Summary
Denne protokollen fungerer som en omfattende veiledning for å dikte stillaser via electrospinning med polymer smelter i en direkte skrivemodus. Vi systematisk skissere prosessen og definere de aktuelle innstillingene for å oppnå målrettet stillaset arkitekturer.
Abstract
Denne opplæringen reflekterer på grunnleggende prinsipper og retningslinjer for electrospinning skriver med polymer smelter, en additiv produksjonsteknologi med stort potensial for biomedisinsk programmer. Teknikken forenkler direkte avsetning av biokompatible polymer fiber å dikte velordnet stillaser i sub-mikron til mikro intervall. Etableringen av et stabilt, viskoelastiske, polymer jet mellom en spinneret og en samler oppnås ved hjelp av en anvendt spenning og kan være direkte skrevet. En betydelig fordel av en typisk skafottet som porøse er høy overflate-til-volum forholdet som gir økt effektiv vedheft nettsteder for cellen vedlegg og vekst. Kontrollere utskriften av finjustering av systemparametere kan høy reproduserbarhet i kvaliteten på trykte stillasene. Det gir også en fleksibel produksjon plattform for brukere å skreddersy morfologiske strukturer av stillasene til deres spesifikke behov. For dette formålet presenterer vi en protokoll for å få ulike fiber diameter bruke smelte electrospinning skrive (MEW) med en guidet endring av parametere, inkludert trafikkflyten hastighet, spenning og samling fart. Videre viser vi hvordan å optimalisere jet, diskutere ofte erfarne tekniske utfordringer, forklare feilsøkingsteknikkene og presentere en rekke utskriftsvennlig stillaset arkitekturer.
Introduction
Produksjon av tredimensjonale (3D) biokompatible strukturer for cellene er en av de viktigste bidragene av additiv biomanufacturing til vev engineering (TE), satsing å gjenopprette vev ved å bruke tilpassede biologisk materiale, celler, biokjemiske faktorer, eller en kombinasjon. Derfor de viktigste kravene til stillaser for TE programmer inkluderer: manufacturability fra biokompatible materialer, kontrollerbar morfologiske egenskaper for målrettet celle invasjonen og optimal overflateegenskaper for forbedret celle interaksjon 1.
MEW er et løsemiddel-fri produksjon teknikk som kombinerer prinsippene om additiv produksjon (ofte kalt 3D utskrift) og electrospinning for produksjon av polymere nett med svært organisert ultrathin fiber morphologies2. Det er en direkte skrive tilnærming og innskudd nøyaktig fiber ifølge forhåndsprogrammerte koder3, kalt G-koder. Smelt electrospun konstruksjoner er tilberedt med en flat4,5 eller en mandrel6,7 samler for å dikte porøse flat og rørformede stillaser, henholdsvis.
Denne teknikken tilbyr betydelige fordeler til TE og regenerativ medisin (RM) samfunnet på grunn av muligheten for direkte utskrift medisinsk kvalitet polymerer, som poly(ε-caprolactone) (PCL), som presenterer utmerket biocompatibility8. Andre fordeler er muligheten til å tilpasse størrelsen og distribusjon av porøsitet, ved innskudd fibrene i en svært organisert måte å dikte stillaser høy overflate-til-volum forholdstallene. Før MEW kan utføres, krever polymer først bruk av varme9. En gang i en flytende tilstand, en anvendt lufttrykket styrker den å strømme ut gjennom en metallisk spinneret som er koblet til en høy spenningskilde. Massebalansen mellom overflatespenningen og tiltrekningen av elektrostatisk ladet slippverktøyet til jordet samleren fører til dannelsen av en Taylor kjegle etterfulgt av utløsing av en jet10.
Bilder og en skjematisk tegning av huset bygge MEW enheten brukes for denne protokollen er vist i figur 1. I tillegg viser prinsipper med isolerende tape for å unngå elektrisk utladning mellom varmeelementer og elektrisk ladet messing del rundt på spinneret. Utilstrekkelig isolasjon ville føre til interne skader implementert maskinvaren.
Avhengig av justering av de tre systemparametere (temperatur, samling hastighet og lufttrykk) gjør MEW fabrikasjon av fibre med forskjellige diametere, forklart under diskusjon. I de fleste tilfeller, vil finjustering og optimalisering av jet imidlertid nødvendig før en stabil jet mates. Visualisering av elektrifisert reiser jet er en effektiv måte å kontrollere konsistens og homogenitet av prosessen. I en ideell sak ligner flyleden en kjøreledning kurve ervervet som følge av en kraftbalansen kontrollert av systemet parametere11. Videre er mikro - og makro-strukturen i stillasene avhengig av flyleden av polymer jet12. En detaljert tabell av ulike utslag atferd og tiltak for optimalisering er gitt under diskusjon.
I studien presenterer vi en protokoll som beskriver fabrikasjon trinnene for produksjon av kontrollerte fibrøs stillaser bruker MEW teknologi. I dette arbeidet, medisinsk karakter PCL (molekylvekt 95-140 kg/mol) ble brukt, som denne medisinsk karakter PCL har forbedret renhet over teknisk karakter og egenskapene mekanisk og behandling er utmerket for MEW. Bred smelte behandling utvalg av PCL stammer fra lavt Smeltepunkt (60 ° C) og høy temperaturstabilitet. Videre er PCL en langsom hastighet nedbrytbart polymer, som gjør det et utmerket materiale for mange tissue engineering programmer13.
For denne studien, temperatur og samler avstanden holdes konstant (65 ° C og 82 ° C i sprøyten og spinneret temperaturen (henholdsvis) og 12 mm som samler avstand); anvendt spenning, samler og press, men skal varieres for å utvikle fiber med målrettet diameter. En detaljert liste over publiserte studier med MEW stillasene er gitt i delen resultater og avslører ulike programmer for feltene av TE og RM (tabell 1).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. materialet forberedelse
- Fyll 2 g PCL i en 3 mL plastsprøyte med en trakt og sette inn et stempel i den åpne enden.
- Plass sprøyten i en forvarmet ovn ved 65 ° C i 8 h. Pek tuppen oppover å tillate luftbobler til samlet nær til åpningen.
- Skyv stempelet med en tynn gjenstand å løslate den innestengte luften i det smeltede materialet.
- La den avkjøles til romtemperatur, som oppnås når polymer ikke er gjennomsiktig lenger etter 10 minutter.
- Lagre PCL forhåndslastet sprøyten ved romtemperatur i et tørt og mørkt miljø før den brukes.
2. maskinvare og programvare Setup
- Knytte en 23G flat tippet nål (spinneret) til sprøyten og en tønne adapter i den andre enden til sprøyten luften trykk systemet.
- Legg sprøyten i hodet og trykk den ned til den spinneret spissen står ut 1 mm fra messing del på undersiden av hodet.
- Montere en samler på scenen og rengjør overflaten samt skriverhodet med 70% (vol/vol) etanol fjerne støv eller rester polymer.
- Angi arbeidsavstand ved å plassere en 12 mm høy objekt mellom spinneret og samler og lavere skrivehodet til spinneret spissen akkurat berører den.
- Juster Temperaturregulatorer for elektriske boksen 82 ° C og 65 ° C for regionen spinneret og sprøyten, henholdsvis og slå dem på smelte fra PCL.
- Vent minst 10 min før polymer er smeltet og starte lufttrykket ved å sette regulator til 1,8 bar.
- Forberede G-koden for å definere størrelse og form, mellom filament avstand og antall lag av stillaset og samling hastigheten på prosessen.
Merk: En detaljert mal for fabrikasjon flat og rørformede stillasene er gitt i diskusjonen kapittel (tabell 2). - Dobbeltsjekk manuelt at alle bakken-kabler er ordentlig tilkoblet til skapet og mur plugg.
- Start programvaren (f.eksMACH 3) på datamaskinen og laste opp forberedt G-koden.
3. stillaset fabrikasjon
- Lukk døra til kabinettet, som forbinder sikkerhetssperre og utløser høyspenning tilførselen til spinneret.
Merk: Når døren er åpen, for eksempel når en utskrift er ferdig eller i nødstilfelle høy spenningen faller og stillaset kan fjernes trygt. - Øke høy spenning gradvis i 0,2 kV trinn til en Taylor kjegle er dannet og en fiber ut mot collector (se eksemplarisk Taylor membran i figur 1 d).
- Tillate polymer smelte til ekstrudert på fortsatt samler plate å stabilisere jet uten bevegelse i 5 minutter. Fjerne haug av materiale før en ny utskrift.
- Bruk pekere på tastaturet til å flytte hodet over punktet hvor G-kodene starter.
- Start G-koden i programvaren på datamaskinen.
4. fiber Diameter justering
- Holde arbeidsavstand (12 mm) og Temperaturregulatorer (82 ° C og 65 ° C i spinneret regionen og sprøyten, henholdsvis) på et konstant nivå, som beskrevet før i trinn 2.4 og 2.5.
Merk: En oppsummering av forskjellige diametere er gitt i tabell 3. - Skrive ut fiber med liten størrelse diameter (3-10 µm). Redusere trykket luft til 0,8 bar, justere anvendt spenning til 8 kV og sett kollektoren hastighet 1700 mm/min.
- Print fiber med middels størrelse diameter (10-20 µm). Justering av lufttrykket til 1,5 bar, angi spenning til 11 kV og lavere samlingen hastighet til 1200 mm/min.
- Skrive ut fiber med stor diameter (20-30 µm). Øker luft Press 2,6 bar, endre anvendt spenning 12 kV og nedgang samlingen hastighet 700 mm/min.
5. jet optimalisering
- Belyse jet med en sterk LED lys fra utenfor skapet for forbedret synlighet.
- Observere atferden til fiber i 1 minutt og justere parameterne system for å optimalisere prosessen i små skritt, dvs 0,1 kV for anvendt spenning, 100 mm/min for samling hastighet og 0,1 bar for lufttrykk.
Merk: En oppsummering er gitt i Tabell 4. - Stabilisere regelmessig avlede atferd reduseres lufttrykket-, øke hastigheten og minimere spenningen til flyets bane til fiber ligner en stabil kjøreledning kurve for mer enn 3 minutter.
- Rette flyleden til en lagging bak jet ved å øke spenningen, redusere lufttrykket og redusere hastigheten på kollektoren. Bruk disse tiltakene til flyets bane til fiber går tilbake til en kjøreledning kurve figur.
- Unngå fiber reiser vertikalt mot kollektoren med synkende anvendt spenning, øke hastigheten på kollektoren og øke lufttrykket til flyets bane til jet beholder formen på en kjøreledning kurve igjen.
6. stillaset samling
- Åpne døren når utskriften er ferdig og bruk markøren for å flytte samler platen mot døren for bedre tilgjengelighet.
- Spray stillaset med etanol 70% (vol/vol) blanding og vente 10 sekunder til det synlig løsner fra kollektoren.
- Samle ferdig stillaset ved å flytte en kant med pinsett og løft den ut av skapet.
7. feilsøking
- Reduser anvendt spenning eller åpne døren umiddelbart hvis det er en gnist mellom spinneret synlig eller en cracking lyd hørbare.
- Fjern alle farlige materialer og væsker som etanol 70% (vol/vol) fra innsiden av kabinettet som en brann kan antennes ved potensielle sparking.
- Program G-koden deretter at spinneret beveger seg fra området der stillaset skrives etter alle lag er ferdig. Dette unngår materiale akkumulering over punktet der spinneret endelig stopper.
- Kontroller spinneret under et forstørrelsesglass og at det er ingen skade på spinneret som dette vil betydelig påvirke homogenitet av Taylor membran.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
To ulike metoder for samlingen brukes ofte i MEW, som er flatt samling og mandrel samling. De resulterende arkitekturene, avhenger av programmering av G-koden (tabell 2), som er laget av programvaren.
Flat samling
Bruke flatt samlere refererer til den vanligste metoden og forenkler direkte avsetning materiale refererer til forhåndsprogrammert G-koden. 0/90 og 0/60 strukturer av forskjellige størrelser er rapportert i litteraturen. Videre evnen til direkte innskudd smeltet fiber på kollektoren også forenkler produksjonen av tilfeldig men organisert strukturer når en mønstret flat samler brukes en glatt en14.
Stålrør
Det er stor etterspørsel etter produksjon av stillaser med rørformede arkitekturer for TE programmer. MEW er en effektiv metode for å oppnå rørformede stillaser med tilpassede porøsitet ved å benytte sylindriske samlere. Disse roterer langs sin egen akse, mens oversette langs akse mandrel. Gjennom finjustering av G-koden, den roterende samt translasjonsforskning hastighet bestemmes og retningen på fiber kan tilpasses. Høyere rotasjonshastighet enn translasjonsforskning hastigheter føre til radielt orientert porene og vice versa. Totalt antall lag, distribusjon og morfologi av porøsitet konfigurerer de mekaniske egenskapene av stillaset. Den indre diameteren på rørformet stillaset avgjøres av den ytre diameteren implementert mandrel.
Figur 1 : MEW setup. (A) inkludert en PC, utskrift enheten og boksen elektrisk kontroll (B) hodet og kollektor (C) fiber i en perfekt balansert flight fase og (D) en skjematisk illustrasjon av en Taylor kjegle. (E) viser en skjematisk av en skriver og viser de fem mest rådende systemparametere, inkludert "anvendt spenning" (høy spenning Generator), "temperatur" (temperatur kontroller), "lufttrykk" (trykkregulator), () "arbeidsavstand" justering via internt utviklet bevegelige z-akse) og "samling speed" (X og Y posisjonering lysbildene). (F) viser utformingen av isolasjon i hodet via en varmebestandig polyamid tape. Dette hindrer lysbuedannelse mellom "varmeelementet 1" og ladet "messing del". Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 : Forskjellige stillaser fremstille med en flat samler (A), 0/90 gitter (B) og samme gitteret i høyere oppløsning (C). (D) viser en 0/60 struktur og (E) en tilfeldig kontrollert struktur.Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 : Viser forskjellige rørformede stillaser og en respektive representativt bilde fra skanning elektronmikroskop (SEM). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Dermal fibroblast infiltrasjon av poly(ε-caprolactone) stillaser fabrikkert av smelte electrospinning i en direkte skrivemodus (Farrugia et al., 2013)4 || FLATSKJERM |
| Dermal fibroblast seeded PCL MEW stillaser evalueres for cellen infiltrasjon. |
| En vev-konstruert humanized xenograft modell av menneskelig bryst kreft metastasering til bein (Thibaudeau et al., 2014)15 || STÅLRØR |
| Rørformede MEW stillaser brukes til å opprette et levedyktig ektopisk "orgel" bein i en musemodell å studere menneskelig bryst kreft metastasering til bein. |
| Artsspesifikke homing mekanismer av menneskelig prostata kreft metastasering i vev utvikling bein (Holzapfel et al., 2014)16 || STÅLRØR |
| MEW stillaser brukes til å opprette en vev konstruert ben til prostata kreftforskning. |
| Forbedre strukturelle integriteten til hydrogels ved hjelp av svært organisert smelte electrospun fiber konstruksjoner (Bas et al., 2015)17 || FLATSKJERM |
| MEW stillaser med forskjellige la ned og poresizes brukes til å forsterke mekanisk funksjonaliteten av myke hydrogels. |
| Forsterkning av hydrogels ved tredimensjonalt trykt mikrofibrer (Visser et al., 2015)18 || FLATSKJERM |
| Myk gelatin-baserte hydrogels er forsterket med MEW PCL stillaser. |
| Smelt electrospinning på sylindere: effekter av rotasjons hastighet og samler diameter på morfologi av rørformede strukturer (Jungst et al., 2015)6 || STÅLRØR |
| Påvirkning av translasjonsforskning og roterende hastigheten på siste morfologi av rørformede MEW stillasene er systematisk undersøkt. |
| Hierarkisk strukturert porøse poly(2-oxazoline) hydrogels (Haigh et al., 2016)19 || FLATSKJERM |
| MEW stillaser brukes som en oppofrende mal til å opprette et hierarkisk 3D porøsitet nettverk i en hydrogel. |
| A validert prekliniske dyremodell for primær bein svulst forskning (Wagner et al., 2016)20 || STÅLRØR |
| MEW stillaser brukes til å opprette humanized vev utvikling konstruksjoner for prekliniske forskning på primære Ben tumorer. |
| Periosteum vev engineering i en orthotopic i vivo plattform (Baldwin et al., 2017) 21 || STÅLRØR |
| En multiphasic stillaset bestående av en MEW mesh og en hydrogel er utviklet for periosteum vev gjenfødelse programmer. |
| Dimensjonal Justervesenet celle matrise samhandlinger i 3D Mikroskala fibrøs underlag (Tourlomousis og Chang. 2017)22 || FLATSKJERM |
| Celle-matrix interaksjoner er undersøkt på MEW stillaser med forskjellige arkitekturer. |
| Endosteal-lignende ekstracellulær matrix uttrykk på smelte electrospun skrevet stillaset (Muerza-Cascante et al., 2017)23 || FLATSKJERM |
| MEW PCL stillaser brukes til å utvikle en endosteal bein-lignende vev som fremmer veksten av primære menneskelige haematopoietic stamceller. |
| 3D trykt lattices som en aktivisering og utvidelse plattform for T cellen terapi (Delalat et al., 2017)24 || FLATSKJERM |
| Stillaser med forskjellig fiber avstand (200 μm, 500 µm og 1000 µm) er overflate functionalised og plantet med T-celler for ekspansjon. |
| Biofabricated myk nettverk kompositter for brusk vev engineering (Bas et al., 2017)25 || FLATSKJERM |
| BioMimetic myk nettverk sammensetninger som består av en hydrogel matrise og forsterkende MEW nett designet for articular brusk reparasjon rapporteres. |
| Via presis grensesnittet engineering mot bioinspired sammensetninger med forbedret 3D utskrift processability og mekaniske egenskaper (Hansske et al., 2017)26 || FLATSKJERM |
| Magnesium fluor hydrogenion forsterket PCL stillaser fabrikkert med MEW er designet og utviklet for benvev tekniske programmer. |
Tabell 1: referanser til en rekke studier, som MEW stillaser ble fabrikkert og brukt til biologiske. Listen gir resultater av implementert flat samt rørformede stillaser.
Tabell 2: forklaring på programmering en G-kode for flat og rørformede stillaser, bruker en tekstfil (txt) lastes opp i programvaren. Klikk her for å se en større versjon av denne tabellen.
Tabell 3: representant verdier av parametre luften trykk, spenning og samling hastighet (temperatur og samling avstand konstant) å nå tre forskjellige diameter områder (små, medium og store). Den røde piler foreslår eksakte verdier i de respektive kategoriene nå fiber diameter.Klikk her for å se en større versjon av denne tabellen.
Tabell 4: skjematisk illustrasjon av ulike tilfeller og virkelige bilder mulig fiber program på MEW, samt å optimalisere. Klikk her for å se en større versjon av denne tabellen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Integrere AM for å finne innovative løsninger på utfordringene i det medisinske feltet, presenterer et nytt paradigme for century 21st . Den såkalte "Bio-fabrikasjon" er på vei og innovasjoner i fabrikasjon teknologi gjør at produksjonen av svært sofistikerte arkitekturer for TE programmer. Electrospinning av polymer smelter i direkte skrivemodus (her MEW) betraktes som en av de mest lovende produksjon kandidatene i samsvar med behovene til TE samfunnet, hvor bestilte strukturer av biokompatible materialer i mikron til nanoskala er nødvendig27.
Denne undervisningstimene mål til å generere grunnleggende kunnskap om driften av MEW forklare fysiske prinsipper og demonstrere tiltak for å produsere reproduserbar stillaser bruke denne teknologien.
Siden de generelle prinsippene MEW er sammenlignbare med konvensjonelle additiv produksjonsteknologier, dvs en målrettet deponering av ekstruderte materiale i en lagvis måte, er det viktig å kontrollere relative bevegelsen mellom hodet og samler. Fra vår erfaring anbefaler vi arbeid med MEW enheter som holde fast hodet, mens den respektive bevegelsen av kollektoren foretas av stadiene (X og Y). Fiksert leder forblir i en stabil posisjon og genererer ikke Kinematisk styrker, som ville handle på Taylor membran og føre til forstyrrelser under opprettelsen. I tillegg ledningene forbundet med høy spenning og varmeovner er ikke underlagt vedvarende repeterende bevegelse. Samler bevegelsen er definert av G-koden, som må lastes i programvaren. Denne koden, også kjent som RS-274, er mye brukt innen datamaskinassistert produksjon styre veien verktøy. For MEW programmer med flatt samlere, G-koden arkiv bestemmer bevegelsen og hastigheten i X og Y retning; sylindrisk samlere eller mandrel programmer, filen G-koden definerer både translasjonsforskning (X retning) og rotational hastigheter. Tabell 2 beskriver programmering av en G-kode i mer detalj.
I forhold til andre additiv produksjonsteknologier, muliggjør MEW fabrikasjon av fibre med forskjellige diametere ved justering av parametrene temperatur, samling hastighet og anvendt spenning, som beskrevet i protokollen.
For å oppnå lite fiber (3-10 µm), er det anbefales å bruke lav press, moderat spenninger og høy samling hastigheter. Vanligvis redusert trykk fører til mindre ekstrudert masse. Dette er ledsaget av en tilsvarende reduksjon i areal på jet. Derfor mindre elektrostatisk krefter er nødvendig for å akselerere masse fiber mot samleren, dvs. lavere spenning må brukes. I tillegg føre sammenlignbare hastigheter samling til forbedret strekking av fiber, forårsaker en ytterligere reduksjon av siste fiber diameter.
Økende press induserer mer flyt av smeltet polymer, og dermed fører til større fiber diameter (10-20 µm). I dette tilfellet kreves større elektrostatisk force å kompensere for forstørret polymer overflaten (tykkere fiber). For å få en stabil polymer jet strøm, spenning må endres og samling hastigheten skal reduseres.
Store fiber diameter (20-30 µm) krever forbedret polymer ekstrudering, dvs høyere lufttrykk. Dette provoserer relativt tykkere fiber er foreslått å bli brukt i kombinasjon med høyere spenning å levere tilstrekkelig elektrostatisk styrke på fiber. I tillegg indusere redusert samle hastigheter mindre fiber strekking. En oppsummering er gitt i tabell 3.
Alle tre tilfeller nevnt ovenfor, men fortsatt kreve finjustering og optimalisering å opprettholde en stabil kjøreledning kurve formet fiber over tid, forklarte i protokollen. I MEW, bare en perfekt balansert likevekt mellom styrkene bestemme flyten av polymer masse og krefter tiltrekke jet mot kollektoren vil til slutt føre til nå konsekvent stillaset morphologies 12,28 . Derfor gjenspeiler forskjeller av veien av jet sterk avvik av fiber diameter eller unøyaktig deponering. Tre forskjellige varianter i atferd kan fås fra vår erfaring.
Først kan en fiber puls, et fenomen først rapportert av Dalton gruppe12. En ubalansert fordeling mellom levert masse og respektive dra-styrker på fiber resultatene i en stadig overfed Taylor kjegle, som jevnlig utgivelser akkumulert polymer. Dette forårsaker betydelig variasjon i vinkler av veien og resultater i forskjellige diametere.
Andre, en lagging elektrifisert jet oppstår når hastigheten på kollektoren er høyere enn ekstrudering hastigheten på jet. Siste avsettelsen av jet skjer langt borte fra spinneret, forårsaker en lagging jetstrømmer loddrett retning. Flyleden ligner en overemphasized kurvatur, som også reduserer dimensjonene på et utskrevet stillas.
Tredje en buckling elektrifisert jet er forårsaket av vinkelrett virkningen av jet på samler og manifesterer, når samler hastigheten er langsommere enn hastigheten som jet strømmer ut av spinneret. Bruk høye spenninger kan også forårsake knekking, ved å produsere en overdreven akselerasjon mot collector og en rett bane av fiber. Uønsket deponering av looper er observert i dette tilfellet.
Betyr å stabilisere re prosessen er gitt i protokoll og vist i Tabell 4.
Fra perspektivet til stillaset implementering finnes flere fordeler når du bruker PCL og MEW, som biocompatibility, reproduserbarhet gjennom direkte skrive eller forhåndsutformede tilpasning av de resulterende arkitekturene. MEW kan bli gjennomført på noen konvensjonelle laboratoriebenk, siden den bruker løsemiddel-fri polymer smelter, derfor det ikke krever dyre røyk hetter eller uttømmende resirkulering av gjenværende materialer29. Det er ingen lukt når du skriver inn et rom som inneholder MEW enheter.
I tillegg en oppnåelig høy overflate til volumkontrollen i en porøs stillaset er av stor fordel og gjør MEW stillaser velegnet for biologiske programmer30.
I forhold til kjente 3D Trykkemetoder, for eksempel smeltet deponering modellering31, har MEW begrensninger i utskriftsvennlig høyder av bestilte strukturer.Årsaken er sett i iboende prosessen med å søke elektrostatisk styrker, som feller mobil lade operatører innen avsatt fibrene. Når høyden på stillaser overstiger ca 4 mm, er det rapportert at summen av overflødig tillegget akkumulert i stillaset handlinger repelling kommende fiber32. Senere, i de fleste tilfeller er den resulterende øverste lag betydelig fordreid.
En annen forskjell på konvensjonelle 3D utskrift teknologier ligger i det faktum at deponering materiale under prosessen kan ikke avbrytes og utelukkende stoppe alle systemparametere slutt holder materiale ekstrudering. Dette representerer en begrensning i utforming og må betraktes når programmering G-koden. Mens jet initiering kan være utført mekanisk33, G-Code programmering må vurdere en kontinuerlig direkte-skriving tilnærming.
Øke gjennomstrømming og prosessen effektiviteten av MEW også er fortsatt en utfordring og representerer den viktigste grunnen i vårt syn og andre av hvorfor denne teknologien er ikke skaleres opp til industrielle nivå ennå34. Først er MEW prosessen iboende lav i gjennomstrømming på grunn av lav flyt priser og begrenset collection hastigheter. Begge sider, men er avgjørende for å sikre kontrollert avsettelsen av jet og reproduserbarhet i utskriften. Faktisk maksimal samling hastigheten i utskriftsprosessen er begrenset til de fysiske grensene for materialet som brukes, dvs. for høye hastigheter vil føre til brudd på jet når de dra styrkene når gjennomførbart grenser. En annen strategi å oppskalere avhengig bruker multi-ekstrudering MEW enheter, dvs maskiner med flere utskrift hoder i kort avstand til hverandre. disse flere hoder ville imidlertid føre til forstyrrelser mellom det elektriske feltet av hver hodet og deretter forvrenge de siste fiber deponering35. Needleless smelte electrospinning hoder har generert et betydelig antall elektrifisert jets36, selv om kontrollere nøyaktig plassering av direkte skrevet fibrene kan være vanskelig å oppnå. Fremtidig utvikling mot øke effektiviteten av MEW, men ville ikke bare nytte biomedisinsk samfunnet, men også industrien i filtrering, tekstil eller programmer for energi2.
Selv om denne opplæringen gir retningslinjer for å dikte tilpasset stillaser under foreslåtte parameterinnstillingene, må det bemerkes at mindre avhengigheter på miljømessige forhold, for eksempel rom temperatur eller fuktighet finnes, og kan føre til utilsiktede avvik37. Resultatene som presenteres i denne opplæringen er basert på kunnskap samlet på gruppen Hutmacher gjennomført i stabile forhold innenfor kontrollert laboratorium mellomrom.
PCL er den mest fremtredende kandidaten MEW. Fra et ingeniørmessig perspektiv, sin lavt Smeltepunkt (60 ° C) er gunstig som dette ikke krever utfordrende gjennomføringen av høy temperatur varmeovner (> > 100 ° C) i nær avstand til høy spenning kilder. På et materiale engineering nivå, PCL er halvt ledende og gir sterke macromolecular samhold både som en væske og en solid. Til tross for sterke mekanisk stretching, tyktflytende materialet obligasjoner til en viss grad, som resulterer i fremtredende fiber tynning når økende samler hastighet eller brukt spenning. Konvensjonelle smelte electrospinning uten å flytte samlere har blitt rapportert med ulike polymerer, for eksempel polypropylen, polyetylen eller nylon9. Programmet direkte skrive prinsipper imidlertid har hovedsakelig blitt rapportert med PCL og blends PCL tilsetningsstoffer ytterligere senke sin viskositet38, selv om det finnes unntak39,40. I fremtiden, men forutse vi en rekke materialer behandlet av MEW. Dette, i sin tur vil medføre oppgraderingen av maskinvarekomponenter for denne teknologien, som for eksempel behandling polypropylen (Smeltepunkt ved 160 ° C) endrer gjeldende tekniske krav til maskinvaren MEW enheter.
En økende interesse biokompatible polymere stillaser med svært presis og kontrollerbar arkitekturer finnes. MEW, ennå, representerer den eneste teknologien, som i forhold til andre biomanufacturing teknikker, er i stand til å fabrikere bestilt arkitekturer i nedre mikron område (med unntak i sub-mikron utvalg41). I de siste årene dette føre til en eksponentielt voksende mengde patenter og publikasjoner30. Derfor håndtere tekniske kompleksiteten gjennom implementering av optimalisert maskinvare og etableringen av pågår kontroll over MEW er av stor betydning. Dette vil lette produksjon av stillaser med skreddersydd arkitekturer for en rekke applikasjoner i fremtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet har vært økonomisk støttet av Cooperative Research Centre CRC for cellen terapi produksjon, australske Research Council ARC sentrum i additiv Biomanufacturing og Institute for Advanced Study av tekniske universitetet i München. Denne forskningen ble utført av australske Research Council industriell transformasjon treningssenter i additiv Biomanufacturing http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). Besøk nettstedet for artikler, bøker, TV eller radio programmer, elektroniske medier eller andre litterære verk knyttet til prosjektet. Videre anerkjenner forfatterne takknemlig Maria Flandes Iparraguirre for støtte i filming, Philip Hubbard for voice over og Luise Grossmann for filming og redigering.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Plastic syringe | Nordson Australia Pty Ltd | 7012072 | EFD BARREL O 3mL Clear 50 |
| Medical grade Poly (ε-caprolactone) (mPCL) | Corbion Purac, The Netherlands | PURASORB PC12 | |
| 23 GA needle | Nordson Australia Pty Ltd | 7018302 | #23GP .013 X .25 ORANGE 50 PC |
| Plunger | Nordson Australia Pty Ltd | 7012166 | PISTON O 3mL WH WIPER 50 |
| Pressure adapter | Nordson Australia Pty Ltd | 7012059 | ADAPTER ASM O 3mL BL 1.8M |
| Aluminium collector | Action Aluminium, Australia | SHP2 | Sheet 5005 H34 |
| Acrylic glass | Mulford Plastics Pty Ltd | ACC6-13094 | |
| Mach 3 software | Art Soft | Purchased online | |
| Safety switch interlock | RS components Pty Ltd | 12621330 | |
| High voltage generator | EMCO High Voltage Co. | DX250R | |
| Temperature controller | WATLOW | PM9R1FJ | |
| X and Y positioning slide | VELMEX Inc. | XN-10-0020-M011 |
References
- Muerza-Cascante, M. L., Haylock, D., Hutmacher, D. W., Dalton, P. D. Melt Electrospinning and Its Technologization in Tissue Engineering. Tissue Eng Part B Rev. 21 (2), 187-202 (2015).
- Brown, T. D., Dalton, P. D., Hutmacher, D. W. Melt electrospinning today: An opportune time for an emerging polymer process. Prog. in pol Sci. , (2015).
- Brown, T. D., Dalton, P. D., Hutmacher, D. W. Direct writing by way of melt electrospinning. Adv Mater. 23 (47), 5651-5657 (2011).
- Farrugia, B. L., et al. Dermal fibroblast infiltration of poly(ε-caprolactone) scaffolds fabricated by melt electrospinning in a direct writing mode. Biofabrication. 5 (2), 025001 (2013).
- Brown, T. D., et al. Melt electrospinning of poly (ε-caprolactone) scaffolds: Phenomenological observations associated with collection and direct writing. Mater. Sci. Eng. C. 45, 698-708 (2014).
- Jungst, T., et al. Melt electrospinning onto cylinders: effects of rotational velocity and collector diameter on morphology of tubular structures. Polym Int. 64 (9), 1086-1095 (2015).
- Brown, T. D. Design and Fabrication of Tubular Scaffolds via Direct Writing in a Melt Electrospinning Mode. Biointerphases. 7 (1), 1-16 (2012).
- Woodruff, M. A., Hutmacher, D. W. The return of a forgotten polymer-Polycaprolactone in the 21st century. Prog. in pol Sci. 35 (10), 1217-1256 (2010).
- Hutmacher, D. W., Dalton, P. D. Melt electrospinning. Chem Asian J. 6 (1), 44-56 (2011).
- Wei, C., Gang, T. Q., Chen, L. J., Zhao, Y. Critical condition for the transformation from Taylor cone to cone-jet. Chin. Phys. B. 23 (6), 064702 (2014).
- Mikl, B., et al. Discrete viscous threads. ACM Trans. Graph. 29 (4), 1-10 (2010).
- Hochleitner, G., et al. Fibre pulsing during melt electrospinning writing. BioNanoMaterials. 17 (3-4), 159 (2016).
- Poh, P. S. P., et al. Polylactides in additive biomanufacturing. Adv Drug Del Rev. 107, 228-246 (2016).
- Vaquette, C., Cooper-White, J. J. Increasing electrospun scaffold pore size with tailored collectors for improved cell penetration. Acta Biomater. 7 (6), 2544-2557 (2011).
- Thibaudeau, L., et al. A tissue-engineered humanized xenograft model of human breast cancer metastasis to bone. Dis Model Mech. 7 (2), 299-309 (2014).
- Holzapfel, B. M., et al. Species-specific homing mechanisms of human prostate cancer metastasis in tissue engineered bone. Biomaterials. 35 (13), 4108-4115 (2014).
- Bas, O., et al. Enhancing structural integrity of hydrogels by using highly organised melt electrospun fibre constructs. Eur. Polym. J. 72, 451-463 (2015).
- Visser, J., et al. Reinforcement of hydrogels using three-dimensionally printed microfibres. Nat. Commun. 6, 6933 (2015).
- Haigh, J. N., et al. Hierarchically Structured Porous Poly(2-oxazoline) Hydrogels. Macromol. Rapid Commun. 37 (1), 93-99 (2016).
- Wagner, F., et al. A validated preclinical animal model for primary bone tumor research. JBJS. 98 (11), 916-925 (2016).
- Baldwin, J., et al. Periosteum tissue engineering in an orthotopic in vivo platform. Biomaterials. 121, 193-204 (2017).
- Tourlomousis, F., Chang, R. C. Dimensional Metrology of Cell-matrix Interactions in 3D Microscale Fibrous Substrates. Procedia CIRP. 65, 32-37 (2017).
- Muerza-Cascante, M. L., et al. Endosteal-like extracellular matrix expression on melt electrospun written scaffolds. Acta Biomater. 52, 145-158 (2017).
- Delalat, B., et al. 3D printed lattices as an activation and expansion platform for T cell therapy. Biomaterials. 140, 58-68 (2017).
- Bas, O., et al. Biofabricated soft network composites for cartilage tissue engineering. Biofabrication. 9 (2), 025014 (2017).
- Hansske, F., et al. Via precise interface engineering towards bioinspired composites with improved 3D printing processability and mechanical properties. J. Mater. Chem. B. , (2017).
- Melchels, F. P. W., et al. Additive manufacturing of tissues and organs. Prog. in pol Sci. 37 (8), 1079-1104 (2012).
- Hochleitner, G., et al. Fibre pulsing during melt electrospinning writing. BioNanoMaterials. 17, 159 (2016).
- Persano, L., Camposeo, A., Tekmen, C., Pisignano, D. Industrial Upscaling of Electrospinning and Applications of Polymer Nanofibers: A Review. Macromol. Mater. Eng. 298 (5), 504-520 (2013).
- Wunner, F. M., et al. Comprehensive Biomaterials II. , Elsevier. 217-235 (2017).
- Loh, Q. L., Choong, C. Three-Dimensional Scaffolds for Tissue Engineering Applications: Role of Porosity and Pore Size. Tissue Eng Part B Rev. 19 (6), 485-502 (2013).
- Ristovski, N., et al. Improved fabrication of melt electrospun tissue engineering scaffolds using direct writing and advanced electric field control. Biointerphases. 10 (1), 011006 (2015).
- Wei, C., Dong, J. Direct fabrication of high-resolution three-dimensional polymeric scaffolds using electrohydrodynamic hot jet plotting. J Micromech Microeng. 23 (2), 025017 (2013).
- Hacker, C., et al. Electrospinning of polymer melt : steps towards an upscaled multi-jet process. Proceedings of the International Conference on Latest Advances in High Tech Textiles and Textile-Based Materials, , 71-76 (2009).
- Nayak, R., Padhye, R., Kyratzis, I. L., Truong, Y. B., Arnold, L. Recent advances in nanofibre fabrication techniques. Text. Res. J. 82 (2), 129-147 (2012).
- Li, H., et al. Interjet distance in needleless melt differential electrospinning with umbellate nozzles. J. Appl. Polym. Sci. 131 (15), (2014).
- Liao, S., et al. Effect of humidity on melt electrospun polycaprolactone scaffolds. BioNanoMaterials. 17, 173 (2016).
- Detta, N., et al. Melt electrospinning of polycaprolactone and its blends with poly(ethylene glycol). Polym Int. 59 (11), 1558-1562 (2010).
- Hochleitner, G., Hümmer, J. F., Luxenhofer, R., Groll, J. High definition fibrous poly(2-ethyl-2-oxazoline) scaffolds through melt electrospinning writing. Polymer. 55 (20), 5017-5023 (2014).
- Chen, F., et al. Additive Manufacturing of a Photo-Cross-Linkable Polymer via Direct Melt Electrospinning Writing for Producing High Strength Structures. Biomacromolecules. 17 (1), 208-214 (2016).
- Hochleitner, G., et al. Additive manufacturing of scaffolds with sub-micron filaments via melt electrospinning writing. Biofabrication. 7 (3), 035002 (2015).
