一、研究背景

静电纺丝是一种简单而通用的利用电力制造微纳米纤维的技术。它利用电力拉长聚合物溶液，从而形成纳米纤维。纳米纤维制造的步骤如图1a所示：(i)溶液液滴被充电，然后转化为泰勒锥；（ii）带电荷的射流从泰勒锥流出并变长，称为直射流；(iii)射流在电场中变薄，电弯曲不稳定性出现并增加，称为鞭打射流，其长度取决于材料的类型和性质以及其他应用参数。静电纺丝允许用各种聚合物和聚合物基材料（包括金属、陶瓷、碳和蛋白质）制造纳米纤维。电纺纤维被认为具有独特的特性，包括高表面体积比、高孔隙率、互连性和仿生性。这些具有形态和排列的特征也可以通过改变溶液性质、静电纺丝参数和改进的收集器来容易地调整。由于上述特性，它们的潜力已被广泛应用于组织工程、药物输送、伤口愈合和能量储存等领域。尽管静电纺丝是一种极具潜力的生产纳米纤维的好方法，但静电纺丝纤维只能作为平面、非织造或二维（2D）垫在太空中存在。三维（3D）结构代替二维垫在某些应用中呈现出更理想的结果，例如生物医学应用、传感器、和能源应用。特别是二维垫层厚度低，堆积密集，导致细胞迁移和浸润的区域过少。细胞在3D电纺丝支架上生长较好，特别是在长期培养中。在这方面，已经提出了几种基于静电纺丝的三维纤维结构的方法，例如多层静电纺丝，二维垫的后处理，模型辅助收集器，改进收集器，和自组装。几乎所有的方法都需要几个步骤，额外的复杂性和时间来获得3D纤维结构，而自组装是获得3D结构的单一步骤。提到自组装是为了描述具有空间结构的纤维不断累积而形成的三维堆叠。在此，三维纤维结构领域中的自组装可以用来指纤维在没有任何外部支撑的情况下直立的自主能力。

二、摘要

构建三维电纺丝宏观结构并监测其中的生物活动是一项具有挑战性的工作。在本研究中，利用内部三维静电纺丝技术成功制备了三维纤维聚己内酯（PCL）宏观结构。支持3D自组装纳米纤维制备的主要因素是H3PO4添加剂、流速和初始距离。考察了溶液浓度、溶剂、H3PO4浓度、流速、初始距离、电压和喷嘴速度对三维宏观结构的影响。在流速为4 mL/h、喷嘴-集热器初始距离为4 cm、电压为14 kV、喷嘴速度为1 mm/s的条件下，可快速形成直径为6 cm的圆柱体宏观结构，最终高度为16.18±2.58 mm，壁厚为3.98±1.01 mm，各截面直径均匀（平均1.40±1.10 μm）。氧等离子体在30-50 W下处理5 min，可显著改善PCL宏观结构的亲水性，为体外细胞培养提供了合适的支架。此外，通过同步辐射x射线断层显微镜（SRXTM）获得的3D图像显示了支架内的细胞穿透和细胞生长情况。这项3D静电纺丝技术的突破超越了目前支架制造的限制，为各个领域开辟了新的可能性。

三、结论

三维静电纺丝是静电纺丝和3D打印技术的结合，用于构建宏观的三维静电纺丝结构。它采用了快速凝固、极化和静电感应。磷酸添加剂在PCL溶液是必要的3D积累。为了将三维静电纺丝技术扩展到各种材料中，有必要对纤维的自组装能力进行初步评估。该评估应通过在一定距离（如5-10厘米）内使溶液以尽可能高的流速进行。如果纤维不能表现出自组装，建议使用添加剂。然而，添加剂的数量是至关重要的，因为不足的量限制了自组装纤维形成的潜力，而过量的量允许珠子的存在，并不能控制沉积位置。因此，需要对参数进行优化。

三维PCL结构的最佳方案和工艺参数为流量为4 mL/h，初始距离为4 cm，电压为14 kV，喷嘴速度为1 mm/s。三维电纺丝宏观结构在上、中、下三个部分具有一致的纤维直径。结构高度为16.18±2.58 mm， Chh为15.49±4.60 mm。沉积宽度为72.93±2.70 mm；Dout为43.85±1.58 mm，壁厚为3.98±1.01 mm。制造的PCL 3D结构可以保持其最终形状的持续时间约4个月。尽管如此，由于PCL聚合物的可生物降解性，样品的组成已经发生了变化。纳米纤维形状的持续存在持续了大约一个月。一个月后，观察到脆性结构。

将获得的PCL结构用于制造支架，对等离子体治疗的影响进行生物学评估，并查看x射线层析图像。我们发现等离子体处理导致光纤直径增加，这与等离子体发生器的输出功率有关。等离子体处理PCL支架的适宜条件为30 W和50 W，处理时间为5 min。该处理可增强支架的润湿性和细胞在支架上的粘附性。此外，通过SRXTM图像验证了50W等离子体处理后NIH3T3细胞在支架上的生长和迁移情况。这些图像提供了支架内细胞的详细可视化和归一化体积，与扫描电镜图像一致。

图1.(a)各种技术中沉积的纤维范围和(b)这些技术的制造概念的比较说明，包括(i)传统静电纺丝，（ii） 3D打印，（iii）近场静电纺丝，（iv）熔体静电书写和(v) 3D静电纺丝。

图2.(a)内部3D静电纺丝装置在流量为6 mL/h、初始距离为6 cm、电压为16 kV、喷嘴速度为1 mm/s的条件下形成的3D纤维宏观结构；(b) 3D打印的周长和粘附类型、熔体电写的时差和3D静电纺丝的示意图。