Activated carbon nanofiber nanoparticles incorporated electrospun polycaprolactone scaffolds to promote fibroblast behaviors for application to skin tissue engineering

Abstract

The most widely used one-dimensional (1D) carbonaceous nanomaterials in tissue engineering are carbon nanotubes, either single or multi-walled. Other forms of 1D nanomaterials, such as carbon nanowires and carbon nanofibers, have been less explored for biomedical applications. Herein, I synthesized 1D-activated carbon nanofiber nanoparticles (ACNF NPs) from the polyacrylonitrile electrospun nanofibers by continuous processes like stabilization, alkali treatment, calcination, and grinding. Two different sets of ACNF NPs-containing electrospun polycaprolactone (PCL) nanofiber mats, viz. surface-modified NP-deposited mats (ACNF@PCL) and NP-incorporated mats (ACNF-PCL), were prepared to examine their potential as skin tissue engineering scaffolds. Raman spectra demonstrated that ACNF NPs exhibited graphitization degree with an ID/IG ratio of 1.05. Scanning electron microscopy (SEM) observations showed that ACNF NPs are sized 280 ± 100 nm by diameter and 565–3322 nm by length. The NPs concentrated above 30 μg/mL were found to exhibit toxicity with < 70% viability of NIH3T3 fibroblasts at 48 h. The ACNF-PCL nanofiber mats displayed a better cell proliferation profile, showing significant changes compared to PCL and ACNF@PCL mats on days 1, 3, and 5. Hence, I concluded that ACNF-PCL mats with less concentration of ACNF NPs have more potential to support cellular growth, ensuring its possible impact on skin tissue regeneration. 조직공학에서 가장 널리 사용되는 일차원 (1D) 탄소성 나노물질은 탄소 나노튜브인데, 이는 단일 벽 또는 다중 벽 형태로 존재한다. 다른 형태의 1D 나노물질로는 탄소 나노와이어와 탄소 나노섬유가 있으나, 이들은 생의학 응용 분야에서 덜 연구되었다. 본 연구에서는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile)로 만든 전기방사 나노섬유로부터 안정화, 알칼리 처리, 열분해 및 연삭과 같은 연속적인 과정을 통해 1D-활성화된 탄소 나노섬유 나노입자(Activated Carbon Nanofiber Nanoparticles, ACNF NPs)를 합성하였다. 두 가지 다른 유형의 ACNF NPs 를 포함하는 전기방사 폴리카프로락톤 (Polycaprolactone, PCL) 나노섬유 매트, 즉 표면을 수정한 NP 가 첨가된 매트 (ACNF@PCL)와 NP 가 포함된 매트 (ACNF-PCL)를 준비하여 그들의 피부 조직공학 지지체로서의 잠재력을 검토하였다. 라만 분광학 결과 ACNF NPs 가 그래핀화 정도를 보임을 확인하였으며, 이의 ID/IG 비율은 1.05 였다. 스캐닝 전자 현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM) 관찰 결과 ACNF NPs 의 지름은 평균적으로 280 ± 100 nm, 길이는 565-3322 nm 범위였다. NP 농도가 30 μg/mL 이상일 경우, 48 시간 동안 NIH3T3 섬유아세포의 생존률이 70% 미만으로 독성을 나타내었다. 그러나 ACNF PCL 나노섬유 매트는 1, 3, 5 일 동안 PCL 및 ACNF@PCL 매트와 비교하여 더 나은 세포 증식 성능을 보였다. 이러한 결과를 바탕으로, ACNF NPs 의 농도가 낮은 ACNF-PCL 매트는 세포 성장을 더욱 효과적으로 지원할 수 있으며, 이는 피부 조직의 재생에 중요한 영향을 미칠 것으로 예상된다.