DOI:10.1038/s41598-020-64846-z
聚合物電紡納米纖維在過濾、傳感、藥物遞送和組織工程等領域具有廣泛的應用，其實際應用通常需要將纖維圖案化或與更大的設備集成在一起。在此，研究者描述了使用具有絕緣表面層和導電凹陷圖案的收集器對三維電紡纖維圖案進行高度通用的原位策略。研究顯示，使用現有的實驗室設備可以輕松制備出圖案尺寸低至100微米的兩層收集器。其次，使用有限元方法模擬和實驗驗證證實了纖維圖案化策略對于各種圖案尺寸和纖維材料都是有效的。最后，通過將電紡纖維首次結合到可降解微針中，展示了該策略在電紡纖維各種新應用中的潛力。這些研究為纖維圖案策略適應電紡纖維的許多不同應用提供了框架。
圖1.使用兩層收集器快速制備復雜的電紡纖維圖案。（a）溝槽和（b）甜甜圈微圖案是使用傳統的微加工技術在硅中創建的。收集器橫截面的示意圖（未按比例繪制）描繪了溝槽圖案深度（150μm）、寬度范圍（500至5μm）和甜甜圈圖案深度（50μm）。將厚度為2μm的光致抗蝕劑層留在硅晶片上，以作為絕緣表面層。（c，d）使用CO2激光切割機在具有約600μm厚的PDMS絕緣表面層的炭黑-PDMS復合材料中產生約500μm寬和500μm深的圖案。在所有這些收集器上，與收集器表面相比，聚乙烯醇（PVA）纖維密集地沉積在微圖案中。
圖2.有限元方法模擬以及隨后的統計學設計實驗，用于收集器的幾何設計。（a）實驗設計的P圖，包括五個不同的控制因子輸入和一次響應輸出。在最初的全因子設計中，系數從2.51 mm到7.51 mm不等，然后在中央復合設計中，系數從0.01 mm到10.01 mm不等。來自兩個不同的正方形特征幾何模擬的代表性圖像，其中（b）寬度、高度、間距和厚度為2.51 mm，（c）寬度、高度、間距和厚度為7.51 mm。這些圖像顯示了起始幾何形狀，計算出的電勢（顏色梯度，以kV為單位的標度）和電場（箭頭矢量）。注釋指示收集器表面（*）和用于計算ΔE響應輸出的圖案底部（^）的位置。（d）均值圖，顯示每個因素在每一水平上的相對影響。觀察到絕緣層的厚度、特征高度以及這兩個因素的相互作用為最大的影響。（e）來自二次模型的ΔE的熱圖表明，通過將特征高度限制為5 mm并隨特征高度的增加按比例增加絕緣層厚度，可以使ΔE最大化。
圖3.使用PDMS基復合材料通過減法和加法工藝實現快速廉價的收集器原型設計。（a）將PVA纖維靜電紡絲到帶有濃碳黑顆粒的固化炭黑-PDMS混合物的側面，顯示出均勻的纖維沉積。（b）將PVA纖維靜電紡絲到具有彌散性炭黑顆粒的炭黑-PDMS混合物中，顯示出極少且高度不規則的纖維沉積。（c）減法步驟的示意圖，該過程開始于將PDMS中的7.5wt％炭黑添加到模具中，然后搖動混合物。將該混合物固化并倒置，然后將PDMS層添加到表面并固化。然后使用CO2激光對兩層材料進行圖案化。（d）增材制備步驟從母模開始。添加PDMS并使其固化，然后添加C-PDMS，并將整個模具放置在平板振蕩器上。然后固化C-PDMS，并從模具中取出完整的收集器。用PDMS收集器激光切割的圓錐形特征的底面（□□）和高度（●）的代表性光學圖像和尺寸，其中包括（e）點圖案、（f）圓形圖案（直徑：0.06 mm）或（g）螺旋圖案（直徑：0.25 mm，10圈）。所有功能都使用可變的激光功率和恒定的激光速度（95％）。
圖4.電紡纖維構形與3D收集器圖案一致，這取決于絕緣層的厚度和特征高度。（a）具有和（b）不具有600μm厚PDMS表面層的毫米級PDMS基圖案化收集器上的PVA纖維收集表明，絕緣層在微圖案中實現纖維沉積的必要性。圓錐形圖案的直徑為3 mm，高度為3.25 mm，間距為5.5 mm。（c）具有（頂部插圖）和沒有（底部插圖）PVA纖維沉積的微型PDMS基收集器。收集器的PDMS厚度為400μm，圓錐形圖案的直徑為269±5μm，高度為522±6μm，間距為1400μm。（d）從微型收集器中小心取出的纖維的SEM圖像顯示了三個維度的纖維圖案。（e）含PDA電紡纖維的具有梯度PDMS層厚度的微圖案收集器的俯視圖。該收集器包含直徑為364±16μm，高度為777±20μm，間距為1600μm的圓錐形圖案，以及范圍為400至580μm的PDMS層。在PDMS層較厚的收集器區域，纖維沉積不明顯。（f）在400μm PDMS厚度的區域和（g）含PVA電紡纖維的PDMS厚度為500μm的區域的梯度PDMS厚度微圖案化收集器的截面SEM圖像。絕緣層的近似位置由白色虛線表示。這些SEM圖像在Adobe Photoshop中進行了處理，以提高纖維的可見性。對比度設置為100，曝光偏移設置為-0.1。對于所有靜電紡絲實驗，針頭-收集器的距離為10 cm。由于溶液性質的差異，溶液流速在1.5-5μL/min之間變化，施加的電壓在7.5-8.5 kV之間變化。對于毫米級收集器，將纖維靜電紡絲約5分鐘，對于微型收集器，將纖維進行靜電紡絲1-2分鐘。
圖5.原位圖案化策略顯示了物理化學性質多樣化聚合物的多功能性。微圖案中的纖維質量與收集器表面上的纖維質量之比以及纖維在微圖案收集器上的代表性俯視圖：（a）由不同溶劑電紡制備的PCL纖維，（b）由含不同CHL:DMF比值的溶劑電紡制備的PCL纖維，（c）由不同溶劑電紡制備的PLGA纖維（n=3，誤差線表示標準偏差）。所有靜電紡絲實驗均使用同一收集器，該收集器具有圓錐形微圖案，其底直徑為364±16μm，高度為777±20μm，間距為0.5 mm至4 mm，絕緣層厚度為0.4 mm。PCL纖維在17 kV的電壓下進行電紡，而PLGA纖維在18 kV的電壓下進行電紡。所有纖維樣品均以5μL/min的流速和25 cm的針尖到收集器的距離靜電紡絲2分鐘。
圖6.機械穩固集成纖維微針的制備。（a）集成纖維微針制備方法。（b）完整的集成纖維微針陣列的光學顯微鏡圖像和單個集成纖維微針的SEM圖像。（c）使用Instron通用測試系統在兩個鋼板之間壓縮3×3微針陣列時每個針的載荷和延伸圖。曲線表示來自單獨的基于PDMS的收集器的三個集成纖維微針陣列（虛線）和常規基質微針（實線）的平均值。為了清楚起見，省略了誤差線。（d）與常規基質微針相比，集成纖維微針的每針破壞力。對于使用此方法測量的所有樣品，將破壞力作為0.1 mm延伸時的載荷（n=3，誤差線代表標準偏差）。（e）用常規基質微針或集成纖維微針治療的皮膚和頰組織的光學顯微鏡圖像，顯示集成纖維微針對真皮角質層和活表皮的破壞，以及常規基質微針和集成纖維微針進入頰組織上皮的通道。提供未經處理的真皮和頰組織對照，以展示兩種組織的天然結構。
