DOI:10.1016/j.polymer.2020.122606
在此，研究者展示了一種簡便的一步靜電紡絲策略來制備多區域支架，該支架具有兩個主要的原纖維微結構陣列：蜂窩狀（HC）和隨機取向（RO），這兩種微結構陣列通過一個旨在促進它們之間的平滑物理過渡的界面連接。研究了相關的設計參數，包括大孔尺寸、纖維直徑、壓電和機械性能。結果表明，聚己內酯（PCL）基支架在HC和界面區域出現大孔，可以通過增加電紡聚合物的體積來定制（分別從867±74至424±27 μm和從101±10至80±10μm），但其纖維直徑分布沒有顯著改變。此外，這些支架的局部機械性能會根據每個區域的幾何形狀以一種謹慎的方式變化，從而確保從RO到HC區域的物理性能分級。這種支架制備方法的通用性可擴展到聚偏氟乙烯（PVDF）的使用中：在保留了宏觀結構機械性能的同時，RO（353±53 nm）和HC（251±37 nm）區域間的纖維尺寸分布不同，纖維取向也不同，這與支架內壓電性（β相分數）的變化有關。這種制備技術可以成為設計具有可調結構和力學性能的生物相容性多組織系統的另一種替代方法。
圖1.（A）用于制備多區域材料的靜電紡絲裝置。將聚合物溶液（PCL或PVDF）電紡到平板收集器（B）上，該收集器通過使用兩個分別顯示兩個不同大孔圖案的金屬模板（每個2×4.5 cm）設置：1）尺寸為557±46 μm的大孔形成一個由蜂窩狀（HC）結構組成的區域，以及2）尺寸為14±3 μm的圓形大孔，生成界面區域。這兩個模板之間的間隔為1厘米，在它們之間僅保留了一塊平坦的鋁箔區域，以允許形成第三區域并沉積無規取向（RO）纖維。HC和界面（Int）孔在黑框中放大，而RO區域在虛線框中突出顯示。靜電紡絲（C）后，多區域支架顯示了由具有一定直徑分布和取向的納米纖維構成的每個區域（RO、界面和HC；從SEM圖像的頂部到底部）的微觀結構組織。
圖2.A）用于制備多區域材料的模板；這種配置使電紡墊具有以下結構陣列：HC、界面和RO（在圖中分別表示為1、2和3）；在黑框中可以看到HC和界面大孔的放大。B）電紡墊（支架PCL-10、PCL-20和PCL-30）；可以觀察到構建體的結構剛性以及HC大孔。
圖3. HC（A）、界面（B）和RO（C）區域的SEM圖像。在PCL-10、PCL-20和PCL-30中可以觀察到HC大孔結構，而僅在PCL-10和PCL-20上可見界面。C為PCL-20的RO區域，與其他兩個支架相似。在A（PCL-30圖）中可以看到沉積在HC大孔內側或外側的纖維。
圖4.PCL-10、PCL-20和PCL-30的HC（A）和界面（B）大孔直徑和纖維直徑（C）分布（分別為白色、淺灰色和灰色條）。A-C結果總結在（D）中，其中○=纖維直徑，□=HC大孔直徑，△=界面大孔直徑。纖維直徑分布是三個區域的平均值，因為它們之間沒有表現出任何顯著性差異（未顯示）。（*p＜0.05）。
圖5.在PCL-20和集成式支架不同區域的機械拉伸試驗中獲得的典型應力與應變（A）曲線；（B）在應變區域5-15％中計算出的相應彈性模量（E）。（*p＜0.07）
圖6.HC（A）、界面（B）和RO（C）區域中PVDF-20的SEM圖像；放大A（閾值圖像）顯示大孔邊緣的纖維排列。（D）PVDF-20（橙色條）和PCL-20（淺灰色條）的大孔尺寸（HC和界面）與平均纖維尺寸之間的比較。（E）按區域劃分，PVDF-20的彈性模量（E）。A、B和C插圖中的比例尺=5 μm。（B）中的界面大孔用黑色箭頭指出。（*p＜0.05）
圖7.（A）按區域劃分的注塑PVDF（頂部）和PVDF-20的X射線衍射（XRD）：RO（中）和HC（下）；在2θ= 20.7處可以觀察到特征β相衍射圖，而衍射角=17.7、18.3、19.9和26.56處的峰對應于其他晶相。（B）PVDF-20中RO和HC區域的纖維直徑。（C）在PVDF-20的RO和HC區域發現的典型纖維取向分布。（*p＜0.05）
圖8.在靜電紡絲過程中，由于電極化作用和機械拉伸作用，促進了β相（全反式構象）PVDF的形成，這兩者都導致聚合物鏈從其α相轉變為偶極子形式（所有偶極子在相同鏈方向上排列）。通過指示大孔輪廓上的纖維排列，用于制備HC區域的基材會產生額外的“拉伸效應”，與RO相比，會導致更小的纖維直徑和更高的β相含量。為了便于觀察，單個纖維中的α相區域用灰色圓圈狀陰影表示。
