Fundamentos eletrofiação: Solução de Otimização e Parâmetros Aparelho

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).

Andaimes electrospun nanofibras foram mostrados para acelerar a maturação, melhorar o crescimento, e direcionar a migração de células in vitro. Eletrofiação é um processo em que um polímero é cobrado jet coletados em um coletor aterrado; uma rápida rotação resultados coletor em nanofibras alinhadas enquanto resultado coletores estacionários em esteiras de fibra orientados aleatoriamente. O jato de polímero é formado quando uma carga eletrostática aplicada supera a tensão superficial da solução. Há uma concentração mínima para um dado polímero, chamado de concentração de emaranhamento crítico, abaixo do qual um jato estável não pode ser alcançado e não nanofibras formará - embora as nanopartículas podem ser alcançados (electrospray). Um jato estável tem dois domínios, um segmento de streaming e um segmento de chicotadas. Enquanto o jato chicotadas é geralmente invisíveis a olho nu, o segmento de transmissão é muitas vezes visível sob condições de iluminação apropriada. Observando-se o comprimento, espessura, consistência e movimento do fluxo é útil para prever o alinhamento e morfologia do nanofibras sendo formado. Um fluxo de curto, não uniforme, inconsistente e / ou oscilante é indicativo de uma variedade de problemas, incluindo o alinhamento de fibra pobres, beading, splattering e padrões curlicue ou ondulado. O fluxo pode ser otimizado, ajustando a composição da solução e da configuração do aparelho eletrofiação, otimizando o alinhamento e morfologia das fibras sendo produzido. Neste protocolo, apresentamos um procedimento para a criação de um aparato electrospinning básico, empiricamente aproximar a concentração entrelaçamento crítico de uma solução de polímero e otimizar o processo de eletrofiação. Além disso, discutimos alguns problemas comuns e técnicas de solução de problemas.

1. Escolha um Polímero

1. Escolha um polímero (por exemplo, poli-L-láctico (PLLA), policaprolactona (PCL), poliestireno (PS) ou nylon) com base em suas especificações (por exemplo, biodegradável, termoplástico ou cross-linkable) e um solvente que de polímero. Escolha o equipamento de protecção individual adequado com base em sua seleção.
2. Selecione um substrato com base na sua aplicação (por exemplo, pastilha de vidro, metal, plástico ou silicone).

2. Escolha um coletor

1. Escolha a geometria do coletor com base em suas especificações. Fibras aleatórias podem ser coletados em placas estacionárias. Fibras alinhadas podem ser coletados em rotação rápida rodas, tambores ou varas, ou em placas paralelas.
2. O coletor deve ser condutora e deve permanecer isolada do seu eixo de tal forma que ele pode ser aterrado sem aterramento também objetos adjacentes, o tampo da mesa, etc

3. Aproximar as Concentração Entanglement Critical Empiricamente ¹

1. Prepare concentrações candidato várias polímero (por exemplo, 4, 10, 15, 20, 30% em peso) e escolha uma concentração que flui (a solução deve ser um líquido viscoso, mas não um gel) para começar.
2. Configurar o aparelho electrospinning ^2,3,4,5 (ver Figura 1)
   1. Carregar a bomba de seringa e definir a velocidade da bomba de tal forma que qualquer gota de solução limpou a partir da ponta é imediatamente substituído.
   2. Coletor o solo eo grampo do fio de alta tensão para a placa de condutores (um pequeno quadrado de material condutor, como folha de alumínio através da qual se projeta a ponta da seringa).
   3. Começar a girar a roda.
   4. Certifique-se o fornecimento de energia está definido para zero antes de ligá-lo.
3. Observar o fluxo
   1. Rampa de tensão se devagar e ver o talão da solução na ponta da agulha.
   2. Ajustar a tensão para obter um fluxo duradouro e estável. Se um fluxo constante não pode ser obtida, ajustar a concentração da solução de polímero. Ver Tabela 1 para um exemplo.

4. Solução de problemas - o Stream:

1. Problemas para visualizar o fluxo de
   1. Use um pano de fundo fosco escuro e coloque uma fonte de luz unidirecional (como uma lanterna) entre o espectador eo fluxo (ver figura 2).
2. Pingando da ponta da seringa
   1. Se a solução de polímero está gotejando para baixo com nenhuma atração para a roda, certifique-se o prato condutor está fazendo contato com a ponta da agulha e que o coletor está fazendo contato com o solo.
   2. Se a gota de polímero solução na ponta da seringa está inclinado na direção da roda, mas não está formando uma corrente, aumentar a tensão. A qualidade do fluxo pode ser ajustado pela variação da distância e da tensão até um fluxo constante é visível. Veja a Figura 3 para distâncias sugeridas com tensões correspondentes para uma solução de PLLA 4% e uma placa de condutores 8x8 cm.
3. Globs grande na ponta da seringa
   1. Quando a solução de polímero começa a coletar e endurecer na ponta da agulha de furto, o glob afastado com uma toalha de papel anexado a uma vara não-condutor.
4. Oscilante ou 'abanar' streams
   Quando o fluxo está abanando cima e para baixo rapidamente, diminua a tensão ou aumentar a distância entre a ponta da seringa e da roda. Se o fluxo continua a abanar utilizar uma maior concentração de polímero ou adicionar um pouco de solvente a uma menor evaporação.
5. Fluxos de curto ou descontínuo
   Visível córregos constantes fazer contato observáveis ​​com o conjunto roda em alta velocidade de rotação de rendimento a mais alta qualidade de uniformidade e alinhamento. Quando o fluxo é curta e descontínua, aumentando a solução de polímero, adicionando mais lenta evaporação do solvente, e ajustar a tensão vai melhorar o comprimento ea estabilidade do fluxo.

5. Solução de problemas - Morfologia Fiber ^6,7,8 (veja a Figura 4)

1. Beading
   Quando contas são descobertos em fibras, aumentar a solução de polímero e certifique-se o prato condutor está fazendo contato contínuo com a agulha e que a escova de fio terra está fazendo contato contínuo com a roda.
2. Fitas e fibras de sangramento
   Quando as fibras estão se formando como fitas ou estão sangrando juntas, use uma maior concentração de polímero ou um solvente com uma maior taxa de evaporação (mais voláteis).
3. Fibras Curlicue ou ondulado
   Quando as fibras estão formando ondas ou arabescos, aumentar a velocidade da roda ou mover a ponta da agulha mais do coletor. Além disso, verifique se a placa de condutores e coletor não estão vibrando.
4. Porosidade ⁹
   Se os poros são desejados, use um solvente evapora rapidamente. Se os poros não são desejados, tente adicionar uma pequena quantidade de co-solvente, que é menos volátil do que o solvente principais.
5. Alinhamento ¹⁰
   Quando o coletor é moving em baixas rotações ou em repouso, a qualidade de alinhamento é pobre. Aumentar o alinhamento, aumentando a velocidade da roda.

6. Resultados representativos:

Por favor, veja a Figura 4 para representações de resultados de fibra típica.

Figura 1. A configuração electrospinning típico. A solução de polímero (azul) está dispensada de uma bomba de seringa (laranja). A alta tensão de alimentação DC (verde) motivos um coletor de rodas de rotação rápida (cinza), sobre o qual nanofibras alinhadas são coletados. O jato de polímero entre a seringa eo coletor consiste de um segmento de constante fluxo e um segmento rapidamente oscilante chicotadas.

. Figura 2 O jet streaming é visível sair da ponta da seringa; o jato chicotadas é muito pequeno para ser visto.

Aproximar a concentração entrelaçamento crítico de PLLA

Tabela 1. Um exemplo que descreve a aproximação da concentração entrelaçamento crítico de PLLA. Várias concentrações de polímero são julgados e os jatos resultantes de streaming observado até um fluxo constante é obtida.

Figura 3. A distância entre a ponta da seringa eo coletor deve ser equilibrada com a tensão aplicada para obter um jato constante streaming. Tensão aplicada em excesso provoca uma oscilação ou jet 'abanar' a forma que resulta em menos fibras bem alinhadas. Quando a tensão é muito baixa, não vai jet forma ea solução só por gotejamento a partir da ponta da seringa. A região sombreada roxa acima representa a faixa de tensão sobre a qual um jato constante de streaming pode ser obtido para PLLA em função da seringa para coletor de distância.

Fibras Figura 4. Electrospun podem apresentar uma variedade de morfologias, incluindo beading (A), fitas (B), (C) arabescos, globs porosos (D), bom alinhamento (E) e mau alinhamento (F).

Nota: A maioria dos exemplos aqui apresentados lidar com electrospinning poli-L-láctico (PLLA) nanofibras. Isto é simplesmente porque é o polímero PLLA mais comumente girada em nosso laboratório. No entanto, também temos utilizado com sucesso destes métodos para electrospin outros polímeros (por exemplo, PLGA, PCL, PS) e acreditam que as técnicas aqui apresentadas são facilmente aplicáveis ​​para a maioria de médio a alto peso molecular de soluções de polímeros.

Não há conflitos de interesse declarados.

Este trabalho foi financiado pelo NIH K08 EB003996 e os Veteranos Paralisados ​​da América Research Foundation Grant 2573.

1. Shenoy, S.L., Bates, W.D., Frisch, H.L., & Wnek, G.E. Role of chain entanglements on fiber formation during electrospinning of polymer solutions: good solvent, non-specific polymer-polymer interaction limit. Polymer, 46, 3372-3384 (2005).
2. Gertz, C.C., Leach, M.K., Birrel, L.K., Martin, D.C., Feldman, E.L., & Corey, J.M. Accelerated neuritogenesis and maturation of primary spinal motor neurons in response to nanofibers. Dev. Neurobiol, 70(8):589-603, 2010.
3. Lin, D.Y., Johnson, M.A., Vohden, Jr, R.A., Chen, D., & Martin, D.C. Tailored nanofiber morphologies using modulated electrospinning for biomedical applications. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 736, D3.8.1-D3.8.6 (2003).
4. Corey, J.M., Gertz, C.C., Wang, B.S., Birrell, L.K., Johnson, S.L., Martin, D.C., & Feldman, E.L. The design of electrospun PLLA nanofiber scaffolds compatible with serum-free growth of primary motor and sensory neurons. Acta. Biomater. 4, 863-875 (2008).
5. Corey, J.M., Lin, D.Y., Mycek, K.B., Chen, Q., Samuel, S., Feldman, E.L., & Martin, D.C. Aligned electrospun nanofibers specify the direction of dorsal root ganglia neurite growth. J. Biomed. Mater. Res. A. 83, 636-645 (2007).
6. Tan, S-H., Kotaki, M., & Ramakrishna, S. Systematic parameter study for ultra-fine fiber fabrication via electrospinning process. Polymer, 46, 16, 6128-6134 (2005).
7. Yang, F., Murugan, R., Wang, S., & Ramakrishna, S. Electrospinning of nano/micro scale poly(L-lactic acid) aligned fibers and their potential in neural tissue engineering. Biomaterials, 26, 2603-2610, (2005).
8. Li, W., Laurencin, C.T., Caterson, E.J., Tuan, R.S., & Ko, F.K. Electrospun nanofibrous structure: A novel scaffold for tissue engineering. J. Biomed. Mater. Res. A, 60(4), 613-621, (2002).
9. Kim, C.H., Jung, Y.H., Kim, H.Y., & Lee, D.R. Effect of collector temperature on the porous structure of electrospun fibers. Macromol. Res., 14(1), 59-65 (2006).
10. Wang, H.B., Mullins, M.E., Cregg, J.M., Hurtado, A., Oudega, M., Trombley, M.T., & Gilbert, R.J. Creation of highly aligned electrospun poly-L-lactic acid fibers for nerve regeneration applications. J. Neural Eng. 6, (2009).

11 Comments

You must be signed in to post a comment. Please sign in or create an account.