Fabrikasi Konformal dari Electrospun Nanofiber Mat pada Kolektor Hidrogel Berbentuk Tulang Rawan Telinga 3D Berdasarkan Electrospinning Berbantuan Hidrogel

Hasil dan Diskusi

Pemintalan Elektro Berbantuan Hidrogel

Gambar 1 membuat skema fabrikasi konformal tikar serat nano electrospun pada kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D. Gambar 1a menunjukkan bahwa template berbentuk tulang rawan telinga 3D dicetak oleh printer 3D fused deposition modeling (FDM). Karena proses fabrikasi konformal menggunakan printer 3D, struktur cetakan dapat dirancang secara bebas dan mudah diubah agar sesuai dengan bentuk yang sangat rumit, seperti tulang rawan telinga. Selanjutnya, struktur resolusi yang lebih tinggi dapat diperoleh dengan mengadopsi printer 3D stereolithography (SLA) atau digital light processing (DLP), yang mencapai resolusi yang lebih baik dengan menggunakan photopolymerization dibandingkan dengan printer 3D FDM. Gambar 1b menunjukkan cetakan negatif PDMS yang mereplikasi template berbentuk tulang rawan telinga 3D yang dibuat dengan pencetakan 3D. Gambar 1c menunjukkan kolektor hidrogel alginat-gelatin dengan bentuk tulang rawan telinga dengan mereplikasi cetakan negatif PDMS. Gambar 1d menunjukkan fabrikasi konformal tikar nanofiber electrospun pada kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D. Ketika kami menempatkan pengumpul hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D pada substrat datar, heliks pengumpul hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D tidak bersentuhan dengan substrat dasar datar dan terlepas dari substrat karena geometri kompleks tulang rawan telinga, yang perbedaan tinggi yang diinduksi antara helix, scapha, dan antihelix dari kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D. Umumnya, perbedaan ketinggian karena bagian menonjol dari kolektor elektrokonduktif 3D mencegah fabrikasi konformal dari tikar nanofiber electrospun pada kolektor elektrokonduktif 3D. Hal ini karena bagian menonjol dari kolektor elektrokonduktif 3D menarik sebagian besar nanofibers electrospun dan menghambat pengendapan nanofibers di bagian bawah kolektor elektrokonduktif 3D [35, 36]. Untuk mengurangi pengaruh geometri kompleks pengumpul hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D, kami meratakan bagian yang menonjol dari pengumpul hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D ke substrat dasar yang rata dengan memanfaatkan fleksibilitas hidrogel. Setelah itu, dengan melakukan electrospinning pada pengumpul hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D, matras nanofiber electrospun diendapkan secara konformal pada seluruh permukaan kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D. Akhirnya, hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D yang diratakan dengan tikar nanofiber electrospun dikembalikan ke bentuk aslinya dari tulang rawan telinga. Restorasi ke bentuk aslinya dapat dimungkinkan karena perataan kolektor hidrogel dilakukan di daerah deformasi elastis dan lapisan nanofiber memiliki pengaruh yang dapat diabaikan pada sifat mekanik kolektor hidrogel dengan tikar nanofiber karena ketebalannya yang lebih rendah dibandingkan dengan dari kolektor hidrogel.

Skema proses fabrikasi konformal tikar nanofiber electrospun pada kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D. a Proses pencetakan 3D untuk template berbentuk tulang rawan telinga 3D. b Cetakan negatif PDMS direplikasi oleh templat berbentuk tulang rawan telinga 3D. c Kolektor hidrogel alginat-gelatin dengan bentuk tulang rawan telinga. d Fabrikasi konformal dari tikar nanofiber electrospun dengan kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D yang diratakan

Evaluasi Fabrikasi dan Sifat Mekanik Hidrogel Alginat–Gelatin

Gambar 2a menunjukkan template berbentuk tulang rawan telinga 3D yang dicetak dengan filamen PLA. PLA memiliki sifat mekanik yang cukup dan suhu leleh yang tinggi (~ 130℃), cocok untuk cetakan PDMS dengan mempertahankan bentuk telinga aslinya. Cetakan negatif PDMS ditunjukkan pada Gambar 2b. PDMS dipilih sebagai bahan cetakan karena fleksibilitasnya yang diperlukan untuk pembongkaran geometri kompleks kolektor hidrogel. Kolektor hidrogel alginat-gelatin pada Gambar 2c menunjukkan struktur kompleks telinga, seperti heliks, skafa, dan antiheliks. Untuk mengungkapkan pilihan luas sifat mekanik kolektor hidrogel alginat-gelatin, kami menyiapkan 4 spesimen untuk uji mekanis dengan rasio pencampuran alginat dan gelatin yang berbeda. Gambar 2d, e masing-masing menunjukkan kurva tegangan-regangan dan modulus Young, menurut rasio bahan hidrogel. Gambar 2d menunjukkan bahwa spesimen yang terbuat dari gelatin murni menunjukkan kekuatan mekanik terendah, dan dengan meningkatkan kandungan alginat, kekuatan mekanik campuran alginat-gelatin meningkat secara linier. Pada Gambar. 2e, modulus Young dari hidrogel alginat-gelatin bervariasi dari 0,04 MPa hingga 5,53 MPa. Untuk kasus gelatin murni, bernama A0G100, spesimen menunjukkan modulus Young terendah 0,04 ± 0,01 MPa dan dengan demikian sulit untuk mempertahankan bentuknya selama electrospinning. Sebaliknya, spesimen alginat murni bernama A100G0, memiliki modulus Young tertinggi 5,53 ± 0,77 MPa, mampu mempertahankan bentuknya selama elektrospinning. Spesimen A50G50 dan A25G75, yang merupakan campuran alginat dan gelatin, menunjukkan modulus Young masing-masing sebesar 2,10 ± 0,45 MPa dan 1,35 ± 0,03 MPa. Secara khusus, mengingat tulang rawan telinga sebagai target, modulus Young dari spesimen A25G75 berada dalam kisaran modulus Young (1–2 MPa) dari tulang rawan telinga asli, yang ditunjukkan sebagai wilayah abu-abu pada Gambar. 2e. Berdasarkan hasil ini, rasio A25G75 digunakan untuk pengumpul hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D.

a Templat berbentuk tulang rawan telinga 3D yang dicetak oleh printer 3D FDM. b Cetakan negatif PDMS untuk produksi kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D. c Kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D terbuat dari campuran alginat dan gelatin. d Kurva regangan-tegangan dari 4 spesimen dengan rasio pencampuran alginat dan gelatin yang berbeda. e Modulus Young dari 4 spesimen dan kisaran modulus Young dari tulang rawan telinga asli (wilayah abu-abu). Semua bilah skala berukuran 1 cm

Fabrikasi Mat Nanofiber pada Kolektor Hidrogel Alginat–Gelatin

Untuk menyelidiki perilaku deposisi nanofiber electrospun pada kolektor hidrogel alginat-gelatin, kami melakukan simulasi numerik medan listrik dengan tiga jenis kolektor:kolektor tembaga, kolektor PLA, dan kolektor hidrogel alginat-gelatin. Deposisi nanofibers electrospun umumnya ditentukan oleh interaksi antara muatan nanofibers electrospun dan medan listrik. Dalam hal ini, simulasi medan listrik telah digunakan untuk memahami pengendapan serat nano electrospun pada kolektor. Pada hasil simulasi dengan kolektor PLA, seperti ditunjukkan pada Gambar S1b, karena sebagian besar medan listrik terkonsentrasi ke arah kabel ground, diharapkan nanofiber electrospun tidak akan terdeposisi pada permukaan kolektor hidrogel. Sebaliknya, pada hasil simulasi dengan kolektor hidrogel alginat-gelatin yang ditunjukkan pada Gambar S1c, medan listrik difokuskan di seluruh permukaan kolektor hidrogel alginat-gelatin, seperti kolektor tembaga (File tambahan 1:Gambar S1a). Dari hasil simulasi ini, diharapkan nanofiber electrospun akan terdeposisi secara besar-besaran pada permukaan kolektor hidrogel alginat-gelatin. Hal ini karena kolektor hidrogel memiliki daya hantar listrik yang cukup karena adanya ion-ion yang bergerak di dalam hidrogel dan menghasilkan medan listrik yang seragam menuju kolektor, seperti kolektor logam. Namun, kolektor PLA, yang merupakan bahan dielektrik, tidak cukup menarik medan listrik, dan dengan demikian, medan listrik tertarik ke kabel ground, bukan kolektor PLA. Hasil simulasi ini dikonfirmasi oleh electrospinning pada PLA dan kolektor hidrogel alginat-gelatin dan membandingkan ketebalan tikar nanofiber electrospun (File tambahan 1:Gambar S1d). Mirip dengan hasil simulasi dengan kolektor PLA, sebagian besar nanofiber electrospun ditempatkan pada kabel ground dan bagian heliks dari kolektor PLA. Di lokasi tidak termasuk kabel arde dan bagian heliks, serat nano electrospun pada permukaan kolektor PLA ditumpuk dalam skala mikrometer atau kurang. Sebaliknya, ketebalan tikar nanofiber electrospun yang diendapkan pada heliks diukur untuk kolektor hidrogel PLA dan alginat-gelatin untuk membandingkan deposisi nanofiber sesuai dengan jenis kolektor, dan ketebalan tikar nanofiber pada setiap kolektor adalah 3,09 ± 0,37 μm dan 33,24 ± 2,43 μm, masing-masing (File tambahan 1:Gambar S1d). Dalam kasus kolektor PLA yang ditunjukkan dalam File tambahan 1:Gambar S1b, medan listrik terutama difokuskan pada tanah, dan nanofibers electrospun diendapkan lebih dari 10 kali lebih tipis pada kolektor PLA daripada kolektor hidrogel untuk waktu electrospinning yang sama. Mengingat bahwa PLA memiliki konstanta dielektrik yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan hidrogel pada suhu kamar, medan listrik tidak dapat terkonsentrasi terutama pada kolektor itu sendiri, dan dengan demikian, serat nano disimpan di tempat lain, seperti tanah. Dari hasil ini dan penelitian kami sebelumnya, dipastikan bahwa kolektor hidrogel cukup dapat mengumpulkan medan listrik, dan dengan demikian, tikar nanofiber diendapkan lebih tebal pada kolektor hidrogel dibandingkan dengan kolektor PLA. Hasil ini menyiratkan bahwa hidrogel alginat-gelatin adalah pengumpul yang efektif untuk nanofibers electrospun selama electrospinning. Selanjutnya, kami mengkonfirmasi bahwa kolektor hidrogel alginat-gelatin dapat menghasilkan serat skala nano selama elektrospinning. Alas nanofiber electrospun pada kolektor alginat-hidrogel ditunjukkan pada Gambar. 3a dengan penutup serat nano electrospun yang tidak lengkap pada permukaan kolektor. Gambar 3b menunjukkan gambar SEM yang diperbesar dari serat nano electrospun pada kolektor hidrogel alginat–gelatin. Dari gambar SEM, rasio aspek tinggi dikonfirmasi dengan ketebalan nanofiber skala nano dan panjang nanofiber skala mikro. Selain itu, cacat seperti gelembung yang dapat menyebabkan kesalahan saat mengukur ketebalan nanofiber tidak ditemukan, dan tidak ada perbedaan yang signifikan dalam variasi ketebalan. Dari hasil tersebut, kami percaya bahwa electrospinning dengan kondisi tersebut di atas dilakukan secara terus menerus. Diameter rata-rata nanofiber electrospun fabrikasi pada kolektor hidrogel alginat-gelatin adalah 564 ± 153 nm, dan sebagian besar nanofiber memiliki diameter mulai dari 400 hingga 600 nm pada Gambar. 3c. Dari gambar SEM, nanofiber electrospun menunjukkan rasio aspek yang tinggi dengan diameter skala nano dan panjang skala mikro. Dengan demikian, teknik electrospinning ini dapat dianggap sebagai proses persiapan serat yang berkelanjutan.

a Sebuah tikar nanofiber electrospun pada kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D. b Gambar yang diperbesar dari tikar nanofiber electrospun pada kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D melesat masuk (a ). c Populasi nanofiber electrospun pada kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D. Bilah skala adalah 1 cm (a ) dan 1 µm (b )

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, kami mengamati bahwa tikar nanofiber electrospun belum sepenuhnya menutupi kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D, terutama pada skafa, wilayah tersembunyi antara heliks dan antiheliks. Hasil ini menunjukkan bahwa terdapat ruang kosong pada matras nanofiber electrospun. Juga, nanofibers electrospun tidak diendapkan secara selaras di seluruh permukaan tetapi ditangguhkan sebagai konfigurasi yang selaras, yang diamati dalam metode celah miring [28]. Tidak hanya untuk bentuk tulang rawan telinga, geometri kompleks kolektor elektrokonduktif 3D, seperti tonjolan atau kelengkungan tinggi, umumnya akan menyebabkan lapisan nanofiber electrospun tidak menutupi permukaan kolektor.

Simulasi Numerik Fabrikasi Konformal Mat Nanofiber Electrospun pada Kolektor Hidrogel Berbentuk Tulang Rawan Telinga 3D

Untuk mencapai fabrikasi konformasi tikar nanofiber electrospun pada kolektor elektrokonduktif 3D, kami menggunakan fleksibilitas kolektor hidrogel, yang umumnya tidak akan dicapai oleh kolektor logam. Fleksibilitas kolektor hidrogel memungkinkannya untuk mengubah bentuk kolektor, sehingga mengurangi perbedaan ketinggian dan meratakan kolektor hidrogel. Pertama, kami secara numerik mengkonfirmasi fabrikasi konformal dari tikar nanofiber electrospun pada kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D. Gambar 4a-(i) menunjukkan konfigurasi proses electrospinning dengan pengumpul hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D. Mempertimbangkan bahwa nanofibers electrospun sulit untuk disimpan pada daerah tersembunyi dari kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D, kami menyoroti wilayah tersembunyi antara heliks dan antihelix dengan penampang 2D dari kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a-(ii). Heliks dimiringkan pada sudut sekitar 60° ke substrat bawah, sehingga membentuk daerah tersembunyi antara heliks dan antiheliks. Untuk mengurangi area tersembunyi seperti itu, kami mengurangi sudut dengan menekuk heliks pengumpul hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D dengan memanfaatkan fleksibilitas pengumpul hidrogel, tidak seperti pengumpul logam. Hasil simulasi numerik dengan sudut lengkung yang berbeda dari 0°, 30°, dan 60° masing-masing ditunjukkan pada Gambar 4b-(i), b-(ii), dan b-(iii). Gambar 4b-(iv) menunjukkan sudut medan listrik di sepanjang garis imajiner untuk tiga kasus. Nilai rata-rata sudut medan listrik dengan garis khayal adalah 79,56°, 79,39°, dan 77,26° dengan sudut lengkung masing-masing sebesar 0°, 30°, dan 60°, menunjukkan sudut bias dengan tidak adanya variasi yang signifikan antara masing-masing kasus. Sudut bias tersebut disebabkan karena daerah tersembunyi antara heliks dan antiheliks adalah bagian kiri dari kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a-(i). Untuk kasus deviasi sudut medan listrik, kasus sudut lengkung 0° menunjukkan deviasi 8,23° sepanjang garis acuan \(l(\mathrm{x})\). Sebaliknya, dengan menekuk heliks pada 60 °, penyimpangan sudut medan listrik sangat berkurang sebesar 2,36 °, yang lebih dari 70% dikurangi dari penyimpangan sudut medan listrik yang disebabkan oleh pembengkokan 0 °. Penyimpangan sudut besar seperti itu untuk kasus sudut tekuk 0 ° akan dikaitkan dari medan listrik terfokus menuju heliks yang menonjol, yang mengakibatkan deposisi terkonsentrasi nanofiber electrospun pada helix dan dengan demikian menghambat fabrikasi konformasi nanofiber electrospun. tikar pada kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D. Pengurangan deviasi sudut dengan menekuk heliks membebaskan medan listrik terkonsentrasi tersebut, dan oleh karena itu, menekuk heliks diharapkan memungkinkan deposisi konformal serat nano electrospun pada kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D.

Simulasi medan listrik untuk kolektor hidrogel (a -(i)) dan gambar persegi panjang putus-putus yang diperbesar di a -(i) (a -(ii)). (b ) Persegi panjang putus-putus di a -(ii) menunjukkan daerah tersembunyi dari kolektor hidrogel. Panah medan listrik di sepanjang garis referensi \(l(\mathrm{x})\) dengan sudut lengkung 0° (b -(i)), 30° (b -(ii)), dan 60° (b -(aku aku aku)). b -(iv) Sudut medan listrik pada kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D dengan sudut tekuk 0°, 30°, dan 60° sepanjang garis acuan \(l(\mathrm{x})\)

Fabrikasi Konformal dari Matras Nanofiber Electrospun pada Kolektor Hidrogel Berbentuk Tulang Rawan Telinga 3D

Untuk mencapai fabrikasi yang sesuai dari tikar nanofiber electrospun pada kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D, kolektor hidrogel harus diratakan mengikuti hasil simulasi. Dalam penelitian ini, kami meratakan kolektor hidrogel berbentuk tulang rawan telinga 3D untuk menekuk heliks. The helix and outer parts were flattened with metal fixtures, as shown in Figure S2b. The nanofiber-coated hydrogel collector can be returned to its original shape when deformed in the elastic deformation region of the hydrogel. This is because the nanofiber mat has a negligible influence on the mechanical property of the fiber-coated hydrogel collector due to its lower thickness compared to that of the hydrogel collector. The hydrogel collector was deformed in the elastic deformation region, and thus, the nanofiber-coated hydrogel could be restored its original shape. After that, electrospinning was performed on the original and flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. The cross section images of the original and flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector after electrospinning are shown in Fig. 5a-(i), (ii).

a Electrospun nanofiber mats on the scapha of the original hydrogel collector (a -(i)) and the flattened hydrogel collector (a -(ii)). b The thicknesses of the electrospun nanofiber mats at the scapha on the original and the flattened hydrogel collector. All scale bars are 1 cm

In the case of the original 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector, electrospun nanofibers were suspended between helix and antihelix, not deposited on the scapha of the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. When the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector was flattened, an electrospun nanofiber mat entirely covered the helix, scapha, and antihelix. Especially, electrospun nanofibers could be deposited on the recessed region between helix and antihelix, which was not possible without flattening the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. The dramatic thickness difference between the electrospun nanofiber mat on the original and the flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector is shown in Fig. 5b. The lower thickness of the electrospun nanofiber mat on the original hydrogel collector showed the retarded deposition on the recessed region, while the flattened hydrogel collector could attract sufficient amount of electrospun nanofibers on the recessed region. With this result, electrospun nanofibers were conformally deposited on the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector even with complex geometries, such as helix and antihelix by flattening the collector.

Lastly, we confirmed the uniformity of an electrospun nanofiber mat on the flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector (Fig. 6). Figure 6a shows that an electrospun nanofiber mat could entirely cover the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector without showing any voids for the case of the original 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. Figure 6b shows the thickness of the electrospun nanofiber mat deposited at the helix (54.58 ± 3.99 μm), the antihelix (55.40 ± 1.17 μm), the antitragus (53.05 ± 1.39 μm), and the scapha (51.49 ± 1.24 μm), where the nanofibers were not deposited with the original 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. As a result of the electrospinning with a flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector, we could confirm that the electrospun nanofiber mat was deposited conformally and uniformly on the hydrogel collector. Furthermore, based on the results of the previous hydrogel-assisted electrospinning study, we are convinced that the thickness of the fabricated 3D conformal nanofiber mats could be controlled by exploiting a hydrogel collector. As a future perspective, given that the 3D ear cartilage-shaped hydrogel with this nanofiber mat possessed mechanical properties similar to those of native ear cartilage and has a biomimetic nanostructure, it could be expected to be applied as an artificial ear cartilage implant. Considering the utilization to tissue engineering, the residual charge in the nanofiber mat should not be neglected which might influence the cell behaviors. We believed that this conformal fabrication of an electrospun nanofiber mat is pioneering work to produce a 3D nanofiber membrane, and thus, could be utilized in a broad range of applications suggesting a novel type of nanofiber assemblies such as 3D native-tissue mimicking scaffold and 3D porous membrane for efficient filtering.

a Conformally fabricated nanofiber mat on the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. The scale bar is 1 cm. b The thicknesses of the electrospun nanofiber mat at several positions, including helix, scapha, antihelix, and antitragus on the flattened 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector