Name: Fundamentos electrospinning: Solución de Optimización de los parámetros y aparatos (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-01-21T17:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Aprende los fundamentos del electrospinning para optimizar parámetros de solución y aparato en la producción de nanofibras alineadas. Este método permite crear andamios para ingeniería de tejidos y cultivo celular.

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Este trabajo fue apoyado por el NIH K08 EB003996 y los Veteranos Paralizados de América Investigación Beca de la Fundación 2573.

1. Elegir un polímero <ol><li> Elegir un polímero (por ejemplo, poli-L-láctico (PLLA), policaprolactona (PCL), poliestireno (PS) o nylon) con base en las especificaciones (por ejemplo, biodegradable, termoplástico o cruz enlazables) y un disolvente de que el polímero. Elegir el equipo adecuado de protección personal sobre la base de su selección. </li><li> Seleccione un sustrato a base de su aplicación (por ejemplo, obleas de vidrio, plástico, metal o el silicio). </li></ol> 2. Elegir un colector <ol><li> Elija la geometría colector basado en sus especificaciones. Fibras al azar se pueden recoger en las placas fijas. Fibras alineadas se pueden recoger en rápida rotación de las ruedas, tambores o barras, o en placas paralelas. </li><li> El colector debe ser conductora y debe permanecer aislado de su eje de tal manera que pueda ser conectado a tierra, sin tierra también los objetos adyacentes, la superficie de la mesa, etc </li></ol> 3. Aproximar la concentración entrelazamiento crítico Empíricamente un <ol><li> Prepare varias concentraciones de polímeros candidatos (por ejemplo, 4, 10, 15, 20, 30% en peso) y elija una concentración que los flujos (la solución debe ser un líquido viscoso, pero no un gel) para empezar. </li><li> La instalación del equipo electrospinning 2,3,4,5 (ver Figura 1) <ol><li> Cargar la bomba de jeringa y fijar la velocidad de la bomba de manera que cualquier gota de solución de borrado de la punta es reemplazada inmediatamente. </li><li> Baja del colector y el clip de alambre de alta tensión a la placa de conductor (un pequeño cuadrado de material conductor, como papel de aluminio a través del cual sobresale la punta de la jeringa). </li><li> Inicie el giro de la rueda. </li><li> Asegúrese de que la fuente de alimentación se ajusta a cero antes de encenderlo. </li></ol></li><li> Observe el flujo de <ol><li> Rampa de tensión lentamente y ver la gota de la solución en la punta de la aguja. </li><li> Ajustar la tensión para obtener una larga y constante. Si un flujo constante no se puede obtener, ajustar la concentración de la solución de polímero. Ver Tabla 1 para un ejemplo. </li></ol></li></ol> 4. Resolución de problemas - la corriente: <ol><li> Problemas para ver el flujo de <ol><li> Use un fondo oscuro mate y colocar una fuente de luz unidireccional (como una linterna) entre el espectador y la corriente (ver Figura 2). </li></ol></li><li> Goteo de la punta de la jeringa <ol><li> Si la solución de polímero es que gotea hacia abajo sin ningún atractivo a la rueda, asegúrese de que la placa de conductor hace contacto con la punta de la aguja y que el colector está haciendo contacto con el suelo. </li><li> Si la gota de solución de polímero en la punta de la jeringa se inclina en la dirección de la rueda, pero no es la formación de una corriente, aumentar la tensión. La calidad de la corriente se puede ajustar mediante la variación de la distancia y la tensión hasta que un flujo constante es visible. Ver Figura 3 para distancias sugeridas con voltajes correspondientes a una solución PLLA 4% y una placa de conductor de 8x8 cm. </li></ol></li><li> Globos grande en la punta de la jeringa <ol><li> Cuando la solución de polímero comienza a recoger y se endurecen en la punta de la aguja, mueva la globalización con una toalla de papel pegado a un palo no conductor. </li></ol></li><li> Oscilante o corrientes de agua 'moviendo' Cuando la corriente está moviendo arriba y abajo rápidamente, bajar la tensión o aumentar la distancia entre la punta de la jeringa y la rueda. Si la corriente sigue a menear utilizar una mayor concentración de polímero o añadir un poco de disolvente con una evaporación más lenta. </li><li> Programas cortos o discontinuos Visible corrientes constantes toma de contacto observable con el conjunto de la rueda a una velocidad de rotación de alto rendimiento de la más alta calidad de la uniformidad y la alineación. Cuando la corriente se corta y discontinua, el aumento de la solución de polímero, la adición de más solvente de evaporación lenta, y el ajuste de la tensión mejorará la longitud y la firmeza de la corriente. </li></ol> 5. Resolución de problemas - Morfología de fibra 6,7,8 (ver Figura 4) <ol><li> Cuentas Cuando cuentas que se descubren en las fibras, aumento de la solución de polímero y asegúrese de que la placa de conductor es el contacto continuo con la aguja y que el cepillo de alambre a tierra es el contacto continuo con la rueda. </li><li> Cintas y fibras de sangrado Cuando las fibras se forman como cintas o sangrado en conjunto, utilice una mayor concentración de polímero o un disolvente con una mayor tasa de evaporación (más volátiles). </li><li> Fibras floritura u ondulado Cuando las fibras se forman las olas o volutas, aumentar la velocidad de las ruedas o mover la punta de la aguja más lejos de la colección. Además, verifique que la placa de conductor y el colector no están vibrando. </li><li> Porosidad 9 Si los poros son lo desea, use un solvente de evaporación rápida. Si los poros no son deseados, pruebe a añadir una pequeña cantidad de co-disolvente, que es menos volátil que el principal solvente. </li><li> Alineación 10 Cuando el colector se movción a un régimen bajo o en reposo, la calidad de la alineación es deficiente. Aumentar la alineación por el aumento de la velocidad de la rueda. </li></ol> 6. Los resultados representativos: Por favor refiérase a la Figura 4 para las representaciones de los resultados de fibra típica. <img src="/files/ftp_upload/2494/2494fig1.jpg" alt="Figura 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 1"> Figura 1. Una configuración típica de electrospinning. Una solución de polímero (azul) se dispensa de una bomba de jeringa (naranja). Un alto voltaje de corriente directa (verde) un colector de motivos de la rueda que gira rápidamente (en gris) en los que se recogen nanofibras alineados. El chorro de polímero entre la jeringa y el colector consta de un segmento de constante flujo y un segmento de rápido oscilante azotes. <img src="/files/ftp_upload/2494/2494fig2.jpg" alt="Figura 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 2"> . Figura 2 El chorro de streaming se puede ver salir de la punta de la jeringa, el chorro de azotes es demasiado pequeño para ser visto. La aproximación de la concentración crítica de enredo PLLA <table border="1"><tbody><tr><td> PLLA (% p / v) </td><td> Observación </td><td> Ajuste de la concentración </td></tr><tr><td> 0.5 </td><td> Goteo, sin corriente </td><td> Aumento </td></tr><tr><td> 2.0 </td><td> Escupiendo globos pequeños, sin corriente </td><td> INCRESE ligeramente </td></tr><tr><td> 4.0 </td><td> Flujo constante </td><td> Bueno </td></tr><tr><td> 6.0 </td><td> Escupiendo globos grandes o cuentas </td><td> Disminuyen ligeramente </td></tr><tr><td> 12.0 </td><td> Formación de grumos en la punta, sin corriente </td><td> Disminución </td></tr></tbody></table> Tabla 1. Un ejemplo que muestra la aproximación de la concentración crítica de PLLA enredo. Diferentes concentraciones de polímeros son juzgados y los chorros resultantes de transmisión observada hasta una corriente constante se obtiene. <img src="/files/ftp_upload/2494/2494fig3.jpg" alt="Figura 3" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 3"> Figura 3. La distancia entre la punta de la jeringa y el colector debe estar equilibrada con la tensión aplicada para obtener un chorro constante de streaming. Exceso de voltaje aplicado causa una oscilación o "menear" chorro de forma que los resultados en menos fibras bien alineados. Cuando la tensión es demasiado baja, no se forma de chorro y la única solución por goteo de la punta de la jeringa. La región sombreada en color morado de arriba representa el rango de tensión sobre el cual puede ser un chorro constante flujo obtenidos para PLLA en función de la distancia jeringa-colector. <img src="/files/ftp_upload/2494/2494fig4.jpg" alt="Figura 4" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 4"> Figura 4. Fibras Electrospun puede exhibir una variedad de morfologías, incluyendo cuentas (A), cintas (B), arabescos (C), globos poroso (D), una buena alineación (E) y una mala alineación (F).

<ol><li>Shenoy, S. L., Bates, W. D., Frisch, H. L., Wnek, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Role+of+chain+entanglements+on+fiber+formation+during+electrospinning+of+polymer+solutions%3A+good+solvent%2C+non-specific+polymer-polymer+interaction+limit%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer%22%5BJournal%5D)">Role of chain entanglements on fiber formation during electrospinning of polymer solutions: good solvent, non-specific polymer-polymer interaction limit.</a> Polymer. 46, 3372-3384 (2005).</li>
<li>Gertz, C. C., Leach, M. K., Birrel, L. K., Martin, D. C., Feldman, E. L., Corey, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accelerated+neuritogenesis+and+maturation+of+primary+spinal+motor+neurons+in+response+to+nanofibers%5BTitle%5D)+AND+%22Dev.+Neurobiol%22%5BJournal%5D)">Accelerated neuritogenesis and maturation of primary spinal motor neurons in response to nanofibers.</a> Dev. Neurobiol. 70, 589-603 (2010).</li>
<li>Lin, D. Y., Johnson, M. A., Vohden, R. A., Chen, D., Martin, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tailored+nanofiber+morphologies+using+modulated+electrospinning+for+biomedical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Mat.+Res.+Soc.+Symp.+Proc%22%5BJournal%5D)">Tailored nanofiber morphologies using modulated electrospinning for biomedical applications.</a> Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 736, D3.8.1-D3.8.6 (2003).</li>
<li>Corey, J. M., Gertz, C. C., Wang, B. S., Birrell, L. K., Johnson, S. L., Martin, D. C., Feldman, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+design+of+electrospun+PLLA+nanofiber+scaffolds+compatible+with+serum-free+growth+of+primary+motor+and+sensory+neurons%5BTitle%5D)+AND+%22Acta.+Biomater%22%5BJournal%5D)">The design of electrospun PLLA nanofiber scaffolds compatible with serum-free growth of primary motor and sensory neurons.</a> Acta. Biomater. 4, 863-875 (2008).</li>
<li>Corey, J. M., Lin, D. Y., Mycek, K. B., Chen, Q., Samuel, S., Feldman, E. L., Martin, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aligned+electrospun+nanofibers+specify+the+direction+of+dorsal+root+ganglia+neurite+growth%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomed.+Mater.+Res.+A%22%5BJournal%5D)">Aligned electrospun nanofibers specify the direction of dorsal root ganglia neurite growth.</a> J. Biomed. Mater. Res. A. 83, 636-645 (2007).</li>
<li>Tan, S. -H., Kotaki, M., Ramakrishna, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Systematic+parameter+study+for+ultra-fine+fiber+fabrication+via+electrospinning+process%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer%22%5BJournal%5D)">Systematic parameter study for ultra-fine fiber fabrication via electrospinning process.</a> Polymer. 46, 6128-6134 (2005).</li>
<li>Yang, F., Murugan, R., Wang, S., Ramakrishna, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrospinning+of+nano%2Fmicro+scale+poly%28L-lactic+acid%29+aligned+fibers+and+their+potential+in+neural+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Electrospinning of nano/micro scale poly(L-lactic acid) aligned fibers and their potential in neural tissue engineering.</a> Biomaterials. 26, 2603-2610 (2005).</li>
<li>Li, W., Laurencin, C. T., Caterson, E. J., Tuan, R. S., Ko, F. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrospun+nanofibrous+structure%3A+A+novel+scaffold+for+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomed.+Mater.+Res.+A%22%5BJournal%5D)">Electrospun nanofibrous structure: A novel scaffold for tissue engineering.</a> J. Biomed. Mater. Res. A. 60, 613-621 (2002).</li>
<li>Kim, C. H., Jung, Y. H., Kim, H. Y., Lee, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+collector+temperature+on+the+porous+structure+of+electrospun+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Macromol.+Res%22%5BJournal%5D)">Effect of collector temperature on the porous structure of electrospun fibers.</a> Macromol. Res. 14, 59-65 (2006).</li>
<li>Wang, H. B., Mullins, M. E., Cregg, J. M., Hurtado, A., Oudega, M., Trombley, M. T., Gilbert, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creation+of+highly+aligned+electrospun+poly-L-lactic+acid+fibers+for+nerve+regeneration+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Creation of highly aligned electrospun poly-L-lactic acid fibers for nerve regeneration applications.</a> J. Neural Eng. 6, (2009).</li>
</ol>

Nota: La mayoría de los ejemplos que aquí se presenta frente a electrospinning poli-L-láctico (PLLA) nanofibras. Esto es simplemente porque PLLA es el polímero más común giró en nuestro laboratorio. Sin embargo, también hemos utilizado con éxito estos métodos para electrospin otros polímeros (por ejemplo, PLGA, PCL, PS) y creemos que las técnicas presentadas aquí son fácilmente aplicables a la mayoría de mediano y alto peso molecular de soluciones de polímeros.

<table><tbody><tr><td> Fuente de alimentación de corriente continua de alto voltaje </td><td>Gamma High Voltage</td><td>ES40P-5W</td><td></td></tr><tr><td> Bomba de jeringa </td><td>KD Scientific</td><td>KDS100</td><td></td></tr><tr><td> Papel de aluminio </td><td>Reynolds Wrap</td><td></td><td></td></tr><tr><td> Puntas metálicas romas, 23ga </td><td>Fisher Scientific</td><td>13-850-102</td><td></td></tr><tr><td> Jeringa de polipropileno </td><td>BD Biosciences</td><td>309585</td><td></td></tr><tr><td> Colector giratorio o estacionario </td><td>Personalizado</td><td></td><td></td></tr><tr><td> Diversos cables y pinzas tipo cocodrilo </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> Dimetilformamida </td><td>Fisher Scientific</td><td>AC11622-0010</td><td></td></tr><tr><td> Cloroformo </td><td>Fisher Scientific</td><td>AC42355-0040</td><td></td></tr><tr><td>PLLA</td><td>Boehringer Ingeheim</td><td>Resomer L210</td><td></td></tr><tr><td>PLGA 85:15</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>43471</td><td></td></tr><tr><td> Cinta de carbono </td><td>Ted Pella, Inc.</td><td>13073-1</td><td></td></tr></tbody></table>

fundamentos electrospinning: solución de optimización de los parámetros y aparatos

Electrospinning Fundamentals: Optimizing Solution and Apparatus Parameters

Electrospun andamios nanofibras han demostrado que acelera la maduración, mejorar el crecimiento, y dirigir la migración de las células in vitro. Electrospinning es un proceso en el que se recoge una carga chorro de polímero en un colector de tierra, una rápida rotación resultados colector en nanofibras alineados mientras que el resultado colectores fijos en esteras de fibra orientadas al azar. El chorro de polímero se forma cuando una carga electrostática aplicada supera la tensión superficial de la solución. Hay una concentración mínima de un polímero dado, la denominada concentración crítica enredo, por debajo del cual un chorro estable, no se puede lograr y no nanofibras se forman - a pesar de las nanopartículas se puede lograr (electrospray). Un avión de estabilidad tiene dos dominios, un segmento de transmisión y un segmento de azotes. Mientras que el chorro de azotes suele ser invisible a simple vista, el segmento de transmisión es a menudo visible bajo condiciones de iluminación adecuadas. La observación de la longitud, grosor, consistencia y el movimiento de la corriente es útil para predecir la alineación y la morfología de las nanofibras se forman. Una corriente de corto, no uniforme, inconsistentes, y / u oscilante es indicativo de una variedad de problemas, incluyendo la alineación de la fibra pobres, puntillas, salpicando, y los patrones de floritura u ondulado. La corriente se puede optimizar mediante el ajuste de la composición de la solución y la configuración del aparato electrospinning, optimizando así la alineación y la morfología de las fibras que se producen. En este protocolo, se presenta un procedimiento para la creación de un aparato de electrospinning básicos, empíricamente, la aproximación de la concentración de enredo crítico de una solución de polímero y la optimización del proceso de electrospinning. Además, se describen algunos problemas comunes y las técnicas de resolución de problemas.

Electrospinning técnicas pueden crear una variedad de andamios nanofibras para ingeniería de tejidos u otras aplicaciones. Se describe aquí un procedimiento para optimizar los parámetros de la solución de electrospinning y aparatos para la producción de fibras con la morfología y la alineación que desee. Problemas comunes y las técnicas de resolución de problemas también se presentan.

Fundamentos electrospinning: Solución de Optimización de los parámetros y aparatos

Se ha demostrado que los andamios de nanofibras electrohiladas aceleran la maduración, mejoran el crecimiento y orientan la migración de las células in vitro.

Este experimento demuestra la electrospinning de andamios de nanofibras para estructuras extracelulares de soporte celular in vitro e in vivo. Comience por seleccionar un disolvente polimérico y una geometría de colector adecuadas para el tipo deseado de nanofibras. El paso más importante de este proceso consiste en determinar la concentración crítica de enredo por encima de la cual es posible formar fibras.A continuación, se debe ajustar el sistema para producir la densidad de diámetro y alineación de las fibras. La microscopía electrónica deseada indica los diferentes tipos de fibras que pueden hilarse. Se ha demostrado que estos andamios de nanofibras electrohiladas aceleran la maduración, mejoran el crecimiento y dirigen la migración de células in vitro.Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque la electrohilado puede ser un proceso delicado. Las demostraciones visuales de este método son fundamentales, ya que los pasos de optimización del aparato son difíciles de comprender sin experiencia previa en electrohilado. Al elegir un polímero y un disolvente para la electrohilado, considere características como la biodegradabilidad, la termoplásticidad y la capacidad de reticulación, teniendo en cuenta su aplicación final.Luego, determine el equipo de protección personal adecuado requerido según sus selecciones. A continuación, seleccione un sustrato para recolectar las nanofibras, como vidrio, plástico, metal o oblea de silicio. Ahora elija la geometría del colector.Se recogen fibras dispuestas aleatoriamente sobre placas estacionarias. Mientras que las fibras alineadas pueden recolectarse en ruedas que giran rápidamente, tambores, varillas o placas paralelas deben garantizar que el colector sea conductor y permanezca aislado de forma tal que pueda conectarse a tierra sin conectar a tierra objetos adyacentes. En el caso de colectores rotatorios, la rueda debe aislarse de su eje.Con el fin de aproximar empíricamente la concentración crítica de enredamiento, prepare varias concentraciones candidatas del polímero y de estas elija una concentración que fluya. La solución debe ser un líquido viscoso, pero no un gel. Ahora configure el aparato de electrohilado.La jeringa debe colocarse a una distancia de 20 centímetros del colector para comenzar a cargar la bomba de jeringa con la solución elegida y ajustar la velocidad de la bomba de manera que cualquier gota de solución eliminada de la punta se reemplace inmediatamente. Conecte a tierra el colector y sujete el cable de alto voltaje a la placa conductora. Asegúrese de que la fuente de alimentación esté ajustada a cero antes de iniciar la rotación de la rueda, y aumente lentamente el voltaje mientras observa la formación de la gota de solución en la punta de la aguja y el chorro resultante.Continúe ajustando el voltaje para obtener un chorro largo y estable. Si no es posible obtener un chorro estable, ajuste primero la concentración de la solución polimérica. Si el chorro es difícil de ver, utilice un fondo mate oscuro y coloque una fuente de luz unidireccional entre el observador y el chorro.A veces, la solución polimérica gotea directamente hacia abajo desde la punta de la jeringa sin que haya atracción hacia la rueda. En este caso, confirme que la placa conductora esté haciendo contacto con la punta de la aguja y que el colector esté en contacto con tierra. Si la gota de solución polimérica en la punta de la jeringa se inclina hacia la dirección de la rueda pero no forma un chorro, aumente el voltaje.Realice ajustes variando la distancia y el voltaje hasta que sea visible un flujo constante. Cuando se formen grandes glóbulos de polímero en la punta de la jeringa, retire el glóbulo con una toalla de papel sujeta a un palo no conductor. Para corregir flujos oscilantes o inestables, reduzca el voltaje o aumente la distancia entre la punta de la jeringa y la rueda.Si la corriente continúa moviéndose, utilice una concentración más alta de polímero o agregue un poco de disolvente con una evaporación más lenta a la solución. Visible. Corrientes estables que establecen contacto observable con la rueda giratoria a alta velocidad de rotación producen la mayor calidad de uniformidad y alineación, lo que mejora la longitud y estabilidad de una corriente corta y discontinua. Aumente la solución de polímero.Agregue más disolvente de evaporación lenta o ajuste el voltaje. A veces, al recolectar fibras aleatorias en una placa estacionaria, las fibras comienzan a formar láminas o hilos en el aire. Esto indica que el voltaje está demasiado alto.Cuando se observen perlas en las fibras, aumente la solución polimérica y asegúrese de que la placa conductora esté en contacto continuo con la aguja y de que el cepillo metálico conectado a tierra esté en contacto continuo con la rueda. Además, debe intentar lograr un flujo constante. Las emisiones intermitentes suelen indicar la formación de fibras con perlas.Si las fibras se forman como cintas o se difunden juntas, utilice una concentración más alta de polímero o un disolvente con una tasa de evaporación más elevada para corregir las fibras que forman ondas o rizos. Aumente la velocidad de la rueda o aleje la punta de la aguja del colector. Asimismo, verifique que la placa conductora y el colector no estén vibrando.A veces se desean poros, en cuyo caso simplemente se utiliza un disolvente que se evapora rápidamente. Sin embargo, si no se desean poros, intente añadir una pequeña cantidad de disolvente coadyuvante menos volátil que el disolvente principal. Cuando el colector gira a baja velocidad (RPM) o está en reposo, la calidad del alineamiento es deficiente.Aumente el alineamiento incrementando la velocidad de la rueda. Las nano fibras electrohiladas son eficaces en el cultivo y estudio de diversos tipos celulares. Por ejemplo, las neuronas primarias de rata pueden teñirse para beta tubulina y la contratincción nuclear dpi.Es importante destacar que las fibras también pueden visualizarse cuando se incluye un colorante como el ruminol de azufre en la solución de hilado tras su desarrollo. Esta técnica permitió a los investigadores en el campo de los biomateriales y la biología celular explorar las interacciones entre las células y una variedad de características y geometrías nano-topográficas. No olvide que trabajar con altos voltajes puede ser extremadamente peligroso, y siempre se deben tomar precauciones para aislar al operador del aparato durante la realización de este procedimiento.

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Research

Investigación

JoVE Journal

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