Conforme fabricage van een elektrospun nanovezelmat op een 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector op basis van hydrogel-ondersteunde elektrospinning

Resultaten en discussie

Hydrogel-ondersteunde elektrospinning

Figuur 1 geeft een schematische weergave van de conforme fabricage van een elektrospun nanovezelmat op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector. Afbeelding 1a laat zien dat de 3D-sjabloon in de vorm van oorkraakbeen is afgedrukt met een fused deposition modeling (FDM) 3D-printer. Omdat het conforme fabricageproces gebruik maakte van de 3D-printer, kan de geprinte structuur vrij worden ontworpen en gemakkelijk worden gewijzigd om te passen bij een zeer gecompliceerde vorm, zoals oorkraakbeen. Bovendien konden de structuren met een hogere resolutie worden verkregen door stereolithografie (SLA) of digitale lichtverwerking (DLP) 3D-printers te gebruiken, die een betere resolutie bereikten door fotopolymerisatie te gebruiken in vergelijking met de FDM 3D-printer. Afbeelding 1b toont de PDMS-negatieve mal die de 3D-sjabloon in de vorm van oorkraakbeen repliceerde, gemaakt door 3D-printen. Figuur 1c toont de alginaat-gelatine hydrogelcollector met de vorm van oorkraakbeen door de PDMS-negatieve mal te repliceren. Figuur 1d toont de conforme fabricage van de elektrospun nanovezelmat op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector. Toen we de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector op een vlak substraat plaatsten, werd de helix van de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector niet in contact gebracht met het vlakke bodemsubstraat en afgezien van het substraat vanwege de complexe geometrieën van oorkraakbeen, dat geïnduceerd hoogteverschil tussen helix, scapha en antihelix van de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector. Over het algemeen verhinderde het hoogteverschil als gevolg van het uitstekende deel van een 3D elektrisch geleidende collector een conforme fabricage van een elektrospun nanovezelmat op de 3D elektrisch geleidende collector. Dit komt omdat het uitstekende deel van de 3D elektrisch geleidende collector de meeste elektrospun nanovezels aantrekt en de afzetting van de nanovezels in het onderste deel van de 3D elektrisch geleidende collector belemmert [35, 36]. Om de invloed van de complexe geometrieën van de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector te verminderen, hebben we het uitstekende deel van de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector afgeplat op het vlakke bodemsubstraat door gebruik te maken van de flexibiliteit van de hydrogel. Daarna, door elektrospinning uit te voeren op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector, werd de elektrospun nanovezelmat conform op het gehele oppervlak van de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector afgezet. Ten slotte werd de afgeplatte 3D-oorkraakbeenvormige hydrogel met de elektrospun nanovezelmat teruggebracht in de oorspronkelijke vorm van het oorkraakbeen. Dit herstel naar de oorspronkelijke vorm zou mogelijk zijn omdat het afvlakken van de hydrogelcollector werd uitgevoerd in het elastische vervormingsgebied en de nanovezelmat een verwaarloosbare invloed heeft op de mechanische eigenschappen van de hydrogelcollector met de nanovezelmat vanwege zijn lagere dikte in vergelijking met die van de hydrogelcollector.

Geschematiseerd proces van conforme fabricage van een elektrospun nanovezelmat op een 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector. een Het 3D-printproces voor de 3D-sjabloon in de vorm van oorkraakbeen. b De PDMS-negatieve mal gerepliceerd door de 3D-oorkraakbeenvormige sjabloon. c De alginaat-gelatine hydrogelcollector met de vorm van het oorkraakbeen. d Conforme fabricage van een elektrospun nanovezelmat met de afgeplatte 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector

Evaluatie van de fabricage en mechanische eigenschappen van de alginaat-gelatinehydrogel

Afbeelding 2a toont de 3D-sjabloon in de vorm van oorkraakbeen, bedrukt met PLA-filamenten. PLA heeft voldoende mechanische eigenschappen en een hoge smelttemperatuur (~ 130℃), geschikt voor de PDMS-vormgeving met behoud van de oorspronkelijke oorvorm. De PDMS-negatieve mal wordt getoond in Fig. 2b. Het PDMS werd geselecteerd als een malmateriaal vanwege de flexibiliteit die nodig is voor het ontvormen van complexe geometrieën van de hydrogelcollector. De alginaat-gelatine hydrogelcollector in figuur 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-hydrogelcollector te onthullen, hebben we 4 monsters voorbereid voor de mechanische test met de verschillende mengverhoudingen van alginaat en gelatine. Figuur 2d, e toont respectievelijk de spanning-rekcurve en Young's modulus, volgens de verhouding van de hydrogelmaterialen. Figuur 2d laat zien dat het monster gemaakt van pure gelatine de laagste mechanische sterkte vertoonde, en door het gehalte aan alginaat te verhogen, werd de mechanische sterkte van het alginaat-gelatinemengsel lineair verhoogd. In Fig. 2e varieerde de Young's modulus van alginaat-gelatine hydrogel van 0,04 MPa tot 5,53 MPa. Voor het geval van pure gelatine, genaamd A0G100, vertoonde het monster de laagste Young's modulus van 0,04 ± 0,01 MPa en was het dus moeilijk om zijn vorm te behouden tijdens elektrospinnen. Omgekeerd had het exemplaar van puur alginaat, genaamd A100G0, de hoogste Young's modulus van 5,53 ± 0,77 MPa, in staat om zijn vorm te behouden tijdens elektrospinnen. De A50G50- en A25G75-monsters, die het mengsel zijn van alginaat en gelatine, vertoonden een Young's modulus van respectievelijk 2,10 ± 0,45 MPa en 1,35 ± 0,03 MPa. In het bijzonder, gezien het oorkraakbeen als doelwit, lag de Young's modulus van het A25G75-exemplaar binnen het Young's modulusbereik (1-2 MPa) van het oorspronkelijke oorkraakbeen, dat wordt weergegeven als het grijze gebied in Fig. 2e. Op basis van deze resultaten werd de verhouding van A25G75 gebruikt voor de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector.

een De 3D-sjabloon in de vorm van oorkraakbeen, gedrukt door een FDM 3D-printer. b De PDMS-negatieve mal voor de productie van de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector. c 3D oorkraakbeenvormige hydrogelcollector gemaakt van een mengsel van alginaat en gelatine. d Rek-stresscurve van de 4 specimens met de verschillende mengverhoudingen van alginaat en gelatine. e Young's modulus van de 4 exemplaren en het bereik van Young's modulus van inheems oorkraakbeen (grijs gebied). Alle schaalbalken zijn 1 cm

Vervaardiging van de nanovezelmat op een alginaat-gelatinehydrogelcollector

Om het afzettingsgedrag van elektrospun nanovezels op de alginaat-gelatine hydrogelcollector te onderzoeken, hebben we een numerieke simulatie van elektrisch veld uitgevoerd met drie soorten collectoren:een koperen collector, een PLA-collector en een alginaat-gelatine hydrogelcollector. De afzetting van electrospun nanovezels werd in het algemeen bepaald door de interactie tussen de lading van de electrospun nanovezels en het elektrische veld. In die zin is de simulatie van het elektrische veld gebruikt om de afzetting van elektrospun nanovezels op de collector te begrijpen. In het simulatieresultaat met de PLA-collector, zoals weergegeven in figuur S1b, werd verwacht dat elektrospun nanovezels niet op het oppervlak van de hydrogelcollector zouden worden afgezet, aangezien het grootste deel van het elektrische veld naar de aardingsdraad was geconcentreerd. Daarentegen was in het simulatieresultaat met de alginaat-gelatine hydrogelcollector getoond in figuur S1c, het elektrische veld gefocust over het hele oppervlak van de alginaat-gelatine hydrogelcollector, zoals een koperen collector (aanvullend bestand 1:figuur S1a). Op basis van dit simulatieresultaat verwachtten we dat elektrospun nanovezels grotendeels zouden worden afgezet op het oppervlak van de alginaat-gelatine hydrogelcollector. Dit komt omdat de hydrogelcollector een voldoende elektrische geleidbaarheid heeft vanwege de mobiele ionen in de hydrogel en een uniform elektrisch veld naar de collector heeft gegenereerd, zoals een metalen collector. De PLA-collector, die een diëlektrisch materiaal is, kon echter niet voldoende elektrisch veld aantrekken, en dus trok het elektrische veld naar de aardingsdraad, niet naar de PLA-collector. Deze simulatieresultaten werden bevestigd door elektrospinnen op de PLA en alginaat-gelatine hydrogelcollector en het vergelijken van de diktes van een elektrospun nanovezelmat (aanvullend bestand 1:figuur S1d). Net als bij de simulatieresultaten met de PLA-collector, werden de meeste elektrospun nanovezels op een aarddraad en het helixgedeelte van de PLA-collector geplaatst. Op de locaties met uitzondering van de aarddraad en het helixgedeelte, werden elektrospun nanovezels op het oppervlak van de PLA-collector gestapeld op micrometerschaal of minder. Integendeel, de diktes van een elektrospun nanovezelmat die op de helix was afgezet, werden gemeten voor de PLA en alginaat-gelatine hydrogelcollector om de nanovezelafzetting te vergelijken volgens het type collector, en de diktes van de nanovezelmat op elke collector waren 3,09  ± respectievelijk 0,37 m en 33,24 ± 2,43 μm (aanvullend bestand 1:figuur S1d). In het geval van de PLA-collector die wordt weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S1b, was een elektrisch veld voornamelijk op de grond gericht en werden elektrospun-nanovezels meer dan 10 keer dunner op de PLA-collector afgezet dan de hydrogelcollector voor dezelfde elektrospintijd. Aangezien PLA een veel lagere diëlektrische constante had in vergelijking met hydrogel bij kamertemperatuur, kon het elektrische veld niet voornamelijk op de collector zelf worden geconcentreerd, en dus werden nanovezels elders afgezet, zoals de grond. Uit dit resultaat en onze eerdere studie wordt bevestigd dat de hydrogelcollector het elektrische veld voldoende kon verzamelen, en dus werden nanovezelmatten dikker op de hydrogelcollector afgezet in vergelijking met de PLA-collector. Dit resultaat impliceert dat de alginaat-gelatine-hydrogel een effectieve verzamelaar is voor elektrospun nanovezels tijdens elektrospinnen. Vervolgens bevestigden we dat de alginaat-gelatine-hydrogelcollector vezels op nanoschaal zou kunnen produceren tijdens elektrospinnen. De elektrospun nanovezelmat op de alginaat-hydrogelcollector wordt getoond in Fig. 3a met de onvolledige bedekking van elektrospun nanovezels op het oppervlak van de collector. Figuur 3b toont een vergroot SEM-beeld van elektrospun nanovezels op de alginaat-gelatine hydrogelcollector. Uit het SEM-beeld werd een hoge aspectverhouding bevestigd met nanovezeldikte op nanoschaal en nanovezellengte op microschaal. Ook werden defecten zoals bellen die tot fouten kunnen leiden bij het meten van nanovezeldikte niet gevonden en was er geen significant verschil in de diktevariatie. Op basis van deze resultaten geloofden we dat elektrospinnen met de bovengenoemde conditie continu werd uitgevoerd. De gemiddelde diameter van de gefabriceerde elektrospun nanovezels op de alginaat-gelatine hydrogelcollector was 564 ± 153 nm, en de meeste nanovezels hebben een diameter van 400 tot 600 nm in figuur 3c. Uit het SEM-beeld vertoonden elektrospun nanovezels een hoge aspectverhouding met een diameter op nanoschaal en een lengte op microschaal. Deze elektrospintechniek kan dus worden beschouwd als een continu vezelvoorbereidingsproces.

een Een elektrospun nanovezelmat op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector. b Een uitvergroot beeld van de elektrospun nanovezelmat op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector flitste naar binnen (a ). c De populatie van de electrospun nanovezels op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector. De schaalbalken zijn 1 cm (a ) en 1 µm (b )

Zoals getoond in Fig. 3a, hebben we waargenomen dat de elektrospun nanovezelmat de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector niet volledig heeft bedekt, met name op de scapha, het verzonken gebied tussen de helix en antihelix. Dit resultaat gaf aan dat er lege ruimtes waren op de elektrospun nanovezelmat. Ook werden elektrospun nanovezels niet conform op het gehele oppervlak afgezet, maar opgehangen als een uitgelijnde configuratie, wat werd waargenomen bij de methode met hellende spleet [28]. Niet alleen voor de vorm van het oorkraakbeen, zouden de complexe geometrieën van de 3D elektrisch geleidende collector, zoals uitsteeksel of sterke kromming, over het algemeen een onvolledige bedekking van een elektrospun nanovezelmat op het oppervlak van de collector veroorzaken.

Numerieke simulatie van conforme fabricage van een elektrospun nanovezelmat op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector

Om de conforme fabricage van een elektrospun nanovezelmat op de 3D elektrisch geleidende collector te bereiken, hebben we de flexibiliteit van de hydrogelcollector gebruikt, die over het algemeen niet zou worden bereikt door een metalen collector. Door de flexibiliteit van de hydrogelcollector kon deze de vorm van de collector veranderen, waardoor het hoogteverschil werd verkleind en de hydrogelcollector plat werd. Ten eerste hebben we numeriek de conforme fabricage van een elektrospun nanovezelmat op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector numeriek bevestigd. Figuur 4a-(i) toont de configuratie van het elektrospinproces met de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector. Aangezien elektrospun nanovezels moeilijk konden worden afgezet op het verzonken gebied van de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector, benadrukten we het verzonken gebied tussen de helix en antihelix met een 2D-dwarsdoorsnede van de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector zoals getoond in Afb. 4a-(ii). De helix stond onder een hoek van ongeveer 60° ten opzichte van het bodemsubstraat, waardoor het uitgespaarde gebied tussen de helix en de anti-helix werd gevormd. Om een ​​dergelijk verzonken gebied te verlichten, hebben we de hoek verkleind door de helix van de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector te buigen door gebruik te maken van de flexibiliteit van de hydrogelcollector, in tegenstelling tot een metalen collector. De numerieke simulatieresultaten met de verschillende buighoeken van 0°, 30° en 60° worden respectievelijk getoond in Fig. 4b-(i), b-(ii) en b-(iii). Figuur 4b-(iv) toont de hoek van het elektrische veld langs de denkbeeldige lijn voor drie gevallen. De gemiddelde waarden in de hoek van het elektrische veld met denkbeeldige lijnen waren 79,56 °, 79,39 ° en 77,26 ° met de buighoeken van respectievelijk 0 °, 30 ° en 60 °, met een voorgespannen hoek zonder significante variatie tussen elk geval. Een dergelijke vooringenomen hoek werd veroorzaakt omdat het verzonken gebied tussen de helix en antihelix het linkerdeel was van de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector, zoals weergegeven in figuur 4a-(i). Voor het geval van de hoekafwijking van het elektrische veld, vertoonde het geval van de buighoek van 0° een afwijking van 8,23° langs de referentielijn \(l(\mathrm{x})\). Daarentegen, door de helix op 60° te buigen, werd de hoekafwijking van het elektrische veld sterk verminderd met 2,36°, wat meer dan 70% werd verminderd door de hoekafwijking van het elektrische veld veroorzaakt door het buigen van 0°. Een dergelijke grote hoekafwijking voor het geval van de buighoek van 0 ° zou worden toegeschreven aan het gefocusseerde elektrische veld in de richting van de uitstekende helix, wat resulteerde in de geconcentreerde afzetting van elektrospun nanovezels op de helix en daardoor de conforme fabricage van een elektrospun nanovezel belemmerde mat op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector. De vermindering van de hoekafwijking door het buigen van de helix verlichtte zo'n geconcentreerd elektrisch veld, en daarom wordt verwacht dat het buigen van de helix conforme afzetting van elektrospun nanovezels op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector mogelijk maakt.

Elektrische veldsimulaties voor de hydrogelcollector (a -(i)) en een vergrote afbeelding van de gestippelde rechthoek in a -(i) (een -(ii)). (b ) De gestippelde rechthoek in a - (ii) het verzonken gebied van de hydrogelcollector tonen. De elektrische veldpijlen langs de referentielijn \(l(\mathrm{x})\) met de buighoeken van 0° (b -(i)), 30° (b -(ii)), en 60° (b -(iii)). b -(iv) De hoek van het elektrische veld met de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector met de buighoek van 0°, 30° en 60° langs de referentielijn \(l(\mathrm{x})\)

Conforme fabricage van een elektrospun nanovezelmat op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector

Om de conforme fabricage van een elektrospun nanovezelmat op de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector te bereiken, moet de hydrogelcollector worden afgevlakt volgens het simulatieresultaat. In deze studie hebben we de 3D-oorkraakbeenvormige hydrogelcollector afgeplat om de helix te buigen. The helix and outer parts were flattened with metal fixtures, as shown in Figure S2b. The nanofiber-coated hydrogel collector can be returned to its original shape when deformed in the elastic deformation region of the hydrogel. This is because the nanofiber mat has a negligible influence on the mechanical property of the fiber-coated hydrogel collector due to its lower thickness compared to that of the hydrogel collector. The hydrogel collector was deformed in the elastic deformation region, and thus, the nanofiber-coated hydrogel could be restored its original shape. After that, electrospinning was performed on the original and flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. The cross section images of the original and flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector after electrospinning are shown in Fig. 5a-(i), (ii).

een Electrospun nanofiber mats on the scapha of the original hydrogel collector (a -(i)) and the flattened hydrogel collector (a -(ii)). b The thicknesses of the electrospun nanofiber mats at the scapha on the original and the flattened hydrogel collector. All scale bars are 1 cm

In the case of the original 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector, electrospun nanofibers were suspended between helix and antihelix, not deposited on the scapha of the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. When the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector was flattened, an electrospun nanofiber mat entirely covered the helix, scapha, and antihelix. Especially, electrospun nanofibers could be deposited on the recessed region between helix and antihelix, which was not possible without flattening the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. The dramatic thickness difference between the electrospun nanofiber mat on the original and the flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector is shown in Fig. 5b. The lower thickness of the electrospun nanofiber mat on the original hydrogel collector showed the retarded deposition on the recessed region, while the flattened hydrogel collector could attract sufficient amount of electrospun nanofibers on the recessed region. With this result, electrospun nanofibers were conformally deposited on the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector even with complex geometries, such as helix and antihelix by flattening the collector.

Lastly, we confirmed the uniformity of an electrospun nanofiber mat on the flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector (Fig. 6). Figure 6a shows that an electrospun nanofiber mat could entirely cover the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector without showing any voids for the case of the original 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. Figure 6b shows the thickness of the electrospun nanofiber mat deposited at the helix (54.58 ± 3.99 μm), the antihelix (55.40 ± 1.17 μm), the antitragus (53.05 ± 1.39 μm), and the scapha (51.49 ± 1.24 μm), where the nanofibers were not deposited with the original 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. As a result of the electrospinning with a flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector, we could confirm that the electrospun nanofiber mat was deposited conformally and uniformly on the hydrogel collector. Furthermore, based on the results of the previous hydrogel-assisted electrospinning study, we are convinced that the thickness of the fabricated 3D conformal nanofiber mats could be controlled by exploiting a hydrogel collector. As a future perspective, given that the 3D ear cartilage-shaped hydrogel with this nanofiber mat possessed mechanical properties similar to those of native ear cartilage and has a biomimetic nanostructure, it could be expected to be applied as an artificial ear cartilage implant. Considering the utilization to tissue engineering, the residual charge in the nanofiber mat should not be neglected which might influence the cell behaviors. We believed that this conformal fabrication of an electrospun nanofiber mat is pioneering work to produce a 3D nanofiber membrane, and thus, could be utilized in a broad range of applications suggesting a novel type of nanofiber assemblies such as 3D native-tissue mimicking scaffold and 3D porous membrane for efficient filtering.

een Conformally fabricated nanofiber mat on the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. The scale bar is 1 cm. b The thicknesses of the electrospun nanofiber mat at several positions, including helix, scapha, antihelix, and antitragus on the flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector