DOI:10.1038/s41598-020-68117-9

作者介绍了用于延长药物释放的三层纤维支架的制备方法和计算建模。通过乳液/序列静电纺丝生产的支架由两个聚（ε-己内酯）（PCL）层以及聚（D，L-乳酸-乙醇酸共聚物）（PLGA）纤维夹层组成。将支架中药物释放速率的实验结果与最近引入的计算纳米纤维向三维（3D）周围介质中扩散性药物释放的有限元（FE）模型结果进行了比较。采用两个不同的有限元模型：（1）一个三维离散连续体和由简单径向一维（1D）有限元素表示的纤维；（2）由包含纤维弥散和周围域的复合弥散式有限元素（CSFEs）离散的三维连续体。这两个模型均受到聚合物降解和药物在纤维/周围界面的疏水性的影响。CSFE模型包括纤维的体积分数和直径分布，并且通过使用校正功能进一步增强模型的准确性。计算结果在罗丹明B（荧光药物1）和其他亲水药物上得到了验证。与实验结果相吻合证明了数值模型可以作为药物释放到周围多孔介质或生物组织中的有效工具。结果表明，引入的三层支架延缓了药物释放过程，可用于术后治疗期间药物的时间控制释放。

图1.PLGA和PCL静电纺丝纤维（a，b）的SEM图像以及相应的纤维直径分布直方图（c，d）。

图2.（a）纤维表面扩散，这对应于纤维量和总体积；dVsur是周围介质所占的体积，（b）具有两个域的复合弥散有限元（CSFE）表示为：纤维和周围介质，（c）CSFE中的1D连接性元素。

图3.根据（a）半径为r和浓度为C0的纤维，周围流体通过连续Fes离散，在流体周围形成二维离散模型。（b）用纤维和周围流体扩大了详细模型的面积。（c）通过纤维表面积对点1和点2之间的一维离散体进行了弥散模型展示。（d）对于具有不同纤维体积分数的模型，弥散模型纤维域中的差分系数（cf）取决于Dsurr/Dfib比值，（e）用于计算校正因子的插值过程的描述。

图4.（a）PCL/PLGA/PCL支架的有限元（FE）模型配置和几何形状。（b）通过一层PLGA和PCL纤维的SEM成像（扫描棒20μm）重建纤维的一维网格。（c）PLGA/PCL 3层模型的三维FE模型，并将对称条件应用于该模型。

图5.使用具有纤维网（顶部）和弥散复合有限元（底部）的详细模型建模的树状PLGA/PCL支架。数值模型由纤维（左）和周围（右边）域组成。

图6.详细和弥散模型中纤维和周围域的树状PLGA/PCL支架浓度场，可用于在PLGA层内扩散RhB。

图7.（a）浸渍RhB复合物和24wt％ 65:35 PLGA的累积释放与时间的关系。实验曲线（虚线）和使用真实（详细）和弥散式PLGA/PCL纤维模型获得的有限元模拟结果。计算模型的参数基预测：（b）释放对层厚度的依赖性。（c）药物分配的作用（疏水性）。（d）在不同时间释放的药物与PCL层厚度的关系。（e）由于PCL层的厚度导致的初始爆发延迟。