Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(ε-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

本视频教程以直接写入模式反映了聚合物熔体的静电纺丝，并为制造具有有序架构的支架提供了必要的指南。静电纺丝是指一种聚合物加工技术，其中粘性聚合物通过孔口挤出，同时施加电场会引起射流的增加。静电力使光纤加速到带相反电荷或接地的集流体。

为了达到所需的粘度水平，聚合物传统上是在溶剂中液化的。这些物质在飞行阶段蒸发，与电场结合，引起纤维的强烈屈曲。这导致聚合物支架的形态特性难以控制、表征和繁殖。

本实验演示了聚合物熔体的静电纺丝。通过对原生聚合物加热来达到所需的粘度水平，而不是溶解。缺乏溶剂改善了聚合物的大分子缠结，并导致更稳定的纤维飞行路径。

微米级纤维可以根据收集器的运动准确沉积。在直接写入模式下使用聚合物熔体进行静电纺丝可以制造出有序的支架结构，小到微米甚至纳米级。我们预测该技术将在组织工程和再生医学的未来中发挥关键作用。

该技术弥合了传统纤维成型工艺和 3D 打印原理之间期待已久的差距，并为设计下一代脚手架开辟了新的途径。微静电纺丝书写有助于直接加工医用塑料，例如聚己内酯或 PCL。由于直径小、结构高度组织化和孔隙率，熔融静电纺丝 PCL 支架是体外和体内的理想结构。

实现有效热解并获得有价值结果的一个主要先决条件是功能强大的软件和硬件。因此，我们设计了一个具有自动周界控制的完全集成系统。这有助于可靠且可重复地生产脚手架，以充分满足用户的要求。

熔融静电自旋写入涉及制造具有不同架构的支架。以下教程介绍了材料准备、支架生产、纤维直径调整和射流优化。将 2 克 PCL 倒入 3 毫升塑料注射器中，然后轻轻推入柱塞。

将注射器放入预热的烤箱中，在 65 摄氏度下放置 8 小时。小心挤压柱塞，直到去除所有残留的气泡。连接 23ga 针头并将其连接到气压系统。

向下按压，直到针尖从黄铜罐中露出。在舞台上安装收集器。安装并用 70% 乙醇清洁。

通过对 G 代码进行编程，以改变支架的大小、空间光纤距离和层数，确定收集器移动的速度和方向。对于管状脚手架，选择转速、平移速度及其重复次数以定义脚手架的厚度。可以在手稿中找到为扁平或管状支架单独编程 G 代码的详细指南。

打开软件 Mach3 并上传生成的 G 代码。有五个可调节的系统参数，这些参数在很大程度上决定了最终脚手架的质量。这些是气压、电压、收集速度、温度和工作距离，应按以下顺序进行调整。

在针头和收集器之间放置一个 12 毫米高的 3D 打印塑料块以调整工作距离。打开两个加热器，并将顶部设置为 65 度，底部设置为 82 度。启动气压并等待熔融聚合物从针中挤出。

在开始该过程之前，请确保所有接地电缆都连接牢固。关闭连接联锁装置的机柜前门。增加电压，直到挤压的熔体转变为泰勒锥，并向收集器喷射熔融射流。

让聚合物熔体在静止的收集板上挤出 5 分钟，以稳定射流。使用聚合物熔体进行静电纺丝可以制造不同直径的纤维。这可以通过专门改变系统参数 pressure、voltage 和 speed 来实现，同时保持距离和温度恒定。

可以通过施加相对较低的压力、小到中等的电场和高收集速度来打印 3 到 10 微米之间的小直径纤维。根据我们实验室的经验，我们可以打印四根直径为千分尺的纤维，其值如下：0.9 bar、8 kvolt 和 1， 700 mm/min。可以通过施加相对较低的压力水平、中到高电压和中等范围内的收集速度来打印 10 到 20 微米之间的中等直径。

根据我们实验室的经验，我们可以打印直径为 13 微米的纤维，其值如下：1.5 bar、11 kV 和 1， 200 毫米/分钟。20 至 30 微米或更大的纤维需要较大的聚合物挤出速率，同时需要相当高的电压和尽可能低的收集速度。根据我们实验室的经验，我们可以打印直径为 25 微米的纤维，其值如下：2.6 bar、12 kV 和 700 mm/min。

然而，在所有三种情况下，都需要微调和优化才能获得具有均匀直径的稳定结果。在熔融静电纺丝中，只有决定聚合物质量流动的力与吸引射流向捕收剂的力之间达到完美平衡，才能最终产生一致的支架形态。一旦纤维的飞行路径在很长一段时间内类似于悬链线曲线，就可以实现良好的平衡。

然而，已知有三种不同的偏离行为。首先，传递到泰勒锥的质量与纤维上的相应阻力之间的不平衡分布导致带电射流不稳定。在这里，泰勒锥不断被聚合物过度进料，并在频繁的时间段内释放其质量。

经常变化的角度是可见的，并导致直径差异极大。为了重新稳定工艺，降低流速以最大限度地减少聚合物输送，并增加速度和电压以放大纤维上的拉力。其次，纤维向下移动并垂直沉积在收集器上。

因此，加速力的大小超过了泰勒锥中的聚合物供应。略微增加压力和降低电压可以解决这种情况，或者改变收集速度。第三，纤维滞后，在大角度下类似于一条直线。

因此，产生并拖动相对较粗的纤维。这会导致沉积纤维的不准确性增加。降低收集速度将解决问题。

但是，需要略微增加电场强度。在熔融静电纺丝中，有两种收集方法：平板收集器和心轴收集器。应用平面收集器是指最常见的方法。

不同大小的 090 和 060 度结构在文献中被广泛报道。直接在集热器上沉积熔融纤维的能力也有助于生产非线性结构，例如重复的圆形结构。管状结构可以通过圆柱形收集器来实现，圆柱形收集器可以平行于针旋转和移动。

通过微调旋转和平移速度的解码，可以修改纤维的方向。高于平移速度的转速会导致径向导向的孔隙，反之亦然。管子的直径取决于所实施的心轴的直径。

稿中可以找到不同支架架构及其在已发表研究中拟议应用的详细列表。由于高度敏感的电场及其对两个电极之间距离的特定依赖性，因此定期调平收集台和打印头的底部非常重要。如果集电极和磁头之间的距离设置得太近，电场会显著增加，直到元件之间产生火花。

立即调低电气控制箱上的电压，或打开门。在每次开始过程之前，请仔细检查所有电缆连接并确认它们没有松动。任何针的损坏都可能导致泰勒锥变形，从而导致打印不规则。

因此，必须处理掉针尖意外弯曲的针头。我们希望该视频有助于建立稳定的电动射流，并希望您像我们一样相信熔融静电纺丝书写将在组织工程和再生医学领域发挥重要作用。