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三维共形静电纺丝用石墨烯纳米板-碳纳米管-聚二甲基硅氧烷复合收集器的制备

2022-09-28   易丝帮

三维(3D)纳米纤维结构在组织工程和再生医学领域显示出巨大的潜力。由于静电纺丝通常在金属基板上进行,因此纳米纤维结构与复杂的3D非导电基材的集成仍然具有挑战性。在此,研究者提出将石墨烯纳米板-碳纳米管-聚二甲基硅氧烷(GCP)复合材料作为在非导电基板上进行3D共形静电纺丝的收集器。为了制备导电、柔性且可打印的GCP复合收集器,研究人员制备了一种与浸涂和印刷工艺兼容的GCP油墨。使用GCP油墨可以在非导电基板(包括3D基板)上轻松制备GCP复合收集器。通过在聚二甲基硅氧烷(PDMS)和水溶性聚乙烯醇(PVA)基材上浸涂和印刷GCP油墨,去除PVA基材后,分别得到了3D或图案化GCP-PDMS复合收集器和中空GCP复合收集器。随后在GCP-PDMS和中空GCP复合收集器上进行静电纺丝,制备出具有3D耳朵和膝关节软骨形状、图案化对齐结构以及3D血管形状的空间受控纳米纤维垫。最后,在人工耳软骨植入物的应用中展示了3D纳米纤维垫涂层GCP-PDMS复合材料增强的生物相容性和柔性。

 

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图1.石墨烯纳米板(GNP)-碳纳米管(CNT)-PDMS(GCP)墨水和GCP复合材料的制备过程示意图。(a)GCP墨水的制备工艺,(b)用于耳软骨形GCP复合收集器和NGCP复合材料的耳软骨形PDMS基板的浸涂工艺。(c)用于条纹图案GCP复合收集器和空间受控NGCP复合材料的GCP墨水的印刷过程。

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图2.不含(a-(i))和含定向纳米纤维垫(a-(ii))的条纹图案GCP-PDMS复合收集器。在不含(b-(i))和含图案化纳米纤维垫(b-(ii))的GCP-PDMS复合收集器上的“PNU”。3D中空圆柱形(c-(i))和分叉血管纳米纤维支架(c-(ii))。无覆盖(d-(i))和3D纳米纤维垫(d-(ii))覆盖的膝关节软骨形GCP-PDMS复合收集器。无覆盖(e-(i))和3D纳米纤维垫覆盖的耳软骨形GCP-PDMS复合收集器(e-(ii))。所有比例尺均为1cm。(f)沉积纳米纤维的直径分布。

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图3.PDMS(a)、GCP-PDMS复合材料(b)、NGCP-PDMS复合材料(c)和NGCP-PDMS复合材料横截面(d)的SEM图像。(d)的插图:NGCP-PDMS复合材料中纳米纤维垫的纤维结构。(a、b和d)的比例尺为100µm,(c)的比例尺为10µm。(e)PDMS、GCP-PDMS复合收集器和NGCP-PDMS复合材料的水接触角。

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图4.(a)PDMS以及碳纳米粒子浓度为3%、5%、10%和15%的GCP复合收集器的薄层电阻。(b)PDMS、碳纳米粒子浓度为3%、5%、10%和15%的GCP复合收集器以及铝收集器上的电纺纳米纤维垫。(c)3%和5%GCP复合收集器上的纳米纤维垫厚度。比例尺为10µm。(d)每种收集器上纳米纤维垫的厚度比较。(e)5%碳纳米粒子浓度下薄层电阻随厚度的变化。

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图5.电场方向与收集器系统(a-(i)),PDMS(a-(ii))、3%(a-(iii))和5%GCP复合材料,以及金属收集器(a-(iv))的电场模拟。(b)沿PDMS、3%和5%GCP复合材料以及金属收集器上方假想线的电场(y轴)。(c)沿每个收集器上方的假想线的平均电场(y轴)。

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图6.(a)具有不同碳纳米粒子浓度的GCP复合收集器。比例尺为1cm。(b)GCP复合材料的SEM图像。比例尺为10µm。(c)不同碳纳米粒子浓度下的应力-应变曲线。(d)5%碳纳米粒子浓度下不同厚度GCP复合材料的应力-应变曲线。

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图7.纯PDMS和三种不同PDMS混合比的5%GCP-PDMS的应力-应变曲线(a)和杨氏模量(b)。PDMS混合比为10:1的纯PDMS、5%GCP-PDMS和5%NGCP-PDMS的应力-应变曲线(c)和杨氏模量(d)。

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图8.(a)耳软骨形NGCP-PDMS复合材料。比例尺为1cm。(b)耳软骨形NGCP-PDMS复合材料的折叠和展开过程。在耳软骨形NGCP-PDMS复合材料的不同位置上沉积的纳米纤维垫的SEM图像(c)、厚度(d)和纳米纤维直径群体(e)。比例尺为10µm。

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图9.(a)PDMS、GCP-PDMS、NGCP-PDMS和纤连蛋白涂层NGCP-PDMS复合材料的活/死检测图像。比例尺为250µm。(b)四种样品的细胞增殖:PDMS、GCP-PDMS、NGCP-PDMS和纤连蛋白涂层NGCP-PDMS复合材料。(c)2周前后大鼠模型中耳软骨形NGCP-PDMS复合材料的体内植入图像。(d)在大鼠模型中皮下植入2周后,PDMS、GCP-PDMS、NGCP-PDMS和纤连蛋白涂层NGCP-PDMS复合材料的H&E染色图像。比例尺为200µm。

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