Eletrofiação Assistida por Hidrogel para Revestimento Conformal de Nanofibras em Coletores de Hidrogel 3D em Formato de Cartilagem Auricular

Resumo

A eletrofiação é um processo comum e versátil para produzir nanofibras e depositá-las em um coletor como um tapete nanofibroso bidimensional ou uma disposição macroscópica tridimensional (3D). No entanto, coletores eletrocondutores 3D com geometrias complexas, incluindo regiões protrusas, curvas e reentrantes, geralmente dificultam a deposição conformal e a cobertura incompleta das nanofibras eletrofiadas. Neste estudo, propusemos a fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado em um coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D baseado na eletrofiação assistida por hidrogel. Para aliviar a influência das geometrias complexas, aplainamos as partes protrusas do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D explorando a flexibilidade do hidrogel. Descobrimos que a técnica de fabricação sugerida poderia diminuir significativamente um campo elétrico focado de forma desigual, causado pelas geometrias complexas do coletor 3D, aliviando o desvio padrão em mais de 70% através de simulação numérica. Além disso, confirmou-se experimentalmente que um tapete nanofibroso eletrofiado cobria conformalmente o coletor de hidrogel aplainado com espessura uniforme, o que não foi alcançado com o coletor de hidrogel original. Dado que este estudo estabeleceu a técnica de eletrofiação conformal em coletores eletrocondutores 3D, ele contribuirá para vários estudos relacionados à eletrofiação, incluindo engenharia de tecidos, liberação de fármacos/células, filtro ambiental e vestuário.

Introdução

A eletrofiação é uma técnica eficaz e versátil para fabricar nanofibras e suas montagens, que tem sido amplamente estudada nas últimas décadas. Devido às suas propriedades únicas, como alta porosidade, alta razão superfície/volume e estrutura que imita a matriz extracelular, as nanofibras eletrofiadas e suas montagens têm despertado grande interesse em vários campos de pesquisa, incluindo vestuário, filtro ambiental, bateria e andaimes de engenharia de tecidos. No entanto, o movimento caótico das nanofibras eletrofiadas devido à instabilidade de flexão tem dificultado o controle preciso e exato na construção de montagens nanofibrosas e geralmente criado tapetes nanofibrosos 2D aleatoriamente entrelaçados. Avanços recentes no processo de eletrofiação expandiram a gama de montagens nanofibrosas de um tapete nanofibroso 2D plano para uma macroestrutura nanofibrosa 3D. Com técnicas de fabricação de andaimes nanofibrosos 3D, incluindo eletrofiação com molde 3D, empilhamento de filmes nanofibrosos e fiação centrífuga, várias macroestruturas nanofibrosas 3D têm sido fabricadas, incluindo formato tubular oco, geometrias 3D complexas moldadas e andaimes nanofibrosos em formato de tecido nativo. Tais macroestruturas nanofibrosas 3D tornaram-se um tópico de crescente interesse, particularmente na engenharia de tecidos, devido não apenas a possuírem uma estrutura nanofibrosa biomimética, mas também a imitar uma macroestrutura 3D de tecidos nativos. Como resultado, várias pesquisas levaram a uma melhoria nas funções estéticas e de desempenho de montagens nanofibrosas 3D.

Entre várias técnicas de eletrofiação 3D, incluindo hidrólise, técnicas de formação de gás, enrolamento, dobragem e coletor eletrocondutor 3D, a eletrofiação em um coletor eletrocondutor 3D forneceu uma maneira fácil de montar nanofibras eletrofiadas em uma macroestrutura nanofibrosa 3D sem qualquer pós-processamento. As geometrias complexas do coletor eletrocondutor 3D, como uma grande curvatura ou formato reentrante, permitiram produzir tapetes nanofibrosos alinhados ou macroestruturas nanofibrosas 3D fofas. No entanto, tais geometrias complexas, ao mesmo tempo, dificultaram a deposição de nanofibras eletrofiadas na região reentrante do coletor e causaram cobertura incompleta do coletor eletrocondutor 3D. Assim, tem sido muito difícil replicar as geometrias complexas do coletor eletrocondutor 3D em um tapete nanofibroso 3D. Considerando que tal cobertura incompleta poderia causar degradação de funcionalidades como eficiência de filtração e propriedades mecânicas, é necessário desenvolver uma técnica que replique a forma de um coletor eletrocondutor 3D com alta complexidade em uma macroestrutura nanofibrosa 3D para ampliar a aplicação de montagens nanofibrosas eletrofiadas.

Neste estudo, propusemos uma fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado que replica a forma de um coletor eletrocondutor 3D com geometrias complexas. Como exemplo representativo do coletor eletrocondutor 3D, selecionamos um coletor em formato de cartilagem auricular 3D para a fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado devido às suas geometrias complexas. Em estudo anterior, sugerimos um hidrogel, que possuía íons móveis suficientes para gerar o campo elétrico como um coletor metálico, como coletor eletrocondutor para eletrofiação. Aqui, utilizamos a flexibilidade de um coletor de hidrogel para depositar conformal e uniformemente nanofibras eletrofiadas no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. Diferentemente de um coletor metálico, o coletor de hidrogel poderia ser aplainado devido à flexibilidade do hidrogel e, assim, gerar um campo elétrico uniforme para depositar uniformemente nanofibras em toda a superfície do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. Além disso, a resistência mecânica do hidrogel poderia ser ajustada à do tecido nativo encontrando um hidrogel apropriado. Selecionamos alginato e gelatina como materiais de hidrogel devido à sua excelente biocompatibilidade. Misturando alginato e gelatina, pudemos atingir propriedades mecânicas semelhantes à cartilagem auricular nativa. Investigamos numericamente a influência do aplainamento do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D na fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado no coletor. Finalmente, confirmamos a fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D medindo a espessura do tapete nanofibroso eletrofiado em várias posições, incluindo hélice, anti-hélice, escava e antitragus.

Materiais e Métodos

Materiais

Base de elastômero de silicone Sylgard® 184 de monômero de polidimetilsiloxano (PDMS) e endurecedor de elastômero de silicone Sylgard® 184 do agente de cura foram adquiridos da Dow Corning (EUA). Filamentos de ácido polilático (PLA) foram obtidos da Snapmaker (EUA). Gelatina de pele bovina, sal de sódio do ácido algínico, cloreto de cálcio di-hidratado (≥ 99%), policaprolactona (PCL, Pm 80000) e clorofórmio (≥ 99,5%) foram preparados da Sigma Aldrich (EUA). Água desionizada e álcool metílico (≥ 99,5%) foram obtidos da Samchun Chemical Co., Ltd. (Coreia do Sul). Todos os materiais foram usados sem purificação adicional.

Fabricação de Molde Negativo de PDMS do Molde 3D em Formato de Cartilagem Auricular

O arquivo CAD do molde 3D em formato de cartilagem auricular com dimensão de 70 (comprimento) × 20 (largura) × 1,1 mm (espessura) foi obtido através do site Turbosquid e modificado no 3DS Max. O molde 3D em formato de cartilagem auricular foi então impresso por uma impressora 3D (A150, Snapmaker, EUA). Monômero de PDMS e agente de cura foram misturados na proporção de 10:1. A mistura de PDMS não curada foi agitada manualmente por 5 min para mistura uniforme e depois desgasificada em câmara de vácuo até que todas as bolhas de ar visíveis desaparecessem. Quando todas as bolhas de ar desapareceram, a mistura de PDMS não curada foi despejada em uma bandeja de pesagem descartável, e o molde 3D em formato de cartilagem auricular na bandeja foi totalmente imerso na mistura de PDMS. A bandeja foi colocada no forno e curada a 50 °C por 24 h. Após a cura, a bandeja foi cortada ao meio, e o molde 3D em formato de cartilagem auricular foi removido para obter um molde negativo de PDMS.

Preparação de Hidrogel de Alginato-Gelatina

Quatro hidrogéis de alginato-gelatina foram preparados com diferentes razões de peso (Tabela 1). A gelatina foi dissolvida em água a 50 °C por agitação magnética a 300 rpm por 1 h. O alginato foi então adicionado e misturado manualmente por 5 min. Em seguida, uma solução de gel de alginato-gelatina foi despejada no molde negativo de PDMS. A solução de gel de alginato-gelatina foi reticulada ionicamente por 2 h em solução de cloreto de cálcio a 10% p/p. Depois disso, um hidrogel de alginato-gelatina foi separado do molde negativo de PDMS e utilizado como coletor eletrocondutor para eletrofiação.

Teste Mecânico de Hidrogel de Alginato-Gelatina

Os hidrogéis de alginato-gelatina foram preparados com o formato de espécime ASTM D638 Tipo IV para medir propriedades mecânicas pelo teste de tração. Cada espécime de hidrogel preparado foi carregado em uma máquina de ensaio universal (QM100S, QMESYS, Coreia do Sul). O teste de tração foi conduzido sob deslocamento constante a uma velocidade de 10 mm min⁻¹. O módulo elástico e a resistência à tração máxima (UTS) do espécime foram calculados a partir da curva tensão-deformação.

Fabricação Conformal de Tapete Nanofibroso Eletrofiado

PCL (7,5%, p/v) foi dissolvido em clorofórmio-metanol (3:1) com agitação por mais de 6 h. Uma solução de PCL foi colocada em uma seringa plástica de 3 mL, e uma bomba de seringa (NE-1000, New Era Pump Systems, Inc., EUA) ejetou a solução de PCL através da agulha metálica com uma taxa de fluxo de 0,4 mL h⁻¹. O coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D do hidrogel de alginato-gelatina com razão de 25:75, denominado A25G75, foi colocado em um substrato plano de polimetil metacrilato (PMMA), e o substrato PMMA foi localizado 20 cm abaixo da agulha metálica. Para eletrofiação, uma alta tensão de 19 kV (HV30, NanoNC Co., Ltd., Coreia do Sul) foi aplicada entre uma agulha metálica de calibre 23 com diâmetro interno de 0,6 mm e o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D sob temperatura ambiente e umidade controlada de cerca de 40-50%. Para depositar conformalmente o tapete nanofibroso eletrofiado em toda a superfície do coletor de hidrogel, aplainamos a parte externa do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. Após fabricar um tapete nanofibroso eletrofiado em um lado do coletor de hidrogel, o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D foi virado para fabricar o tapete nanofibroso eletrofiado na outra superfície do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D.

Caracterização de Tapete Nanofibroso Eletrofiado

A nanoestrutura de um tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D foi observada por microscopia eletrônica de varredura (MEV; Supra 25, Carl Zeiss, Alemanha), e os diâmetros das nanofibras foram medidos na imagem de MEV pelo ImageJ. Para a medição de espessura, um tapete nanofibroso eletrofiado com o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D foi imerso na mistura de monômero de PDMS e agente de cura na razão de peso de 10:1. Em seguida, o PDMS com o tapete nanofibroso eletrofiado foi curado em estufa seca a temperatura moderada de 50 °C por 24 h. O tapete nanofibroso eletrofiado incorporado em PDMS foi seccionado transversalmente, e a espessura do tapete nanofibroso eletrofiado foi medida com base na imagem de seção transversal capturada por um microscópio (Olympus BX53F2, Olympus, Japão).

Simulação Numérica

Um campo elétrico desenvolvido entre a agulha metálica e o coletor foi simulado numericamente pelo software COMSOL Multiphysics v5.0 (COMSOL, EUA). Três coletores modelo em formato de cartilagem auricular feitos de cobre, PLA e hidrogel foram utilizados para a simulação numérica. O coletor 3D em formato de cartilagem auricular foi simplificado como uma geometria de seção transversal 2D. Um fio terra metálico foi conectado ao coletor 3D em formato de cartilagem auricular. Outros parâmetros geométricos foram designados como os valores reais do processo de eletrofiação conformal: (1) distância entre a agulha metálica e o coletor modelo de 20 cm e (2) tensão elétrica aplicada de 19 kV. O coletor de hidrogel, que era o hidrogel de alginato-gelatina, foi modelado com base na densidade de carga espacial do fluido intersticial do hidrogel. Íons móveis no fluido intersticial podem ser descritos pela equação de Boltzmann, resultando na densidade de carga espacial ρ(x), como segue:

ρ(x) = -2ec₀ sinh(eφ(x)/k_BT)

onde e é a carga do elétron, c₀ é a concentração do eletrólito, k_B é a constante de Boltzmann, T é a temperatura e φ é a tensão elétrica. A constante dielétrica do coletor de hidrogel foi definida como 70. Para traçar a direção do campo elétrico, uma linha de referência l(x) de 10 mm foi desenhada 10 mm acima da região reentrante do coletor 3D em formato de cartilagem auricular.

Análise Estatística

Análises estatísticas foram conduzidas pela análise ANOVA unidirecional usando software MINITAB v17.1.0 (MINITAB. LCC, EUA). A significância estatística foi considerada se o valor p for menor que 0,05.

Resultados e Discussão

Eletrofiação Assistida por Hidrogel

A Figura 1 esquematiza a fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. A Figura 1a mostra que o molde 3D em formato de cartilagem auricular foi impresso por uma impressora 3D de modelagem por deposição fundida (FDM). Como o processo de fabricação conformal utilizou a impressora 3D, a estrutura impressa pode ser livremente projetada e facilmente alterada para se adequar a uma forma altamente complicada, como cartilagem auricular. Além disso, estruturas de maior resolução poderiam ser obtidas adotando impressoras 3D de estereolitografia (SLA) ou processamento digital de luz (DLP), que alcançaram melhor resolução usando fotopolimerização em comparação à impressora 3D FDM. A Figura 1b mostra o molde negativo de PDMS que replicou o molde 3D em formato de cartilagem auricular feito por impressão 3D. A Figura 1c mostra o coletor de hidrogel de alginato-gelatina com o formato de cartilagem auricular replicando o molde negativo de PDMS. A Figura 1d mostra a fabricação conformal do tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. Quando colocamos o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D em um substrato plano, a hélice do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D não estava em contato com o substrato plano inferior e estava afastada do substrato devido às geometrias complexas da cartilagem auricular, o que induzia diferença de altura entre hélice, escava e anti-hélice do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. Geralmente, a diferença de altura devido à parte protrusa de um coletor eletrocondutor 3D impedia a fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado no coletor eletrocondutor 3D. Isso ocorre porque a parte protrusa do coletor eletrocondutor 3D atrai a maioria das nanofibras eletrofiadas e dificulta a deposição das nanofibras na parte inferior do coletor eletrocondutor 3D. Para reduzir a influência das geometrias complexas do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D, aplainamos a parte protrusa do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D no substrato plano inferior explorando a flexibilidade do hidrogel. Após isso, ao realizar eletrofiação no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D, o tapete nanofibroso eletrofiado foi depositado conformalmente em toda a superfície do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. Finalmente, o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D aplainado com o tapete nanofibroso eletrofiado foi retornado à sua forma original de cartilagem auricular. Essa restauração à forma original foi possível porque o aplainamento do coletor de hidrogel foi realizado na região de deformação elástica e o tapete nanofibroso tem influência insignificante na propriedade mecânica do coletor de hidrogel com o tapete nanofibroso devido à sua menor espessura em comparação à do coletor de hidrogel.

Fabricação e Avaliação de Propriedade Mecânica do Hidrogel de Alginato-Gelatina

A Figura 2a mostra o molde 3D em formato de cartilagem auricular impresso com filamentos de PLA. O PLA tem propriedades mecânicas suficientes e alta temperatura de fusão (~ 130 °C), adequado para moldagem de PDMS mantendo a forma original da orelha. O molde negativo de PDMS é mostrado na Fig. 2b. O PDMS foi selecionado como material de molde devido à sua flexibilidade necessária para a desmoldagem de geometrias complexas do coletor de hidrogel. O coletor de hidrogel de alginato-gelatina na Fig. 2c mostra a estrutura complexa da orelha, como hélice, escava e anti-hélice. Para revelar a ampla seleção das propriedades mecânicas do coletor de hidrogel de alginato-gelatina, preparamos 4 espécimes para o teste mecânico com diferentes razões de mistura de alginato e gelatina. A Figura 2d, e mostra a curva tensão-deformação e o módulo de Young, respectivamente, de acordo com a razão dos materiais do hidrogel. A Figura 2d mostra que o espécime feito de gelatina pura mostrou a menor resistência mecânica, e ao aumentar o conteúdo de alginato, a resistência mecânica da mistura alginato-gelatina aumentou linearmente. Na Fig. 2e, o módulo de Young do hidrogel de alginato-gelatina variou de 0,04 MPa a 5,53 MPa. Para o caso de gelatina pura, denominada A0G100, o espécime exibiu o menor módulo de Young de 0,04 ± 0,01 MPa e, portanto, foi difícil reter sua forma durante a eletrofiação. Inversamente, o espécime de alginato puro, denominado A100G0, teve o maior módulo de Young de 5,53 ± 0,77 MPa, capaz de manter sua forma durante a eletrofiação. Os espécimes A50G50 e A25G75, que são a mistura de alginato e gelatina, exibiram módulo de Young de 2,10 ± 0,45 MPa e 1,35 ± 0,03 MPa, respectivamente. Em particular, considerando a cartilagem auricular como alvo, o módulo de Young do espécime A25G75 estava dentro da faixa do módulo de Young (1-2 MPa) da cartilagem auricular nativa, que é mostrada como a região cinza na Fig. 2e. Baseado nestes resultados, a razão A25G75 foi utilizada para o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D.

Fabricação do Tapete Nanofibroso em Coletor de Hidrogel de Alginato-Gelatina

Para investigar o comportamento de deposição de nanofibras eletrofiadas no coletor de hidrogel de alginato-gelatina, realizamos uma simulação numérica de campo elétrico com três tipos de coletores: um coletor de cobre, um coletor de PLA e um coletor de hidrogel de alginato-gelatina. A deposição de nanofibras eletrofiadas foi geralmente determinada pela interação entre a carga das nanofibras eletrofiadas e o campo elétrico. Neste sentido, a simulação do campo elétrico tem sido utilizada para entender a deposição de nanofibras eletrofiadas no coletor. No resultado da simulação com o coletor de PLA, como mostrado na Figura S1b, como a maior parte do campo elétrico foi concentrada em direção ao fio terra, esperava-se que nanofibras eletrofiadas não seriam depositadas na superfície do coletor de hidrogel. Em contraste, no resultado da simulação com o coletor de hidrogel de alginato-gelatina mostrado na Figura S1c, o campo elétrico foi focado por toda a superfície do coletor de hidrogel de alginato-gelatina, como um coletor de cobre (Arquivo adicional 1: Figura S1a). A partir deste resultado de simulação, esperávamos que nanofibras eletrofiadas seriam majoritariamente depositadas na superfície do coletor de hidrogel de alginato-gelatina. Isso ocorre porque o coletor de hidrogel tem condutividade elétrica suficiente devido aos íons móveis no hidrogel e gerou um campo elétrico uniforme em direção ao coletor, como um coletor metálico. No entanto, o coletor de PLA, que é um material dielétrico, não pôde atrair suficientemente o campo elétrico, e assim, o campo elétrico atraiu em direção ao fio terra, não ao coletor de PLA. Estes resultados de simulação foram confirmados por eletrofiação nos coletores de PLA e hidrogel de alginato-gelatina e comparando as espessuras de um tapete nanofibroso eletrofiado (Arquivo adicional 1: Figura S1d). Semelhante aos resultados de simulação com o coletor de PLA, a maior parte das nanofibras eletrofiadas foi colocada em um fio terra e na parte da hélice do coletor de PLA. Nos locais excluindo o fio terra e a parte da hélice, nanofibras eletrofiadas na superfície do coletor de PLA foram empilhadas em escala de micrômetro ou menos. Contrariamente, as espessuras de um tapete nanofibroso eletrofiado depositado na hélice foram medidas para os coletores de PLA e hidrogel de alginato-gelatina para comparar a deposição de nanofibras de acordo com o tipo de coletor, e as espessuras do tapete nanofibroso em cada coletor foram 3,09 ± 0,37 µm e 33,24 ± 2,43 µm, respectivamente (Arquivo adicional 1: Figura S1d). No caso do coletor de PLA mostrado no Arquivo adicional 1: Figura S1b, um campo elétrico foi principalmente focado no terra, e nanofibras eletrofiadas foram depositadas mais de 10 vezes mais finas no coletor de PLA do que no coletor de hidrogel para o mesmo tempo de eletrofiação. Dado que o PLA tinha uma constante dielétrica muito menor em comparação ao hidrogel à temperatura ambiente, o campo elétrico não pôde ser principalmente concentrado no próprio coletor, e assim, nanofibras foram depositadas em outro lugar, como o terra. A partir deste resultado e de nosso estudo anterior, confirma-se que o coletor de hidrogel poderia coletar suficientemente o campo elétrico, e assim, tapetes nanofibrosos foram depositados mais espessos no coletor de hidrogel em comparação ao coletor de PLA. Este resultado implica que o hidrogel de alginato-gelatina é um coletor eficaz para nanofibras eletrofiadas durante a eletrofiação. Em seguida, confirmamos que o coletor de hidrogel de alginato-gelatina poderia produzir fibras na nanoescala durante a eletrofiação. O tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel-alginato é mostrado na Fig. 3a com a cobertura incompleta de nanofibras eletrofiadas na superfície do coletor. A Figura 3b mostra uma imagem de MEV ampliada de nanofibras eletrofiadas no coletor de hidrogel de alginato-gelatina. A partir da imagem de MEV, uma alta razão de aspecto foi confirmada com espessura de nanofibra na nanoescala e comprimento de nanofibra na microescala. Também, defeitos como bolhas que podem levar a erros ao medir a espessura de nanofibras não foram encontrados, e não houve diferença significativa na variação de espessura. A partir destes resultados, acreditamos que a eletrofiação com a condição mencionada foi realizada continuamente. O diâmetro médio das nanofibras eletrofiadas fabricadas no coletor de hidrogel de alginato-gelatina foi 564 ± 153 nm, e a maioria das nanofibras tem diâmetros variando de 400 a 600 nm na Fig. 3c. A partir da imagem de MEV, nanofibras eletrofiadas mostraram uma alta razão de aspecto com diâmetro na nanoescala e comprimento na microescala. Assim, esta técnica de eletrofiação poderia ser considerada como um processo de preparação contínua de fibras.

Como mostrado na Fig. 3a, observamos que o tapete nanofibroso eletrofiado não cobriu totalmente o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D, particularmente na escava, a região reentrante entre a hélice e a anti-hélice. Este resultado indicou que havia espaços vazios no tapete nanofibroso eletrofiado. Também, nanofibras eletrofiadas não foram depositadas conformalmente em toda a superfície, mas suspensas em uma configuração alinhada, que foi observada no método de fenda inclinada. Não apenas para o formato da cartilagem auricular, as geometrias complexas do coletor eletrocondutor 3D, como protrusão ou alta curvatura, geralmente causariam cobertura incompleta de um tapete nanofibroso eletrofiado na superfície do coletor.

Simulação Numérica de Fabricação Conformal de Tapete Nanofibroso Eletrofiado no Coletor de Hidrogel em Formato de Cartilagem Auricular 3D

Para alcançar a fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado no coletor eletrocondutor 3D, utilizamos a flexibilidade do coletor de hidrogel, que não seria geralmente atingida por um coletor metálico. A flexibilidade do coletor de hidrogel permitiu alterar a forma do coletor, reduzindo assim a diferença de altura e aplainando o coletor de hidrogel. Primeiramente, confirmamos numericamente a fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. A Figura 4a-(i) mostra a configuração do processo de eletrofiação com o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. Considerando que nanofibras eletrofiadas eram difíceis de serem depositadas na região reentrante do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D, destacamos a região reentrante entre a hélice e a anti-hélice com uma seção transversal 2D do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D como mostrado na Fig. 4a-(ii). A hélice estava inclinada em um ângulo em torno de 60° em relação ao substrato inferior, formando assim a região reentrante entre a hélice e a anti-hélice. Para aliviar tal região reentrante, reduzimos o ângulo dobrando a hélice do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D explorando a flexibilidade do coletor de hidrogel, diferentemente de um coletor metálico. Os resultados de simulação numérica com diferentes ângulos de dobragem de 0°, 30° e 60° são mostrados na Fig. 4b-(i), b-(ii) e b-(iii), respectivamente. A Figura 4b-(iv) mostra o ângulo do campo elétrico ao longo da linha imaginária para três casos. Os valores médios no ângulo do campo elétrico com linhas imaginárias foram 79,56°, 79,39° e 77,26° com os ângulos de dobragem de 0°, 30° e 60°, respectivamente, mostrando um ângulo tendencioso sem variação significativa entre cada caso. Tal ângulo tendencioso foi causado porque a região reentrante entre a hélice e a anti-hélice era a parte esquerda do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D, como mostrado na Fig. 4a-(i). Para o caso do desvio do ângulo do campo elétrico, o caso do ângulo de dobragem de 0° mostrou um desvio de 8,23° ao longo da linha de referência l(x). Em contraste, ao dobrar a hélice a 60°, o desvio do ângulo do campo elétrico foi grandemente reduzido para 2,36°, o que foi mais de 70% aliviado do desvio do ângulo do campo elétrico causado pela dobragem de 0°. Tal grande desvio de ângulo para o caso do ângulo de dobragem de 0° seria atribuído do campo elétrico focado em direção à hélice protrusa, o que resultou na deposição concentrada de nanofibras eletrofiadas na hélice e, portanto, dificultou a fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. A redução do desvio de ângulo ao dobrar a hélice aliviou tal campo elétrico concentrado, e portanto, dobrar a hélice espera-se que permita a deposição conformal de nanofibras eletrofiadas no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D.

Fabricação Conformal de Tapete Nanofibroso Eletrofiado no Coletor de Hidrogel em Formato de Cartilagem Auricular 3D

Para alcançar a fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D, o coletor de hidrogel deveria ser aplainado seguindo o resultado da simulação. Neste estudo, aplainamos o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D para dobrar a hélice. A hélice e as partes externas foram aplainadas com fixadores metálicos, como mostrado na Figura S2b. O coletor de hidrogel revestido com nanofibras pode ser retornado à sua forma original quando deformado na região de deformação elástica do hidrogel. Isso ocorre porque o tapete nanofibroso tem influência insignificante na propriedade mecânica do coletor de hidrogel revestido com fibras devido à sua menor espessura em comparação à do coletor de hidrogel. O coletor de hidrogel foi deformado na região de deformação elástica, e assim, o coletor de hidrogel revestido com nanofibras pôde ser restaurado à sua forma original. Após isso, a eletrofiação foi realizada nos coletores de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D original e aplainado. As imagens de seção transversal dos coletores de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D original e aplainado após a eletrofiação são mostradas na Fig. 5a-(i), (ii).

No caso do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D original, nanofibras eletrofiadas foram suspensas entre hélice e anti-hélice, não depositadas na escava do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. Quando o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D foi aplainado, um tapete nanofibroso eletrofiado cobriu inteiramente a hélice, escava e anti-hélice. Especialmente, nanofibras eletrofiadas puderam ser depositadas na região reentrante entre hélice e anti-hélice, o que não foi possível sem aplainar o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D. A dramática diferença de espessura entre o tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel original e aplainado é mostrada na Fig. 5b. A menor espessura do tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel original mostrou a deposição retardada na região reentrante, enquanto o coletor de hidrogel aplainado pôde atrair quantidade suficiente de nanofibras eletrofiadas na região reentrante. Com este resultado, nanofibras eletrofiadas foram depositadas conformalmente no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D mesmo com geometrias complexas, como hélice e anti-hélice, ao aplainar o coletor.

Por fim, confirmamos a uniformidade de um tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D aplainado (Fig. 6). A Figura 6a mostra que um tapete nanofibroso eletrofiado pôde cobrir inteiramente o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D sem mostrar vazios para o caso do coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D original. A Figura 6b mostra a espessura do tapete nanofibroso eletrofiado depositado na hélice (54,58 ± 3,99 µm), na anti-hélice (55,40 ± 1,17 µm), no antitragus (53,05 ± 1,39 µm) e na escava (51,49 ± 1,24 µm), onde as nanofibras não foram depositadas com o coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D original. Como resultado da eletrofiação com um coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D aplainado, pudemos confirmar que o tapete nanofibroso eletrofiado foi depositado conformal e uniformemente no coletor de hidrogel. Além disso, baseados nos resultados do estudo anterior de eletrofiação assistida por hidrogel, estamos convencidos de que a espessura dos tapetes nanofibrosos conformais 3D fabricados poderia ser controlada explorando um coletor de hidrogel. Como perspectiva futura, dado que o hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D com este tapete nanofibroso possuía propriedades mecânicas semelhantes às da cartilagem auricular nativa e tem uma nanoestrutura biomimética, poderia ser esperado ser aplicado como implante de cartilagem auricular artificial. Considerando a utilização na engenharia de tecidos, a carga residual no tapete nanofibroso não deve ser negligenciada, o que poderia influenciar o comportamento celular. Acreditamos que esta fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado é um trabalho pioneiro para produzir uma membrana nanofibrosa 3D, e assim, poderia ser utilizada em uma ampla gama de aplicações sugerindo um novo tipo de montagens nanofibrosas, como andaime 3D mimetizando tecido nativo e membrana porosa 3D para filtração eficiente.

Conclusões

Em resumo, desenvolvemos a fabricação conformal de um tapete nanofibroso eletrofiado no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D que tem a região reentrante. Como resultado, o tapete nanofibroso no coletor de hidrogel em formato de cartilagem auricular 3D foi produzido com a forma totalmente replicada do coletor. Mais importante, a utilização da flexibilidade do coletor de hidrogel permitiu ajustar a região reentrante do coletor, e assim, um tapete nanofibroso eletrofiado foi depositado conformalmente com espessura uniforme em toda a superfície do coletor, o que não seria coberto com a eletrofiação convencional. Dado que esta técnica de fabricação conformal seria compatível com uma variedade de materiais de hidrogel, esta técnica poderia ser uma técnica mais versátil e eficaz para fabricar tapete nanofibroso conformal nos vários campos de engenharia de tecidos, liberação de fármacos/células, vestuário e bateria.