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

Dieses Video-Tutorial befasst sich mit dem Elektrospinnen mit Polymerschmelzen im direkten Schreibmodus und bietet die notwendigen Richtlinien für die Herstellung von Gerüsten mit gut geordneten Architekturen. Elektrospinnen bezieht sich auf eine Polymerverarbeitungstechnik, bei der ein viskoses Polymer durch eine Blende extrudiert wird, während das Anlegen eines elektrischen Feldes den Aufstieg eines Strahls provoziert. Elektrostatische Kräfte beschleunigen die Faser in Richtung eines entgegengesetzt geladenen oder geerdeten Kollektors.

Um ein gefordertes Viskositätsniveau zu erreichen, wurden Polymere traditionell in Lösungsmitteln verflüssigt. Diese verdampfen während der Flugphase, was in Kombination mit dem elektrischen Feld ein starkes Knicken der Fasern provoziert. Das Ergebnis sind polymere Gerüste, deren morphologische Eigenschaften schwer zu kontrollieren, zu charakterisieren und zu reproduzieren sind.

Dieses Experiment demonstriert das Elektrospinnen mit Polymerschmelzen. Anstatt sich aufzulösen, wird das erforderliche Viskositätsniveau durch die Anwendung von Hitze auf neue Polymere erreicht. Der Verzicht auf Lösungsmittel verbessert die makromolekulare Verschränkung des Polymers und führt zu einer stabileren Faserflugbahn.

Die Fasern im Mikrometerbereich können entsprechend der Bewegung des Kollektors genau abgeschieden werden. Das Elektrospinnen mit Polymerschmelzen im direkten Schreibmodus ermöglicht die Herstellung von geordneten Gerüstarchitekturen bis in den Mikrometer- und sogar Nanobereich. Wir gehen davon aus, dass die Technologie eine Schlüsselrolle in der Zukunft des Tissue Engineering und der regenerativen Medizin spielen wird.

Die Technologie schließt eine lang erwartete Lücke zwischen herkömmlichen Faserbildungsverfahren und 3D-Druckprinzipien und eröffnet neue Wege für die Gestaltung der nächsten Generation von Gerüsten. Das Mikro-Elektrospinn-Schreiben ermöglicht die direkte Verarbeitung von medizinischen Kunststoffen wie Polycaprolacton oder PCL. Aufgrund der kleinen Durchmesser und der hochorganisierten Strukturen und Porosität sind schmelzelektrogesponnene PCL-Gerüste wie in vitro und in vivo ideale Strukturen dafür.

Eine wesentliche Voraussetzung für eine effektive Pyrolyse mit wertvollen Ergebnissen ist eine hochfunktionale Soft- und Hardware. Aus diesem Grund haben wir ein vollständig integriertes System mit automatisierter Perimeterkontrolle entwickelt. Dies ermöglicht eine zuverlässige und spezifisch reproduzierbare Produktion von Gerüsten, um den Anforderungen der Anwender ausreichend gerecht zu werden.

Beim Melt Electrospin Writing werden Gerüste mit unterschiedlichen Architekturen hergestellt. Das folgende Tutorial beschreibt die Materialvorbereitung, die Gerüstherstellung, die Einstellung des Faserdurchmessers und die Optimierung der Düsen. Füllen Sie zwei Gramm PCL in eine drei Milliliter Kunststoffspritze und drücken Sie den Kolben vorsichtig hinein.

Stellen Sie die Spritze für acht Stunden bei 65 Grad Celsius in den vorgeheizten Backofen. Drücken Sie den Kolben vorsichtig zusammen, bis alle eingeschlossenen Luftblasen entfernt sind. Schließen Sie eine 23ga-Nadel an und befestigen Sie sie an der Luftdruckanlage.

Drücken Sie es nach unten, bis die Nadelspitze aus dem Messingtopf herausragt. Installieren Sie den Kollektor auf der Bühne. Montieren und reinigen Sie es mit 70% Ethanol.

Bestimmen Sie die Geschwindigkeit und Richtung der Kollektorbewegung, indem Sie den G-Code so programmieren, dass die Größe, der räumliche Faserabstand und die Anzahl der Schichten des Gerüsts variiert werden. Wählen Sie bei Rohrgerüsten die Drehzahl, die Translationsgeschwindigkeit und die Wiederholungen aus, um die Dicke des Gerüsts zu definieren. Eine detaillierte Anleitung zur individuellen Programmierung von G-Codes für Flach- oder Rohrgerüste findet sich in der Handschrift.

Öffnen Sie die Software Mach3 und laden Sie den generierten G-Code hoch. Es gibt fünf einstellbare Systemparameter, die die Qualität des resultierenden Gerüsts maßgeblich bestimmen. Diese sind Luftdruck, Spannung, Sammelgeschwindigkeit, Temperatur und Arbeitsabstand und sollten in der folgenden Reihenfolge angepasst werden.

Platzieren Sie einen 12 Millimeter hohen 3D-gedruckten Kunststoffblock zwischen Nadel und Sammler, um den Arbeitsabstand einzustellen. Schalten Sie beide Heizungen ein und stellen Sie sie auf 65 Grad für den oberen und 82 Grad für den unteren Teil ein. Initiieren Sie den Luftdruck und warten Sie, bis das geschmolzene Polymer aus der Nadel extrudiert ist.

Stellen Sie vor Beginn des Vorgangs sicher, dass alle Erdungskabel fest angeschlossen sind. Schließen Sie die vordere Klappe des Gehäuses, mit der die Verriegelung verbunden ist. Erhöhen Sie die Spannung, bis sich die extrudierte Schmelze in einen Taylor-Kegel verwandelt und einen geschmolzenen Strahl in Richtung des Kollektors ausstößt.

Lassen Sie die Polymerschmelze fünf Minuten lang auf der stillen Kollektorplatte extrudieren, um den Strahl zu stabilisieren. Das Elektrospinnen mit Polymerschmelzen ermöglicht die Herstellung unterschiedlicher Faserdurchmesser. Dies kann durch gezielte Variation der Systemparameter Druck, Spannung und Drehzahl erreicht werden, während Abstand und Temperatur auf einem konstanten Niveau gehalten werden.

Fasern mit kleinem Durchmesser zwischen drei und 10 Mikrometern können durch Anlegen eines relativ niedrigen Drucks, eines kleinen bis mittleren elektrischen Feldes und hoher Sammelgeschwindigkeiten gedruckt werden. Basierend auf den Erfahrungen in unserem Labor können wir Fasern mit einem Durchmesser von vier Mikrometern mit folgenden Werten drucken: 0,9 bar, acht Kilovolt und 1.700 Millimeter pro Minute. Mittelgroße Durchmesser zwischen 10 und 20 Mikrometern können durch Anwendung eines relativ niedrigen Druckniveaus, einer mittleren bis hohen Spannung und Sammelgeschwindigkeiten im mittleren Bereich gedruckt werden.

Basierend auf den Erfahrungen in unserem Labor können wir Fasern mit einem Durchmesser von 13 Mikrometern mit folgenden Werten drucken: 1,5 bar, 11 Kilovolt und 1.200 Millimeter pro Minute. Fasern im Bereich von 20 bis 30 Mikrometern und mehr erfordern hohe Polymerextrusionsraten bei gleichzeitiger Anwendung vergleichsweise hoher Spannungen und geringstmöglicher Abscheidegeschwindigkeiten. Basierend auf den Erfahrungen in unserem Labor können wir Fasern mit einem Durchmesser von 25 Mikrometern mit folgenden Werten drucken: 2,6 bar, 12 Kilovolt und 700 Millimeter pro Minute.

In allen drei Fällen ist jedoch eine Feinabstimmung und Optimierung erforderlich, um stabile Ergebnisse mit homogenen Durchmessern zu erhalten. Beim Schmelze-Elektrospinnen wird nur ein perfekt ausbalanciertes Gleichgewicht zwischen den Kräften, die die Strömung der Polymermasse bestimmen, und den Kräften, die den Strahl zum Kollektor anziehen, schließlich zu konsistenten Gerüstmorphologien führen. Ein ausgewogenes Gleichgewicht wird erreicht, sobald die Flugbahn der Faser über einen längeren Zeitraum einer Fahrleitungskurve ähnelt.

Es sind jedoch drei verschiedene abweichende Verhaltensweisen bekannt. Erstens führt eine unausgewogene Verteilung zwischen der an den Taylor-Kegel abgegebenen Masse und den entsprechenden Widerstandskräften auf die Fasern zu einem instabilen elektrifizierten Jet. Dabei wird der Taylor-Kegel ständig mit Polymer überfüttert und gibt seine Masse in regelmäßigen Zeiträumen wieder ab.

Häufig wechselnde Winkel sind sichtbar und führen zu extrem unterschiedlichen Durchmessern. Um den Prozess wieder zu stabilisieren, verringern Sie die Durchflussrate, um die Polymerzufuhr zu minimieren, und erhöhen Sie die Geschwindigkeit und Spannung, um die Zugkräfte auf die Faser zu verstärken. Zweitens wandert die Faser nach unten und lagert sich senkrecht auf dem Kollektor ab.

Dabei übersteigt die Menge der Beschleunigungskräfte die Polymerzufuhr im Taylor-Kegel. Leichte Druckerhöhungen und eine Verringerung der Spannung lösen die Situation oder ändern die Sammelgeschwindigkeit. Drittens hinkt die Faser hinterher und ähnelt einer geraden Linie unter einem hohen Winkel.

Hierbei werden relativ dicke Fasern erzeugt und gezogen. Dies führt zu vermehrten Ungenauigkeiten der abgeschiedenen Fasern. Eine Verringerung der Sammelgeschwindigkeit löst das Problem.

Es sind jedoch leichte Erhöhungen der elektrischen Feldstärke erforderlich. Beim Schmelze-Elektrospinnen gibt es zwei Sammelmethoden: Flachkollektoren und Dornkollektoren. Die Anwendung von Flachkollektoren bezieht sich auf die gebräuchlichste Methode.

090- und 060-Grad-Strukturen unterschiedlicher Größe werden in der Literatur häufig berichtet. Die Möglichkeit, geschmolzene Fasern direkt auf dem Kollektor abzuscheiden, erleichtert auch die Herstellung nichtlinearer Strukturen, wie z. B. sich wiederholender kreisförmiger Strukturen. Röhrenförmige Architekturen können mit zylindrischen Kollektoren realisiert werden, die sich parallel zur Nadel drehen und verlaufen.

Durch die Feinabstimmung der Dekodierung sowohl der Rotations- als auch der Translationsgeschwindigkeit kann die Ausrichtung der Fasern verändert werden. Höhere Drehzahlen als Translationsgeschwindigkeiten führen zu radial ausgerichteten Poren und umgekehrt. Der Durchmesser des Rohres hängt vom Durchmesser des eingesetzten Dorns ab.

Eine detaillierte Liste der verschiedenen Gerüstarchitekturen und ihrer vorgeschlagenen Anwendungen in veröffentlichten Studien finden Sie im Manuskript. Aufgrund des hochempfindlichen elektrischen Feldes und seiner spezifischen Abhängigkeit vom Abstand zwischen den beiden Elektroden ist es von großer Bedeutung, sowohl den Sammeltisch als auch die Unterseite des Druckkopfes regelmäßig zu nivellieren. Wird der Abstand zwischen Kollektor und Kopf zu gering eingestellt, steigt das elektrische Feld deutlich an, bis ein Funke zwischen den Bauteilen aufsteigt.

Drehen Sie die Spannung am Schaltkasten sofort herunter oder öffnen Sie die Tür. Überprüfen Sie vor jedem Start eines Prozesses alle Kabelverbindungen und vergewissern Sie sich, dass sie nicht locker sind. Eine Beschädigung der Nadel kann zu verformten Taylor-Kegeln und damit zu Unregelmäßigkeiten innerhalb des Drucks führen.

Daher müssen Nadeln, bei denen die Spitze versehentlich verbogen wurde, entsorgt werden. Wir hoffen, dass dieses Video bei der Etablierung eines stabilen elektrifizierten Jets hilft und dass Sie wie wir davon überzeugt sind, dass das Melt Electrospinning Writing eine bedeutende Rolle im Bereich des Tissue Engineering und der regenerativen Medizin spielen wird.