纤维直径通常介于数十纳米至数微米之间，与细胞外基质中胶原等纤维支架的尺寸相近。采用天然高分子或合成高分子电纺纤维构建组织工程支架，可以仿生细胞外基质的结构乃至生物学功能,利于细胞的黏附、分化和增殖,引导组织的再生与修复，成为组织工程支架的研究热点。大量研究报道显示，电纺纳米纤维支架可以提供理想的细胞黏附、增殖和分化微环境。组织工程基于其独特的功能和组织学特性，显著促进了个体损伤部位的最佳治疗方法的发展。人体器官和组织具有三维（3D）形态，例如，眼睛的形态是球形。然而，大多数传统的静电纺丝设备仅能够制备出二维（2D）结构纤维支架。
      近日，韩国全州国立大学研究者提出了一种使用单个非导电半球形器件和金属引脚的新型静电纺丝方法。使用设计的钉顶收集器成功制备出具有径向排列的纳米纤维的3D半球形透明支架。由于半球形状和径向排列的纳米纤维可以引导细胞外基质中主要胶原蛋白和细胞肌动蛋白丝的方向，因此，3D静电纺丝支架预计适用于治疗眼组织损伤。相关研究发表在Scientific Reports 8, 2018, 3424.
      使用简单和廉价的设备，如铜线和针，通过诱导旋转收集器和针之间的电场变化获得3D径向图案化纳米纤维支架，如图2所示。首先，旋转收集器被包裹然后将具有间隔为10cm的铜线的聚乙烯薄片和在中心处具有金属销的半球形非导体装置连接到铜线上。铜线用于向半球形绝缘导体中的金属引脚供电。在进行静电纺丝的同时，将改性的集电体以1000rpm旋转，并进行静电纺丝10小时。

（A）制备3D径向取向的纳米纤维支架的半球形装置，（B）静电纺丝装置彼此电连接铜线和金属销。

（A，B）在图中所示的（A）和（B）部分上的径向取向的排列的纳米纤维的SEM图像。（C）图中所示的C部分上排列的纳米纤维的SEM图像。（D）图中所示的D部分上的随机纳米纤维的SEM图像。（E-I）纳米纤维的FFT输出图像。
      在该静电纺丝装置中制造的静电纺丝支架的SEM图像显示除了金属销的部分（图4C）外，在半球形设备上的纳米纤维是径向排列的。另一方面，在金属针上收集随机纳米纤维（图4D）。通过FFT对纳米纤维的取向分析表明，成功地制备了径向和周向排列的纤维 （4E-I）。图中峰的形状也反映了样品中纳米纤维的排列程度。
     如图5A所示，松弛且完全拉伸的纳米纤维支架证实，制造的3D PCL/胶原纳米纤维垫具有足够的机械强度作为角膜或伤口敷料支架。图5B显示了在拉伸载荷下具有随机纳米纤维垫的2D随机纳米纤维垫和3D径向排列的纳米纤维的应力-应变曲线。如图5C和D所示，垫的韧性和弹性显着不同。2D随机取向的纳米纤维垫和3D径向排列的纳米纤维垫的韧性分别为372±30N/m和97±20N/m。2D随机取向的纳米纤维垫和3D径向排列的纳米纤维垫的弹性分别为13±1MPa和11±1MPa。

(A）径向对齐的纳米纤维垫。（B）径向排列的PCL /胶原垫的代表性应力-应变曲线。 （C，D）PCL /胶原垫（径向排列和随机取向的纳米纤维垫）的韧性和弹性。（E）没有脚手架的眼睛和带脚手架的眼睛的数码照片。（F）使用光谱分析法在400nm-800nm的波长范围内的透明度结果。（G）PCL和PCL /胶原纳米纤维垫的FT-IR光谱。（H）PCL和PCL /胶原纳米纤维垫的水接触角图。
      透明度是角膜支架的重要因素，不仅用于监测愈合过程，还用于植入后患者视力的恢复。 使用分光光度计在400-800nm的波长范围内分析与胶原混合的径向取向的PCL纳米纤维垫的透明度。如图5F所示，当用PBS溶液润湿时，制备的支架类似于角膜的透明度。即使用肉眼观察，脚手架也具有良好的透明度。

细胞增殖
     角膜支架的形貌特征对于细胞相互作用和角膜细胞的增殖速率至关重要。图4中的FE-SEM图像显示了没有细胞接种的样品的表面形貌。支架由对齐的纳米纤维构成，其通过提供3D纳米图案来模拟天然ECM以诱导细胞生长或组织再生。根据先前的研究，对齐或径向定向的支架为角膜再生和角膜基质的原位矫正提供了显着的潜在益处。在培养3天后，通过FE-SEM和共聚焦图像评估样品上角膜细胞的形态（图6A-D）。与随机取向的纳米纤维样品相比，径向排列的纳米纤维样品的FE-SEM图像显示出更好的细胞增殖速率。共聚焦图像还在径向排列的纳米纤维支架中显示出更高的细胞增殖速率，进一步证实了rCC的取向。用于移植的基质上的角膜细胞的增殖对于视力的恢复是重要的。在细胞接种后1,3和5天，使用CCK-8测定评估在纳米纤维支架的不同形貌中角膜细胞的增殖（图6E）。在第1天实验组之间的细胞增殖速率之间没有观察到显着差异。然而，与细胞培养3天后随机取向的纳米纤维样品相比，径向排列的纳米纤维样品显示出显著的增加。FE-SEM，共聚焦图像和CCK-8测定的增殖结果表明，制备的支架中纳米纤维的取向可在角膜细胞或各向异性组织行为中起重要作用。 3D径向取向的纳米纤维支架显示出优异的诱导细胞形态发生和细胞迁移以及机械性质的能力。纳米纤维的排列程度也影响了rCC的大小。在随机取向的纳米纤维垫上，最常见的是尺寸为10-20μm的rCC，并且在对齐的纳米纤维垫上，最常见的是小于10μm的球形rCC（图6F）。然而，在对齐的纳米纤维垫上，观察到大于50μm且小于100μm的细长细胞。这些结果似乎是由于纳米纤维垫之间的孔径和排列的差异。

（A）在随机取向的纳米纤维垫上培养3天后附着的兔角膜细胞的SEM图像。（B）在随机取向和排列的纳米纤维垫上培养3天后附着的兔角膜细胞的共聚焦显微镜图像。（C）在对齐的纳米纤维垫上培养3天后附着的兔角膜细胞的SEM图像。（D）在对齐的纳米纤维垫上培养3天后附着的兔角膜细胞的共聚焦显微镜图像。肌动蛋白绿488（绿色）用于肌动蛋白丝和DAPI（蓝色）用于染色细胞核。（E）在细胞培养1,3和5天后，在随机和径向排列的纳米纤维垫上的兔角膜细胞的CCK-8测定结果。（F）在随机取向和排列的纳米纤维垫上培养3天后附着的兔角膜细胞的细胞大小的分布。（G）Pico Green dsDNA定量测定。
      为了评估该膜上的细胞迁移和运动性，用肌动蛋白绿染色rCC并在不同时间拍摄荧光图像。在接种后第3天，沿着它们的表面用不锈钢带调整刮擦试验。图7显示在第3,4,5,6和8天在随机和径向排列的纤维的支架上接种后的rCC分布。测量rCC重建模拟缺陷的能力用于细胞迁移测定。由于rCC的向内迁移，空隙面积随着培养时间的增加而降低。与随机取向的2D纤维垫相比，具有径向对齐图案的半球形3D纳米纤维支架可显着促进细胞迁移。即使在随机纤维膜上刮擦6天后，rCC显示出约4mm 2的残余裸露表面，如图7A所示。然而，在径向排列的纤维膜培养5天后，细胞迁移并恢复缺损的整个部分（图7B）。

（A，B）荧光图像，rCC分别在随机取向和径向排列的纤维膜上培养8天时的细胞迁移。 划痕测试适用于具有5×3×3mm3不锈钢带的垫，用于沿其表面形貌的细胞迁移研究。
      因此，研究者设计的新型静电纺丝设备，可以成功制备出半球形3D纳米纤维支架，该支架由径向排列的纳米纤维组成，模仿各向同性组织，这些组织以定向方向生长。3D支架对于需要透明度和半球形设计的组织的巨大潜力。此外，支架上的有序图案使得能够调节rCC的增殖率。制造的基质的对齐的形貌为培养的rCC的关键功能提供了有利的环境。3D纳米纤维支架还可以用作角膜治疗平台，以及其他技术包括表面处理，生物分子结合，给药系统等都具有广泛的应用价值。