Method Article

Electrospinning أساسيات : الحل الأمثل ومعلمات جهاز

DOI:

10.3791/2494

⸱

January 21st, 2011

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Michigan, 2State Key Laboratory of Bioelectronics, Southeast University, 3Department of Neurology, University of Michigan, 4Geriatrics Research, Education and Clinical Center, Veterans Affairs Ann Arbor Healthcare Center

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Electrospinning تقنيات يمكن إنشاء مجموعة متنوعة من السقالات nanofibrous للهندسة الأنسجة أو غيرها من التطبيقات. نحن هنا وصف إجراء لتحسين المعلمات من الحل electrospinning والأجهزة للحصول على الألياف مع التشكل المطلوب ، والمحاذاة. وتعرض أيضا المشاكل المشتركة وأساليب حل المشاكل.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد ثبت Electrospun السقالات nanofiber لتسريع نضج ، وتحسين النمو ، وتوجيه الهجرة من الخلايا في المختبر. Electrospinning هو العملية التي يتم جمعها طائرة البوليمر تفرض على أساس جامع ؛ التناوب بسرعة جمع النتائج في ألياف النانو الانحياز في حين جامعي نتيجة ثابتة في الحصير الألياف الموجهة بشكل عشوائي. يتم تشكيل طائرة البوليمر عندما تطبق رسوم الكهرباء يتغلب على التوتر السطحي من الحل. ووصف تركيز تشابك الحرجة هناك تركيز الحد الأدنى للبوليمر معين ، ، دونه لا يمكن أن يتحقق طائرة مستقرة ولا ألياف النانو سوف تشكل -- على الرغم من أن يمكن تحقيق النانوية (electrospray). طائرة مستقرة اثنين من المجالات ، قطعة قطعة ، وتدفق الجلد. في حين أن طائرة الجلد عادة غير مرئي للعين المجردة ، وغالبا ما يكون الجزء تدفق مرئية تحت ظروف الإضاءة المناسبة. مراقبة طول وسماكة ، والاتساق ، وحركة التيار مفيد للتنبؤ المحاذاة والتشكل من ألياف النانو التي يجري تشكيلها. تيار قصيرة ، غير موحدة ، غير متناسقة ، و / أو تتأرجح يدل على مجموعة متنوعة من المشاكل ، بما في ذلك محاذاة الألياف الفقراء ، والديكور ، والرش ، وأنماط الكورليكو أو متموجة. يمكن أن يكون الأمثل للتيار من خلال تعديل تركيبة من الحل وتكوين جهاز electrospinning ، وبالتالي تحسين المحاذاة والتشكل من الألياف التي يتم إنتاجها. في هذا البروتوكول ، نقدم إجراء لإنشاء جهاز electrospinning الأساسية ، وتقارب تجريبيا تركيز تشابك الحرجة من البوليمر والحل الأمثل لعملية electrospinning. بالإضافة إلى ذلك ، نحن مناقشة بعض المشاكل المشتركة ، وتقنيات حل المشاكل.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. اختيار بوليمر

  1. اختيار البوليمر (على سبيل المثال ، وبولي - L - حامض اللبنيك (PLLA) ، polycaprolactone (PCL) ، البوليستيرين (PS) أو النايلون) على أساس المواصفات الخاصة بك (على سبيل المثال ، للتحلل ، بالحرارة أو عبر linkable) والمذيبات هذا البوليمر. اختيار معدات الوقاية الشخصية المناسبة وفقا لاختيارك.
  2. حدد ركيزة يستند التطبيق الخاص بك (على سبيل المثال ، والزجاج والبلاستيك والمعدن أو رقاقة السيليكون).

2. اختيار جامع

  1. اختيار الهندسة جامع على أساس المواصفات الخاصة بك. ويمكن جمع ألياف عشوائي على لوحات ثابتة. ويمكن جمع ألياف الانحياز بشأن الدورية بسرعة الطبول ، والعجلات أو قضبان ، أو على لوحات متوازية.
  2. يجب أن يكون مجمع موصل ويجب أن تظل معزولة عن أكسل في مثل هذه الطريقة التي يمكن أن تستند أيضا من دون أسس الأجسام المجاورة ، أعلى الجدول ، الخ.

3. التقريبي للتركيز تشابك الناحية العملية الحرجة 1

  1. إعداد عدة تجمعات مرشح البوليمر (على سبيل المثال ، 4 ، 10 ، 15 ، 20 ، 30 ٪ بالوزن) ، واختيار التركيز الذي يتدفق (الحل يجب أن يكون السائل اللزج ولكن ليس مادة هلامية) لتبدأ.
  2. إعداد جهاز electrospinning 2،3،4،5 (انظر الشكل 1)
    1. تحميل ضخ حقنة وتعيين سرعة المضخة بحيث يتم استبداله فورا عن أي حبة من محلول تمحى من طرف.
    2. جامع الارض ومشبك سلك الجهد العالي إلى لوحة الموصلات (مربع صغير من المواد الموصلة مثل رقائق الألمنيوم الذي يبرز من خلال طرف الحقنة).
    3. بدء عجلة الغزل.
    4. تأكد من تعيين إمدادات الطاقة إلى الصفر قبل تشغيله.
  3. مراقبة الدفق
    1. منحدر الجهد ببطء ومشاهدة حبة من الحل في طرف الإبرة.
    2. ضبط الجهد للحصول على تيار طويلة وثابتة. إذا لا وجود تدفق مستمر يمكن الحصول عليها ، وضبط تركيز حل البوليمر. انظر الجدول رقم 1 على سبيل المثال.

4. المشاكل -- تيار :

  1. مشكلة في عرض الدفق
    1. استخدام خلفية ماتي مظلمة ومكان مصدر الضوء أحادي الاتجاه (مثل مصباح يدوي) بين المشاهد ، وتيار (انظر الشكل 2).
  2. يقطر من طرف الحقنة
    1. إذا كان هذا الحل البوليمر يقطر أسفل على التوالي مع عدم وجود جاذبية لعجلة القيادة ، وتأكد من لوحة الموصلات هو جعل الاتصال مع طرف إبرة وجامع هو جعل الاتصال مع الارض.
    2. اذا قطرة من حل البوليمر في طرف الحقنة يميل في اتجاه عجلة القيادة لكن لم يتم تشكيل تيار وزيادة الجهد. ويمكن تعديل نوعية الدفق من خلال تغيير المسافة والجهد وحتى دفق مستمر مرئيا. انظر الشكل رقم 3 لمسافات اقترح مع الفولتية المقابلة للتوصل إلى حل PLLA 4 ٪ وموصل لوحة 8X8 سم.
  3. globs كبيرة على طرف الحقنة
    1. عندما حل البوليمر يبدأ في جمع وتتصلب في غيض من ممغنطة ، إبرة غلوب بعيدا مع منشفة ورقية تعلق على عصا غير موصل.
  4. تتأرجح أو تيارات 'يهز'
    عندما دفق هو الذي يهز صعودا وهبوطا سريعا ، رفض التيار الكهربائي أو زيادة المسافة بين طرف الحقنة والعجلة. إذا كان تيار تواصل هز استخدام تركيز أعلى من البوليمر أو إضافة مذيب أبطأ قليلا مع التبخر.
  5. قصيرة متقطعة أو تيارات
    تيارات مطرد مما يجعل الاتصال المرئي يمكن ملاحظتها مع مجموعة العجلات في سرعة التناوب ارتفاع العائد على أعلى مستوى من الجودة من الاتساق والمواءمة. عندما الدفق قصيرة ومتقطعة ، وزيادة حل البوليمر ، وإضافة المزيد من بطء تبخير المذيب ، وضبط الجهد سيؤدي إلى تحسين طول والثبات للتيار.

5. المشاكل -- المورفولوجيا الألياف 6،7،8 (راجع الشكل 4)

  1. الديكور
    عندما يتم اكتشاف حبات في الألياف ، وتزيد من حل البوليمر وتأكد من أن لوحة الموصلات هو جعل اتصال مستمر مع الإبرة والتي ترتكز على فرشاة سلك هو جعل اتصال مستمر مع عجلة القيادة.
  2. شرائط وألياف النزيف
    عندما يتم تشكيل الألياف وأشرطة أو نزيف معا ، واستخدام تركيز أعلى من البوليمر أو مذيب مع ارتفاع معدل التبخر (أكثر تقلبا).
  3. الكورليكو أو الألياف المتموجة
    عندما يتم تشكيل ألياف أو موجات الكورليكو ، وزيادة سرعة عجلة أو نقل معلومات سرية إبرة أخرى من المجمع. أيضا ، تأكد من أن لوحة الموصلات وجامع لا تهتز.
  4. المسامية 9
    إذا المطلوب المسام ، واستخدام المذيبات تتبخر بسرعة. إذا كنت لا ترغب المسام ، حاول إضافة كمية صغيرة من المذيب المشترك الذي هو أقل تقلبا من المذيب الرئيسية.
  5. محاذاة 10
    عندما يتم تجميع وسائل التحققجي في الدقيقة منخفضة أو في بقية ، ونوعية رديئة المحاذاة. زيادة المواءمة عن طريق زيادة سرعة العجلات.

6. ممثل النتائج :

يرجى الرجوع إلى الشكل (4) لتصوير نتائج الألياف نموذجية.

figure-protocol-1
الشكل 1. electrospinning إعداد نموذجي. والاستغناء عن حل البوليمر (الأزرق) من ضخ حقنة (برتقالي). رفيع العاصمة امدادات الطاقة الجهد (الأخضر) أسس جامع عجلة دوارة بسرعة (الرمادي) على ألياف النانو التي يتم جمعها الانحياز. الطائرة البوليمر بين حقنة وجامع يتكون من قطعة تدفق ثابت وجزء تتأرجح بسرعة الجلد.

figure-protocol-2
. الشكل 2 الطائرة تدفق مرئية تخرج من طرف الحقنة ، والجلد طائرة صغيرة جدا أن نرى.

يقترب تركيز تشابك الحاسمة PLLA

PLLA (٪ وزن / V) مراقبة تركيز التكيف
0.5 نازف ، ولا دفق زيادة
2.0 البصق globs الصغيرة ، ولا دفق Increse قليلا
4.0 دفق ثابت جيد
6.0 البصق globs كبيرة او الخرز انخفاضا طفيفا
12.0 التثاقل على الحافة ، ولا دفق نقصان

الجدول 1. مثال تصور تقريبي للتركيز تشابك PLLA الحاسمة. ويحاكم تركيزات مختلفة البوليمر ويتم الحصول على طائرات مما أدى تدفق وحظ حتى دفق مستمر.

figure-protocol-3
يجب أن الرقم 3. أن تكون متوازنة والمسافة بين كل طرف والمحاقن وجامع مع الجهد المطبق على الحصول على طائرة ثابتة الدفق. الجهد الزائد يؤدي تطبيق تتأرجح أو "يهز" النفاثة التي لتشكيل النتائج في أقل ألياف جيدا الانحياز. عندما الجهد منخفض جدا ، لن شكل طائرة والحل لن يكون إلا بالتنقيط من طرف الحقنة. المنطقة المظللة تمثل الأرجواني فوق النطاق على مدى الجهد الذي يمكن الحصول على طائرة ثابتة لتدفق PLLA بوصفها وظيفة من الحقنة إلى جامع المسافة.

figure-protocol-4
ان الرقم 4. ألياف Electrospun المعرض مجموعة متنوعة من morphologies ، بما في ذلك الديكور (A) ، وأشرطة (B) ، الكورليكو (C) ، globs مسامية (D) ، والمحاذاة جيدة (E) والمحاذاة الفقراء (F).

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ملاحظة : إن الغالبية من الأمثلة المعروضة هنا التعامل مع electrospinning بولي - L - حامض اللبنيك (PLLA) ألياف النانو. هذا ببساطة لأن PLLA البوليمر هو الأكثر شيوعا في شباك المختبر لدينا. ومع ذلك ، لدينا أيضا استخدمت بنجاح هذه الأساليب لelectrospin البوليمرات الأخرى (على سبيل المثال ، PLGA ، PCL ، PS) ، ونعتقد أن التقنيات المعروضة هنا يتم بسهولة المطبق على غالبية منتصف إلى عالية الوزن الجزيئي حلول البوليمر.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأيد هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة K08 EB003996 وقدامى المحاربين من مؤسسة مشلولة أمريكا منحة بحثية 2573.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
مزود طاقة تيار مستمر عالي الجهدغاما عالي الجهدES40P-5W
مضخة حقنةKD ScientificKDS100
رقائق الألومنيومرينولدز التفاف
أطراف معدنية حادة ، 23gaفيشر Scientific13-850-102
حقنة بولي بروبلينBD Biosciences309585
الدورية أو جامع ثابتحسب الطلب
مختلف مقاطع وأسلاك التمساح ثنائي
ميثيل فورماميدفيشر ScientificAC11622-0010
كلوروفورمفيشر ScientificAC42355-0040
PLLABoehringer IngeheimResomer L210
PLGA 85:15Sigma-Aldrich43471
شريط الكربونتيد بيلا ، Inc.13073-1
مصنوع

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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, 589-603 (2010).
  3. Lin, D. Y., Johnson, M. A., Vohden, 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, 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, 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, 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

ElectrospinningNanofiber ScaffoldsCritical Entanglement ConcentrationPolymer SolutionCollector GeometrySolution CompositionApparatus ConfigurationFiber AlignmentFiber MorphologyTroubleshooting Techniques

Related Articles