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静电纺丝三维纳米纤维气凝胶和支架的先进制造

期刊综述    2021-09-18 15:46

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研究背景

静电纺丝是一种创建具有各种结构的纳米纤维材料的通用策略,在组织工程、能量收集、过滤等众多领域具有广泛的应用。

➣静电纺丝除了在构建二维(2D)纳米材料中发挥重要作用外,还在生产三维(3D)气凝胶和支架方面具有广阔的前景。

➣本文回顾和总结了近年来制备电纺三维纳米纤维气凝胶和支架的先进方法,包括气体发泡、3D 纳米纤维支架的直接静电纺丝、纳米短纤维组装成 3D 气凝胶/支架、3D 打印、电喷雾、折纸和细胞片工程、离心静电纺丝等方法。

➣还介绍了3D气凝胶和支架的有趣形成过程、交联途径、性质和应用。

 

气体发泡法

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图1.低密度、大孔、海绵、多层三维支架的形成示意图。

➣气体发泡过程利用气泡的成核和生长,这些气泡是通过化学反应或在不同的物理环境下向聚合物相中添加惰性气体在原位生成的。

➣电纺膜具有紧密堆积的纳米纤维和相互连接的微孔/纳米孔。 2D 支架孔中气泡的聚集可能是将纳米纤维重新组装成蓬松的 3D 状结构的潜在策略。

➣为了获得结构高度有序、稳定的三维纳米纤维支架,在气体发泡后立即进行冷冻干燥。与2D膜相比,3D纳米纤维支架具有更高的孔隙率,并保留了纳米形貌。

➣三维支架孔隙率和厚度的增加与发泡时间和发泡液浓度有关。

 

直接电纺三维纳米纤维支架

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图2 带有动态支撑系统的静电纺丝示意图,用于制造纳米纱支架。

➣采用特殊的收集设备、自组装沉积或液体收集等方法,实现了三维纳米纤维支架的直接电纺,制备步骤简单,成本低。

➣Sun等人通过改变采集模板,直接采集形状固定的3D PLCL/SF纳米纤维。利用动态液体静电纺丝系统制备纳米线,一个在流动的水中旋转的七针塞子状滚筒被用来收集纳米纱线,然后,将准备好的支架转移到冻干机中,并与滚筒收集器分离。

➣由于纳米线的多孔结构,细胞不仅在纳米线表面聚集,而且还渗透到三维支架内部。与PLCL支架相比,PLCL/SF支架具有更好的生物相容性,并可通过自然生物矿化促进羟基磷灰石的生长。

 

短纳米纤维组装成3D气凝胶/支架

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图3. FIBER NFA 的设计、处理和蜂窝架构。

➣ 一般情况下,短纤维被引入到气凝胶/支架中以增强其结构稳定性,或者作为ECM模板为细胞生长和增殖提供合适的微环境。

➣短纤维必须交联,形成具有连续纤维结构的3D支架,可以显著提高材料利用率和最终性能。因此,采用不同类型的交联策略来提高三维气凝胶/支架的性能。

➣Si 等人制备了具有层次细胞结构的超弹性纳米纤维气凝胶(NFAs)。首先分别制备含有苯并恶嗪(PAN/BA-a)的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维和二氧化硅纳米纤维。PAN/BA-a 和硅胶膜均被切割,在培养基中均质化,并冷冻干燥以提供未交联的 NFA。

➣随后将未交联的纤维在 240°C 下加热 1 小时,形成交联的 3D 纤维网络,使所得 NFA 具有弹性回弹性、高效的能量吸收和多种功能,如隔热、吸声、乳液分离和弹性响应电传导。

 

3D打印纳米纤维支架

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图4. 各种三维电纺丝纤维支架的示意图。

➣控制支架的外部几何形状,对特定形状的组织进行重建是很有必要的。适当的气孔对细胞分布和营养物质的渗透有显著影响,从而影响细胞生长、ECM沉积和组织再生。

➣Chen 等人将 3D 打印和冷冻干燥相结合,以提供具有精确控制形状的 3D 打印 (3DP) 支架,该支架由基于电纺纤维的墨水制成。

➣使用了聚醚砜(PES)诱导骨形成,并观察骨钙素、骨连接素、胶原蛋白等mRNA的表达上调(图4B)。

➣通过静电纺丝制备明胶/PLGA纳米纤维膜,然后在180°C下脱水,切成小块,并在丁醇中均质以分散纤维。 溶剂蒸发后,短纤维与HA混合并分散到聚(环氧乙烷)(PEO)溶液中以提供生物墨水。

➣通过使用 EDC/NHS 制造和交联 3DP 支架,显示出良好的弹性、形状记忆和促进体内软骨再生。

 

静电喷雾

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图5. 同轴电喷雾制备纳米管的原理图及其潜在应用。

➣静电纺丝可以与电喷雾相结合以提供纳米纤维微球,这涉及通过使用电喷雾将静电纺丝介导的短纳米纤维组装成微球。

➣为了进一步利用静电纺丝介导的电喷雾技术开发开放多孔微球的潜力,采用气泡驱动短纳米纤维的同轴电喷雾; 气泡构成核心,而短纳米纤维构成微球壳。

➣开放的多孔微球在植入2周后可使皮下完全细胞浸润和血管化。相比之下,只有在无孔微球的情况下,细胞才停留在表面。

 

结论

01

静电纺丝是一种简单的制造技术,可设计一系列具有不同形状和结构的支架,其物理化学和形态特性可以精确调整,除了核壳型纤维外,还可以制造混合纤维、取向纤维。

 

02

由于细胞浸润和组织再生依赖于纳米/微纤维的形态和结构,因此精确控制纳米/微纤维的厚度、孔隙尺寸和孔隙率是电纺支架材料的必要条件。

 

03

通过提高静电纺丝收集器的速度,还制备了具有排列整齐的纳米纤维的纳米纤维支架,据报道可以改善心肌细胞的扩散。

 

04

作者认为电纺支架的机械性能应该根据体内微环境进行精确设计,并且可以通过共混聚合物或含有足够机械性能的纳米材料或通过处理支架后进行调整。