Ein neues vielseitiges x

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 4872 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Diese Arbeit beschreibt eine vielseitige Elektrospinnanlage mit schnellen, unabhängigen und präzisen x-y-z-Bewegungen für großflächige Ablagerungen elektrogesponnener Fasern, direktes Schreiben oder Zusammenfügen von Fasern zu Mustern im Submillimeter- und Mikrometerbereich sowie das Drucken von 3D-Mikrometern - und Nanostrukturen. Seine Vielseitigkeit wird durch die Herstellung mehrschichtiger funktioneller Nanofasern für die Wundheilung, Nanofasernetze für die Partikelfiltration, gedruckte Linien mit hohem Seitenverhältnis und freistehend ausgerichtete Nanofasern demonstriert.

Nanomaterialien, insbesondere Nanofasern, sind aufgrund ihrer potenziellen Verwendung in der Medizin, Elektronik und Katalyse Gegenstand intensiver Untersuchungen1,2,3. Tatsächlich dienen Nanofasern als architektonische Elemente in Zell- und Gewebegerüsten4,5,6 und sind eine Grundlage für künstliche Häute und intelligente Textilien7,8. Darüber hinaus sind sie auch ein effizientes Transportsystem für bioaktive Moleküle in therapeutischen Anwendungen. Dieses wachsende Interesse treibt die Erforschung ihrer Herstellung durch Selbstorganisation, Phasentrennungsziehverfahren, templatgestützte Synthese, Lösungsmittelgussmethoden und Elektrospinnen voran9,10,11. Insbesondere erzeugt das Elektrospinnen Mikro- und Nanofasern aus verschiedenen Materialien, Morphologien, Texturen und Porositäten12,13. Dank seiner Vielseitigkeit können natürliche, synthetische und zusammengesetzte Nanofasern elektrogesponnen und in skalierbaren Mengen hergestellt werden. Darüber hinaus kann die Anordnung der Nanofasern gesteuert werden, um komplexe 3D-Objekte für verschiedene Anwendungsanforderungen zu erstellen14,15. Daher werden elektrogesponnene Nanofasern in der Arzneimittelverabreichung, der Wundversorgung, der Knochenregeneration und der Tissue-Engineering-Forschung eingesetzt16.

Es gibt zahlreiche Verbesserungen im Design von Elektrospinngeräten, um deren Leistung zu steigern. Xu et al.17 untersuchen die Schlaginstabilität des Taylor-Kegels während des Elektrospinnings und schlagen einen strengen mathematischen Ansatz zur Vorhersage des Strahlverhaltens und die Verwendung eines Magnetfelds zur Steuerung des Elektrospinning-Prozesses vor. Alternativ verwendeten Rebrov et al.18 einen Hochspannungsimpulsgenerator, um ausgerichtete Fasern abzuscheiden, während Coppola et al.19 eine angebundene Pyro-Elektrospinntechnik zum direkten Drucken elektrogesponnener Fasern beschrieb. Darüber hinaus verwendeten You et al.20 eine positiv geladene Elektrode mit scharfen Stiften, um die elektrische Ladung auf der Grundplatte zu modifizieren und neu zu verteilen, um die Flugbahn des Strahls und die Nanofaserabscheidung zu steuern. Schließlich verwenden Thomas et al.21 eine 3D-Druckplattform, um dreiachsiges kontrolliertes Elektrospinnen zu demonstrieren. Koaxial-, Emulsions- und reaktive Elektrospinnverfahren beeinflussen direkt die Fasermorphologie und -chemie und erweitern ihre Anwendung auf natürliche und anorganische Materialien22,23.

Ein neues Elektrospinngerät wurde entwickelt, um einen nahtlosen Übergang vom großflächigen Fernfeld-Elektrospinnen zum hochpräzisen Nahfeld-Faserdruck zu ermöglichen. Es dient der Herstellung und dem Zusammenbau von Nanofasern zu komplexen Objekten wie Maschen, Netzen, Nanowänden, ausgerichteten Fasern und mehrschichtigen dünnen Filmen aus einer Vielzahl von Materialien, darunter Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), Polyethylenoxide (PEO), und Polyvinylalkohol (PVA)-Materialien, die häufig in der Lebensmittel-, Arzneimittel- und Biomaterialforschung und -anwendung verwendet werden.

Eine Zeichnung der Elektrospinnausrüstung ist in Abb. 1 dargestellt. Die Ausrüstung ist für schnelle und unabhängige xyz-Bewegungen ausgelegt, ohne Kompromisse bei der genauen Positionierung und Präzisionsbewegungen einzugehen, um ihren vielseitigen Einsatz zum Ablegen elektrogesponnener Fasern über große Flächen, zum Schreiben und Zusammenfügen von Fasern zu präzisen Subs zu ermöglichen -Millimeter-Muster mit mikrometergroßen Merkmalen oder Präzisionsdruck von 3D-Mikrostrukturen. Neben Präzisionsbewegungen ist eine genaue Kontrolle des elektrischen Feldes ein Muss, um nicht nur die Faserablage, sondern auch deren Durchmesser und Größe zu kontrollieren. Diese Kombination ist für eine hoch reproduzierbare Faserproduktion verantwortlich.

Eine Veranschaulichung der vielseitigen Elektrospinning-Ausrüstung zum großflächigen, hochpräzisen Abscheiden, Schreiben und Drucken von elektrogesponnenen Nanofasern.

Elektrogesponnene Fasern können großflächig abgelegt werden, um eine Fasermatte zu bilden, wie in Abb. 2 dargestellt. Die xy-Bewegung der Kollektorbasis kann programmiert werden, um unterschiedliche Probengrößen und -formen zu erhalten. Beispielsweise definiert eine Rotationsplattenbewegung in Abb. 2A einen kreisförmigen Ablagerungsbereich, wie im Einschub von Abb. 2A gezeigt. In ähnlicher Weise wird durch die Programmierung einer Rasterbewegung (Abb. 2B) eine rechteckige Fasermatte auf der Kollektorbasis abgelegt, wie im Einschub von Abb. 2B gezeigt. Es gewährleistete eine gleichmäßige Abscheidung und Dicke über die gesamte elektrogesponnene Probe. Somit ist es möglich, mehrere Schichten funktioneller Fasern nahtlos elektrogesponnen zu machen, wie in Abb. 3 dargestellt.

Großflächige Abscheidung elektrogesponnener Fasern unter verschiedenen x-y-Kollektorbasisbewegungen, (A) festen oder rotierenden Bewegungen und (B) Rasterbewegung. Hinweis: 10 % HPMC in DDI-Wasser bei einem Durchfluss von 0,1 ml/h; 7,3 kV und Spinndüsenhöhe (z) von 11 cm.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von HPMC/PVA/HPMC mit PVA-Nanofasern, beladen mit 10 Gew.-% Amoxicillin/Clavulansäure, mit (A) oberer HPMC-Schicht, (B) Probenquerschnitt und (C) PVA-Sandwichschicht. (D) Amoxicillin/Clavulansäure-Freisetzungsdiagramm über 7 Tage und (E) Kirby-Bauer-Scheibendiffusionstest von HPMC/PVA/HPMC ohne (Kontrolle, oben) und mit 10 Gew.-% Amoxicillin/Clavulansäure (Behandlung, unten) für S. aureus, E. faecalis und E. coli.

Abbildung 3B zeigt eine elektrogesponnene PVA-Faser (Polyvinylalkohol), die mit 10 Gew.-% Amoxicillin und Clavulansäure beladen ist (Abb. 3C), eingebettet zwischen HPMC-Schichten (Hydroxypropylmethylcellulose) (Abb. 3A). Die HPMC-Nanofasern sind hypoallergen und weisen eine hervorragende Biokompatibilität und Hauthaftung auf 24,25, während PVA eine hervorragende Matrix für die Speicherung und Freisetzung von Arzneimittelmolekülen ist26,27. Die beiden HPMC-Schichten sind 5,2 μm dick und bestehen aus 110 ± 20 nm Nanofasern, um dem 30,5 mm dicken elektrogesponnenen PVA (200 ± 40) nm strukturelle Unterstützung zu bieten. Die PVA-Nanofasern haben ein Flächen-zu-Volumen-Verhältnis von 2 x 107 m-1 und sorgen für eine allmähliche Freisetzung von Amoxicillin/Clavulansäure, wobei über 94,8 % der gespeicherten Wirkstoffe am Ende der sieben Tage freigesetzt werden, wie in Abb . 3D. Darüber hinaus verlieh es dem Material hervorragende bakterizide Aktivitäten gegen grampositive (d. h. S. aureus und E. faecalis) und gramnegative Bakterien (d. h. E. coli), wie in Abb. 3E dargestellt. 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazoliumbromid (MTT)-Zellaktivitäts- und morphologische Identitätstests an menschlichen Epidermoidkarzinom-Epithelzellen vom Typ A431 weisen auf eine hervorragende Biokompatibilität und Zelllebensfähigkeit auf dem HPMC/ PVA/HPMC-Mehrschichtprobe. Als Wundverband verhindert es Infektionen und fördert die Wundheilung, wie bei 5 Wochen alten weiblichen C57BL/6J-Mäusen beobachtet wurde (Tabelle 1).

Die HPMC-Nanofasern mit unterschiedlichen Durchmessern können elektrogesponnen werden, indem das Lösungsmittelmassenverhältnis von H2O:EtOH von 2,0 auf 1,5 und 1,0 variiert wird, um 400, 250, 100 nm Fasern zu ergeben, wie in Abb. 4 und Hintergrundinformationen gezeigt. HPMC ist in einer geeigneten Mischung aus Wasser und Ethanol gut löslich. Darüber hinaus hat Ethanol eine geringere Oberflächenspannung, eine schnellere Verdunstung und ist etwas (ca. 20 %) viskoser als Wasser. Es begünstigt daher die Herstellung dünnerer Nanofasern. Tatsächlich verringerte die Zugabe von mehr Ethanol (d. h. H2O:EtOH von 2,0 auf 1,5) den Faserdurchmesser stark um etwa 150 nm von 410 ± 45 nm (Abb. 4A) auf 240 ± 70 nm (Abb. 4B) und die mittleren Porendurchmesser von 210 ± 110 nm bzw. 170 ± 60 nm. Eine in 1 H2O:1 EtOH-Lösung gelöste HPMC erzeugt dünne Nanofasern (Abb. 4C) mit einem mittleren Durchmesser von 100 ± 30 nm und einem mittleren Porendurchmesser von 140 ± 50 nm. Es hat die kleinsten Poren unter den drei Proben und die besten Eigenschaften bei der Medikamentendosierung. Daher dient es als HPMC-Schicht in der in Abb. 3 dargestellten HPMC/PVA/HPMC-Mehrschichtprobe.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen und Faserdurchmesserverteilung für HPMC-Nanofasern, die aus 1,5 Gew.-% HPMC, gelöst in H2O:EtOH-Lösungsmittel, mit einem Massenverhältnis von (A) 2,0, (B) 1,5 und (C) 1,0 elektrogesponnen wurden.

Die Vielseitigkeit der neuen Ausrüstung wird in Abb. 5 demonstriert, wo ein einzelner Strang aus 120 nm PEO-Nanofasern präzise in ein 500 mm großes Netz gezogen wurde (Abb. 5A), das einen 20 mm × 20 mm großen Bereich des Kohlenstoffsubstrats bedeckt, wie in gezeigt das optische Mikroskopbild in Abb. 5B. Eine genauere Betrachtung zeigt, dass die Stränge perfekt ausgerichtet sind und sich an den Knoten senkrecht (dh 90 ± 2°) schneiden, um eine quadratische Öffnung zu bilden, wie in Abb. 5C dargestellt. Einzelne Stränge scheinen sich ein wenig zu verdrehen, was zu einem leichten Durchhängen führt. Allerdings weichen die Seiten der Maschenöffnung um weniger als 10 % von 500 mm ab. Das gesamte Muster wird in 100 s mit einer Geschwindigkeit von 18 mm/s geschrieben. In ähnlicher Weise können PEO-Nanofasern direkt auf leitendes ITO-Glas geschrieben werden (Abb. 5D), was ihr Potenzial in der mikroelektronischen Fertigung demonstriert. Hier wurden dickere PEO-Stränge elektrogesponnen, um ein ähnliches Maschenmuster über eine Fläche von 10 mm × 10 mm zu erzeugen. Schließlich wurden diese 150 nm großen PEO-Nanofasern in einem regelmäßigen Gittermuster abgelegt, wie in Abb. 5E dargestellt. Ein starkes elektrisches Feld und eine hohe Schreibgeschwindigkeit ergeben Nanofasern mit geringem Durchmesser. Dies geschieht durch Erhöhen der angelegten Spannung, Verringern der Spinndüsenhöhe und Erhöhen der X-Y-Bewegungen.

(A) Schematische Darstellung des Nahfeldschreibens und Zusammenbaus von Einzelstrang-Nanofasern zu Submillimeter-Maschenmustern auf leitendem (B) und (C) Kohlenstoff und (D) und (E) ITO-Glas. (B) Optisches Mikroskopbild eines 20 × 20 mm2 großen Netzes mit (C) Rasterelektronenmikroskopbild (REM), das 120 nm PEO-Nanofasern mit einem Linienabstand von 500 mm zeigt. Hinweis: Das Nahfeldschreiben erfolgte bei 2 kV und 3 mm Spinndüsenhöhe (z) bei einer Schreibgeschwindigkeit von 18 mm/s. (D) Lichtmikroskopische Aufnahme eines 10 × 10 mm2 großen Netzes und (E) Rasterelektronenmikroskopaufnahme (REM), die 150 nm PEO-Nanofasern mit einem Linienabstand von 500 mm zeigt. Hinweis: Das Nahfeldschreiben erfolgte bei 3,2 kV und 4 mm Spinndüsenhöhe (z) bei einer Schreibgeschwindigkeit von 15 mm/s. Die Z-Achse variiert um ± 10 mm, um das elektrische Feld aufrechtzuerhalten.

Es ist möglich, das elektrogesponnene Netz als Siebfilter für Partikel vom Substrat zu lösen und anzuheben. Es wäre eine ideale Auffangfläche für die Untersuchung der Partikelfiltration, insbesondere von Aerosolen und Tröpfchen mit einer Größe von 0,1 bis 10 μm, die für die Übertragung von Atemwegserkrankungen über die Luft verantwortlich sind. Die rechnerischen Berechnungen in Abb. 6 zeigen, dass die Filtrationseffizienz von der Maschenöffnungsgröße abhängt. Die in Comsol Multiphysics durchgeführte Simulation wurde für Maschenöffnungen von 50 und 5 Mikrometern und für Partikelgrößen im Bereich von 0,3 bis 10 Mikrometern durchgeführt. Die Filtrationseffizienz steigt mit feineren Maschenöffnungen und größeren Partikeln. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst grobe Filtermaschenöffnungen von 5 μm (Abb. 6A) die MERV10-Standards bei höherem Durchfluss und geringeren Druckverlusten erreichen können (Abb. 6B). Die Partikelabscheidung hängt auch von den Material- und Oberflächeneigenschaften der Nanofasern ab, da sie durch die molekularen Wechselwirkungen zwischen Partikeln und Oberflächen bestimmt wird. Die Partikelabscheidungsrate kann durch eine Erhöhung der Partikeladhäsion und eine Minimierung von Rückprall und Resuspension erhöht werden.

(A) 50-mm-Quadratmaschengeometrie und rechnerische Maschenweite und (B) berechnete Filtrationseffizienz aus der Computersimulation für 50- und 5-mm-Maschenweite für verschiedene Partikelgrößen in der Luft. Beachten Sie das Poisson-Verhältnis von Fasern und Partikeln von 0,29 und 0,32, die Young-Module von Fasern und Partikeln von 3,2 × 109 Pa und 2,0 × 1011 Pa, die Anströmgeschwindigkeit beträgt 0,105 m/s, die dynamische Viskosität und Dichte der Luft beträgt 0,9 × 10–5 Pa \(\ cdot s\) und 1,225 kg/m3.

Abbildung 7 zeigt Beispiele für den Nahfelddruck von PEO-Nanofasern auf einer Kupferdrahtoberfläche. Der Draht mit 90 µm Durchmesser ist 8 cm lang und wird wie in Abb. 7A dargestellt an Ort und Stelle gehalten. Entlang der Länge des Drahtes wurden Stränge aus PEO-Nanofasern übereinander gedruckt, um eine schmale Wand zu erzeugen. Die Spinndüsenhöhe (z-Achse) wurde 4 mm über dem Draht positioniert, um die fünf Stränge aus 8,6 ± 0,08 µm PEO-Faser in Abb. 7B zu drucken. Die Spinndüse wurde so programmiert, dass sie sich alle 10 s um einen 10-mm-Schritt nach oben bewegt, während die Spannung während des Druckens zwischen 3,0 und 3,6 kV variiert wurde, um das 43 ± 0,1 µm hohe gedruckte Merkmal zu erzeugen (Abb. 7B Einschub). Der Druck erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 18 mm/s. Eine unter dem Rasterelektronenmikroskop beobachtete leichte Verformung war ein Artefakt, das durch die Probenvorbereitung verursacht wurde. Fünfzig Schichten von 440 ± 16 nm großen PEO-Nanofasern, die in Abb. 7C gezeigt sind, wurden mit einer Geschwindigkeit von 23 mm/s und einer Starthöhe der Spinndüse von 3 mm mit einer schrittweisen Z-Bewegung nach oben von 10 µm pro 15 s gedruckt. Die Spannung wurde während des Druckens zwischen 2,0 und 3,4 kV variiert. Ein am gedruckten Muster vorgenommener Einschnitt zeigt die perfekte Ausrichtung der Nanofasern über die gesamte Dicke (Abb. 7C Einschub). Abbildung 7D zeigt eine gedruckte Nanostruktur, die aus 140 gedruckten Strängen aus 102 ± 10 nm PEO-Nanofasern auf dem Kupferdraht besteht. Es wurde mit einer hohen Geschwindigkeit von 300 mm/s gedruckt, wobei die Z-Achse alle 20 s um 10 µm nach oben verstellt wurde. Trotz ihrer geringen Breite sind die dünnen Nanofaserfilamente perfekt ausgerichtet, wie im Einschub in Abb. 7D dargestellt. Das freistehende Element ist 102 nm dick und 14,3 ± 0,002 µm hoch, was ihm ein Seitenverhältnis von 142 ergibt, während die Proben in Abb. 7B und C Seitenverhältnisse von 5 bzw. 50 haben. Dies zeigt deutlich, dass die neue Elektrospinning-Ausrüstung 3D-Mikro- und Nanostrukturen kontrolliert und präzise drucken kann.

(A) Schematische Darstellung des Nahfelddrucks von (B) PEO-Mikro- und (C) und (D) Nanostrukturen auf leitendem Kupferdraht. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von (B) einer PEO-Linie mit einem Höhen-zu-Breite-Seitenverhältnis von 5 durch wiederholtes Drucken (8,6 ± 0,08 µm) elektrogesponnener PEO übereinander bei 2,6 kV, 4 mm Spinndüsenhöhe mit programmierter Z-Achsen-Aufwärtsbewegung von 10 µm alle 10 s und einer Druckgeschwindigkeit von 18 mm/s, (C) eine PEO-Linie mit einem Seitenverhältnis von 50 Höhe zu Breite aus 50 ausgerichteten Strängen von (440 ± 16) nm PEO-Nanofasern, gedruckt durch Variation der Spannung von 2,0 auf 3,4 kV bei einer Spinndüsenhöhe von 3 mm mit einer Z-Bewegung nach oben von 10 µm alle 15 s und einer Druckgeschwindigkeit von 24 mm/s und (D) ein PEO-Linienmerkmal mit ultrahohem Seitenverhältnis (142), erhalten durch Ausgerichtetes Drucken von 140 Strängen von (102 ± 10) nm PEO-Nanofasern durch Variation der Spannung von 1,5 bis 3,1 kV, 2 mm Spinndüsenhöhe mit programmierter Z-Aufwärtsbewegung von 10 µm nach jeweils 20 s und Druckgeschwindigkeit von 30 mm/s .

Abbildung 8 zeigt, dass Nahfeld-Elektrospinnen zum Weben freistehender Nanofasern zwischen zwei Kupferdrähten verwendet werden könnte, die als Kettbäume in einem Miniatur-„Webstuhl“ fungieren. Hier wurden PVA-Nanofasern mit einer schnellen Geschwindigkeit von 20 mm/s entlang der x-Achse zwischen den Drähten aufgereiht, wobei die y-Achse mit 20 µm pro Minute nach links versetzt wurde, um die aufgehängten ausgerichteten Nanofasern in Abb. 8B zu erzeugen. Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt deutlich, dass jeder einzelne Strang separat ist und einen Durchmesser von 130 ± 12 nm hat. Es ist robust und lässt sich gut handhaben und für die mikroskopische Untersuchung vorbereiten. Es ist möglich, den Nahfeld-Elektrospinnprozess zu programmieren, um komplexere Designs zu weben und funktionelle Textilmatten aus verschiedenen elektrogesponnenen Nanofasermaterialien herzustellen.

(A) Schematische Darstellung des Nahfeld-Elektrospinnens von PVA-Nanofasern zwischen parallelen Kupferdrähten zur Erzeugung (B) ausgerichteter Stränge von 130 ± 12 nm PVA-Nanofasern durch Variation der Spannung zwischen 1,8 und 2,8 kV, Spinndüsenhöhe von 3 mm, x-Achse Bewegungsgeschwindigkeit von 20 mm/s und Y-Achsenbewegung von 20 µm/min.

Die vielseitige Elektrospinning-Ausrüstung kann nahtlos sowohl unter Fernfeld- als auch unter Nahfeldbedingungen betrieben werden, was durch die schnellen, aber präzisen xyz-Bewegungen mit genauer Positionierung und elektrischer Feldsteuerung ermöglicht wird, die eine großflächige Ablagerung elektrogesponnener Fasern und das direkte Schreiben von Nanofasern in Sub ermöglicht -Millimeter- und Mikrometergroße Muster sowie das Drucken von 3D-Mikro- und Nanostrukturen. Die Ausrüstung wurde erfolgreich zur Herstellung mehrschichtiger funktioneller Nanofasern für die biomedizinische Anwendung zur Wundheilung eingesetzt. Darüber hinaus wurden Submillimeter-Quadratnetze aus Nanofasern über eine größere Fläche gedruckt, um die Dynamik der Partikelerfassung und -filtration zu untersuchen. Schließlich wurden Nanofaserlinien mit hohem Aspektverhältnis und geringer Breite mit hoher Geschwindigkeit gedruckt, um den 3D-Nanodruckprozess zu demonstrieren.

Der Basiskollektor wurde auf einer Bewegungsplattform mit unabhängigen X- und Y-Bewegungen montiert, die von zwei Sätzen Zahnriemen, Schraubenwelle und Schrittmotor (SKU: 81042, 42BYG) über eine Hauptplatine gesteuert wurden, die mit Arduino (Megablock MegaPi) und einem PC verbunden war Computer, die schnelle Bewegungen über große Entfernungen (100 mm/s), präzise Positionierung (± 5 μm) und Bewegungen in feinen Mikrometerschritten (1,8 ± 0,09°/PHASE und 400 Schritte/mm) für ein nahtloses Präzisionselektrospinnen im großen Maßstab ermöglichen . Die Bewegung kann so programmiert werden, dass sie verschiedene Muster elektrogesponnener Fasern ablegt, schreibt oder druckt. Die Z-Bewegung steuerte den Abstand der Spinndüse vom Kollektor und nutzte einen Satz Schrittmotor und Welle, um Präzisionsbewegungen von nur 5 mm zu ermöglichen. Die austauschbare Spinndüsenbaugruppe wurde von einem freitragenden 3D-gedruckten Arm getragen, der auch eine Lichtquelle und eine USB-Kamera (LED Torch Lighting EVER, 8 LED USB-Kameramikroskop mit 1000-facher Vergrößerung) zur Überwachung des Elektrospinnens enthielt. Die Basis und die Spinndüse wurden an eine programmierbare Stromversorgung (NanoNC PS355) angeschlossen und kalibriert, um ein präzises elektrisches Feld für kontrolliertes Elektrospinnen zu liefern. Die Spinndüse wurde im Labor entworfen und hergestellt und an eine Spritzenpumpe (kdScientific KDS200) angeschlossen, die 0,004 µL/h bis 3520 ml/h Elektrospinnlösungen liefert. Die Elektrospinnen-Ausrüstung war in einer transparenten Kammer untergebracht, die mit einem Satz Gleichstromventilatoren und Befeuchtungs-/Entfeuchtereinheiten ausgestattet war, um die Temperatur und Luftfeuchtigkeit während des Elektrospinnens aufrechtzuerhalten. Die Kammer ist an eine lokale Absaugung angeschlossen, um Lösungsmittel abzulassen. Eine ausführliche Beschreibung der Elektrospinnausrüstung und des Betriebs finden Sie in den Zusatzinformationen.

Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC, MW = 120.000 Gramm pro Mol), Polyvinylalkohol (PVA, MW = 1.250.000 Gramm pro Mol) und Poly(ethylenoxid) (PEO, MW = 300.000 Gramm pro Mol) wurden von Sigma-Aldrich erworben und waren wie erhalten verwendet. Als Lösungsmittel wurden Ethanol (Absolute, Analar Normapur) und destilliertes entionisiertes (DDI) Wasser verwendet. Tabelle 2 listet die Zusammensetzung der Elektrospinnlösung aus HPMC, PEO und PVA auf, die zur Herstellung der in den Abbildungen gezeigten Proben verwendet wurde. 3, 4, 5, 6. Die elektrogesponnene Fasermatte wurde auf Hochglanzpapier gesammelt, Fasermuster auf leitendem Kohlenstoff und ITO-Glas geschrieben und die gedruckten Fasern nutzten dünne Kupferdrähte (Ø 95 µm und 8 cm Länge) als Druckführung. Elektrospinning-Vorgänge wurden bei Raumtemperatur (ca. 20 °C) und 65 % relativer Luftfeuchtigkeit durchgeführt.

Die elektrogesponnenen Proben wurden vor der Probenvorbereitung für die Rasterelektronenmikroskopie unter einem optischen Mikroskop Olympus BH2-MJLT untersucht. Proben aus elektrogesponnenen Fasermatten wurden mit einer scharfen Schere geschnitten und mit einem leitenden Kohlenstoffklebeband auf einem Aluminiumprobenstumpf befestigt. Eine leichte Sputterbeschichtung aus Gold in der K575xd-Sputterausrüstung verhindert das Aufladen der Probe. Die beschriebenen und bedruckten Fasern wurden ebenfalls montiert und mit einer zusätzlichen Vorsichtsmaßnahme durch Sputtern beschichtet, indem leitfähige Klebstoffe zur Erdung der Probenoberfläche verwendet wurden. Die Proben wurden unter JSM-6700F und JSM-7100F bei 10 kV beobachtet. Die Bilder wurden analysiert und der Durchmesser der Nanofasern wurde mit Image J gemessen und mit der IBM SPSS Statistics 23-Software verarbeitet.

Das HPMC/PVA/HPMC mit 10 Gew.-% Amoxicillin und Clavulansäure wurde auf Arzneimittelfreisetzung, Bakterizidität und Wundheilung untersucht. Die Freisetzung des Wirkstoffs wurde an einer 30-mg-Probe in 30 ml PBS-Lösung bei 37 °C über 7 Tage gemessen. In festgelegten Zeitabständen wurden Aliquots entnommen und mit einem UV-Vis-Spektrophotometer von Agilent analysiert und das freigesetzte Amoxicillin/Clavulansäure wurde anhand der Standardkalibrierung quantifiziert. Der MTT-Assay wurde verwendet, um die Zelllebensfähigkeit, -proliferation und -zytotoxizität der Probe auf humanen Epidermoidkarzinom-Epithelzellen vom Typ A431 zu messen. Durch Kirby-Bauer-Scheibendiffusion wurden S. aureus, E. faecalis und E. coli gegenüber HPMC/PVA/HPMC mit 10 Gew.-% Amoxicillin und Clavulansäure sowie einer Kontroll-PVA-Probe bestimmt. Die Testproben mit einem Durchmesser von 1 cm wurden durch eine Biopsie-Stanze gewonnen und in die Mitte der Müller-Hinton-Agar-Petrischale gelegt, die mit einer Bakteriensuspension von 108 KBE/ml (0,5 McFarland-Standard) beimpft war. Die Hemmzonen wurden nach 48-stündiger Inkubation bei 37 °C gemessen. Fünf Wochen alte C57BL/6J-Mäuse wurden einzeln in Käfigen gehalten und mit sterilem Nagetierfutter gefüttert. Als Anästhetikum wurde ein Cocktail aus Ketamin/Xylol (80–100 mg/kg und 10–12,5 mg/kg) injiziert und mit einer sterilen Biopsiestanze eine runde Wunde erzeugt. Die Wunde wurde mit PVA (Kontrolle) oder HPMC/PVA/HPMC mit 10 Gew.-% Amoxicillin und Clavulansäure (Behandlung) versorgt. Dem Trinkwasser wurde ein Schmerzmittel (Ketoprofen 100 mg/ml) zugesetzt, um die Schmerzen der Tiere am Tag nach dem Eingriff zu lindern. Die Wunde jeder Maus wurde am Tag 0, 3, 7 und 14 des Eingriffs fotografiert und vermessen.

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Die Autoren möchten Herrn Yuanzhi Zeng für seinen Beitrag zu Modellierungsergebnissen zur Partikelfiltration auf elektrogesponnenen Nanofasernetzen danken. Wir sind dankbar für die finanzielle Unterstützung durch den Kofinanzierungsmechanismus für Forschungs- und Innovationskooperationen zwischen der Europäischen Union und Hongkong (E-HKUST601/17) des Hong Kong Research Grants Council und Horizont 2020 (BIORIMA) der Europäischen Union. Diese Arbeit wird teilweise durch das Projekt der Hetao Shenzhen-Hong Kong Science and Technology Innovation Cooperation Zone (HZQB-KCZYB-2020083) unterstützt. MCD freut sich über die Vergabe eines Erasmus Mundus Action 2 Strand 2 (EMA2/S2 EurasiaCat)-Stipendiums für ihren Aufenthalt in Hongkong und den Postgraduate Studentships (PGSs)-Preis der Hong Kong University of Science and Technology.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Mar Calzado Delgado und King Lun Yeung.

Abteilung für Chemie- und Biotechnik, Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Sonderverwaltungszone Hongkong

Mar Calzado-Delgado und König Lun Yeung

Fakultät für Chemieingenieurwesen, Universität Malaga, E29071, Malaga, Spanien

Mar Calzado-Delgado & M. Olga Guerrero-Pérez

Abteilung für Umwelt und Nachhaltigkeit, Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Sonderverwaltungszone Hongkong

König Lun Yeung

HKUST Shenzhen-Hong Kong Collaborative Innovation Research Institute, Futian, Shenzhen, Guangdong, China

König Lun Yeung

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MCD, MOGP und KLY tragen zur Analyse, Diskussion und Vorbereitung des Manuskripts bei. MCD führte die experimentellen Studien unter der Aufsicht von KLY durch und MOGPKLY ist der Hauptforscher der Forschungsfinanzierung.

Korrespondenz mit König Lun Yeung.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Calzado-Delgado, M., Guerrero-Pérez, MO & Yeung, KL Eine neue vielseitige X-Y-Z-Elektrospinning-Ausrüstung für die Nanofasersynthese im Fern- und Nahfeld. Sci Rep 12, 4872 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-08310-0

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Eingegangen: 21. Dezember 2021

Angenommen: 28. Februar 2022

Veröffentlicht: 22. März 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-08310-0

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