二维静电纺纳米纤维膜扩展为三维支架

本方案报道了一种通过减压亚临界CO2流体将传统静电纺纳米纤维膜从二维（2D）转化为三维（3D）的新方法，此转化此前尚未实现。该方法克服了以往技术存在的诸多问题，包括使用水溶液和化学反应、多步骤过程、包封生物分子活性的损失，以及疏水性聚合物的局限性。演示该实验操作的是我实验室的博士后研究人员Shixuan Chen。

在20毫升玻璃试管中，将两克PCL溶解于二氯甲烷与DMF按4:1比例配制的溶剂混合物中，浓度为10%。将玻璃试管置于实验室旋转仪中，直至溶液变为澄清。溶液可过夜混合。

安装静电纺丝装置时，首先将PCL溶液加入一个20毫升的注射器中，注射器前端连接21号平头针头。确保注射器内无气泡，并连接好分离的管路。将一个旋转钢制滚筒作为接地收集器，放置在距针尖12厘米处。

使用鳄鱼夹将直流高压电源连接到针头，并确保收集器接地。对于20毫升的PCL溶液，使用20.27毫米的直径参数设置注射泵，并将流速设为0.5毫升每小时。检查针尖处是否形成液滴。

在喷丝头与位于喷丝头20厘米外的接地收集器之间施加20千伏的电势。将取向的纳米纤维膜收集到以2,000 RPM转速旋转的滚筒上。当PCL纳米纤维膜达到约一毫米厚度时，进行收集。

将PCL纳米纤维膜浸入液氮中5分钟。保持PCL纳米纤维膜处于液氮中，并使用直径为0.5毫米的打孔器打孔。将PCL纳米纤维膜再次放入液氮中5分钟。

使用锋利的手术剪在液氮中将材料切成一厘米乘一厘米的方块，以避免边缘变形。将切割后的材料放入一个30毫升离心管中，并加入约一克干冰。拧紧管盖，使干冰逐渐转化为液态二氧化碳。

液体在管中形成后，迅速打开管盖以释放压力。取出并观察管中膨胀的支架，将其放入装有干冰的新离心管中，重复此步骤直至达到所需厚度。

在与细胞共培养前，使用环氧乙烷对膨胀后的纳米纤维支架进行灭菌。左侧展示了通过亚临界CO2流体减压处理，将传统的二维静电纺纳米纤维膜扩展为三维支架的效果，图中为第二次处理后的结果。支架厚度在未经处理时为1毫米，经一次CO2处理后增至2.5毫米，经两次CO2处理后达到19.2毫米。

支架的孔隙率从未经处理的纤维膜的79.5%上升至第一次处理后的92.1%，并在第二次处理后达到99.0%。这一变化具有重要意义，因为细胞向支架内部的渗透程度——进而影响其诱导再生的能力——在很大程度上取决于孔隙率。扫描电镜（SEM）图像显示，未经处理的二维纤维膜致密堆积的纤维结构，在经CO2膨胀处理后，转变为具有定向排列纳米纤维的有序层状结构。

在Vevo研究中，通过将经CO2膨胀的具有方形阵列孔洞的纳米纤维支架皮下植入大鼠体内进行实验。这使得细胞可在孔洞内迁移和增殖，同时进一步渗入膨胀过程中形成的纳米纤维层中。植入后第一周至第四周，与传统的纳米纤维膜相比，膨胀后的支架显示出新生血管数量和多核巨细胞数量的显著增加。

通过该方法，可将包括生长因子、氨基酸调节化合物、止血剂和抗微管剂在内的多种分子整合到纳米纤维膜中，并在亚临界二氧化碳流体中进行膨胀。这种功能化膨胀纳米纤维支架可用于探索其他科学领域中的新问题，例如止血、感染的预防与治疗、免疫学以及组织再生与修复。有机溶剂具有毒性，应在化学通风橱中操作。

此外，应使用能够耐受亚临界CO2流体高压的容器进行膨胀。