تذوب الكتابة اليكتروسبينينج من السقالات Poly(ε-caprolactone) ثلاثي الأبعاد مع مورفولوجيس يمكن السيطرة عليها لتطبيقات هندسة الأنسجة

يعكس هذا الفيديو التعليمي على الغزل الكهربائي باستخدام ذوبان البوليمر في وضع الكتابة المباشرة ويوفر الإرشادات اللازمة لتصنيع السقالات ذات البنى المرتبة جيدا. يشير الغزل الكهربائي إلى تقنية معالجة البوليمر حيث يتم بثق بوليمر لزج من خلال فتحة بينما يثير تطبيق مجال كهربائي صعود النفاثة. تعمل القوى الكهروستاتيكية على تسريع الألياف نحو مجمع مشحون أو مؤرض بشكل معاكس.

من أجل الوصول إلى المستوى المطلوب من اللزوجة ، تم تسييل البوليمرات تقليديا في المذيبات. تتبخر هذه أثناء مرحلة الطيران ، والتي ، بالاقتران مع المجال الكهربائي ، تثير التواء قوي للألياف. ينتج عن هذا سقالات بوليمرية يصعب التحكم في خصائصها المورفولوجية وتوصيفها وإعادة إنتاجها.

توضح هذه التجربة الغزل الكهربائي مع ذوبان البوليمر. بدلا من الذوبان ، يتم الوصول إلى المستوى المطلوب من اللزوجة عن طريق تطبيق الحرارة على البوليمرات البكر. يؤدي نقص المذيبات إلى تحسين التشابك الجزيئي للبوليمر وينتج عنه مسار طيران أكثر استقرارا للألياف.

يمكن ترسيب ألياف مقياس ميكرون بدقة وفقا لحركة المجمع. يسمح الغزل الكهربائي بذوبان البوليمر في وضع الكتابة المباشرة بتصنيع معماريات سقالات مرتبة جيدا ، وصولا إلى مقياس الميكرون وحتى النانو. نتوقع أن تلعب التكنولوجيا دورا رئيسيا في مستقبل هندسة الأنسجة والطب التجديدي.

التكنولوجيا على سد الفجوة التي طال انتظارها بين عمليات تشكيل الألياف التقليدية ومبادئ الطباعة ثلاثية الأبعاد وتفتح طرقا جديدة لتصميم الجيل التالي من السقالات. تسهل كتابة الغزل الكهربائي الدقيقة المعالجة المباشرة للبلاستيك الطبي ، مثل بولي كابرولاكتون أو PCL. نظرا للأقطار الصغيرة والهياكل عالية التنظيم والمسامية ، فإن سقالات PCL الذائبة بالكهرباء هي هياكل مثالية لهذا الغرض كما هو الحال في المختبر وفي الجسم الحي.

أحد المتطلبات الأساسية لتحقيق الانحلال الحراري الفعال مع نتائج قيمة هو الأجهزة اللينة عالية الوظيفية. لذلك ، قمنا بتصميم نظام متكامل تماما مع التحكم الآلي في المحيط. هذا يسهل إنتاجا موثوقا وقابلا للتكرار على وجه التحديد للسقالات لتلبية متطلبات المستخدمين بشكل كاف.

تتضمن الكتابة الكهربائية الذائبة تصنيع سقالات ذات بنى مختلفة. يصف البرنامج التعليمي التالي تحضير المواد ، وإنتاج السقالات ، وتعديل قطر الألياف ، وتحسين الطائرات. املأ جرامين من PCL في حقنة بلاستيكية سعة ثلاثة ملليلتر وادفع المكبس برفق.

ضع المحقنة في فرن مسخن مسبقا لمدة ثماني ساعات على حرارة 65 درجة مئوية. اضغط على المكبس بحذر حتى تتم إزالة جميع فقاعات الهواء المحبوسة. قم بتوصيل إبرة 23ga وقم بتوصيلها بنظام ضغط الهواء.

اضغط عليه لأسفل حتى يخرج طرف الإبرة من الوعاء النحاسي. قم بتثبيت المجمع على المسرح. قم بتثبيته وتنظيفه بنسبة 70٪ من الإيثانول.

حدد سرعة واتجاه حركة المجمع عن طريق برمجة كود G لتغيير الحجم ومسافة الألياف المكانية وعدد طبقات السقالة. بالنسبة للسقالات الأنبوبية ، حدد سرعة الدوران وسرعة الترجمة وتكرارها لتحديد سمك السقالة. يمكن العثور على إرشادات مفصلة لبرمجة رموز G بشكل فردي للسقالات المسطحة أو الأنبوبية في المخطوطة.

افتح البرنامج Mach3 وقم بتحميل رمز G الذي تم إنشاؤه. هناك خمس معلمات نظام قابلة للتعديل تحدد بشكل كبير جودة السقالة الناتجة. هذه هي ضغط الهواء والجهد وسرعة التجميع ودرجة الحرارة ومسافة العمل ويجب تعديلها بالترتيب التالي.

ضع كتلة بلاستيكية مطبوعة ثلاثية الأبعاد بارتفاع 12 ملم بين الإبرة والمجمع لضبط مسافة العمل. قم بتشغيل كلا السخانين واضبطه على 65 درجة للجزء العلوي و 82 درجة للجزء السفلي. ابدأ ضغط الهواء وانتظر حتى يتم بثق البوليمر المنصهر من الإبرة.

قبل البدء في العملية ، تأكد من توصيل جميع كبلات التأريض بإحكام. أغلق الباب الأمامي للعلبة التي تربط التعشيق. قم بزيادة الجهد حتى يتحول الذوبان المبثوق إلى مخروط تايلور ويخرج نفاثة منصهرة باتجاه المجمع.

اسمح ببثق ذوبان البوليمر على لوحة التجميع الثابتة لمدة خمس دقائق لتثبيت النفاثة. يسمح الغزل الكهربائي بذوبان البوليمر بتصنيع أقطار ألياف مختلفة. يمكن تحقيق ذلك من خلال تغيير ضغط معلمات النظام والجهد والسرعة على وجه التحديد ، مع الحفاظ على المسافة ودرجة الحرارة على مستوى ثابت.

يمكن طباعة الألياف ذات القطر الصغير بين ثلاثة و 10 ميكرون من خلال تطبيق ضغط منخفض نسبيا ، ومجال كهربائي صغير إلى متوسط ، وسرعات تجميع عالية. بناء على الخبرة في مختبرنا ، يمكننا طباعة أربعة ألياف قطرها ميكرومتر بالقيم التالية: 0.9 بار ، وثمانية كيلو فولت ، و 1 ، 700 ملم في الدقيقة. يمكن طباعة الأقطار متوسطة الحجم بين 10 و 20 ميكرون من خلال تطبيق مستوى ضغط منخفض نسبيا ، والجهد المتوسط إلى العالي ، وسرعات التجميع في النطاق المتوسط.

بناء على الخبرة في مختبرنا ، يمكننا طباعة ألياف قطرها 13 ميكرومتر بالقيم التالية: 1.5 بار ، 11 كيلو فولت ، و 1 ، 200 ملم في الدقيقة. تتطلب الألياف التي تتراوح من 20 إلى 30 ميكرون أو أكثر معدلات بثق بوليمر كبيرة إلى جانب تطبيق الفولتية العالية نسبيا وأقل سرعات تجميع ممكنة. بناء على الخبرة في مختبرنا ، يمكننا طباعة ألياف قطرها 25 ميكرومتر بالقيم التالية: 2.6 بار ، 12 كيلو فولت ، و 700 ملم في الدقيقة.

ومع ذلك ، في جميع الحالات الثلاث ، ستكون هناك حاجة إلى الضبط الدقيق والتحسين للحصول على نتائج مستقرة بأقطار متجانسة. في الغزل الكهربائي الذائب ، فقط توازن متوازن تماما بين القوى التي تحدد تدفق كتلة البوليمر والقوى التي تجذب النفاثة نحو المجمع سيؤدي في النهاية إلى أشكال سقالة متسقة. يتم تحقيق توازن متوازن بشكل جيد بمجرد أن يشبه مسار رحلة الألياف منحنى سلالة على مدى فترة طويلة من الزمن.

ومع ذلك ، هناك ثلاثة سلوكيات منحرفة مختلفة معروفة. أولا ، يؤدي التوزيع غير المتوازن بين الكتلة التي يتم تسليمها إلى مخروط تايلور وقوى السحب الخاصة بها على الألياف إلى نفاثة مكهربة غير مستقرة. هنا يتم تغذية مخروط تايلور باستمرار بالبوليمر ويطلق كتلته في فترات زمنية متكررة.

الزوايا المتغيرة بشكل متكرر مرئية وتؤدي إلى أقطار مختلفة للغاية. من أجل إعادة استقرار العملية ، قم بتقليل معدل التدفق لتقليل توصيل البوليمر وزيادة السرعة والجهد لتضخيم قوى السحب على الألياف. ثانيا ، تنتقل الألياف لأسفل وتترسب بشكل عمودي على المجمع.

وبموجب هذا ، فإن مقدار قوى التسارع يتجاوز إمداد البوليمر في مخروط تايلور. تؤدي الزيادات الطفيفة في الضغط وخفض الجهد إلى حل الموقف ، أو تغيير سرعة التجميع. ثالثا ، تتخلف الألياف عن الركب وتشبه خطا مستقيما بزاوية عالية.

بموجب هذا ، يتم إنتاج ألياف سميكة نسبيا وسحبها. هذا يؤدي إلى زيادة عدم دقة الألياف المترسبة. سيؤدي انخفاض سرعة التجميع إلى حل المشكلة.

ومع ذلك ، هناك حاجة إلى زيادات طفيفة في شدة المجال الكهربائي. في الغزل الكهربائي الذائب ، هناك طريقتان للتجميع: المجمعات المسطحة وجامعات المغزل. يشير تطبيق المجمعات المسطحة إلى الطريقة الأكثر شيوعا.

الإبلاغ عن هياكل 090 و 060 درجة بأحجام مختلفة على نطاق واسع في الأدبيات. تسهل القدرة على ترسيب الألياف المنصهرة مباشرة على المجمع أيضا إنتاج الهياكل غير الخطية ، مثل الهياكل الدائرية المتكررة. يمكن تحقيق البنى الأنبوبية باستخدام مجمعات أسطوانية تدور وتعبر بالتوازي مع الإبرة.

من خلال الضبط الدقيق لفك تشفير كل من سرعة الدوران وكذلك سرعة الترجمة ، يمكن تعديل اتجاه الألياف. تؤدي سرعات الدوران الأعلى من السرعات الانتقالية إلى مسام شعاعية التوجيه والعكس صحيح. يعتمد قطر الأنبوب على قطر المغزل المنفذ.

يمكن العثور على قائمة مفصلة ببنى السقالات المختلفة وتطبيقاتها المقترحة في الدراسات المنشورة في المخطوطة. نظرا للمجال الكهربائي شديد الحساسية واعتماده المحدد على المسافة بين القطبين ، فمن الأهمية بمكان تسوية كل من مرحلة التجميع والجانب السفلي من رأس الطباعة بانتظام. إذا تم ضبط المسافة بين المجمع والرأس بالقرب من ذلك ، فإن المجال الكهربائي يزداد بشكل كبير حتى ترتفع شرارة بين المكونات.

قم بخفض الجهد على الفور على صندوق التحكم الكهربائي ، أو افتح الباب. قبل كل بداية للعملية ، تحقق جيدا من جميع توصيلات الكابلات وتأكد من أنها ليست مفكوكة. من المحتمل أن يؤدي أي تلف في الإبرة إلى تشوه مخاريط تايلور وبالتالي مخالفات داخل الطباعة.

لذلك ، يجب التخلص من الإبر التي تم ثني الطرف فيها عن طريق الخطأ. نأمل أن يساعد هذا الفيديو في إنشاء طائرة مكهربة مستقرة وأن تكون مقتنعا ، كما نحن ، بأن كتابة الغزل الكهربائي الذائب ستلعب دورا مهما في مجال هندسة الأنسجة والطب التجديدي.