하이드로겔 보조 전기방사에 기반한 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에서 전기방사 나노섬유 매트의 등각 제작

결과 및 토론

하이드로겔 보조 전기방사

그림 1은 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에서 전기방사된 나노섬유 매트의 등각 제작을 도식화합니다. 그림 1a는 3D 귀 연골 모양의 템플릿이 FDM(융합 증착 모델링) 3D 프린터로 인쇄되었음을 보여줍니다. 3D 프린터를 활용한 등각 제작 공정으로 인쇄된 구조를 자유롭게 디자인할 수 있고 귀연골과 같은 고도로 복잡한 모양에 맞게 쉽게 변경할 수 있습니다. 또한, FDM 3D 프린터에 비해 광중합을 이용하여 더 나은 해상도를 달성한 SLA(stereolithography) 또는 DLP(digital light processing) 3D 프린터를 채택하여 고해상도 구조를 얻을 수 있었습니다. 그림 1b는 3D 프린팅으로 만든 3D 귀 연골 모양 템플릿을 복제한 PDMS 네거티브 몰드를 보여줍니다. 그림 1c는 PDMS 네거티브 몰드를 복제하여 귀 연골 모양의 알지네이트-젤라틴 하이드로겔 수집기를 보여줍니다. 그림 1d는 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에서 전기방사 나노섬유 매트의 등각 제작을 보여줍니다. 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기를 평평한 기판에 놓았을 때 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기의 나선이 평평한 바닥 기판과 접촉하지 않았고 귀 연골의 복잡한 기하학적 구조로 인해 기판과 떨어져 있었습니다. 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기의 나선, 견갑골, 반나선 간의 높이 차이를 유도했습니다. 일반적으로 3D 전기전도성 집전체의 돌출 부분으로 인한 높이 차이는 3D 전기전도성 집전체에 전기방사된 나노섬유 매트의 등각 제작을 방해하였다. 이는 3차원 전기전도성 집전체의 돌출된 부분이 대부분의 전기방사 나노섬유를 끌어당겨 3차원 전기전도성 집전체의 하부에 나노섬유의 증착을 방해하기 때문이다[35, 36]. 3D 귀 연골 모양 하이드로겔 수집기의 복잡한 기하학적 구조의 영향을 줄이기 위해 하이드로겔의 유연성을 이용하여 3D 귀 연골 모양 하이드로겔 수집기의 돌출된 부분을 평평한 바닥 기판으로 평평하게 했습니다. 그 후, 3차원 귀 연골 형태의 히드로겔 집전체를 전기방사하여 3차원 귀 연골 형태의 히드로겔 집전체 표면에 전기방사 나노섬유 매트를 컨포말하게 증착하였다. 마지막으로, 전기방사된 나노섬유 매트를 사용하여 평평한 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔을 귀 연골의 원래 모양으로 되돌렸습니다. 이는 하이드로겔 집전체의 평탄화가 탄성변형영역에서 이루어지고 나노섬유 매트가 나노섬유 매트에 비해 두께가 얇아 하이드로겔 집전체의 기계적 물성에 미미한 영향을 미치기 때문에 이러한 원래의 형태로의 복원이 가능한 것이다. 하이드로겔 수집기의 것입니다.

3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에서 전기방사 나노섬유 매트의 등각 제작 과정을 도식화했습니다. 아 3D 귀 연골 모양 템플릿의 3D 프린팅 공정. ㄴ 3D 귀 연골 모양 템플릿으로 복제된 PDMS 네거티브 몰드. ㄷ 귀 연골 모양의 알지네이트-젤라틴 하이드로겔 수집기. d 평평한 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기로 전기방사된 나노섬유 매트의 등각 제작

알긴산염-젤라틴 하이드로겔의 제조 및 기계적 특성 평가

그림 2a는 PLA 필라멘트로 인쇄된 3D 귀 연골 모양 템플릿을 보여줍니다. PLA는 충분한 기계적 물성과 높은 용융 온도(~ 130℃)를 가지고 있어 원래의 귀 모양을 유지하면서 PDMS 성형에 적합합니다. PDMS 네거티브 금형은 그림 2b에 나와 있습니다. PDMS는 하이드로겔 수집기의 복잡한 형상을 이형하는 데 필요한 유연성 때문에 금형 재료로 선택되었습니다. 그림 2c의 알지네이트-젤라틴 하이드로겔 수집기는 나선, 견갑골, 반나선과 같은 귀의 복잡한 구조를 보여줍니다. 알지네이트-젤라틴 히드로겔 수집기의 기계적 특성의 광범위한 선택을 밝히기 위해 우리는 알지네이트와 젤라틴의 혼합 비율을 다르게 하여 기계적 시험을 위한 4개의 시편을 준비했습니다. 그림 2d, e는 각각 하이드로겔 재료의 비율에 따른 응력-변형률 곡선과 영률을 나타냅니다. 그림 2d는 순수 젤라틴으로 만든 시편이 가장 낮은 기계적 강도를 보였으며, 알지네이트 함량을 증가시키면 알지네이트-젤라틴 혼합물의 기계적 강도가 선형적으로 증가함을 알 수 있습니다. 그림 2e에서 알지네이트-젤라틴 하이드로겔의 영률은 0.04MPa에서 5.53MPa까지 다양했습니다. A0G100으로 명명된 순수 젤라틴의 경우 시편이 0.04 ± 0.01 MPa로 가장 낮은 영률을 나타내어 전기방사 시 형태를 유지하기 어려웠다. 반대로 A100G0으로 명명된 순수 알지네이트 시편은 5.53 ± 0.77 MPa의 가장 높은 영률을 나타내어 전기방사 중에도 형태를 유지할 수 있었습니다. 알지네이트와 젤라틴의 혼합물인 A50G50과 A25G75 시편은 각각 2.10 ± 0.45 MPa와 1.35 ± 0.03 MPa의 영률을 보였다. 특히 귀연골을 타겟으로 하여 A25G75 시편의 Young's modulus는 본연의 귀연골의 Young's modulus 범위(1–2 MPa) 이내였으며, 이는 Fig. 2e에서 회색영역으로 나타내었다. 이러한 결과를 바탕으로 A25G75의 비율을 3차원 귀연골 형태의 하이드로겔 수집기로 활용하였다.

아 FDM 3D 프린터로 출력한 3D 귀 연골 모양 템플릿. ㄴ 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기 제작을 위한 PDMS 네거티브 몰드. ㄷ 알긴산염과 젤라틴의 혼합물로 만든 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기. d 알긴산염과 젤라틴의 혼합 비율이 다른 4개 시편의 변형률-응력 곡선. 이 4개 표본의 영률 및 고유 귀 연골의 영률 범위(회색 영역). 모든 눈금 막대는 1cm입니다.

알긴산염-젤라틴 하이드로겔 수집기에서 나노섬유 매트 제작

알지네이트-젤라틴 하이드로겔 수집기에서 전기방사된 나노섬유의 증착 거동을 조사하기 위해 우리는 구리 수집기, PLA 수집기 및 알지네이트-젤라틴 히드로겔 수집기의 세 가지 유형의 수집기로 전기장의 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 전기방사된 나노섬유의 증착은 일반적으로 전기방사된 나노섬유의 전하와 전기장 사이의 상호작용에 의해 결정된다. 이러한 의미에서 전기장 시뮬레이션은 집전체에 전기방사된 나노섬유의 증착을 이해하는 데 활용되었습니다. PLA 집전체를 이용한 시뮬레이션 결과 그림 S1b와 같이 대부분의 전기장이 접지선 쪽으로 집중되어 있기 때문에 전기방사된 나노섬유가 하이드로겔 집전체 표면에 증착되지 않을 것으로 예상되었다. 대조적으로, 그림 S1c에 표시된 알지네이트-젤라틴 하이드로겔 집전체를 사용한 시뮬레이션 결과에서 전기장은 구리 집전체와 같이 알지네이트-젤라틴 히드로겔 집전체의 표면 전체에 집중되었습니다(추가 파일 1:그림 S1a). 이 시뮬레이션 결과로부터 우리는 전기방사된 나노섬유가 주로 알지네이트-젤라틴 하이드로겔 집전체 표면에 증착될 것으로 예상했다. 이는 하이드로겔 집전체가 하이드로겔 내부의 이동 이온으로 인해 충분한 전기 전도도를 갖고 금속 집전체와 같이 집전체를 향하여 균일한 전기장을 발생시키기 때문이다. 그러나 유전체 물질인 PLA 컬렉터는 전기장을 충분히 끌어당기지 못하여 PLA 컬렉터가 아닌 접지선 쪽으로 전기장을 끌어당겼다. 이러한 시뮬레이션 결과는 PLA 및 알지네이트-젤라틴 하이드로겔 수집기에서 전기방사하고 전기방사된 나노섬유 매트의 두께를 비교하여 확인되었습니다(추가 파일 1:그림 S1d). PLA 컬렉터를 이용한 시뮬레이션 결과와 유사하게, 대부분의 전기방사 나노섬유는 PLA 컬렉터의 접지선과 나선 부분에 위치하였다. 접지선과 나선 부분을 제외한 위치에 PLA 집전체 표면의 전기방사 나노섬유를 마이크로미터 이하로 적층하였다. 반면, 집전체의 종류에 따른 나노섬유 증착을 비교하기 위해 PLA와 알지네이트-젤라틴 하이드로겔 집전체에 대해 나선에 증착된 전기방사 나노섬유 매트의 두께를 측정한 결과, 각 집전체 상의 나노섬유 매트의 두께는 3.09 ± 각각 0.37μm 및 33.24 ± 2.43μm(추가 파일 1:그림 S1d). 추가 파일 1:그림 S1b에 표시된 PLA 집전체의 경우 전기장이 주로 지면에 집중되었으며 전기방사 나노섬유는 동일한 전기방사 시간 동안 하이드로겔 집전체보다 PLA 집전체에 10배 이상 더 얇게 증착되었습니다. PLA는 상온에서 하이드로겔에 비해 유전율이 훨씬 낮기 때문에 집전체 자체에 전기장이 집중되지 못하여 나노섬유가 지면과 같은 다른 곳에 증착되었다. 이 결과와 우리의 이전 연구에서 하이드로겔 집전체가 전기장을 충분히 수집할 수 있음을 확인하여 PLA 집전체에 비해 나노섬유 매트가 하이드로겔 집전체에 더 두껍게 증착되었습니다. 이러한 결과는 알지네이트-젤라틴 하이드로겔이 전기방사 동안 전기방사된 나노섬유에 대한 효과적인 집전체임을 의미한다. 다음으로, 우리는 전기방사 동안 알지네이트-젤라틴 하이드로겔 수집기가 나노스케일 섬유를 생성할 수 있음을 확인했습니다. 알지네이트-하이드로겔 수집기의 전기방사 나노섬유 매트는 그림 3a에 나와 있으며 수집기 표면의 불완전한 전기방사 나노섬유 덮개가 있습니다. 그림 3b는 알지네이트-젤라틴 하이드로겔 수집기에서 전기방사된 나노섬유의 확대된 SEM 이미지를 보여줍니다. SEM 이미지에서 나노크기의 나노섬유 두께와 마이크로 크기의 나노섬유 길이로 높은 종횡비가 확인되었다. 또한, 나노섬유 두께 측정 시 오차를 유발할 수 있는 기포 등의 결함은 발견되지 않았으며, 두께 편차에도 큰 차이가 없었다. 이러한 결과로부터 우리는 전술한 조건에서 전기방사가 연속적으로 수행된다고 믿었다. 알긴산염-젤라틴 하이드로겔 집전체에서 제작된 전기방사 나노섬유의 평균 직경은 564 ± 153nm이며, 대부분의 나노섬유는 그림 3c에서 400~600nm 범위의 직경을 갖는다. SEM 이미지에서 전기방사된 나노섬유는 나노크기의 직경과 마이크로 크기의 길이로 높은 종횡비를 보였다. 따라서 이 전기방사 기술은 연속 섬유 준비 공정으로 간주될 수 있습니다.

아 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에 전기방사된 나노섬유 매트. ㄴ 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에 있는 전기방사 나노섬유 매트의 확대 이미지(a ). ㄷ 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에서 전기방사된 나노섬유의 개체군. 눈금 막대는 1cm(a ) 및 1μm(b )

그림 3a에서 볼 수 있듯이 전기방사된 나노섬유 매트는 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기를 완전히 덮지 않았으며 특히 나선과 반나선 사이의 오목한 영역인 견갑골에서 관찰되었습니다. 이 결과는 전기방사된 나노섬유 매트에 빈 공간이 있음을 나타냅니다. 또한, 전기방사된 나노섬유는 전체 표면에 균일하게 증착되지 않고 정렬된 형태로 매달려 있는데 이는 경사간극법에서 관찰되었다[28]. 귀 연골의 모양뿐만 아니라 돌출 또는 높은 곡률과 같은 3D 전기전도성 수집기의 복잡한 기하학적 구조는 일반적으로 수집기 표면의 전기방사 나노섬유 매트를 불완전하게 덮는 원인이 됩니다.

3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에서 전기방사 나노섬유 매트의 등각 제작에 대한 수치 시뮬레이션

3D 전기전도성 집전체에서 전기방사 나노섬유 매트의 등각 제작을 달성하기 위해 일반적으로 금속 집전체로는 얻을 수 없는 하이드로겔 집전체의 유연성을 활용했습니다. 하이드로겔 수집기의 유연성으로 인해 수집기의 모양을 변경할 수 있어 높이 차이를 줄이고 하이드로겔 수집기를 평평하게 만들 수 있습니다. 첫째, 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에서 전기방사 나노섬유 매트의 등각 제작을 수치적으로 확인했습니다. 그림 4a-(i)는 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기를 사용한 전기방사 과정의 구성을 보여줍니다. 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기의 함몰된 영역에 전기방사 나노섬유가 증착되기 어려운 점을 고려하여 그림과 같이 3D 귀 연골 모양의 히드로겔 수집기의 2D 단면으로 나선과 반나선 사이의 함몰된 영역을 강조 표시했습니다. 그림 4a-(ii). 나선은 바닥 기판에 대해 약 60°의 각도로 기울어져 나선과 반나선 사이에 오목한 영역을 형성했습니다. 이러한 함몰부를 완화하기 위해 금속 수집기와 달리 하이드로겔 수집기의 유연성을 이용하여 3차원 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기의 나선을 구부려 각도를 줄였습니다. 굽힘 각도가 0°, 30° 및 60°인 수치 시뮬레이션 결과는 각각 그림 4b-(i), b-(ii) 및 b-(iii)에 나와 있습니다. 그림 4b-(iv)는 세 가지 경우에 대한 가상선을 따라 전기장의 각도를 보여줍니다. 가상선이 있는 전기장의 각도 평균값은 79.56°, 79.39°, 77.26°로 굽힘각도가 각각 0°, 30°, 60°로 각각의 편차가 크지 않은 편향각을 보였다. 사례. 이러한 편향각은 그림 4a-(i)와 같이 3차원 귀연골 형태의 하이드로겔 수집기의 왼쪽 부분이 나선과 반나선 사이의 오목한 부분이기 때문에 발생하였다. 전기장의 각도 편차의 경우 굽힘 각도가 0°인 경우 기준선 \(l(\mathrm{x})\)을 따라 8.23°의 편차를 보였다. 반면에 나선을 60°로 구부림으로써 전기장의 각도 편차가 2.36°만큼 크게 감소했으며, 이는 0°로 굽힘에 의한 전기장의 각도 편차로부터 70% 이상 완화된 것이다. 굽힘 각도가 0°인 경우에 이러한 큰 각도 편차는 집속된 전기장에서 돌출된 나선 쪽으로 기인할 수 있으며, 이는 나선에 전기방사 나노섬유가 집중적으로 증착되어 전기방사 나노섬유의 등각 제조를 방해합니다. 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에 매트를 나선을 구부림으로써 각도 편차를 줄이면 이러한 집중된 전기장이 완화되고, 따라서 나선을 구부리면 3차원 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에 전기방사 나노섬유의 등각 증착이 가능해질 것으로 기대된다.

하이드로겔 수집기에 대한 전기장 시뮬레이션(a -(i)) 및 a의 점선 직사각형 확대 이미지 -(i) (a -(ii)). (b ) a의 점선 직사각형 -(ii) 하이드로겔 수집기의 오목한 영역을 보여줍니다. 굽힘 각도가 0°인 기준선 \(l(\mathrm{x})\)을 따른 전기장 화살표(b -(i)), 30°(b -(ii)) 및 60°(b -(iii)). ㄴ -(iv) 기준선 \(l(\mathrm{x})\)

3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에서 전기방사 나노섬유 매트의 등각 제작

3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기에서 전기방사 나노섬유 매트의 등각 제작을 달성하려면 시뮬레이션 결과에 따라 하이드로겔 수집기를 평평하게 해야 합니다. 이 연구에서 우리는 나선을 구부리기 위해 3D 귀 연골 모양의 하이드로겔 수집기를 평평하게 했습니다. 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).

아 Electrospun nanofiber mats on the scapha of the original hydrogel collector (a -(i)) and the flattened hydrogel collector (a -(ii)). ㄴ 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.

아 Conformally fabricated nanofiber mat on the 3D ear cartilage-shaped hydrogel collector. The scale bar is 1 cm. ㄴ 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