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

Este video tutorial reflexiona sobre el electrospinning con polímeros fundidos en un modo de escritura directa y proporciona las pautas necesarias para fabricar andamios con arquitecturas bien ordenadas. El electrohilado se refiere a una técnica de procesamiento de polímeros en la que un polímero viscoso se extruye a través de un orificio mientras que la aplicación de un campo eléctrico provoca el surgimiento de un chorro. Las fuerzas electrostáticas aceleran la fibra hacia un colector con carga opuesta o conectado a tierra.

Con el fin de alcanzar el nivel requerido de viscosidad, los polímeros se licuaban tradicionalmente en disolventes. Estos se evaporan durante la fase de vuelo, lo que, en combinación con el campo eléctrico, provoca un fuerte pandeo de las fibras. Esto da como resultado andamios poliméricos cuyas propiedades morfológicas son difíciles de controlar, caracterizar y reproducir.

Este experimento demuestra el electrohilado con polímeros fundidos. En lugar de disolverse, el nivel requerido de viscosidad se alcanza mediante la aplicación de calor a polímeros vírgenes. La falta de disolventes mejora el entrelazamiento macromolecular del polímero y da como resultado una trayectoria de vuelo de la fibra más estable.

Las fibras a escala micrométrica se pueden depositar con precisión de acuerdo con el movimiento del colector. El electrohilado con polímeros fundidos en un modo de escritura directa permite la fabricación de arquitecturas de andamios bien ordenadas, hasta la escala micrométrica e incluso nanométrica. Predecimos que la tecnología desempeñará un papel clave en el futuro de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa.

La tecnología cierra una brecha largamente esperada entre los procesos convencionales de formación de fibras y los principios de impresión 3D, y abre nuevas vías para el diseño de la próxima generación de andamios. La escritura microelectrospinning facilita el procesamiento directo de plásticos de grado médico, como la policaprolactona o PCL. Debido a los pequeños diámetros y a las estructuras y porosidad altamente organizadas, los andamios PCL electrohilados por fusión son estructuras ideales para esto tanto in vitro como in vivo.

Un requisito previo importante para lograr una pirólisis efectiva con resultados valiosos es un software y hardware altamente funcional. Por lo tanto, diseñamos un sistema totalmente integrado con control perimetral automatizado. Esto facilita una producción fiable y específicamente reproducible de andamios para satisfacer suficientemente los requisitos de los usuarios.

La escritura por electrogiro fundido implica la fabricación de andamios con diferentes arquitecturas. El siguiente tutorial describe la preparación del material, la producción de andamios, el ajuste del diámetro de la fibra y la optimización de los chorros. Llene dos gramos de PCL en una jeringa de plástico de tres mililitros y empuje el émbolo suavemente.

Coloque la jeringa en un horno precalentado durante ocho horas a 65 grados centígrados. Apriete con cuidado el émbolo hasta que se eliminen todas las burbujas de aire atrapadas. Conecte una aguja de calibre 23 y conéctela al sistema de presión de aire.

Presiónelo hacia abajo hasta que la punta de la aguja emerja de la olla de latón. Instale el colector en el escenario. Móntelo y límpielo con etanol al 70%.

Determine la velocidad y la dirección del movimiento del colector programando el código G para variar el tamaño, la distancia espacial de la fibra y el número de capas del andamio. En el caso de los andamios tubulares, seleccione la velocidad de rotación, la velocidad de traslación y sus repeticiones para definir el grosor del andamio. En el manuscrito se puede encontrar una guía detallada para programar individualmente los códigos G para andamios planos o tubulares.

Abra el software Mach3 y cargue el código G generado. Hay cinco parámetros ajustables del sistema que determinan significativamente la calidad del andamio resultante. Estos son la presión de aire, el voltaje, la velocidad de recolección, la temperatura y la distancia de trabajo y deben ajustarse en el siguiente orden.

Coloque un bloque de plástico impreso en 3D de 12 milímetros de altura entre la aguja y el colector para ajustar la distancia de trabajo. Encienda ambos calentadores y ajústelos a 65 grados para la parte superior y a 82 grados para la parte inferior. Inicie la presión de aire y espere hasta que el polímero fundido se extruya de la aguja.

Antes de comenzar el proceso, asegúrese de que todos los cables de conexión a tierra estén firmemente conectados. Cierre la puerta frontal de la carcasa que conecta el enclavamiento. Aumente el voltaje hasta que la masa fundida extruida se transforme en un cono Taylor y expulse un chorro fundido hacia el colector.

Deje que el polímero fundido se extruya en la placa colectora del alambique durante cinco minutos para estabilizar el chorro. El electrohilado con polímeros fundidos permite la fabricación de diferentes diámetros de fibra. Esto se puede lograr variando específicamente los parámetros del sistema de presión, voltaje y velocidad, mientras se mantiene la distancia y la temperatura a un nivel constante.

Las fibras de diámetro pequeño de entre tres y 10 micras se pueden imprimir aplicando una presión relativamente baja, un campo eléctrico pequeño a mediano y altas velocidades de recolección. Basándonos en la experiencia de nuestro laboratorio, podemos imprimir fibras de cuatro micrómetros de diámetro con los siguientes valores: 0,9 bar, ocho kilovoltios y 1.700 milímetros por minuto. Los diámetros de tamaño mediano entre 10 y 20 micras se pueden imprimir aplicando un nivel de presión relativamente bajo, voltaje medio a alto y velocidades de recolección en el rango medio.

Basándonos en la experiencia de nuestro laboratorio, podemos imprimir fibras de 13 micrómetros de diámetro con los siguientes valores: 1,5 bar, 11 kilovoltios y 1,200 milímetros por minuto. Las fibras en el rango de 20 a 30 micras o más requieren grandes tasas de extrusión de polímeros junto con la aplicación de voltajes comparativamente altos y las velocidades de recolección más bajas posibles. Basándonos en la experiencia de nuestro laboratorio, podemos imprimir fibras de 25 micrómetros de diámetro con los siguientes valores: 2,6 bar, 12 kilovoltios y 700 milímetros por minuto.

En los tres casos, sin embargo, se requerirá un ajuste fino y una optimización para obtener resultados estables con diámetros homogéneos. En el electrohilado por fusión, solo un equilibrio perfectamente equilibrado entre las fuerzas que determinan el flujo de la masa del polímero y las fuerzas que atraen el chorro hacia el colector conducirá finalmente a morfologías de andamio consistentes. Un equilibrio bien equilibrado se logra una vez que la trayectoria de vuelo de la fibra se asemeja a una curva catenaria durante un largo período de tiempo.

Sin embargo, se conocen tres comportamientos desviados diferentes. En primer lugar, una distribución desequilibrada entre la masa entregada al cono de Taylor y las respectivas fuerzas de arrastre sobre las fibras da como resultado un chorro electrificado inestable. Aquí, el cono de Taylor se sobrealimenta constantemente con polímero y libera su masa en períodos de tiempo frecuentes.

Los ángulos que cambian con frecuencia son visibles y dan como resultado diámetros extremadamente diferentes. Para reestabilizar el proceso, disminuya el caudal para minimizar la entrega de polímeros y aumente la velocidad y el voltaje para amplificar las fuerzas de tracción sobre la fibra. En segundo lugar, la fibra viaja hacia abajo y se deposita perpendicularmente en el colector.

De este modo, la cantidad de fuerzas de aceleración supera el suministro de polímero en el cono de Taylor. Ligeros aumentos de presión y disminución del voltaje resuelven la situación, o alteran la velocidad de recolección. En tercer lugar, la fibra se queda atrás y se asemeja a una línea recta bajo un ángulo alto.

De este modo, se producen y arrastran fibras relativamente gruesas. Esto conduce a un aumento de las imprecisiones de las fibras depositadas. Una disminución en la velocidad de recolección resolverá el problema.

Sin embargo, se necesitan ligeros aumentos en la intensidad del campo eléctrico. En el electrohilado por fusión, hay dos métodos de recolección: colectores planos y colectores de mandril. La aplicación de colectores planos se refiere al método más común.

Las estructuras de 090 y 060 grados de diferentes tamaños son ampliamente reportadas en la literatura. La capacidad de depositar directamente fibras fundidas en el colector también facilita la producción de estructuras no lineales, como las estructuras circulares repetitivas. Las arquitecturas tubulares se pueden lograr con colectores cilíndricos que giran y atraviesan paralelamente a la aguja.

A través del ajuste fino de la decodificación tanto de la velocidad de rotación como de la velocidad de traslación, se puede modificar la orientación de las fibras. Las velocidades de rotación más altas que las velocidades de traslación conducen a poros orientados radialmente y viceversa. El diámetro del tubo depende del diámetro del mandril implementado.

En el manuscrito se puede encontrar una lista detallada de las diferentes arquitecturas de andamios y sus aplicaciones propuestas en los estudios publicados. Debido al campo eléctrico altamente sensible y su dependencia específica de la distancia entre los dos electrodos, es de gran importancia nivelar regularmente tanto la etapa de recolección como la parte inferior del cabezal de impresión. Si la distancia entre el colector y el cabezal se establece demasiado cerca, el campo eléctrico aumenta significativamente hasta que se eleva una chispa entre los componentes.

Baje el voltaje inmediatamente en la caja de control eléctrico o abra la puerta. Antes de cada inicio de un proceso, verifique dos veces todas las conexiones de cable y confirme que no estén sueltas. Cualquier daño en la aguja puede provocar la deformación de los conos de Taylor y, por tanto, irregularidades en la impresión.

Por lo tanto, las agujas en las que la punta se dobló accidentalmente deben desecharse. Esperamos que este video ayude en el establecimiento de un chorro electrificado estable y que se convenza, como nosotros, de que la escritura de electrohilado por fusión desempeñará un papel importante en el campo de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa.