水凝胶辅助电纺技术实现三维耳软骨形水凝胶收集器上的共形纳米纤维涂覆

摘要

电纺是一种常见且多功能的工艺，用于制备纳米纤维并将其沉积在收集器上，形成二维纳米纤维垫或三维（3D）宏观排列。然而，具有复杂几何形状（包括凸起、弯曲和凹陷区域）的三维导电收集器，通常会阻碍共形沉积，导致电纺纳米纤维覆盖不完整。本研究提出了一种基于水凝胶辅助电纺的技术，实现电纺纳米纤维垫在三维耳软骨形水凝胶收集器上的共形制备。为减轻复杂几何形状的影响，我们利用水凝胶的柔韧性，将三维耳软骨形水凝胶收集器的凸起部分压平。通过数值模拟发现，该制备技术可显著降低由三维收集器复杂几何形状引起的电场不均匀聚焦，标准差降低超过70%。实验进一步证实，电纺纳米纤维垫能以均匀厚度共形覆盖压平后的水凝胶收集器，而这是原始水凝胶收集器无法实现的。鉴于本研究建立了在三维导电收集器上共形电纺的技术，将为组织工程、药物/细胞递送、环境过滤和服装等相关电纺研究做出贡献。

引言

电纺是一种高效且多功能的纳米纤维及其组装体制备技术，过去几十年来得到了广泛研究。因其高孔隙率、高比表面积和模拟细胞外基质结构等独特性质，电纺纳米纤维及其组装体在服装、环境过滤、电池和组织工程支架等多个研究领域引起了极大关注。然而，电纺纳米纤维因弯曲不稳定性导致的混乱运动，阻碍了对纳米纤维组装体的精准控制，通常只能形成随机交织的二维纳米纤维垫。近期电纺工艺的进展将纳米纤维组装体的范围从二维平面垫扩展到三维纳米纤维宏观结构。利用三维模板电纺、纳米纤维薄膜堆叠和离心纺丝等三维纳米纤维支架制备技术，已制备出中空管状、模制三维复杂几何形状和原生组织形状的纳米纤维支架等多种三维纳米纤维宏观结构。这类结构因同时具备仿生纳米纤维结构和原生组织三维宏观结构，在组织工程领域备受关注，推动了三维纳米纤维组装体在美学和性能功能上的提升。

在各类三维电纺技术中，水解、气泡成型、卷曲、折叠及三维导电收集器电纺等方法中，基于三维导电收集器的电纺无需后处理即可将纳米纤维组装成三维宏观结构，路径简便。收集器的复杂几何形状（如大弯曲或凹陷形状）虽能制备取向纳米纤维垫或蓬松三维纳米纤维宏观结构，但同时也阻碍了纳米纤维在凹陷区域的沉积，导致收集器覆盖不完整，难以将高复杂度的三维导电收集器形状高保真复制到三维纳米纤维宏观结构中。考虑到这种不完整覆盖会降低过滤效率和力学性能等功能，开发一种能将高复杂度三维导电收集器形状高保真复制为三维纳米纤维宏观结构的技术，对拓宽电纺纳米纤维组装体的应用至关重要。

本研究提出了一种共形制备电纺纳米纤维垫的方法，可复制具有复杂几何形状的三维导电收集器形状。作为三维导电收集器的典型代表，我们选择了三维耳软骨形收集器进行共形纳米纤维垫制备。前期研究中，我们提出了一种具备足够移动离子、能像金属收集器一样产生电场的水凝胶作为电纺导电收集器。本研究利用水凝胶收集器的柔韧性，在三维耳软骨形水凝胶收集器上共形、均匀地沉积电纺纳米纤维。与金属收集器不同，水凝胶收集器可被压平，从而产生均匀电场，使纳米纤维在收集器整个表面均匀沉积。此外，通过调整水凝胶成分，其力学强度可匹配原生组织。我们选用海藻酸钠和明胶作为水凝胶材料，因其生物相容性优异。两者混合可获得类似原生耳软骨的力学性能。我们通过数值模拟探讨了压平三维耳软骨形水凝胶收集器对共形纳米纤维垫制备的影响，并通过测量螺脚、对螺、舟窝和耳屏等多个位置的厚度，验证了共形制备效果。

材料与方法

材料

Sylgard® 184 硅橡胶基聚二甲基硅氧烷（PDMS）单体和固化剂购自陶氏康宁（美国）。聚乳酸（PLA）丝材购自Snapmaker（美国）。牛皮明胶、藻酸钠、氯化钙二水合物（≥99%）、聚己内酯（PCL，Mw 80000）和氯仿（≥99.5%）购自Sigma Aldrich（美国）。去离子水和甲醇（≥99.5%）购自三春化学（韩国）。所有材料均未经额外纯化直接使用。

三维耳软骨形模板PDMS负向模具制备

三维耳软骨形模板CAD文件（尺寸70 mm × 20 mm × 1.1 mm）源自Turbosquid网站，经3DS Max修改后，通过熔融沉积成型（FDM）3D打印机（A150, Snapmaker, USA）打印。PDMS单体与固化剂按10:1混合，手动搅拌5分钟脱泡至无可见气泡，倒入一次性称量皿，将模板完全浸没，50℃烘箱固化24小时。固化后切开皿体取出模板，获得PDMS负向模具。

海藻酸钠-明胶水凝胶制备

按不同重量比（见表1）制备四种海藻酸钠-明胶水凝胶。明胶在50℃水中磁力搅拌（300 rpm）溶解1小时，加入海藻酸钠手动混合5分钟，将混合溶液倒入PDMS负向模具，在10% w/w氯化钙溶液中离子交联2小时，脱模后作为电纺导电收集器使用。

海藻酸钠-明胶水凝胶力学测试

按ASTM D638 Type IV标准制备试样，用万能试验机（QM100S, QMESYS, 韩国）以10 mm/min位移速度进行拉伸测试，从应力-应变曲线计算弹性模量和极限拉伸强度（UTS）。

电纺纳米纤维垫共形制备

PCL（7.5% w/v）溶于氯仿-甲醇（3:1）中搅拌6小时。PCL溶液装入3 mL塑料注射器，注射泵（NE-1000, New Era Pump Systems, USA）以0.4 mL/h流速通过内径0.6 mm的23G金属针头挤出。将配比25:75的海藻酸钠-明胶水凝胶（A25G75）制成的三维耳软骨形收集器置于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）平板基底上，基底距针头20 cm。施加19 kV高压（HV30, NanoNC, 韩国），室温、湿度40-50%下电纺。为实现共形沉积，利用水凝胶柔韧性将收集器外侧凸起部分压平贴合基底。单面电纺完成后翻面对另一面电纺。

电纺纳米纤维垫表征

扫描电镜（SEM; Supra 25, Carl Zeiss, 德国）观察纳米结构，ImageJ测量纤维直径。厚度测量：将带纳米纤维垫的水凝胶收集器浸入PDMS单体/固化剂（10:1）混合液，50℃烘箱固化24小时，切割PDMS包埋样品，用显微镜（Olympus BX53F2, 日本）拍摄横截面图像测量厚度。

数值模拟

用COMSOL Multiphysics v5.0模拟金属针头与收集器间的电场。采用铜、PLA、水凝胶三种材料的二维截面简化模型。收集器接地，针头-收集器距离20 cm，施加电压19 kV。水凝胶（海藻酸钠-明胶）基于间质液空间电荷密度建模，移动离子符合Boltzmann方程：ρ(x) = -2ec₀ sinh(eφ(x)/k_BT)。介电常数设为70。在收集器凹陷区上方10 mm处作10 mm参考线l(x)绘制电场方向。

统计分析

用MINITAB v17.1.0进行单因素方差分析（ANOVA），p<0.05为统计学显著差异。

结果与讨论

水凝胶辅助电纺

图1示意了三维耳软骨形水凝胶收集器上电纺纳米纤维垫的共形制备过程。图1a：FDM 3D打印机打印耳软骨模板，可自由设计复杂形状，采用光固化（SLA）或数字光处理（DLP）打印机可获更高分辨率。图1b：PDMS负向模具复制模板。图1c：海藻酸钠-明胶水凝胶收集器复制PDMS模具，呈现耳廓复杂结构。图1d：将收集器置于平板基底上时，螺脚因复杂几何形状未接触基底，与舟窝、对螺形成高度差。通常凸起部分会吸引大部分纳米纤维，阻碍低洼区域沉积。我们利用水凝胶柔韧性将凸起部分压平贴合基底，电纺后纳米纤维垫共形覆盖整个表面，最后恢复耳软骨原形。这种恢复可行是因为压平处于弹性形变区，且纳米纤维垫厚度远小于水凝胶，对力学性能影响可忽略。

海藻酸钠-明胶水凝胶制备与力学性能评价

图2a：PLA打印的耳软骨模板，机械性能足且熔点高（~130℃），适合PDMS模具成型。图2b：PDMS负向模具，柔韧性利于复杂几何形状水凝胶脱模。图2c：水凝胶收集器呈现螺脚、舟窝、对螺等复杂结构。为拓宽力学性能选择范围，制备四种不同配比水凝胶试样测试。图2d、e显示应力-应变曲线和杨氏模量。纯明胶（A0G100）模量最低（0.04±0.01 MPa），难以保持形状；纯海藻酸钠（A100G0）模量最高（5.53±0.77 MPa），能保持形状。A50G50和A25G75模量分别为2.10±0.45 MPa和1.35±0.03 MPa。原生耳软骨杨氏模量范围1-2 MPa（图2e灰色区域），A25G75落在该范围内，故选作收集器。

海藻酸钠-明胶水凝胶收集器上纳米纤维垫制备

为研究沉积行为，进行了铜、PLA、海藻酸钠-明胶水凝胶三种收集器的电场数值模拟。沉积取决于纳米纤维电荷与电场相互作用。PLA收集器模拟中（补充图S1b），电场多聚焦于接地线，预期纳米纤维不沉积在收集器表面。相反，水凝胶收集器（补充图S1c）表面电场均匀分布，类似铜收集器（补充图S1a），预期纳米纤维主要沉积在表面。因水凝胶内移动离子提供足够导电性，产生类金属的均匀电场；PLA为介电材料，无法充分吸引电场，电场指向接地线。实验验证了模拟结果（补充图S1d）：PLA收集器上除接地线和螺脚外，纳米纤维厚度仅微米级或以下；水凝胶收集器螺脚处厚度33.24±2.43 μm，PLA仅3.09±0.37 μm，差异超10倍。证实水凝胶收集器能有效收集电场，沉积更厚纳米纤维垫。

图3a显示水凝胶收集器上纳米纤维垫覆盖不全，特别是舟窝（螺脚与对螺间凹陷区）无纤维沉积，纤维呈悬空取向排列。图3b放大SEM图显示纤维纳米级直径、微米级长度，高长径比，无气泡等缺陷，直径分布均匀。图3c统计：平均直径564±153 nm，多集中在400-600 nm。证实电纺过程连续稳定。

三维耳软骨形水凝胶收集器共形制备数值模拟

为实现共形制备，利用水凝胶柔韧性改变收集器形状，减小高度差。图4a-(i)为电纺过程配置，(ii)为螺脚与对螺间凹陷区二维截面，螺脚与基底夹角约60°。我们通过弯曲螺脚减小夹角。图4b-(i)-(iii)为0°、30°、60°弯曲角下的电场模拟，(iv)为参考线l(x)上电场角度。平均角度分别为79.56°、79.39°、77.26°，偏倚无显著差异。角度偏差方面：0°弯曲偏差8.23°，60°弯曲偏差降至2.36°，减少超70%。大偏差源于凸起螺脚聚焦电场，导致纳米纤维集中沉积于螺脚，阻碍共形制备。弯曲螺脚缓解了电场集中，有望实现共形沉积。

三维耳软骨形水凝胶收集器上电纺纳米纤维垫共形制备

按模拟结果压平收集器。用金属夹具压平螺脚和外侧部分（补充图S2b）。纳米纤维涂覆后的水凝胶在弹性形变区可恢复原形，因纳米纤维垫厚度远小于水凝胶，对力学性能影响可忽略。分别在原始和压平收集器上电纺，横截面图见图5a-(i)、(ii)。原始收集器上纳米纤维悬浮于螺脚和对螺间，未沉积于舟窝；压平后纳米纤维垫完全覆盖螺脚、舟窝、对螺，特别是舟窝凹陷区实现了沉积。图5b厚度对比显著：原始收集器舟窝处厚度极低，压平后显著增加，证实压平可实现复杂几何形状下的共形沉积。

进一步验证压平收集器上纳米纤维垫均匀性（图6）。图6a：压平收集器上纳米纤维垫完全覆盖无空洞。图6b：螺脚（54.58±3.99 μm）、对螺（55.40±1.17 μm）、耳屏（53.05±1.39 μm）、舟窝（51.49±1.24 μm）厚度均匀一致（原始收集器舟窝无沉积）。证实压平三维耳软骨形水凝胶收集器电纺可实现共形均匀沉积。基于前期水凝胶辅助电纺研究，通过调控水凝胶收集器可控制三维共形纳米纤维垫厚度。未来展望：该纳米纤维垫/水凝胶复合体力学性能类似原生耳软骨且具仿生纳米结构，有望作为人工耳软骨植入材料。考虑组织工程应用时，纳米纤维垫残余电荷可能影响细胞行为，不容忽视。该共形制备技术为生产三维纳米纤维膜开创性工作，可广泛应用于三维原生组织模拟支架、高效过滤三维多孔膜等新型纳米纤维组装体。

结论

总之，我们开发了具有凹陷区域的三维耳软骨形水凝胶收集器上电纺纳米纤维垫的共形制备技术。纳米纤维垫完整复制了收集器形状。关键在于利用水凝胶收集器柔韧性调节凹陷区域，使纳米纤维垫以均匀厚度共形沉积在整个表面，这是常规电纺无法实现的。鉴于该技术兼容多种水凝胶材料，将成为组织工程、药物/细胞递送、服装、电池等领域制备共形纳米纤维垫的更通用、高效技术。