijn, vertoonden Young's modulus van respectievelijk 2,10 ± 0,45 MPa en 1,35 ± 0,03 MPa. In het bijzonder, rekening houdend met het oor-kraakbeen als doel, lag Young's modulus van het A25G75 proefstuk binnen het Young's modulus bereik (1-2 MPa) van het inheemse oor-kraakbeen, wat getoond wordt als het grijze gebied in Fig. 2e. Op basis van deze resultaten werd de verhouding van A25G75 gebruikt voor de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector.

Fabricage van de nanovezelmat op een alginaat-gelatine hydrogel collector

Om het afzettingsgedrag van elektrogesponnen nanovezels op de alginaat-gelatine hydrogel collector te onderzoeken, voerden we een numerieke simulatie van het elektrisch veld uit met drie typen collectors: een koperen collector, een PLA collector en een alginaat-gelatine hydrogel collector. De afzetting van elektrogesponnen nanovezels werd over het algemeen bepaald door de interactie tussen de lading van de elektrogesponnen nanovezels en het elektrisch veld. In die zin is de simulatie van het elektrisch veld gebruikt om de afzetting van elektrogesponnen nanovezels op de collector te begrijpen. In het simulatieresultaat met de PLA collector, zoals getoond in Figuur S1b, werd het merendeel van het elektrisch veld geconcentreerd naar de aarddraad, zodat verwacht werd dat elektrogesponnen nanovezels niet op het oppervlak van de hydrogel collector zouden worden afgestort. Integen, in het simulatieresultaat met de alginaat-gelatine hydrogel collector getoond in Figuur S1c, was het elektrisch veld gefocust over het gehele oppervlak van de alginaat-gelatine hydrogel collector, zoals een koperen collector (Aanvullend bestand 1: Figuur S1a). Uit dit simulatieresultaat verwachten we dat elektrogesponnen nanovezels voornamelijk op het oppervlak van de alginaat-gelatine hydrogel collector zouden worden afgestort. Dit komt doordat de hydrogel collector voldoende elektrische geleiding heeft door de mobile ionen in de hydrogel en een uniform elektrisch veld genereert naar de collector, zoals een metalen collector. De PLA collector echter, die een dielektrisch materiaal is, kon het elektrisch veld niet voldoende aantrekken, en dus trok het elektrisch veld naar de aarddraad, niet de PLA collector. Deze simulatieresultaten werden bevestigd door elektrospinnen op de PLA en alginaat-gelatine hydrogel collector en het vergelijken van de diktes van een elektrogesponnen nanovezelmat (Aanvullend bestand 1: Figuur S1d). Vergelijkbaar met de simulatieresultaten met de PLA collector, werden de meeste elektrogesponnen nanovezels geplaatst op een aarddraad en het helix-deel van de PLA collector. Op de locaties met uitzondering van de aarddraad en het helix-deel, werden elektrogesponnen nanovezels op het oppervlak van de PLA collector gestapeld in micrometerschaal of minder. Integen, de diktes van een elektrogesponnen nanovezelmat afgestort op de helix werden gemeten voor de PLA en alginaat-gelatine hydrogel collector om de nanovezelafzetting volgens het type collector te vergelijken, en de diktes van de nanovezelmat op elke collector waren respectievelijk 3,09 ± 0,37 μm en 33,24 ± 2,43 μm (Aanvullend bestand 1: Figuur S1d). In het geval van de PLA collector getoond in Aanvullend bestand 1: Figuur S1b, was een elektrisch veld voornamelijk gefocust op de aard, en werden elektrogesponnen nanovezels meer dan 10 keer dunner afgestort op de PLA collector dan de hydrogel collector voor dezelfde elektrospintijd. Gezien PLA een veel lagere dielektrische constante had in vergelijking met hydrogel bij kamertemperatuur, kon het elektrisch veld niet voornamelijk geconcentreerd worden op de collector zelf, en dus werden nanovezels elders afgestort, zoals de aard. Uit dit resultaat en onze eerdere studie is bevestigd dat de hydrogel collector het elektrisch veld voldoende kon verzamelen, en dus werden nanovezelmatten dikker afgestort op de hydrogel collector in vergelijking met de PLA collector. Dit resultaat impliceert dat de alginaat-gelatine hydrogel een effectieve collector is voor elektrogesponnen nanovezels tijdens elektrospinnen. Vervolgens bevestigden we dat de alginaat-gelatine hydrogel collector nanoschalige vezels kon produceren tijdens elektrospinnen. De elektrogesponnen nanovezelmat op de alginaat-hydrogel collector is getoond in Fig. 3a met de onvolledige bedekking van elektrogesponnen nanovezels op het oppervlak van de collector. Figuur 3b toont een vergrote SEM-afbeelding van elektrogesponnen nanovezels op de alginaat-gelatine hydrogel collector. Uit de SEM-afbeelding werd een hoge aspectratio bevestigd met nanoschalige nanovezeldikte en microschalige nanovezellengte. Ook werden defecten zoals bellen die kunnen leiden tot fouten bij het meten van de nanovezeldikte niet gevonden, en was er geen significante verschil in de diktevariatie. Uit deze resultaten geloofden we dat elektrospinnen met de bovengenoemde condities continu werd uitgevoerd. De gemiddelde diameter van de gefabriceerde elektrogesponnen nanovezels op de alginaat-gelatine hydrogel collector was 564 ± 153 nm, en de meeste nanovezels hebben diameters variërend van 400 tot 600 nm in Fig. 3c. Uit de SEM-afbeelding toonden elektrogesponnen nanovezels een hoge aspectratio met een nanoschalige diameter en een microschalige lengte. Dus kan deze elektrospintechniek beschouwd worden als een continu vezelbereidingsproces.

Zoals getoond in Fig. 3a, observeerden we dat de elektrogesponnen nanovezelmat de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector niet volledig heeft bedekt, met name op de scapha, het ingesloten gebied tussen de helix en antihelix. Dit resultaat wijst erop dat er lege ruimtes waren in de elektrogesponnen nanovezelmat. Ook werden elektrogesponnen nanovezels niet conform op het gehele oppervlak afgestort maar opgehangen in een uitgelijnde configuratie, wat waargenomen werd in de geneigde-gat methode. Niet alleen voor de vorm van het oor-kraakbeen, de complexe geometrieën van de 3D electrogeleidende collector, zoals uitsteking of hoge kromming, zouden over het algemeen onvolledige bedekking van een elektrogesponnen nanovezelmat op het oppervlak van de collector veroorzaken.

Numerieke simulatie van conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector

Om de conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D electrogeleidende collector te bereiken, benutten we de flexibiliteit van de hydrogel collector, wat over het algemeen niet bereikt zou worden door een metalen collector. De flexibiliteit van de hydrogel collector maakte het mogelijk om de vorm van de collector aan te passen, waardoor het hoogteverschil verminderd en de hydrogel collector vervormd werd. Ten eerste bevestigden we numeriek de conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. Figuur 4a-(i) toont de configuratie van het elektrospiproces met de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. Rekening houdend met het feit dat elektrogesponnen nanovezels moeilijk af te zetten waren op het ingesloten gebied van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector, benadrukten we het ingesloten gebied tussen de helix en antihelix met een 2D dwarsdoorsnede van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector zoals getoond in Fig. 4a-(ii). De helix was geneigd onder een hoek van ongeveer 60° tot het bodemsubstraat, waardoor het ingesloten gebied tussen de helix en antihelix gevormd werd. Om zo'n ingesloten gebied te verlichten, verlaagden we de hoek door de helix van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector te buigen door de flexibiliteit van de hydrogel collector te benutten, in tegenstelling tot een metalen collector. De numerieke simulateresultaten met de verschillende buighoeken van 0°, 30° en 60° zijn getoond in Fig. 4b-(i), b-(ii) en b-(iii), respectievelijk. Figuur 4b-(iv) toont de hoek van het elektrisch veld langs de imaginaire lijn voor drie gevallen. De gemiddelde waarden in de hoek van het elektrisch veld met imaginaire lijnen waren 79,56°, 79,39° en 77,26° met de buighoeken van 0°, 30° en 60°, respectievelijk, wat een voorafgaande hoek toont zonder significante variatie tussen elk geval. Zo'n voorafgaande hoek werd veroorzaakt omdat het ingesloten gebied tussen de helix en antihelix het linker deel van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector was, zoals getoond in Fig. 4a-(i). Voor het geval van de hoekafwijking van het elektrisch veld, toonde het geval van de buighoek van 0° een afwijking van 8,23° langs de referentielijn \(l(\mathrm{x})\). Integen, door de helix op 60° te buigen, werd de hoekafwijking van het elektrisch veld aanzienlijk verminderd tot 2,36°, wat meer dan 70% verlicht was van de hoekafwijking van het elektrisch veld veroorzaakt door buigen 0°. Zulke grote hoekafwijking voor het geval van de buighoek van 0° zou toegeschreven kunnen worden aan het gefocuste elektrisch veld naar de uitstekende helix, wat resulteerde in de geconcentreerde afzetting van elektrogesponnen nanovezels op de helix en daardoor de conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector belemmerde. De reductie van hoekafwijking door de helix te buigen verlichtte zo'n geconcentreerd elektrisch veld, en daarom wordt verwacht dat het buigen van de helix de conformele afzetting van elektrogesponnen nanovezels op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector mogelijk maakt.

Conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector

Om de conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector te bereiken, moet de hydrogel collector vervormd worden volgens het simulatieresultaat. In deze studie vervormden we de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector om de helix te buigen. De helix en uiterste delen werden vervormd met metalen bevestigingen, zoals getoond in Figuur S2b. De nanovezel-gecoate hydrogel collector kan terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer vervormd in het elastische vervormingsgebied van de hydrogel. Dit komt doordat de nanovezelmat een verwaarloosbare invloed heeft op de mechanische eigenschap van de vezel-gecoate hydrogel collector vanwege zijn lagere dikte in vergelijking met die van de hydrogel collector. De hydrogel collector werd vervormd in het elastische vervormingsgebied, en dus kon de nanovezel-gecoate hydrogel hersteld worden naar zijn oorspronkelijke vorm. Daarna werd elektrospinnen uitgevoerd op de oorspronkelijke en vervormde 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. De dwarsdoorsnede-afbeeldingen van de oorspronkelijke en vervormde 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector na elektrospinnen zijn getoond in Fig. 5a-(i), (ii).

In het geval van de oorspronkelijke 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector, werden elektrogesponnen nanovezels opgehangen tussen helix en antihelix, niet afgestort op de scapha van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. Toen de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector vervormd werd, bedekte een elektrogesponnen nanovezelmat de helix, scapha en antihelix volledig. Vooral kon elektrogesponnen nanovezels worden afgestort op het ingesloten gebied tussen helix en antihelix, wat niet mogelijk was zonder het vervormen van de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. Het dramatische dikteverschil tussen de elektrogesponnen nanovezelmat op de oorspronkelijke en de vervormde 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector is getoond in Fig. 5b. De lagere dikte van de elektrogesponnen nanovezelmat op de oorspronkelijke hydrogel collector toonde de vertraagde afzetting op het ingesloten gebied, terwijl de vervormde hydrogel collector voldoende hoeveelheid elektrogesponnen nanovezels op het ingesloten gebied kon aantrekken. Met dit resultaat werden elektrogesponnen nanovezels conform afgestort op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector zelfs met complexe geometrieën, zoals helix en antihelix door de collector te vervormen.

Ten slotte bevestigden we de uniformiteit van een elektrogesponnen nanovezelmat op de vervormde 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector (Fig. 6). Figuur 6a toont dat een elektrogesponnen nanovezelmat de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector volledig kon bedekken zonder enige leegtes te tonen voor het geval van de oorspronkelijke 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. Figuur 6b toont de dikte van de elektrogesponnen nanovezelmat afgestort op de helix (54,58 ± 3,99 μm), de antihelix (55,40 ± 1,17 μm), de antitragus (53,05 ± 1,39 μm) en de scapha (51,49 ± 1,24 μm), waar de nanovezels niet afgestort waren met de oorspronkelijke 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector. Als resultaat van het elektrospinnen met een vervormde 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector, konden we bevestigen dat de elektrogesponnen nanovezelmat conform en uniform op de hydrogel collector was afgestort. Verder, gebaseerd op de resultaten van de eerdere hydrogel-geassisteerde elektrospinstudie, zijn we overtuigd dat de dikte van de gefabriceerde 3D conformele nanovezelmatten gecontroleerd kan worden door een hydrogel collector te benutten. Als toekomstperspectief, gegeven dat de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel met deze nanovezelmat mechanische eigenschappen bezit die vergelijkbaar zijn met die van inheemse oor-kraakbeen en een biomimetische nanostruktuur heeft, kan verwacht worden dat het toegepast kan worden als een kunstmatig oor-kraakbeen implantaat. Overwegende de toepassing op weefseltechnologie, mag de residuele lading in de nanovezelmat niet verwaarloosd worden wat de celgedrag kan beïnvloeden. Wij geloven dat deze conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat pionierswerk is om een 3D nanovezelmembraan te produceren, en dus kan gebruikt worden in een breed scala aan toepassingen die een nieuw type nanovezelassemblages suggereren zoals 3D inheemse-weefsel-nabootsende scaffolds en 3D porieus membraan voor efficiënt filteren.

Conclusies

Samenvattend, hebben we de conformele fabricage van een elektrogesponnen nanovezelmat op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector die het ingesloten gebied heeft, ontwikkeld. Als resultaat werd de nanovezelmat op de 3D oor-kraakbeenvormige hydrogel collector geproduceerd met de volledig gerepliceerde vorm van de collector. Belangrijkst is dat het benutten van de flexibiliteit van de hydrogel collector toestond om het ingesloten gebied van de collector aan te passen, en daardoor werd een elektrogesponnen nanovezelmat conform afgestort met een uniforme dikte op het gehele oppervlak van de collector wat niet bedekt zou worden met het conventionele elektrospinnen. Gezien deze conformele fabricagetechniek compatibel zou zijn met een verscheidenheid aan hydrogelmaterialen, kan deze techniek een meer veelzijdige en effectieve techniek zijn voor het fabriceren van conformele nanovezelmatten in diverse velden van weefseltechnologie, geneesmiddel/celdelivery, kleding en batterijen.