DOI:10.1016/j.addma.2020.101456

作为增材制造策略的一部分，实现自支撑水凝胶微纤维图案化的方法非常有限。本研究展示了3D低压静电纺丝（3D-abES）的工作流程，以有效地生产分层水凝胶明胶微纤维，并将其束缚在各种形状的3D打印热塑性结构上。通过数字设计方法，可以有效地批量生产多个3D打印纤维设备，且能够最小化样品间的差异。可以快速更改定制的纤维图案和设备的几何形状，以适应6到24孔板格式的潜在应用。所产生的干纤维直径约在2-4μm范围内。结合在水性环境中的预期设备应用，本工作研究了工艺参数组合对明胶纤维完整性及其浸入水中时的溶胀行为的影响。在参数研究的帮助下，可以调整溶胀引起的纤维卷曲模式（从直线到波浪）。该研究结果可以为优化由交联的亲水性聚合物和低聚物制成的电纺水凝胶状纤维的3D制造和构图提供指导，以用于细胞培养或生物传感应用。

图1.3D低压静电纺丝（3D-abES）流程包括（a-a1）熔融纤维制备（FFF）和（b-b1）低压静电纺丝（LEP）过程。（c）显示FFF和LEP过程之间的切换机制。（d）展示了塑料PLA结构作为“引发剂”分解静电纺丝液滴以进行纤维初始发育的方案，以及用于纤维束缚的结构。

图2.显示控制溶胀诱导纤维卷曲行为的拟议参数。

图3.逐层优化工具路径。（a）FFF喷嘴打印的第一个PLA层，方案显示（a1）默认设置生成的刀具路径，而（a2）优化刀具路径。（b）由静电纺丝喷嘴印刷的第一层纤维。（c）第二层PLA印刷，比较了（c1-c2）中的两种工艺设计。（d）静电纺丝喷嘴印刷的第二层纤维。（e-f）同一批生产的六种纤维设备的示例，显示在不同视图中捕获的图像。（g）双层纤维装置的一种，显微镜图像聚焦在第一层（h）和第二层（i）纤维上。

图4.用于（a）6孔板、（b）12孔板和（c）24孔板的纤维装置。每个纤维图案都显示放大图像：（a1）偏移90°的双层，（b1）偏移45°的双层，（c1）定向纤维组成的单层。

图5.（a）柱状图显示不同交联时间和纤维印刷速度下的干纤维直径图案。（b-c）干燥未交联纤维的环境扫描电子显微镜。（d）6种不同装置样品的纤维直径变化。

图6.（a）以不同的纤维拉伸速度（比例尺：150μm）制成的明胶纤维的图像。（b）纤维拉伸速度对纤维伸长和浸泡后纤维断裂分数的影响（对于每种纤维拉伸速度，至少分析三种纤维以计算伸长率）。断裂纤维用橙色箭头（→）标记，但需要注意的是，一些断裂的纤维可能不在焦点或视野之外，因此，纤维断裂率是通过比较干燥和浸泡状态下的纤维数量来计算的。

图7.（a）显示交联时间和交联剂浓度的不同组合（比例尺：150μm）导致的溶胀引起的纤维卷曲的图像。（b）在交联剂浓度和交联时间参数空间中映射纤维的伸长率（Ls-L0）/L0'（对于每种情况，至少分析三种纤维来计算伸长率）。