DOI:10.1021/acsami.0c14438

由于电纺纳米纤维的高表面积与体积比以及仿生细胞外基质结构，静电纺丝在组织工程和再生医学中显示出巨大潜力，但利用静电纺丝制备复合三维（3D）宏观结构纳米纤维仍然具有挑战性。本研究开发了一种新的水凝胶辅助静电纺丝工艺（GelES），可通过使用3D水凝胶结构作为接地收集器代替传统静电纺丝中的金属收集器来制备可定制化的复合3D纳米纤维宏观结构。研究发现3D水凝胶收集器可以像金属收集器一样有效地将电场集中于自身，从而将电纺纳米纤维直接沉积在其外表面上。GelES工艺提供的水凝胶（例如，生物相容性和热可逆的溶胶-凝胶转变）和3D纳米纤维宏观结构（例如，机械强度和高渗透性）的协同优势在高渗透性的管状组织移植物和稳定的药物或细胞封装结构中得到了证实。GelES有望拓宽静电纺丝的潜在应用，不仅在体内药物/细胞输送和组织再生方面，而且通过增加三维纳米纤维宏观结构的配置自由度，还可提供一个新型的体外药物测试平台。

图1.（a）水凝胶辅助静电纺丝（GelES）的示意图，该工艺包括成型（a-i）和静电纺丝（a-ii）两个顺序过程，（b）多分支3D明胶圆柱结构（b-i）和3D PCL纳米纤维宏观结构（b-ii）的照片，以及（c）由GelES制备的各种复合3D宏观结构的照片，包括波纹管宏观结构（c-i），微型化人类肺泡样宏观结构（c-ii），以及脑样外壳宏观结构（c-iii）。比例尺：10mm（b），5μm（b-ii）中的插图，5mm（c-i，ii）和1mm（c-iii及其插图）。

图2.通过电场模拟和实验验证，将3D水凝胶收集器作为静电纺丝工艺的接地收集器进行评估：（a）Y分支圆柱形结构水凝胶收集器的电场模拟（a-i），以及（a-i）中虚线矩形的放大图像（a-ii）。（a-iii）归一化电场强度取决于模型收集器的材料。（b）使用由3D明胶收集器制备的Y分支PCL纳米纤维管进行实验验证（b-i），层厚取决于模型收集器的材料（b-ii）。比例尺：3mm（b-ii）。统计学显著性：*p<0.05；n=30。

图3.3D纳米纤维宏观结构的表征：（a）层厚随静电纺丝时间（TEL）的变化，（b）在10分钟的TEL下单纳米纤维管横截面的SEM图像，（c）单纳米纤维管的极限拉伸强度（UTS）和（d）压缩应变-力曲线，TEL为5、10和15分钟。（e）亚甲基蓝通过TEL为10分钟的单纳米纤维管的纳米纤维壁扩散（e-i），单纳米纤维管外层的扩散曲线，其中t=0表示染料流动注射后拍摄第一张照片的时间（e-ii）。比例尺：50μm（b）和5mm（e）。统计学显著性：*p<0.05；n=30。

图4.嵌入水凝胶和药物的3D纳米纤维微结构（3D NFEH药物）以及嵌入水凝胶和细胞的3D纳米纤维微结构（3D NFEH细胞）的体外药物释放和体内生物相容性评估。（a）用FITC-右旋糖酐进行体外药物释放测试：3D NFEH的药物释放示意图（a-i）和裸FITC-右旋糖酐负载明胶圆柱结构的药物释放示意图（a-ii）以及FITC-右旋糖酐在3D NFEH和裸明胶圆柱结构中的累积释放（a-iii）。（b）去端胶原蛋白结构中C2C12细胞的体外细胞活性测试：3D NFEH-细胞中的细胞封装示意图（b-i），活/死染色3D NFEH-细胞（b-ii）和裸C2C12细胞包裹胶原蛋白结构（b-iii）的共聚焦图像。（c）在大鼠模型中使用C2C12细胞进行体内生物相容性测试：3D NFEH-细胞和裸C2C12细胞包裹去端胶原蛋白结构的植入示意图（c-i），植入3D NFEH-细胞（c-ii）和裸C2C12细胞包裹胶原蛋白结构（c-iii）的H＆E染色图像，以及（c-ii，iii）中矩形的放大图像（c-ii'，ii''，iii'，iii''）。（c-ii，iii）中的矩形表示植入结构的中心区域和边界区域。（c-ii'，ii''，iii'，iii''）中的插图显示了相应区域的免疫组织化学染色图像。细胞核和肌球蛋白重链蛋白分别用DAPI（蓝色）和MHC（绿色）染色。比例尺：500μm（b-ii，iii），1mm（c-ii，iii），100μm（c-ii'，ii''，iii'和iii''）和50μm（c-ii'，ii''，iii'，iii''）的插图。（a）每组每个时间点重复n=3次实验；（b）每组重复n=2次实验；（c）每组n=3只大鼠。（b）和（c）中的图像代表每个重复实验。