Artículo de método

Escritura de Electrospinning de andamios Poly(ε-caprolactone) tridimensional con morfologías controlables para aplicaciones de ingeniería de tejidos del derretimiento

DOI:

10.3791/56289

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23 de diciembre de 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

En este artículo

Resumen

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Este protocolo sirve como una guía completa para la fabricación de andamios mediante electrospinning con polímero se funde en un modo de escritura directa. Sistemáticamente el proceso del esquema y definir la configuración de los parámetros apropiados para lograr arquitecturas específicas andamio.

Resumen

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Este tutorial se refleja en los principios y directrices para el electrospinning escribiendo con el polímero se funde, una tecnología de fabricación aditiva con gran potencial para aplicaciones biomédicas. La técnica facilita la deposición directa de las fibras de polímero biocompatible para fabricar andamios bien ordenados en el sub-micron al rango de la escala micro. El establecimiento de un establo, viscoelástico, jet de polímero entre una hilera y un colector se consigue utilizando un voltaje aplicado y puede ser escrito directo. Un beneficio significativo de un andamio poroso típico es una alta relación superficie a volumen que proporciona mayor adhesión eficaz sitios para el crecimiento y fijación de la célula. Controlar el proceso de impresión por ajustar los parámetros del sistema permite alta reproducibilidad en la calidad de las matrices de soporte impresos. También proporciona una plataforma de fabricación flexible para los usuarios a adaptar las estructuras morfológicas de los andamios a sus requerimientos específicos. Para ello, presentamos un protocolo para obtener diámetros de fibra diferentes usando melt electrospinning escritura (MAÚLLE) con una enmienda de guiado de los parámetros, incluyendo la velocidad del flujo velocidad, voltaje y colección. Además, demostramos cómo optimizar el chorro, a menudo experimentado desafíos técnicos, explicar técnicas de solución de problemas y mostrar una amplia gama de arquitecturas de andamio para imprimir.

Introducción

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La fabricación de estructuras biocompatibles de tridimensionales (3D) para las células es una de las aportaciones claves de biomanufactura añadido al tejido Ingeniería (TE), con el objetivo de restaurar los tejidos mediante la aplicación de biomateriales modificado para requisitos particulares, células, factores bioquímicos, o una combinación de ellos. Por lo tanto, los principales requisitos de andamios para aplicaciones TE incluyen: fabricación de materiales biocompatibles, propiedades morfológicas controlables para la invasión de células específicas y propiedades superficiales optimizadas para mayor interacción de la célula 1.

MEW es una técnica de fabricación de disolventes que combina los principios de la fabricación aditiva (a menudo llamada impresión 3D) y electrospinning para la producción de mallas poliméricas con fibra ultrafina altamente ordenado morfologías2. Es un método de escritura directa y depósitos con precisión las fibras según códigos preprogramados3, conocido como G-Codes. Derretir electrospun construcciones están preparadas utilizando un plano4,5 o un colector de7 mandril6,para fabricar andamios porosos planos y tubulares, respectivamente.

Esta técnica ofrece importantes beneficios a la comunidad de medicina regenerativa (MR) debido a la posibilidad y TE para directamente imprimir polímeros de grado médico, tales como poly(ε-caprolactone) (PCL), que presenta excelente biocompatibilidad8. Otras ventajas son la posibilidad de personalizar el tamaño y la distribución de la porosidad, depositando las fibras de una manera muy organizada para fabricar andamios de alta relación superficie a volumen. Antes de que MEW se puede realizar, el polímero exige primero la aplicación de calor9. Una vez en estado líquido, una presión de aire aplicada lo obliga a salir a través de una hilera metálico que está conectado a una fuente de alto voltaje. El equilibrio de fuerza entre la tensión superficial y la atracción de la gota cargada electrostáticamente al colector de tierra conduce a la formación de un cono de Taylor, seguida de la expulsión de un chorro de10.

Imágenes y un dibujo esquemático del dispositivo MEW construir casa utilizado este protocolo se muestran en la figura 1. Además demuestra los principios de utilizar cinta aislante para evitar descargas eléctricas entre los elementos de calentamiento y la parte de latón eléctricamente cargada alrededor de la hilera. Aislamiento insuficiente daría lugar a daños internos del hardware implementado.

Según el ajuste de los parámetros del tres sistema (temperatura, presión de aire y velocidad de recogida), MEW permite la fabricación de fibras de diferentes diámetros, explicadas en la sección de discusión. En la mayoría de los casos, sin embargo, puesta a punto y optimización del jet será requeridos antes de que se expulsará un chorro. La visualización del chorro electrificado viaje es una forma efectiva de verificar la consistencia y homogeneidad del proceso. En un caso ideal, la trayectoria de vuelo se asemeja a una curva catenaria adquirida como resultado de un equilibrio de fuerza controlado por los parámetros de sistema11. Además, la estructura micro y macro de los andamios es dependiente de la trayectoria de vuelo del jet del polímero12. Una tabla detallada de desviación diferentes comportamientos y medidas para la optimización se da en la sección de discusión.

En el presente estudio, presentamos un protocolo que describe los pasos de fabricación para la fabricación de andamios fibrosos altamente controlados usando la tecnología MEW. En este trabajo, médica grado PCL (peso molecular 95-140 kg/mol) fue utilizado, como este grado médico PCL ha mejorado la pureza en grado técnico y sus propiedades mecánicas y procesamiento son excelentes para MEW. Fusión amplia gama de PCL de procesamiento origina de su bajo punto de fusión (60 ° C) y alta estabilidad térmica. Además, LCP es un polímero biodegradable de ritmo lento, que lo hace un material excelente para muchos tejidos ingeniería aplicaciones13.

Para este estudio, la distancia de la temperatura y el colector se mantendrá constante (65 ° C y 82 ° C para las temperaturas de la jeringa e hilera (respectivamente) y 12 mm para la distancia de colector); aplicado voltaje, selector velocidad aire presión y, sin embargo, se varió para fabricar fibras con diámetros específicos. Una lista detallada de los estudios publicados con andamios MEW se proporciona en la sección de resultados y revela diferentes aplicaciones para los campos de TE y RM (tabla 1).

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Protocolo

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1. material preparación

  1. Llenar 2 g de PCL en una jeringa de plástico de 3 mL con un embudo e inserte un pistón en el extremo abierto.
  2. Coloque la jeringa en un horno precalentado a 65 ° C durante 8 h. punto de la punta hacia arriba permitir que las burbujas de aire en total cerca de la abertura.
  3. Empuje el émbolo con un objeto delgado para liberar el aire atrapado en el material fundido.
  4. Déjelo enfriar a temperatura ambiente, que se consigue cuando el polímero no es transparente ya después de 10 minutos.
  5. Almacenar la jeringa precargada de PCL a temperatura ambiente en un ambiente seco y oscuro hasta que se utiliza.

2. hardware y Software de configuración

  1. Conecte una aguja con punta plana de 23G (hilera) a la jeringa y un adaptador del barril en el otro extremo para conectar la jeringa al sistema de presión de aire.
  2. Colocar la jeringa en el cabezal de impresión y presione hacia abajo hasta la punta de la hilera sobresale 1 mm desde la parte de latón en la parte inferior de la cabeza.
  3. Montaje de un colector en el escenario y limpiar la superficie, así como el cabezal de impresión con etanol al 70% (vol/vol) para quitar el polvo o polímero residual.
  4. Ajuste la distancia de trabajo colocando un objeto alto de 12 mm entre la hilera y el colector y baje el cabezal de impresión hasta que sólo toca la punta de la hilera.
  5. Ajuste los reguladores de temperatura en la caja eléctrica a 82 ° C y 65 ° C para la región de la hilera y la jeringa, respectivamente y energía para derretir el LCP.
  6. Espere al menos 10 minutos hasta que el polímero fundido e iniciar la presión de aire de ajuste el regulador a 1,8 bar.
  7. Preparar el código G para definir el tamaño y forma, distancia entre filamento y el número de capas del andamio y la velocidad de la colección del proceso.
    Nota: Se suministra una plantilla detallada para la fabricación de Andamios tubulares y planos en el capítulo de discusión (tabla 2).
  8. Comprobar manualmente que todos los cables de tierra están bien conectados a la caja y el cable de corriente.
  9. Inicie el software (por ejemplo, MACH 3) en el equipo y cargar el código de G preparado.

3. andamios fabricación

  1. Cerca de la puerta principal del recinto, al cual se conecta el dispositivo de seguridad y activa el suministro de alto voltaje a la hilera.
    Nota: Una vez que se abre la puerta, por ejemplo, cuando se acaba una impresión o en caso de emergencia, disminuye la tensión alta y el andamio pueden eliminarse con seguridad.
  2. Aumentar el alto voltaje gradualmente en 0,2 kV pasos hasta que se forma un cono de Taylor y una fibra es expulsada hacia el colector (ver ejemplar Taylor cono en figura 1).
  3. Permita que el derretimiento del polímero a ser sacado de la placa de colector todavía para estabilizar el avión sin movimiento durante 5 minutos. Retire la pila de material antes de comenzar una nueva impresión.
  4. Usar las flechas del teclado para mover el cabezal de impresión sobre el punto donde los códigos G se iniciará.
  5. Iniciar el código de G del software en el ordenador.

4. Ajuste de diámetro de fibra

  1. Mantener la distancia de trabajo (12 mm) y los reguladores de temperatura (82 ° C y 65 ° C para la región de la hilera y la jeringa, respectivamente) en un nivel constante, como se describe antes en pasos de 2.4 y 2.5.
    Nota: Un resumen de diferentes diámetros de ajuste se da en la tabla 3.
  2. Imprimir las fibras con diámetros de tamaño pequeño (3-10 μm). Reducir el nivel de presión de aire a 0,8 bar, ajuste la tensión a 8 kV y conjunto el selector de velocidad a 1700 mm/min.
  3. Diámetros de tamaño de impresión fibras con medio (10-20 μm). Ajustar la presión de aire nivel a 1.5 bar, ajuste tensión de 11 kV y bajo la colección velocidad a 1200 mm/min.
  4. Imprimir las fibras con los diámetros grandes (20-30 μm). Aumentar el nivel de presión de aire a 2,6 bar, alterar la tensión a 12 kV y disminución de la colección de la velocidad a 700 mm/min.

5. jet optimización

  1. Iluminar el chorro con un fuerte luz desde fuera del recinto para una mejor visibilidad del LED.
  2. Observar el comportamiento de la fibra durante 1 minuto y ajustar los parámetros del sistema para optimizar el proceso en pequeños pasos, es decir, 0.1 kV de tensión, 100 mm/min velocidad de colección a 0,1 bar de presión de aire.
    Nota: Se da un resumen en la tabla 4.
  3. Estabilizar periódicamente desviar el comportamiento disminuyendo la presión de aire, aumentando la velocidad y minimizar la tensión hasta que la trayectoria de vuelo de la fibra se asemeja a una curva catenaria estable durante más de 3 minutos.
  4. Corregir la trayectoria de vuelo de un jet rezagada por aumento de la tensión, reduciendo la presión del aire y reduciendo la velocidad del colector. Aplicar estas medidas hasta que la trayectoria de vuelo de la fibra se mueve hacia atrás a una forma de curva catenaria.
  5. Evitar fibras viaja verticalmente hacia el colector por disminución de la tensión, aumentando la velocidad del colector y aumento de la presión de aire hasta que la trayectoria de vuelo del jet conserva la forma de una curva catenaria otra vez.

6. andamio colección

  1. Abra la puerta cuando la impresión haya finalizado y usa los cursores para mover la placa de colector hacia la puerta para facilitar el acceso.
  2. Rocíe el andamio con mezcla de 70% (vol/vol) de etanol y esperar 10 segundos hasta que visiblemente se separa del colector.
  3. Recoja el andamio terminado por acaparamiento de un borde con pinzas y sacar de la caja.

7. solución de problemas

  1. Disminuir la tensión o abrir la puerta inmediatamente si hay una chispa entre la hilera visible o un crujido audible.
  2. Retire todos los materiales peligrosos y líquidos como el etanol 70% (vol/vol) desde el interior del recinto como puede encender un fuego en el caso de posibles chispas.
  3. Programa G-Code por consiguiente que la hilera se mueve lejos del área donde el andamio se imprime después de todas las capas. Esto evita la acumulación de material por encima del punto donde se detiene finalmente la hilera.
  4. Compruebe la hilera bajo una lupa y comprobar que no hay ningún daño a la hilera ya que esto influenciará significativamente la homogeneidad del cono de Taylor.

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Resultados

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Dos métodos de colección se usan en MEW, que son plana colección y colección de mandril. La arquitectura resultante depende de la programación de la G-Code (tabla 2), que es ejecutado por el software.

Colección Flat
Aplicación de colectores planos se refiere al método más común y facilita la deposición directa de material referente al código preprogramado de G. 0/90 y 0 60 estructuras de dife...

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Discusión

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Integración de AM para encontrar soluciones innovadoras para los desafíos en el campo de la medicina presenta un nuevo paradigma para el siglo 21st . El campo llamado de la "Bio-fabricación" va en aumento y las innovaciones en tecnologías de fabricación permiten la producción de sofisticadas arquitecturas para aplicaciones de TE. El electrospinning de derretimientos del polímero en un modo de escritura directa (MEW aquí) es visto como uno de los candidatos más prometedores de la fabricación para cumplir con la...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Este trabajo ha sido apoyado financieramente por el CRC de centro de investigación cooperativa para la fabricación de la terapia celular, el centro australiano de investigación Consejo arco en biofabricación de aditivo y el Instituto de estudios avanzados de la Universidad técnica de Munich. Esta investigación fue realizada por el australiano Consejo Industrial transformación capacitación centro de investigación en biofabricación de aditivo http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). Por favor visite el sitio para artículos, libros, programas de radio o televisión, medios electrónicos o cualquier otras obras literarias relacionadas con el proyecto. Además, los autores agradece María Flandes Iparraguirre para apoyo en la película, Philip Hubbard para la voz y Luise Grossmann para filmación y edición.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Jeringa de plásticoNordson Australia Pty Ltd7012072EFD BARREL Ø 3mL Clear 50
Grado médico Poly (ε-caprolactona) (mPCL)Corbion Purac, Países BajosAguja PURASORB PC12
23 GANordson Australia Pty Ltd7018302#23GP .013 X .25 ORANGE 50 PC
ÉmboloNordson Australia Pty Ltd7012166PISTÓN Ø 3mL WH LIMPIAPARABRISAS 50
Adaptadorde presión Nordson Australia Pty LtdADAPTADOR 7012059 ASM Ø 3mL BL 1.8M
Colector de aluminioAction Aluminium, AustraliaSHP2Hoja 5005 H34
Vidrio acrílicoMulford Plastics Pty LtdACC6-13094
Mach 3 softwareArt SoftComprado en línea
Enclavamiento del interruptor de seguridadComponentes RS Pty Ltd12621330
Generador de alto voltajeEMCO High Voltage Co.DX250R Controlador de
temperaturaWATLOWPM9R1FJ
corredera de posicionamiento X e YVELMEX Inc.XN-10-0020-M011

Referencias

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