DOI:10.1021/acsami.0c14438
由于電紡納米纖維的高表面積與體積比以及仿生細胞外基質結構，靜電紡絲在組織工程和再生醫學中顯示出巨大潛力，但利用靜電紡絲制備復合三維（3D）宏觀結構納米纖維仍然具有挑戰性。本研究開發了一種新的水凝膠輔助靜電紡絲工藝（GelES），可通過使用3D水凝膠結構作為接地收集器代替傳統靜電紡絲中的金屬收集器來制備可定制化的復合3D納米纖維宏觀結構。研究發現3D水凝膠收集器可以像金屬收集器一樣有效地將電場集中于自身，從而將電紡納米纖維直接沉積在其外表面上。GelES工藝提供的水凝膠（例如，生物相容性和熱可逆的溶膠-凝膠轉變）和3D納米纖維宏觀結構（例如，機械強度和高滲透性）的協同優勢在高滲透性的管狀組織移植物和穩定的藥物或細胞封裝結構中得到了證實。GelES有望拓寬靜電紡絲的潛在應用，不僅在體內藥物/細胞輸送和組織再生方面，而且通過增加三維納米纖維宏觀結構的配置自由度，還可提供一個新型的體外藥物測試平臺。
圖1.（a）水凝膠輔助靜電紡絲（GelES）的示意圖，該工藝包括成型（a-i）和靜電紡絲（a-ii）兩個順序過程，（b）多分支3D明膠圓柱結構（b-i）和3D PCL納米纖維宏觀結構（b-ii）的照片，以及（c）由GelES制備的各種復合3D宏觀結構的照片，包括波紋管宏觀結構（c-i），微型化人類肺泡樣宏觀結構（c-ii），以及腦樣外殼宏觀結構（c-iii）。比例尺：10mm（b），5μm（b-ii）中的插圖，5mm（c-i，ii）和1mm（c-iii及其插圖）。
圖2.通過電場模擬和實驗驗證，將3D水凝膠收集器作為靜電紡絲工藝的接地收集器進行評估：（a）Y分支圓柱形結構水凝膠收集器的電場模擬（a-i），以及（a-i）中虛線矩形的放大圖像（a-ii）。（a-iii）歸一化電場強度取決于模型收集器的材料。（b）使用由3D明膠收集器制備的Y分支PCL納米纖維管進行實驗驗證（b-i），層厚取決于模型收集器的材料（b-ii）。比例尺：3mm（b-ii）。統計學顯著性：*p<0.05；n=30。
圖3.3D納米纖維宏觀結構的表征：（a）層厚隨靜電紡絲時間（TEL）的變化，（b）在10分鐘的TEL下單納米纖維管橫截面的SEM圖像，（c）單納米纖維管的極限拉伸強度（UTS）和（d）壓縮應變-力曲線，TEL為5、10和15分鐘。（e）亞甲基藍通過TEL為10分鐘的單納米纖維管的納米纖維壁擴散（e-i），單納米纖維管外層的擴散曲線，其中t=0表示染料流動注射后拍攝第一張照片的時間（e-ii）。比例尺：50μm（b）和5mm（e）。統計學顯著性：*p<0.05；n=30。
圖4.嵌入水凝膠和藥物的3D納米纖維微結構（3D NFEH藥物）以及嵌入水凝膠和細胞的3D納米纖維微結構（3D NFEH細胞）的體外藥物釋放和體內生物相容性評估。（a）用FITC-右旋糖酐進行體外藥物釋放測試：3D NFEH的藥物釋放示意圖（a-i）和裸FITC-右旋糖酐負載明膠圓柱結構的藥物釋放示意圖（a-ii）以及FITC-右旋糖酐在3D NFEH和裸明膠圓柱結構中的累積釋放（a-iii）。（b）去端膠原蛋白結構中C2C12細胞的體外細胞活性測試：3D NFEH-細胞中的細胞封裝示意圖（b-i），活/死染色3D NFEH-細胞（b-ii）和裸C2C12細胞包裹膠原蛋白結構（b-iii）的共聚焦圖像。（c）在大鼠模型中使用C2C12細胞進行體內生物相容性測試：3D NFEH-細胞和裸C2C12細胞包裹去端膠原蛋白結構的植入示意圖（c-i），植入3D NFEH-細胞（c-ii）和裸C2C12細胞包裹膠原蛋白結構（c-iii）的H＆E染色圖像，以及（c-ii，iii）中矩形的放大圖像（c-ii'，ii''，iii'，iii''）。（c-ii，iii）中的矩形表示植入結構的中心區域和邊界區域。（c-ii'，ii''，iii'，iii''）中的插圖顯示了相應區域的免疫組織化學染色圖像。細胞核和肌球蛋白重鏈蛋白分別用DAPI（藍色）和MHC（綠色）染色。比例尺：500μm（b-ii，iii），1mm（c-ii，iii），100μm（c-ii'，ii''，iii'和iii''）和50μm（c-ii'，ii''，iii'，iii''）的插圖。（a）每組每個時間點重復n=3次實驗；（b）每組重復n=2次實驗；（c）每組n=3只大鼠。（b）和（c）中的圖像代表每個重復實驗。
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