अनुकूलन समाधान और उपकरण पैरामीटर: Electrospinning बुनियादी बातों

Leach, M. K., Feng, Z., Tuck, S. J., Corey, J. M. Electrospinning Fundamentals: Optimizing Solution and Apparatus Parameters. J. Vis. Exp. (47), e2494, doi:10.3791/2494 (2011).

Electrospun nanofiber scaffolds परिपक्वता तेजी लाने, विकास में सुधार, और इन विट्रो में कोशिकाओं के प्रवास को प्रत्यक्ष दिखाया गया है . Electrospinning एक प्रक्रिया है जिसमें एक चार्ज बहुलक जेट एक उड़ान कलेक्टर पर एकत्र किया जाता है, एक तेजी से गठबंधन nanofibers में कलेक्टर परिणाम घूर्णन जबकि अनियमित उन्मुख फाइबर मैट में स्थिर कलेक्टरों परिणाम. बहुलक जेट का गठन किया है जब एक आवेदन electrostatic प्रभारी समाधान की सतह तनाव पर काबू पा. वहाँ एक दिया बहुलक के लिए एक न्यूनतम एकाग्रता है, महत्वपूर्ण उलझाव एकाग्रता करार दिया, जो नीचे एक स्थिर विमान हासिल नहीं किया जा सकता है और कोई nanofibers फार्म का होगा - हालांकि नैनोकणों (electrospray) प्राप्त किया जा सकता है. एक स्थिर विमान दो डोमेन, एक स्ट्रीमिंग खंड और एक सजा खंड है. जबकि सजा विमान आमतौर पर नग्न आंखों के लिए अदृश्य है, स्ट्रीमिंग खंड अक्सर उचित प्रकाश व्यवस्था की स्थिति के तहत दिखाई देता है. लंबाई, मोटाई, स्थिरता और धारा के आंदोलन अवलोकन और गठन किया जा रहा nanofibers के संरेखण और आकारिकी की भविष्यवाणी के लिए उपयोगी है. संक्षेप में, गैर वर्दी, असंगत, और / या oscillating धारा समस्याओं की एक किस्म का संकेत है, गरीब फाइबर संरेखण सहित, beading, splattering और curlicue या लहराती पैटर्न. स्ट्रीम समाधान की संरचना और electrospinning तंत्र के विन्यास का समायोजन करके अनुकूलित किया जा सकता है, इस प्रकार संरेखण और फाइबर का उत्पादन किया जा रहा की आकारिकी का अनुकूलन. इस प्रोटोकॉल में, हम एक बुनियादी electrospinning तंत्र की स्थापना, empirically approximating के एक बहुलक समाधान के महत्वपूर्ण उलझाव एकाग्रता और electrospinning प्रक्रिया के अनुकूलन के लिए एक प्रक्रिया मौजूद है. इसके अलावा, हम कुछ आम समस्याओं और समस्या निवारण तकनीकों पर चर्चा की.

1. एक पॉलिमर चुनें

1. (उदाहरण के लिए, पाली एल लैक्टिक एसिड (PLLA), polycaprolactone (PCL), (पी एस) polystyrene या नायलॉन) बहुलक आपके विनिर्देशों के आधार पर (जैसे, biodegradable के थर्माप्लास्टिक, या पार Linkable) और उस बहुलक का एक विलायक चुनें. उपयुक्त व्यक्तिगत सुरक्षा अपने चयन पर आधारित उपकरण चुनें.
2. आपके आवेदन पर आधारित सब्सट्रेट का चयन करें (उदाहरण के लिए, ग्लास, प्लास्टिक, धातु, या सिलिकॉन वफ़र).

2. कलेक्टर चुनें

1. आपके विनिर्देशों के आधार पर कलेक्टर ज्यामिति चुनें. रैंडम फाइबर स्थिर प्लेटों पर एकत्र किया जा सकता है है. निरपेक्ष फाइबर तेजी से घूर्णन पहियों, ड्रम, या छड़, या समानांतर प्लेटों पर पर एकत्र किया जा सकता है.
2. कलेक्टर प्रवाहकीय हो और इस तरह अपनी एक्सल से अलग रहना चाहिए कि यह भी आसन्न वस्तुओं, टेबल टॉप, आदि ग्राउंडिंग के बिना जमीन किया जा सकता है

3. लगभग क्रिटिकल उलझाव Empirically ¹ एकाग्रता

1. कई उम्मीदवार बहुलक सांद्रता (जैसे, 4, 10, 15, 20, 30% wt) तैयार है और एक एकाग्रता है कि बहती है (समाधान एक चिपचिपा तरल लेकिन एक जेल नहीं होना चाहिए) के साथ शुरू चुन.
2. Electrospinning ^2,3,4,5 तंत्र (चित्रा 1 देखें) सेट
   1. लोड सिरिंज पंप और पंप ऐसी है कि समाधान के किसी भी मनका टिप से सफाया तुरंत जगह है गति सेट.
   2. ग्राउंड कलेक्टर और कंडक्टर प्लेट (एल्यूमीनियम के माध्यम से जो सिरिंज टिप protrudes पन्नी के रूप में प्रवाहकीय सामग्री का एक छोटा सा वर्ग) के लिए उच्च वोल्टेज तार क्लिप.
   3. पहिया कताई शुरू करो.
   4. यकीन है कि बिजली की आपूर्ति से पहले यह मोड़ पर शून्य पर सेट है.
3. धारा निरीक्षण
   1. वोल्टेज रैंप धीरे और सुई की नोक पर समाधान के मनका घड़ी.
   2. वोल्टेज समायोजित करने के लिए एक लंबी और सतत स्ट्रीम प्राप्त. यदि एक सतत स्ट्रीम प्राप्त नहीं किया जा सकता है, बहुलक समाधान एकाग्रता समायोजित करें. एक उदाहरण के लिए देखें तालिका 1.

4. समस्या निवारण - स्ट्रीम:

1. धारा को देखने में परेशानी
   1. एक अंधेरे मैट पृष्ठभूमि का प्रयोग करें और दर्शक और धारा (देखें चित्र 2) के बीच एक यूनिडायरेक्शनल प्रकाश स्रोत (जैसे एक टॉर्च के रूप में) जगह है.
2. सिरिंज टिप से टपकाव
   1. यदि बहुलक समाधान सीधे नीचे पहिया के लिए कोई आकर्षण के साथ टपकता है, यकीन है कि कंडक्टर प्लेट सुई टिप के साथ संपर्क कर रहा है और कलेक्टर जमीन के साथ संपर्क कर रहा है कि.
   2. यदि सिरिंज नोक पर बहुलक समाधान के ड्रॉप पहिया की दिशा में झुकाव है, लेकिन एक धारा के गठन नहीं है, वोल्टेज वृद्धि हुई है. स्ट्रीम की गुणवत्ता अलग दूरी और वोल्टेज जब तक एक सतत स्ट्रीम दिखाई देता है द्वारा समायोजित किया जा सकता है. एक 4% PLLA समाधान और एक 8x8 सेमी कंडक्टर की थाली के लिए इसी voltages के साथ सुझाव दिया दूरी के लिए चित्रा 3 देखें.
3. सिरिंज नोक पर बड़े ग्लोब
   1. जब बहुलक समाधान को इकट्ठा करने और कठोर सुई ज़ोर से मारना की नोक पर एक कागज तौलिया के साथ एक गैर प्रवाहकीय छड़ी से जुड़ी glob के दूर शुरू होता है.
4. Oscillating या 'wagging धाराओं'
   जब धारा wagging है और नीचे तेजी से नीचे वोल्टेज बारी या सिरिंज टिप और पहिया के बीच की दूरी में वृद्धि. यदि धारा करने के लिए हिलाना बहुलक का एक उच्च एकाग्रता का उपयोग करें या एक धीमी वाष्पीकरण के साथ एक छोटे से विलायक जोड़ने जारी है.
5. लघु या असंतत धाराओं
   दर्शनीय स्थिर पहिया सेट के साथ एक उच्च घूर्णी वेग में नमूदार संपर्क बनाने धाराओं एकरूपता और संरेखण के उच्चतम गुणवत्ता उपज है. जब धारा छोटी और असंतत है, बहुलक समाधान में वृद्धि, अधिक धीमी गति से जोड़ने विलायक evaporating, और वोल्टेज समायोजन और धारा की लंबाई और स्थिरता में सुधार होगा.

5. समस्या निवारण - फाइबर आकृति विज्ञान ^6,7,8 (चित्रा 4 उल्लेख)

1. Beading
   जब मोती फाइबर में खोज कर रहे हैं, बहुलक समाधान को बढ़ाने के लिए और यकीन है कि कंडक्टर प्लेट सुई के साथ निरंतर संपर्क बना रही है और जमीन तार ब्रश पहिया के साथ निरंतर संपर्क बना रही है कि.
2. रिबन और खून बह रहा फाइबर
   जब फाइबर रिबन के रूप में गठन कर रहे हैं या एक साथ खून बह रहा है, बहुलक के एक उच्च एकाग्रता या वाष्पीकरण की एक उच्च दर (अधिक अस्थिर) के साथ एक विलायक का उपयोग करें.
3. Curlicue या लहराती फाइबर
   जब फाइबर लहरों या curlicues गठन कर रहे हैं, पहिया गति को बढ़ाने या सुई टिप कलेक्टर से आगे बढ़ना. इसके अलावा जांच, कि कंडक्टर की थाली और कलेक्टर नहीं हिल रहे हैं.
4. ⁹ porosity
   यदि pores वांछित हैं, एक तेजी से evaporating विलायक का उपयोग करें. यदि pores के वांछित नहीं हैं, सह विलायक की एक छोटी राशि है कि प्रमुख विलायक से कम अस्थिर है जोड़ने की कोशिश करें.
5. ¹⁰ संरेखण
   जब कलेक्टर mov हैआईएनजी एक कम आरपीएम पर या आराम पर, संरेखण की गुणवत्ता खराब है. पहिया की गति को बढ़ाने के द्वारा संरेखण बढ़ाएँ.

6. प्रतिनिधि परिणाम:

ठेठ फाइबर परिणामों के depictions के लिए चित्रा 4 का संदर्भ लें.

चित्रा 1 एक ठेठ electrospinning सेटअप. एक बहुलक समाधान (नीला) एक सिरिंज पंप (नारंगी) से तिरस्कृत है. एक उच्च वोल्टेज डीसी बिजली की आपूर्ति (हरा) एक तेजी से घूर्णन पहिया (ग्रे) कलेक्टर के आधार पर जो गठबंधन किया nanofibers एकत्र कर रहे हैं. सिरिंज और कलेक्टर के बीच बहुलक जेट एक स्थिर स्ट्रीमिंग खंड और एक तेजी से oscillating सजा खंड के होते हैं.

. चित्रा 2 स्ट्रीमिंग जेट सिरिंज टिप निकल दिखाई है, सजा जेट भी देखा जा करने के लिए छोटा है.

PLLA की आलोचना उलझाव एकाग्रता approximating

तालिका 1. एक उदाहरण PLLA की आलोचना उलझाव एकाग्रता के सन्निकटन चित्रण. विभिन्न बहुलक सांद्रता की कोशिश की है और कर रहे हैं जिसके परिणामस्वरूप स्ट्रीमिंग एक सतत स्ट्रीम तक मनाया विमानों प्राप्त की है.

चित्रा 3. सिरिंज टिप और कलेक्टर के बीच की दूरी लागू वोल्टेज के साथ संतुलित होना चाहिए एक स्थिर स्ट्रीमिंग जेट प्राप्त है. अतिरिक्त वोल्टेज लागू एक oscillating या 'wagging' कम अच्छी तरह से गठबंधन फाइबर में है कि परिणाम के रूप में जेट का कारण बनता है. जब वोल्टेज भी कम है, कोई विमान फार्म और समाधान केवल सिरिंज सिरे से ड्रिप जाएगा. बैंगनी रंग छायांकित क्षेत्र ऊपर वोल्टेज श्रेणी का प्रतिनिधित्व करता है जिस पर एक स्थिर स्ट्रीमिंग जेट PLLA के लिए सिरिंज के लिए कलेक्टर की दूरी के एक समारोह के रूप में प्राप्त किया जा सकता है.

चित्रा 4 फाइबर electrospun beading (ए), रिबन (बी), (सी) curlicues, झरझरा ग्लोब (डी), अच्छा संरेखण (ई) और गरीब संरेखण (एफ) सहित morphologies की एक किस्म है, प्रदर्शन कर सकते हैं .

नोट: उदाहरण के बहुमत यहाँ पाली एल लैक्टिक एसिड (PLLA) nanofibers electrospinning के साथ सौदा प्रस्तुत . यह सिर्फ इसलिए है क्योंकि PLLA हमारी प्रयोगशाला में सबसे अधिक काता बहुलक है. हालांकि, हम भी सफलतापूर्वक इन तरीकों का इस्तेमाल अन्य पॉलिमर (जैसे, PLGA, PCL, पी एस) electrospin और विश्वास है कि यहाँ प्रस्तुत तकनीकों को आसानी से उच्च आणविक भार बहुलक समाधान मध्य के बहुमत के लिए लागू कर रहे हैं.

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

यह काम K08 EB003996 NIH और अमेरिका रिसर्च फाउंडेशन अनुदान 2573 के झोले के मारे हुए दिग्गजों द्वारा समर्थित किया गया.

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