Fabricación conformada de una esterilla de nanofibras electrohiladas en un colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja en 3D basado en electrohilado asistido por hidrogel

Resultados y discusión

Electrohilado asistido por hidrogel

La Figura 1 esquematiza la fabricación conformada de una estera de nanofibras electrohiladas en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D. La Figura 1a muestra que la plantilla 3D con forma de cartílago de la oreja se imprimió mediante una impresora 3D de modelado de deposición fundida (FDM). Como el proceso de fabricación conformada utilizó la impresora 3D, la estructura impresa se puede diseñar libremente y cambiar fácilmente para adaptarse a una forma muy complicada, como el cartílago de la oreja. Además, las estructuras de mayor resolución podrían obtenerse mediante la adopción de impresoras 3D de estereolitografía (SLA) o procesamiento de luz digital (DLP), que lograron una mejor resolución mediante el uso de fotopolimerización en comparación con la impresora 3D FDM. La Figura 1b muestra el molde negativo de PDMS que replica la plantilla 3D en forma de cartílago de la oreja hecha por impresión 3D. La Figura 1c muestra el colector de hidrogel de alginato-gelatina con la forma de cartílago de la oreja al replicar el molde negativo de PDMS. La Figura 1d muestra la fabricación conforme de la estera de nanofibras electrohiladas en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D. Cuando colocamos el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja en 3D sobre un sustrato plano, la hélice del colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja en 3D no entró en contacto con el sustrato de fondo plano y aparte del sustrato debido a las complejas geometrías del cartílago de la oreja, que Diferencia de altura inducida entre hélice, escafa y antihélix del colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D. Generalmente, la diferencia de altura debida a la parte sobresaliente de un colector electroconductor 3D impidió una fabricación conforme de una estera de nanofibras electrohiladas en el colector electroconductor 3D. Esto se debe a que la parte sobresaliente del colector electroconductor 3D atrae a la mayoría de las nanofibras electrohiladas y dificulta la deposición de las nanofibras en la parte inferior del colector electroconductor 3D [35, 36]. Para reducir la influencia de las geometrías complejas del colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja en 3D, aplanamos la parte sobresaliente del colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja en 3D al sustrato de fondo plano aprovechando la flexibilidad del hidrogel. Después de eso, al realizar el electrohilado en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D, la estera de nanofibras electrohilada se depositó de manera conforme en toda la superficie del colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja en 3D. Finalmente, el hidrogel aplanado 3D en forma de cartílago de la oreja con la estera de nanofibras electrohiladas se devolvió a su forma original del cartílago de la oreja. Esta restauración a la forma original podría ser posible porque el aplanamiento del colector de hidrogel se realizó en la región de deformación elástica y la estera de nanofibras tiene una influencia insignificante en las propiedades mecánicas del colector de hidrogel con la estera de nanofibras debido a su menor espesor en comparación con el del colector de hidrogel.

Proceso esquematizado de fabricación conformada de una esterilla de nanofibras electrohiladas en un colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja en 3D. un El proceso de impresión 3D para la plantilla 3D en forma de cartílago de la oreja. b El molde negativo de PDMS replicado por la plantilla 3D en forma de cartílago de la oreja. c El colector de hidrogel de alginato-gelatina con la forma del cartílago de la oreja. d Fabricación conformada de un tapete de nanofibras electrohiladas con el colector de hidrogel aplanado en forma de cartílago de la oreja en 3D

Evaluación de las propiedades mecánicas y de fabricación del hidrogel de alginato-gelatina

La Figura 2a muestra la plantilla 3D en forma de cartílago de la oreja impresa con filamentos de PLA. El PLA tiene suficientes propiedades mecánicas y una alta temperatura de fusión (~ 130 ℃), adecuada para el moldeado de PDMS manteniendo la forma original de la oreja. El molde negativo de PDMS se muestra en la Fig. 2b. El PDMS fue seleccionado como material de molde debido a su flexibilidad requerida para el desmoldeo de geometrías complejas del colector de hidrogel. El colector de hidrogel de alginato-gelatina de la figura 2c muestra la estructura compleja de la oreja, como hélice, escafa y antihélice. Para revelar la amplia selección de las propiedades mecánicas del colector de hidrogel de alginato-gelatina, preparamos 4 muestras para la prueba mecánica con las diferentes proporciones de mezcla de alginato y gelatina. La Figura 2d, e muestra la curva tensión-deformación y el módulo de Young, respectivamente, de acuerdo con la relación de los materiales de hidrogel. La Figura 2d muestra que la muestra hecha de gelatina pura mostró la resistencia mecánica más baja y, al aumentar el contenido de alginato, la resistencia mecánica de la mezcla de alginato y gelatina aumentó linealmente. En la Fig. 2e, el módulo de Young de hidrogel de alginato-gelatina varió de 0,04 MPa a 5,53 MPa. Para el caso de la gelatina pura, denominada A0G100, la muestra exhibió el módulo de Young más bajo de 0.04 ± 0.01 MPa y, por lo tanto, fue difícil mantener su forma durante el electrohilado. Por el contrario, la muestra de alginato puro, denominada A100G0, tenía el módulo de Young más alto de 5,53 ± 0,77 MPa, capaz de mantener su forma durante el electrohilado. Las muestras A50G50 y A25G75, que son la mezcla de alginato y gelatina, exhibieron el módulo de Young de 2,10 ± 0,45 MPa y 1,35 ± 0,03 MPa, respectivamente. En particular, considerando el cartílago de la oreja como un objetivo, el módulo de Young de la muestra A25G75 estaba dentro del rango del módulo de Young (1-2 MPa) del cartílago de la oreja nativo, que se muestra como la región gris en la Fig. 2e. Con base en estos resultados, se utilizó la proporción de A25G75 para el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D.

un La plantilla 3D en forma de cartílago de la oreja impresa por una impresora 3D FDM. b El molde negativo PDMS para la producción del colector de hidrogel 3D en forma de cartílago de la oreja. c Colector 3D de hidrogel en forma de cartílago auricular hecho de una mezcla de alginato y gelatina. d Curva deformación-tensión de las 4 probetas con las diferentes proporciones de mezcla de alginato y gelatina. e Módulo de Young de los 4 especímenes y rango del módulo de Young del cartílago auricular nativo (región gris). Todas las barras de escala son de 1 cm

Fabricación de la estera de nanofibras en un colector de hidrogel de alginato-gelatina

Para investigar el comportamiento de deposición de nanofibras electrohiladas en el colector de hidrogel de alginato-gelatina, realizamos una simulación numérica de campo eléctrico con tres tipos de colectores:un colector de cobre, un colector de PLA y un colector de hidrogel de alginato-gelatina. La deposición de nanofibras electrohiladas se determinó generalmente por la interacción entre la carga de las nanofibras electrohiladas y el campo eléctrico. En este sentido, la simulación del campo eléctrico se ha utilizado para comprender la deposición de nanofibras electrohiladas en el colector. En el resultado de la simulación con el colector de PLA, como se muestra en la Figura S1b, dado que la mayor parte del campo eléctrico estaba concentrado hacia el cable de tierra, se esperaba que las nanofibras electrohiladas no se depositaran en la superficie del colector de hidrogel. Por el contrario, en el resultado de la simulación con el colector de hidrogel de alginato-gelatina que se muestra en la Figura S1c, el campo eléctrico se centró en toda la superficie del colector de hidrogel de alginato-gelatina, como un colector de cobre (archivo adicional 1:Figura S1a). A partir de este resultado de simulación, esperábamos que las nanofibras electrohiladas se depositaran principalmente en la superficie del colector de hidrogel de gelatina y alginato. Esto se debe a que el colector de hidrogel tiene una conductividad eléctrica suficiente debido a los iones móviles en el hidrogel y genera un campo eléctrico uniforme hacia el colector, como un colector de metal. Sin embargo, el colector de PLA, que es un material dieléctrico, no podría atraer suficientemente el campo eléctrico y, por lo tanto, el campo eléctrico atraído hacia el cable de tierra, no hacia el colector de PLA. Estos resultados de simulación se confirmaron mediante electrohilado en el colector de hidrogel de gelatina de alginato y PLA y comparando los espesores de una estera de nanofibras electrohiladas (archivo adicional 1:Figura S1d). De manera similar a los resultados de la simulación con el colector de PLA, la mayoría de las nanofibras electrohiladas se colocaron en un cable de tierra y en la parte helicoidal del colector de PLA. En las ubicaciones que excluyen el cable de tierra y la parte de la hélice, las nanofibras electrohiladas en la superficie del colector de PLA se apilaron en una escala micrométrica o menos. Por el contrario, se midieron los espesores de una estera de nanofibras electrohilada depositada en la hélice para el colector de PLA y alginato-gelatina de hidrogel para comparar la deposición de nanofibras según el tipo de colector, y los espesores de la estera de nanofibras en cada colector fueron 3,09 ± 0.37 μm y 33.24 ± 2.43 μm, respectivamente (Archivo adicional 1:Figura S1d). En el caso del colector de PLA que se muestra en el archivo adicional 1:Figura S1b, un campo eléctrico se centró principalmente en el suelo, y las nanofibras electrohiladas se depositaron más de 10 veces más delgadas en el colector de PLA que en el colector de hidrogel durante el mismo tiempo de electrohilado. Dado que el PLA tenía una constante dieléctrica mucho más baja en comparación con el hidrogel a temperatura ambiente, el campo eléctrico no podía concentrarse principalmente en el colector mismo y, por lo tanto, las nanofibras se depositaban en otros lugares, como el suelo. A partir de este resultado y de nuestro estudio anterior, se confirma que el colector de hidrogel podría recoger suficientemente el campo eléctrico y, por lo tanto, las esteras de nanofibras se depositaron más gruesas en el colector de hidrogel en comparación con el colector de PLA. Este resultado implica que el hidrogel de alginato-gelatina es un recolector eficaz de nanofibras electrohiladas durante el electrohilado. A continuación, confirmamos que el colector de hidrogel de gelatina y alginato podría producir fibras a nanoescala durante el electrohilado. La estera de nanofibras electrohiladas en el colector de alginato-hidrogel se muestra en la Fig. 3a con la cubierta incompleta de nanofibras electrohiladas en la superficie del colector. La Figura 3b muestra una imagen SEM ampliada de nanofibras electrohiladas en el colector de hidrogel de gelatina y alginato. A partir de la imagen SEM, se confirmó una relación de aspecto alta con un grosor de nanofibras a nanoescala y una longitud de nanofibras a microescala. Además, no se encontraron defectos como burbujas que pueden dar lugar a errores al medir el grosor de las nanofibras y no hubo diferencia significativa en la variación del grosor. A partir de estos resultados, creímos que el electrohilado con la condición antes mencionada se llevaba a cabo de forma continua. El diámetro medio de las nanofibras electrohiladas fabricadas en el colector de hidrogel de alginato-gelatina fue de 564 ± 153 nm, y la mayoría de las nanofibras tienen diámetros que oscilan entre 400 y 600 nm en la figura 3c. A partir de la imagen SEM, las nanofibras electrohiladas mostraron una relación de aspecto alta con un diámetro a nanoescala y una longitud a microescala. Por tanto, esta técnica de electrohilado podría considerarse como un proceso continuo de preparación de fibras.

un Una estera de nanofibras electrohiladas en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D. b Aparece una imagen ampliada de la estera de nanofibras electrohiladas en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja en 3D ( a ). c La población de nanofibras electrohiladas en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D. Las barras de escala son de 1 cm ( a ) y 1 µm ( b )

Como se muestra en la Fig. 3a, observamos que la estera de nanofibras electrohiladas no ha cubierto completamente el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D, particularmente en la escápula, la región empotrada entre la hélice y el antihélix. Este resultado indicó que había espacios vacíos en la estera de nanofibras electrohilada. Además, las nanofibras electrohiladas no se depositaron de manera conforme en toda la superficie, sino que se suspendieron como una configuración alineada, lo que se observó en el método de separación inclinada [28]. No solo por la forma del cartílago de la oreja, las complejas geometrías del colector electroconductor 3D, como la protuberancia o la alta curvatura, generalmente causarían una cobertura incompleta de una estera de nanofibras electrohiladas en la superficie del colector.

Simulación numérica de la fabricación conforme de una esterilla de nanofibras electrohiladas en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D

Para lograr la fabricación conformada de una estera de nanofibras electrohilada en el colector electroconductor 3D, utilizamos la flexibilidad del colector de hidrogel, que generalmente no se lograría con un colector de metal. La flexibilidad del colector de hidrogel le permitió alterar la forma del colector, reduciendo así la diferencia de altura y aplanando el colector de hidrogel. En primer lugar, confirmamos numéricamente la fabricación conformada de una estera de nanofibras electrohiladas en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D. La Figura 4a- (i) muestra la configuración del proceso de electrohilado con el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D. Teniendo en cuenta que las nanofibras electrohiladas eran difíciles de depositar en la región empotrada del colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D, destacamos la región empotrada entre la hélice y el antihélix con una sección transversal 2D del colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D como se muestra en Figura 4a- (ii). La hélice se inclinó en un ángulo de alrededor de 60 ° con respecto al sustrato inferior, formando así la región rebajada entre la hélice y la antihélice. Para aliviar tal región rebajada, redujimos el ángulo doblando la hélice del colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D aprovechando la flexibilidad del colector de hidrogel, a diferencia de un colector de metal. Los resultados de la simulación numérica con los diferentes ángulos de flexión de 0 °, 30 ° y 60 ° se muestran en la Fig. 4b- (i), b- (ii) y b- (iii), respectivamente. La figura 4b- (iv) muestra el ángulo del campo eléctrico a lo largo de la línea imaginaria para tres casos. Los valores promedio en el ángulo del campo eléctrico con líneas imaginarias fueron 79.56 °, 79.39 ° y 77.26 ° con los ángulos de flexión de 0 °, 30 ° y 60 °, respectivamente, mostrando un ángulo sesgado sin variación significativa entre cada caso. Tal ángulo sesgado se debió a que la región rebajada entre la hélice y el antihélix era la parte izquierda del colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D, como se muestra en la Fig. 4a- (i). Para el caso de la desviación del ángulo del campo eléctrico, el caso del ángulo de flexión de 0 ° mostró una desviación de 8.23 ​​° a lo largo de la línea de referencia \ (l (\ mathrm {x}) \). Por el contrario, al doblar la hélice a 60 °, la desviación del ángulo del campo eléctrico se redujo en gran medida en 2,36 °, que se alivió en más del 70% de la desviación del ángulo del campo eléctrico causada por la flexión de 0 °. Tal desviación de ángulo grande para el caso del ángulo de flexión de 0 ° se atribuiría al campo eléctrico enfocado hacia la hélice sobresaliente, lo que resultó en la deposición concentrada de nanofibras electrohiladas en la hélice y, por lo tanto, obstaculizó la fabricación conforme de una nanofibra electrohilada. alfombrilla en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D. La reducción de la desviación del ángulo al doblar la hélice alivió tal campo eléctrico concentrado y, por lo tanto, se espera que al doblar la hélice se permita la deposición conforme de nanofibras electrohiladas en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D.

Simulaciones de campo eléctrico para el colector de hidrogel ( a - (i)) y una imagen ampliada del rectángulo discontinuo en a - (i) ( a - (ii)). ( b ) El rectángulo punteado en a - (ii) mostrando la región rebajada del colector de hidrogel. Las flechas del campo eléctrico a lo largo de la línea de referencia \ (l (\ mathrm {x}) \) con los ángulos de flexión de 0 ° ( b - (i)), 30 ° ( b - (ii)) y 60 ° ( b - (iii)). b - (iv) El ángulo del campo eléctrico al colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D con un ángulo de flexión de 0 °, 30 ° y 60 ° a lo largo de la línea de referencia \ (l (\ mathrm {x}) \)

Fabricación conformada de una esterilla de nanofibras electrohilada en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D

Para lograr la fabricación conforme de una esterilla de nanofibras electrohiladas en el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D, el colector de hidrogel debe aplanarse siguiendo el resultado de la simulación. En este estudio, aplanamos el colector de hidrogel en forma de cartílago de la oreja 3D para doblar la hélice. 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).

un 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.

un 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