DOI:10.1038/s41598-020-64846-z
聚合物电纺纳米纤维在过滤、传感、药物递送和组织工程等领域具有广泛的应用，其实际应用通常需要将纤维图案化或与更大的设备集成在一起。在此，研究者描述了使用具有绝缘表面层和导电凹陷图案的收集器对三维电纺纤维图案进行高度通用的原位策略。研究显示，使用现有的实验室设备可以轻松制备出图案尺寸低至100微米的两层收集器。其次，使用有限元方法模拟和实验验证证实了纤维图案化策略对于各种图案尺寸和纤维材料都是有效的。最后，通过将电纺纤维首次结合到可降解微针中，展示了该策略在电纺纤维各种新应用中的潜力。这些研究为纤维图案策略适应电纺纤维的许多不同应用提供了框架。
图1.使用两层收集器快速制备复杂的电纺纤维图案。（a）沟槽和（b）甜甜圈微图案是使用传统的微加工技术在硅中创建的。收集器横截面的示意图（未按比例绘制）描绘了沟槽图案深度（150μm）、宽度范围（500至5μm）和甜甜圈图案深度（50μm）。将厚度为2μm的光致抗蚀剂层留在硅晶片上，以作为绝缘表面层。（c，d）使用CO2激光切割机在具有约600μm厚的PDMS绝缘表面层的炭黑-PDMS复合材料中产生约500μm宽和500μm深的图案。在所有这些收集器上，与收集器表面相比，聚乙烯醇（PVA）纤维密集地沉积在微图案中。
图2.有限元方法模拟以及随后的统计学设计实验，用于收集器的几何设计。（a）实验设计的P图，包括五个不同的控制因子输入和一次响应输出。在最初的全因子设计中，系数从2.51 mm到7.51 mm不等，然后在中央复合设计中，系数从0.01 mm到10.01 mm不等。来自两个不同的正方形特征几何模拟的代表性图像，其中（b）宽度、高度、间距和厚度为2.51 mm，（c）宽度、高度、间距和厚度为7.51 mm。这些图像显示了起始几何形状，计算出的电势（颜色梯度，以kV为单位的标度）和电场（箭头矢量）。注释指示收集器表面（*）和用于计算ΔE响应输出的图案底部（^）的位置。（d）均值图，显示每个因素在每一水平上的相对影响。观察到绝缘层的厚度、特征高度以及这两个因素的相互作用为最大的影响。（e）来自二次模型的ΔE的热图表明，通过将特征高度限制为5 mm并随特征高度的增加按比例增加绝缘层厚度，可以使ΔE最大化。
图3.使用PDMS基复合材料通过减法和加法工艺实现快速廉价的收集器原型设计。（a）将PVA纤维静电纺丝到带有浓碳黑颗粒的固化炭黑-PDMS混合物的侧面，显示出均匀的纤维沉积。（b）将PVA纤维静电纺丝到具有弥散性炭黑颗粒的炭黑-PDMS混合物中，显示出极少且高度不规则的纤维沉积。（c）减法步骤的示意图，该过程开始于将PDMS中的7.5wt％炭黑添加到模具中，然后摇动混合物。将该混合物固化并倒置，然后将PDMS层添加到表面并固化。然后使用CO2激光对两层材料进行图案化。（d）增材制备步骤从母模开始。添加PDMS并使其固化，然后添加C-PDMS，并将整个模具放置在平板振荡器上。然后固化C-PDMS，并从模具中取出完整的收集器。用PDMS收集器激光切割的圆锥形特征的底面（□□）和高度（●）的代表性光学图像和尺寸，其中包括（e）点图案、（f）圆形图案（直径：0.06 mm）或（g）螺旋图案（直径：0.25 mm，10圈）。所有功能都使用可变的激光功率和恒定的激光速度（95％）。
图4.电纺纤维构形与3D收集器图案一致，这取决于绝缘层的厚度和特征高度。（a）具有和（b）不具有600μm厚PDMS表面层的毫米级PDMS基图案化收集器上的PVA纤维收集表明，绝缘层在微图案中实现纤维沉积的必要性。圆锥形图案的直径为3 mm，高度为3.25 mm，间距为5.5 mm。（c）具有（顶部插图）和没有（底部插图）PVA纤维沉积的微型PDMS基收集器。收集器的PDMS厚度为400μm，圆锥形图案的直径为269±5μm，高度为522±6μm，间距为1400μm。（d）从微型收集器中小心取出的纤维的SEM图像显示了三个维度的纤维图案。（e）含PDA电纺纤维的具有梯度PDMS层厚度的微图案收集器的俯视图。该收集器包含直径为364±16μm，高度为777±20μm，间距为1600μm的圆锥形图案，以及范围为400至580μm的PDMS层。在PDMS层较厚的收集器区域，纤维沉积不明显。（f）在400μm PDMS厚度的区域和（g）含PVA电纺纤维的PDMS厚度为500μm的区域的梯度PDMS厚度微图案化收集器的截面SEM图像。绝缘层的近似位置由白色虚线表示。这些SEM图像在Adobe Photoshop中进行了处理，以提高纤维的可见性。对比度设置为100，曝光偏移设置为-0.1。对于所有静电纺丝实验，针头-收集器的距离为10 cm。由于溶液性质的差异，溶液流速在1.5-5μL/min之间变化，施加的电压在7.5-8.5 kV之间变化。对于毫米级收集器，将纤维静电纺丝约5分钟，对于微型收集器，将纤维进行静电纺丝1-2分钟。
图5.原位图案化策略显示了物理化学性质多样化聚合物的多功能性。微图案中的纤维质量与收集器表面上的纤维质量之比以及纤维在微图案收集器上的代表性俯视图：（a）由不同溶剂电纺制备的PCL纤维，（b）由含不同CHL:DMF比值的溶剂电纺制备的PCL纤维，（c）由不同溶剂电纺制备的PLGA纤维（n=3，误差线表示标准偏差）。所有静电纺丝实验均使用同一收集器，该收集器具有圆锥形微图案，其底直径为364±16μm，高度为777±20μm，间距为0.5 mm至4 mm，绝缘层厚度为0.4 mm。PCL纤维在17 kV的电压下进行电纺，而PLGA纤维在18 kV的电压下进行电纺。所有纤维样品均以5μL/min的流速和25 cm的针尖到收集器的距离静电纺丝2分钟。
图6.机械稳固集成纤维微针的制备。（a）集成纤维微针制备方法。（b）完整的集成纤维微针阵列的光学显微镜图像和单个集成纤维微针的SEM图像。（c）使用Instron通用测试系统在两个钢板之间压缩3×3微针阵列时每个针的载荷和延伸图。曲线表示来自单独的基于PDMS的收集器的三个集成纤维微针阵列（虚线）和常规基质微针（实线）的平均值。为了清楚起见，省略了误差线。（d）与常规基质微针相比，集成纤维微针的每针破坏力。对于使用此方法测量的所有样品，将破坏力作为0.1 mm延伸时的载荷（n=3，误差线代表标准偏差）。（e）用常规基质微针或集成纤维微针治疗的皮肤和颊组织的光学显微镜图像，显示集成纤维微针对真皮角质层和活表皮的破坏，以及常规基质微针和集成纤维微针进入颊组织上皮的通道。提供未经处理的真皮和颊组织对照，以展示两种组织的天然结构。
