静电纺丝用于3D物体的修饰以在组织工程中的潜在用途.docx

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1、静电纺丝用于 3D 物体的修饰，以在组织工程中的潜在用途抽象静电纺丝通常用于生物技术应用，例如组织工程和一般的细胞生长。在许多情况下，三维支架有利于制备所需形状的组织。因 此，一些研究调查了用静电纺丝纳米纤维装饰的3D打印支架。在这里，我们报告了3D打印基板对纳米纤维毡的纤维取向和直 径的影响，直接静电纺丝对导电和隔离3D打印物体的影响，并展示了阴影的影响，以3D打印的耳朵与静电纺丝纳米纤维垫为 例，在一般组织工程中具有潜力和直接应用。关犍字:无针静电纺丝;聚乳酸;聚丙烯般;纳米蜘蛛;细胞粘附;细胞增殖;3D3D 打印1 1.引言静电纺丝能够以相对快速和简单的方式生产纳米纤维。通常，将聚合物溶

2、液或熔体插入两个电极之间的强电场中，其中一 个电极通常是压制纺丝溶液的针或涂有纺丝溶液的导线1,1,2 2o o 该场导致泰勒锥的形成，从中将聚合物射流挤出到对电极。该射 流的螺旋形状在溶剂蒸发时产生很强的伸长率，直到超薄纳米纤维沉积在对电极或屏蔽对电极的基板上3,3,4,4,5 5o o基板上的纤维取向取决于收集器。静电集电极主要用于基于线的静电纺丝，通常会导致任意纤维取向6,6,7 7,对于一些应 用，可以支持使用大致平行取向的光纤。这可以达到，例如，使用快速旋转的圆柱体作为收集器8,8,9 9。通过在基板上添加介电 或导电区域来制备排列纳米纤维垫的另一种可能性，这些介电或导电区域使电场变

3、形，从而允许对沉积的纳米纤维的位置以及 它们的取向进行一定量的定制10,10,11,11,1212。这种定向纳米纤维通常支持定向细胞生长和增加细胞增殖，这两者都是组织工程中的重要因素13,13,1414。另一个重要因素 是静电纺丝纳米纤维的材料。许多生物材料（如明胶）是水溶性的，因此它们的缺点是，在纺丝后需要额外的交联步骤才能在 流体介质中使用15,15,1616。其他聚合物需要有毒溶剂，因此需要复杂的后处理以避免降低纳米纤维垫的生物相容性17,17,1818。只 有少数水稳定性聚合物可以从低毒溶剂二甲基亚飒（DMSO）1919中电纺而成，其中包括聚丙烯睛（PAN）20,20,2121。虽然纯

4、PAN不能作为细胞粘附和增殖的理想基质，但PAN与明胶、麦芽糖糊精、酪蛋白等的水稳定混合物可用于支持细胞生长22,22,2323 o o在这里，我们报道了由各种聚合物制备的不同3D打印形状上的静电纺丝PAN纳米纤维垫，其中一些具有导电性能。通 常，据报道，3D打印形状与电纺纳米结构的组合是一种有趣的方法，可以将所需的形态学，模仿细胞外基质，与所需的宏观形 状相结合24,24,25,25,2626o o与之前在扁平 3D3D 打印结构上静电纺丝纳米纤维的研究相反2727,这里研究了更高和部分不规则的形状，特别是关于阴影 效应，以带有纳米纤维垫的 3D3D 打印耳朵为例。光学研究揭示了截然不同的光

5、纤取向，具体取决于 3D3D 打印基板的形状和材料。2 2.材料和方法在基于线的静电纺丝机Nanospider Lab（捷克共和国利贝雷茨的Elmarc。）上进行静电纺丝，在实验过程中应用以下不 变的纺丝参数：喷嘴直径0.9毫米;电极与基板之间的距离240 mm;滑块速度100 mm/s;基板未移动。纺丝室中的温度为22-23,相对湿度为32-33%。不同的纺丝参数如表 1 1 所示。表 1 1.分配样品描述，相关的3D打印部件及其旋转参数。由于概览，仅显示更改的参数。图10.用静电纺丝纳米纤维垫装饰的3D打印耳朵：（a）从左到右：铜箔上的导电PLA上的PAN,铝箔上的导电PLA,铜箔 上的P

6、LA,PP基板上的PLA（V11）;（b）PAN/葡聚糖对导电PLA的影响；（c）导电PLA上的PAN（50kV）;（d）PAN在铜箔（50 kV）上的导电PLA上。所有耳朵的长度均为59毫米（最长的一侧）。正如已经预料的那样，纯PLA耳朵强烈排斥纳米纤维，而由导电PLA打印的耳朵显示出类似于周围PP无纺布的纳米纤 维垫（图10a）。比较PAN/葡聚糖（图10b）和PAN纳米纤维垫没有可见的宏观差异。然而，在这些测试中，耳朵的内部区 域没有被纳米纤维覆盖。这就是为什么在降低电压的情况下进行后续测试以检查该参数对3D打印物体覆盖的影响（图10c,d）o然而，与图10a,b相比，阴影效应变得更强。

7、这可以通过如果电压较低，纳米纤维以较小的速度撞击基板来解释，从而以这种方式更强地指向最 高的导电区域，从而在耳朵内留下更多的较低区域。此外，导电PLA（图10d）在耳下附加的高导电铜箔的影响清晰可见，因 为它已经在图8中识别出来。显然，导电PLA具有非常合适的导电性，可以避免排斥纳米纤维毡，而不会使电场变形，从而形 成高度不规则的纳米纤维毡，如图9d所示。这表明必须仔细定制材料和形状，以实现整个表面的覆盖，甚至可能通过将不同的3D打印聚合物组合在一个物体中，这可以通过最近的几台3D打印机来实现。为了制备具有纳米结构表面的组织工程的3D基板，仍然需要通过纳米纤维垫涂覆整个表面。实现这一目标的一种

8、可能方 法是使用所谓的4D打印，即3D打印一个平面物体，该物体随后可以通过热或其他刺激变形33。由于PLA属于所谓的形状记 忆聚合物，可以实现4D打印34,因此在最近的研究中正在研究的导电PLA的形状记忆特性将在未来的研究中进行研究。4.4.结论在各种3D打印聚合物上对PAN和PAN/dextran纳米纤维垫进行静电纺丝。根据其形状，厚度和导电性，纳米纤维被排 斥或强烈吸引。来自导电PLA的3D打印耳朵沿着较高的部分覆盖，而变化的旋转和溶液参数无法覆盖结构的整个表面。相反,具有较低坡度的3D打印漏斗可以完全覆盖，电纺纳米纤维垫遵循3D打印工艺给出的表面结构。沿着一些3D打印材料的边界,发现了一

9、个清晰的纤维取向，可用于定向细胞生长。作为一种可能的解决方案，导电形状记忆聚合物的4D打印将在未来的研究中进行研究。此外，一般的生物相容性以及哺 乳动物细胞的附着力和增殖将针对不同的导电PLA材料进行测试。最后，必须评估细胞培养基中PLA的降解，特别是与在其上 生长的纳米纤维垫的潜在影响有关。将13-16%PAN（德国多尔马根的Dralon,X-PAN）和2-5%葡聚糖500（用于生物化学，500 kDa,从德国卡尔斯鲁厄的CarIRothGmbH&Co.KG购买）制备纺.丝溶液，溶解在DMSO（最低99.9%,S3化学品，德国巴特恩豪森）中，在环境条件下搅拌24小时。研究了以下3D打印材料：

10、Filaflex 82A（Recreus,Elda,Spain）导电 PLA（原始面食，加拿大温哥华）XT-CF20（Colorfabb,Belfeld,The Dutch）Bronzefill（Colorfabb,Belfeld,The Netherlands）Growlay Brown（Lay-Filaments,科隆，德国）Carbon X2-85（3DXTech,Grand Rapids,MI,USA）CarbonFil（Formfutura,奈梅亨，荷兰）聚乳酸（PLA）（Filamentworld,Neu-Ulm,Germany）只有导电PLA显示出可测量的电导率（R200Q/cm

11、）;其他部分包括导电碳纤维等，但显然没有形成足够的渗透路径。使用Orcabot XXL（Prodim,荷兰）进行3D打印，喷嘴直径为0.4mm,喷嘴温度为210。打印床温度为60。层厚 为0.2 mm和100%填充（线性）。耳朵模型取自Thingiverse所有3D打印标本和3D打印灯丝都安装在标准聚丙烯基材下方，如图 1 1 所示。Groundelectrode/.Jj73Dobject gluedon substrateHigh voltageelectrode图1.纳米纤维设置的草图：高压电极线（黑色）由聚合物溶液（绿色）涂覆。后者被强电场拖向接地电极，然后沉积在基板（蓝 色）或粘附在基

12、板上的物体（灰色）上。制备了以下样品，改变了纺丝参数和3D打印部件：通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）VK-8710（德国新伊森堡凯恩斯）研究了样品的形态。在用钳溅射样品后，通过扫 描电子显微镜（SEM）FEI XL30 ESEM（飞利浦，荷兰阿姆斯特丹）拍摄了示例性图像。宏观图像由索尼Cybershot DSC-RX100 IV相机拍摄。3.3.结果和讨论第一个纳米纤维毡（V1 V5）用于研究所获得的纳米纤维毡的再现性以及溶液中额外葡聚糖的影响，这被证明会导致相对 较厚的直纤维28。正如预期的那样，CLSM图像在中间尺度上显示出相似的PAN纳米纤维垫，而具有PAN/葡聚糖混合物的 样品V4

13、具有明显更厚的纤维（图2）。一些纳米纤维垫的某些区域含有非纤维区域，如图2c所示。特别是在相对湿度略微升 高或长时间旋转后腔室中的溶剂蒸汽未完全耗尽的情况下（对于样品V5为45分钟），尤其会发生这种情况。图2.纳米纤维毡的CLSM图像：（a）含有纯PAN的V3;（b）含有PAN/葡聚糖混合物的V4;（c）含有纯PAN的V5。比 例尺表示20 pm。标称相同的纳米纤维垫之间的另一个可能差异在图3中进行了更多描述，使用样品V1和V2的示例。在这里，研究了静 电纺丝溶液的时间依赖性。虽然V1溶液（图3a）在实验室中放置两周，但用于V2的溶液（图3b）在搅拌24小时后直接电纺。很明显，尽管可以识别纺丝

14、溶液之间的宏观差异，但结果差异很大，V1显示出相对较厚的直纤维，而V2具有明显更薄的珠子 纤维。这些微球通常发生在纺丝溶液不含足够固体含量29时，而较厚的纤维通常用于具有较高量PAN的纺丝溶液30。这种 比较表明，通常通过磁力搅拌器搅拌几个小时并不能使PAN完全溶解在DMSO中，因此应将溶液制备和静电纺丝之间的持续 时间作为附加参数考虑在内。在这里，所有其他纳米纤维垫在制备溶液后约1-2天进行电纺。图3.（a）样本V1的扫描电镜图像；（b）样本V2。比例尺表示7 pm。接下来，测试了粘附在基板上的非导电3D物体的影响。图4描述了样品V6-1的不同区域的比较，电纺在（图4a）或旁 边（图4b）来

15、自PLA的具有棘轮状表面的3D打印物体。有趣的是，在3D打印物体上发现了与棘轮最大值平行的清晰纤维取 向，因为它在早期的研究12中也得到了认可，而在3D物体旁边看不到这种取向（图4b）。(b)通过SEM研究3D打印物体顶部的纳米纤维垫揭示了类似的发现，如图5所示。物体顶部的纳米纤维垫（在虚线的右侧）显示出清晰的纤维取向，当在普通聚丙烯（PP）无纺布基板（虚线左侧）上检杳纳米纤维垫时，这种取向会直接改变。这强调了基底变化对纳米纤维毡形态的影响。图5.样品V6-1的SEM图像在3D打印对象的边框（近似于虚线）旁边。为了进一步研究不同材料作为基材改性的影响，在使用标准参数（V9-2）进行静电纺丝（V

16、9-2）之前，将7个具有部分 导电填充的3D打印灯丝（参见第2节）粘合在PP基板上。图6描绘了表面的CLSM图像。它们中的大多数看起来非常相似,部分具有可见的珠子或非纤维区域（可见为明亮的圆形斑点）。只有导电丝“导电PLA”（图6d）显示出清晰的纤维取向。应该 提到的是，这种PAN纳米纤维毡的光学性质，独立于纤维取向，通常显示总透射率约为40-70%（取决于纳米纤维毡厚度），并且在整个可见光谱中具有接近0%的镜面透射率，没有任何最大值或最小值，对应于这种纳米纤维毡的典型白色31,32。M(0图6.3D打印灯丝上PAN纳米纤维垫的CLSM图像：（a）青铜填充；（b）碳过滤器；（c）碳X2-85;

17、（d）导电PLA;（e e）Filaflex;（f f）格鲁莱；（g g）XT-CF20.比例尺表示20 pm。由于CLSM图像只能显示样品表面附近的纤维，而不允许描绘纳米纤维毡的厚度，因此通过图 7 7 中的宏观照片描绘了相 同的样品。在这里，很明显，长丝碳X2-85（图7c）,导电PLA（图7d）和XT-CF20（图7g）吸引了最大量的纳米纤维，因 此显示出最厚的纳米纤维垫，而其他长丝似乎排斥纳米纤维垫。这种效应已经在之前的一项研究中得到了认可1212。因此，在不 同的3D打印形状上生长纳米纤维垫的下一次测试中，使用导电PLA作为导电性最强的长丝，这里显示了最规则的纳米纤维垫。(g)图7.

18、PAN纳米纤维垫在3D打印灯丝上的摄影图像:（a a）青铜填充;（b b）碳过滤器;（c）碳X2 85;（d）导电PLA;（e）Filaflex;（f f）格鲁莱；（g）XT-CF20.所有灯丝直径均为1.75mm。接下来，对3D打印的漏斗进行3D打印，以研究圆润边缘处可能的阴影效应（实验V12-1,图8）。通常，两个漏斗的 表面都完全覆盖着纳米纤维垫，由于逐层印刷，纳米纤维垫遵循漏斗的表面步骤，从而导致台阶高度为0.15 mm。然而，对这 两个样品的深入研究表明，在漏斗上放置了一个更厚的纳米纤维垫，并带有额外的铜箔，即，一个比纯导电3D打印物体更多地 修改静电纺丝装置电场的系统。止匕外，在导

19、电印刷周围的PP基板上儿乎看不到纳米纤维，下面是铜箔。比较两个表面表明，纯 导电PLA物体上的纳米纤维垫具有较低的不规则性。铜箔漏斗上的纳米纤维垫中的黑洞（图8b）被小闪光弧灼伤，如果相对湿 度足够高或旋转溶液具有足够的电导率，则可能发生在电场高度集中的区域。图 8 8.用导电PLA印刷的漏斗上的PAN静电纺丝：（a）粘在PP基板上；（b b）粘在PP基板上的铜箔上。漏斗的长度为40毫 米，宽度为31毫米。图8a中漏斗顶端的CLSM图像在图 9 9 中以不同的放大倍率描绘。在这两个尺度上，都没有可见的纤维取向，这可能归因 于漏斗内部的高度梯度很小。图9b中的高度图显示了由于打印过程而产生的两个

20、步骤（从橙色高原到下面的绿色层和绿色层下 面的蓝色层）。这些步骤在较高放大倍率下不再可见（图9d）。图 9 9.图 8a8a 中漏斗顶端的CLSM图像：（a a）具有200 x放大倍率的形态；（b b）放大倍率为200 x的高度图；（c c）2000 x放大倍 率的形态；（d d）2000 x放大倍率的高度图。比例尺分别对应于200 pm（a,a,b b）和20 pm（c,c,d d）。作为一种更强的3D形状物体，3D打印的耳朵作为基板（V10,V11和V12-2）进行了测试。进行了比较PLA和导电PLA作为印刷材料的测试;耳朵部分放置在额外的导电铜箔上，部分被额外接地。PAN/葡聚糖和纯PAN纳米纤维垫在其上静电纺丝。图 1010 描述了这些测试的一些结果。