Methodenartikel

Elektrospinnen Schreiben von dreidimensionalen Poly(ε-caprolactone) Gerüste mit steuerbaren Morphologien für Tissue Engineering Anwendungen zu schmelzen

DOI:

10.3791/56289

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23. Dezember 2017

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1ARC ITTC in Additive Biomanufacturing, Institute for Health and Biomedical Innovation (IHBI), Queensland University of Technology (QUT), 2Department for Functional Materials in Medicine and Dentistry and Bavarian Polymer Institute, University of Würzburg, 3Institute for Advanced Study, Technical University of Munich (TUM), 4George W Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Dieses Protokoll dient als ein umfassender Leitfaden, Gerüste über Elektrospinnen mit Polymer zu fabrizieren in eine direkte Schreibmodus schmilzt. Wir beschreiben den Prozess systematisch und definieren Sie die entsprechenden Parameter-Einstellungen für gezielte Gerüst Architekturen zu erreichen.

Zusammenfassung

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Dieses Tutorial zeigt auf den grundlegenden Prinzipien und Richtlinien für die Elektrospinnen schreiben mit Polymer-Plastik schmilzt, eine additive Fertigung-Technologie mit großem Potenzial für biomedizinische Anwendungen. Die Technik ermöglicht die direkte Ablagerung von biokompatiblen Polymerfasern, wohlgeordneten Gerüste in der Sub-Mikrometer auf Mikroebene zu fabrizieren. Die Errichtung eines stabilen, viskoelastische, Polymer-Jet zwischen einer Spinndüse und Sammler geschieht mit Hilfe einer angelegten Spannung und kann direkt geschrieben. Ein wesentlicher Vorteil von einem typischen poröse Gerüst ist ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis bietet erhöhte effektive Haftung Websites für Zellhaftung und Wachstum. Steuerung des Druckprozesses durch Feinabstimmung der Systemparameter können hohen Reproduzierbarkeit in der Qualität der gedruckten Gerüste. Es bietet auch eine flexible Fertigung-Plattform für Anwender, die morphologische Strukturen der Gerüste an ihre spezifischen Anforderungen anzupassen. Zu diesem Zweck präsentieren wir eine geführte Änderung der Parameter, einschließlich Geschwindigkeit, Spannung und Sammlung Strömungsgeschwindigkeit ein Protokoll, um unterschiedliche Faserdurchmesser mit Schmelze Elektrospinnen schreiben (MEW) zu erhalten. Darüber hinaus führen wir optimieren die Jet, oft erfahrene technische Herausforderungen zu diskutieren, erklären Problembehandlungsverfahren und präsentieren eine Vielzahl von bedruckbaren Gerüst Architekturen.

Einleitung

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Die Herstellung von dreidimensionalen (3D) biokompatible Strukturen für Zellen ist einer der wichtigsten Beiträge der additive Biomanufacturing Gewebe Engineering (TE), mit dem Ziel, Gewebe wiederherzustellen, indem die Anwendung maßgeschneiderte Biomaterialien, Zellen, biochemische Faktoren, oder eine Kombination davon. Fügen Sie daher die wichtigsten Anforderungen von Gerüsten für TE Anwendungen: Herstellbarkeit von biokompatiblen Materialien, steuerbare morphologischen Eigenschaften für gezielte Zellinvasion und optimierte Oberflächeneigenschaften für verstärkte Zelle Interaktion 1.

MEW ist eine lösungsmittelfreie Herstellungstechnik, die die Grundsätzen der additiven Fertigung (häufig sogenannte 3D-Druck) und Elektrospinnen für die Herstellung von Polymeren Netze mit hochgeordnete ultradünne Faser Morphologien2kombiniert. Es ist eine direkte schreiben Ansatz und präzise Einlagen Fasern nach vorprogrammierten Codes3, genannt G-Codes. Schmelze Electrospun, die Konstrukte derzeit sind mit einer flachen4,5 oder6,7 Sammler Dorn, um poröse flach und röhrenförmigen Gerüste bzw. zu fabrizieren zubereitet.

Diese Technik bietet erhebliche Vorteile TE regenerative Medizin (RM) Gemeinschaft und durch die Möglichkeit, direkt drucken medizinischem Polymere, wie z. B. poly(ε-caprolactone) (PCL), die ausgezeichnete Biokompatibilität8präsentiert. Weitere Vorteile sind die Möglichkeit, die Größe und Verteilung der Porosität, anpassen, durch die Hinterlegung der Fasern in hohem Grade organisiert Weise Gerüste hohe Oberflächen-Volumen-Verhältnis herzustellen. Bevor MEW durchgeführt werden kann, erfordert das Polymer zunächst die Anwendung von Wärme9. Einmal in einem flüssigen Zustand ein angewandte Luftdruck zwingt es heraus durch eine metallische Spinndüse fließen, die an einer Hochspannungsquelle angeschlossen ist. Der Kräfteausgleich zwischen der Oberflächenspannung und der Reiz der elektrostatisch geladene Tropfen an den geerdeten Sammler führt zur Bildung eines Taylor Kegel, gefolgt von den Auswurf eines Jet-10.

Bilder und eine schematische Zeichnung der hauseigenen Build MEW Vorrichtung verwendet für dieses Protokoll sind in Abbildung 1dargestellt. Es zeigt zusätzlich die Grundsätze der mit Isolierband, um elektrischen Entladung zwischen den Heizelementen und die elektrisch geladenen Messingteil rund um die Spinndüse zu vermeiden. Unzureichende Isolation führt zu internen Schäden der implementierten Hardware.

Je nach Einstellung der drei System-Parameter (Temperatur, Geschwindigkeit und Luftdruck Sammlung) ermöglicht MEW die Herstellung von Fasern mit verschiedenen Durchmessern, in die Diskussion Abschnitt erklärt. In den meisten Fällen werden jedoch Feinabstimmung und Optimierung der Jet erforderlich, bevor ein stabile Jet ausgeworfen werden. Die Visualisierung der elektrifizierten Reisen Jet ist ein effektiver Weg, um die Konsistenz und Homogenität des Prozesses zu überprüfen. Im Idealfall ähnelt die Flugbahn eine Fahrleitung Kurve durch ein Kräfteausgleich, gesteuert von der System-Parameter-11erworben. Darüber hinaus ist die Mikro und Makro-Struktur die Gerüste der Flugbahn des Polymer Jet12abhängig. Eine detaillierte Tabelle mit verschiedenen Durchbiegung Verhaltensweisen und Maßnahmen zur Optimierung ist im Abschnitt Diskussion gegeben.

In der vorliegenden Studie präsentieren wir eine Protokoll, die die Fertigungsschritte zur Herstellung von streng kontrollierte faserige Gerüste mit MEW-Technologie beschreibt. In dieser Arbeit, medizinische Grade PCL (Molekulargewicht 95-140 kg/Mol) wurde verwendet, da diese medizinischem PCL Reinheit in technischer Qualität verbessert hat, und seine mechanischen und Verarbeitung Eigenschaften eignen sich hervorragend für MEW. Breite Schmelze Verarbeitung Palette von PCL stammt aus seiner niedrigen Schmelzpunkt (60 ° C) und hohe thermische Stabilität. PCL ist übrigens ein langsam-Rate biologisch abbaubare Polymer, wodurch es ein ausgezeichnetes Material für viele Gewebetechnik Anwendungen13.

Für diese Studie wird die Temperatur und Sammler Abstand konstant gehalten werden (65 ° C und 82 ° C für die Spritze und Spinndüse Temperaturen (bzw.) und 12 mm für den Sammler-Abstand); angelegte Spannung, Sammler Geschwindigkeit und Luftdruck, wird jedoch variiert werden, um Fasern mit gezielten Durchmessern zu fabrizieren. Eine detaillierte Liste der veröffentlichten Studien mit MEW Gerüste finden Sie in den Abschnitt "Ergebnisse" und zeigt verschiedene Anwendungen für die Bereiche von TE und RM (Tabelle 1).

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Protokoll

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1. materielle Vorbereitung

  1. Füllen Sie 2 g PCL in einer 3 mL Kunststoffspritze mit einem Trichter und setzen Sie einen Kolben in das offene Ende.
  2. Legen Sie die Spritze im vorgeheizten Ofen bei 65 ° C für 8 h Punkt der Spitze nach oben um die Luftblasen zu aggregieren schließen, um die Öffnung zu ermöglichen.
  3. Drücken Sie den Kolben mit einem dünnen Gegenstand, die eingeschlossene Luft in das geschmolzene Material veröffentlichen.
  4. Lassen Sie es abkühlen auf Raumtemperatur, die erreicht wird, wenn das Polymer nicht nach 10 Minuten nicht mehr transparent ist.
  5. Lagern Sie die vorinstallierte PCL-Spritze bei Raumtemperatur an einem trockenen und dunklen, bis es verwendet wird.

2. Hardware und Software-Setup

  1. Legen Sie eine 23G flache Spitzen Nadel (Spinndüse) auf die Spritze und ein Fass-Adapter am anderen Ende die Spritze mit Luft-Druck-System verbinden.
  2. Legen Sie die Spritze in den Druckkopf und drücken Sie an, bis 1 mm aus dem Messingteil an der Unterseite des Kopfes der Spinndüse Tipp hervorsticht.
  3. Montieren Sie einen Kollektor auf der Bühne und reinigen Sie die Oberfläche als auch den Druckkopf mit Ethanol 70 % (Vol/Vol), Staub oder passives Polymer zu entfernen.
  4. Den Arbeitsabstand von Positionierung einen 12 mm hohen Gegenstand zwischen die Spinndüse und der Sammler und senken Sie den Druckkopf zu, bis die Spinndüse Spitze nur es berührt.
  5. Passen Sie den Temperaturregler im elektrischen Feld auf 82 ° C und 65 ° C für die Spinndüse Region und die Spritze bzw. und macht sie auf Schmelze der PCL.
  6. Für mindestens 10 Minuten warten Sie, bis das Polymer geschmolzen ist und initiieren Sie den Luftdruck zu, indem Sie den Regler auf 1,8 Bar.
  7. Bereiten Sie den G-Code, der Größe und Form, zwischen Filament Abstand und die Anzahl der Schichten des Gerüstes und der Sammlung Geschwindigkeit des Prozesses zu definieren.
    Hinweis: Eine detaillierte Vorlage für die Herstellung von flachen und röhrenförmigen Gerüste erfolgt im Abschnitt "Diskussion" (Tabelle 2).
  8. Manuell überprüfen Sie, dass alle Boden-Kabel sicher mit das Gehäuse und der Steckdose verbunden sind.
  9. Starten Sie die Software (z.B.MACH 3) auf dem Computer und laden Sie die vorbereiteten G-Code.

(3) Gerüst Herstellung

  1. Schließen Sie die vordere Tür des Gehäuses, die verbindet der Sicherheitsverriegelung und löst die Hochspannungsversorgung, die Spinndüse.
    Hinweis: Sobald die Tür geöffnet wird, können zum Beispiel wenn ein Druck beendet ist oder im Falle eines Notfalls die hohe Spannungsabfälle und das Gerüst sicher entfernt werden.
  2. Die hohe Spannung allmählich in 0,2 kV-Schritten zu erhöhen, bis ein Taylor-Kegel gebildet wird und eine Faser wird in Richtung des Sammlers ausgeworfen (siehe beispielhafte Taylor Kegel in Abbildung 1).
  3. Ermöglichen der Polymerschmelze, auf der noch Sammler Platte zur Stabilisierung des Jets ohne Bewegung für 5 Minuten extrudiert werden. Entfernen Sie den Haufen Material vor Beginn einer neuen Auflage.
  4. Verwenden Sie den Cursor auf der Tastatur, um den Druckkopf über dem Punkt zu bewegen, wo die G-Codes beginnen werden.
  5. Starten Sie den G-Code in der Software auf dem Computer.

(4) Faser Durchmesser Anpassung

  1. Halten Sie den Arbeitsabstand (12 mm) und der Temperaturregler (82 ° C und 65 ° C für die Spinndüse Region und die Spritze bzw.) auf einem konstanten Niveau wie zuvor beschrieben Schritte in 2.4 und 2.5.
    Hinweis: Eine Anpassung der unterschiedliche Durchmessern ist in Tabelle 3zusammengefasst.
  2. Fasern mit kleinen großen Durchmessern (3-10 µm) zu drucken. Reduzieren Sie die Luft Druckniveau auf 0,8 Bar, passen Sie die angelegte Spannung bis 8 kV und Satz Kollektor bis 1700 mm/min beschleunigen.
  3. Print Fasern mit mittlerer Größe Durchmesser (10-20 µm). Stellen Sie den Luftdruck auf 1,5 bar, eingestellte Spannung bis 11 kV und senken die Sammlung beschleunigen bis 1200 mm/min.
  4. Fasern mit großem Durchmesser (20-30 µm) zu drucken. Die Luft Druck erhöhen bis 2,6 Bar, verändern die angelegte Spannung bis 12 kV und Abnahme der Sammlung bis 700 mm/min beschleunigen.

(5) Jet-Optimierung

  1. Den Jet mit einem starken LED-Licht von außerhalb des Gehäuses für eine bessere Sicht zu beleuchten.
  2. Beobachten Sie das Verhalten der Faser 1 Minute lang und passen Sie die Systemparameter zur Optimierung des Prozesses in kleinen Schritten, d.h. 0,1 kV für anliegende Spannung, 100 mm/min für Sammlung Geschwindigkeit und 0,1 Bar Luftdruck.
    Hinweis: Eine Zusammenfassung ist in Tabelle 4angegeben.
  3. Zu stabilisieren, in regelmäßigen Abständen Ablenkung Verhalten durch Verringerung des Luftdrucks, Erhöhung der Geschwindigkeit und die Spannung zu minimieren, bis die Flugbahn der Faser eine stabile Oberleitung Kurve länger als 3 Minuten ähnelt.
  4. Korrigieren Sie die Flugbahn ein Rückstand an Jet durch Erhöhung der Spannung, Verringerung des Luftdrucks und Verringerung der Geschwindigkeit des Sammlers. Gelten Sie diese Maßnahmen, bis die Flugbahn der Faser wieder auf eine Oberleitung Kurvenform verschoben.
  5. Vermeiden Sie Fasern Reisen vertikal in Richtung des Sammlers durch die angelegte Spannung verringern, Erhöhung der Geschwindigkeit des Kollektors und den Luftdruck erhöhen, bis die Flugbahn des Jets behält die Form einer Fahrleitung Kurve wieder.

(6) Gerüst Sammlung

  1. Öffnen Sie die Tür, wenn der Druck abgeschlossen ist, und verwenden Sie den Cursor, um die Sammler-Platte auf die Tür zur besseren Zugänglichkeit zu bewegen.
  2. Sprühen Sie das Gerüst mit Ethanol 70 % (Vol/Vol) Mix und warten Sie 10 Sekunden, bis es sichtbar aus dem Kollektor löst.
  3. Sammeln Sie das fertige Gerüst von grabbing eine Kante mit einer Pinzette und hob sie aus dem Gehäuse heraus.

7. Fehlersuche

  1. Verringern Sie die angelegte Spannung zu, oder öffnen Sie die Tür sofort, wenn ein Funke zwischen der Spinndüse sichtbar oder ein knackendes Geräusch hörbar ist.
  2. Entfernen Sie alle gefährlichen Stoffe und Flüssigkeiten wie Ethanol 70 % (Vol/Vol) aus dem Inneren des Gehäuses, wie ein Feuer im Falle möglicher Funken entzünden könnte.
  3. G-Code entsprechend zu programmieren, dass die Spinndüse bewegt sich weg von der Gegend wo das Gerüst wird gedruckt, nachdem alle Ebenen fertig sind. Dies vermeidet Materialanhäufung oberhalb der Stelle, wo die Spinndüse endlich aufhört.
  4. Überprüfen Sie die Spinndüse unter die Lupe und überprüfen Sie, ob gibt es keine Schäden an der Spinndüse, wie dies die Homogenität des Kegels Taylor maßgeblich beeinflussen wird.

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Ergebnisse

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Zwei verschiedene Methoden der Sammlung sind in MEW, gebräuchlich sind flach und Dorn-Sammlung. Die daraus resultierenden Architekturen richten sich nach der Programmierung des G-Codes (Tabelle 2), die durch die Software ausgeführt wird.

Flache Sammlung
Anwenden von Flachkollektoren bezieht sich auf die am häufigsten verwendete Methode und ermöglicht die direkte Ablagerung von Material unter ...

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Diskussion

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AM zu integrieren, um innovative Lösungen für die Herausforderungen im Bereich Medizin zu finden stellt ein neues Paradigma für das 21St -Jahrhundert. Das so genannte "Bio-Fabrication" ist auf dem Vormarsch und Innovationen in Fertigungstechnologien ermöglichen die Produktion von hoch entwickelten Architekturen für TE Anwendungen. Elektrospinnen von Polymerschmelzen in eine direkte Schreibmodus (hier MEW) gilt als eines der vielversprechendsten Kandidaten Fertigung erfüllen die Bedürfnisse der Gemeinschaft TE ...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde finanziell von der Cooperative Research Centre CRC für Zelle Therapie Fertigung, das Australian Council ARC Forschungszentrum in Additiv Biomanufacturing und dem Institute for Advanced Study an der technischen Universität München unterstützt. Diese Forschung wurde von dem australischen Forschung Rat industrielle Transformation Ausbildungszentrum in Additiv Biomanufacturing http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026) durchgeführt. Bitte besuchen Sie die Website für Artikel, Bücher, Fernsehen oder Radio Programme, elektronischen Medien oder andere literarische Werke, die im Zusammenhang mit dem Projekt. Ferner bestätigen die Autoren dankbar Maria Flandes Iparraguirre für Unterstützung bei Dreharbeiten, Philip Hubbard für die Stimme über und Luise Grossmann für Dreh und Schnitt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
KunststoffspritzeNordson Australia Pty Ltd7012072EFD BARREL O 3mL Clear 50
Medical grade Poly (ε-caprolacton) (mPCL)Corbion Purac, NiederlandePURASORB PC12
23 GA NadelNordson Australia Pty Ltd7018302#23GP .013 X .25 ORANGE 50 PC
KolbenNordson Australia Pty Ltd7012166KOLBEN O 3mL WH WIPER 50
DruckadapterNordson Australia Pty Ltd7012059ADAPTER ASM O 3mL BL 1.8M
AluminiumsammlerAction Aluminium, AustralienSHP2Blatt 5005 H34
AcrylglasMulford Plastics Pty LtdACC6-13094
Mach 3 SoftwareArt SoftOnline gekauft
SicherheitsschalterverriegelungRS Komponenten Pty Ltd12621330
HochspannungsgeneratorEMCO High Voltage Co.DX250R
TemperaturreglerWATLOWPM9R1FJ X-
und Y-PositionierschlittenVELMEX Inc.Artikel-Nr.: XN-10-0020-M011

Referenzen

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Polycaprolacton Ger steSteuerung des FaserdurchmessersGer starchitekturElektrospinnen mit PolymerschmelzenDirect Writing ModusOptimierung der SystemparameterTechniken zur Jet StabilisierungAnpassung der Kollektorgeschwindigkeit

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