Summary
Électrofilage techniques peuvent créer une variété d'échafaudages nanofibrous pour l'ingénierie tissulaire ou d'autres applications. Nous décrivons ici une procédure d'optimiser les paramètres de la solution électrofilage et appareils pour obtenir des fibres à la morphologie et l'alignement désiré. Les problèmes courants et les techniques de dépannage sont également présentés.
Abstract
Électrofilées échafaudages de nanofibres ont été montré pour accélérer la maturation, améliorer la croissance, et de diriger la migration des cellules in vitro. Électrofilage est un processus dans lequel un jet polymère chargé est collectée sur un collecteur de terre, une rotation rapide des résultats collectionneur en nanofibres alignées alors entraîner l'arrêt des collectionneurs de mats de fibres orientées de façon aléatoire. Le jet de polymère est formé quand une charge électrostatique appliqué surmonte la tension superficielle de la solution. Il ya une concentration minimale pour un polymère donné, appelée la concentration d'enchevêtrement critique en dessous duquel un jet stable ne peut être atteint et aucune nanofibres formeront - bien que les nanoparticules peuvent être atteints (électrospray). Un jet stable a deux domaines, un segment de streaming et un segment de fouetter. Alors que le jet à fouetter est généralement invisible à l'œil nu, le segment de streaming est souvent visible dans les conditions d'éclairage approprié. Observer la longueur, l'épaisseur, la consistance et le mouvement du flux est utile pour prédire l'alignement et la morphologie des nanofibres formé. Un ruisseau court, non uniforme, incohérentes et / ou oscillante est indicative d'une variété de problèmes, y compris l'alignement des fibres pauvres, le perlage, les éclaboussures, et les modèles curlicue ou ondulés. Le flux peut être optimisé en ajustant la composition de la solution et la configuration de l'appareil électrofilage, optimisant ainsi l'alignement et la morphologie des fibres produites. Dans ce protocole, nous présentons une procédure pour la mise en place d'un appareil électrofilage de base, de façon empirique se rapprochant de la concentration d'enchevêtrement critique d'une solution de polymère et l'optimisation du processus électrofilage. De plus, nous discutons de certains problèmes communs et les techniques de dépannage.
Protocol
1. Choisir un polymère
- Choisissez un polymère (par exemple, la poly-L-lactique (PLLA), polycaprolactone (PCL), polystyrène (PS) ou nylon) en fonction de votre cahier des charges (par exemple, biodégradable, thermoplastique ou réticulable) et un solvant de ce polymère. Choisissez un équipement de protection individuelle en fonction de votre sélection.
- Sélectionner un substrat à base de votre application (par exemple, plaquette de verre, plastique, métal ou de silicium).
2. Choisir un Collector
- Choisissez la géométrie collecteur en fonction de votre cahier des charges. Fibres aléatoires peuvent être collectées sur plaques fixes. Fibres alignées peuvent être recueillies sur la rotation rapide des roues, tambours ou barres, ou sur des plaques parallèles.
- Le collecteur doit être conducteur et doit rester isolée de son axel de telle manière qu'il peut être mis à la terre sans également mise à la terre les objets adjacents, les dessus de table, etc
3. Approximative de la concentration critique Entanglement Empiriquement 1
- Préparez plusieurs concentrations en polymère candidat (par exemple, 4, 10, 15, 20, 30% en poids) et de choisir une concentration des flux (la solution doit être un liquide visqueux, mais pas un gel) pour commencer.
- Mettre en place l'appareil électrofilage 2,3,4,5 (voir Figure 1)
- Chargez la pompe seringue et régler la vitesse de la pompe de telle sorte que toute goutte de solution rayé de la pointe est immédiatement remplacé.
- Terrain le collecteur et le clip le fil haute tension à la plaque de conducteur (un petit carré de matériau conducteur tel que du papier d'aluminium à travers laquelle l'extrémité de la seringue dépasse).
- Démarrez le rouet.
- Assurez-vous que l'alimentation est mis à zéro avant de l'allumer.
- Observez le flux
- Rampe de tension lentement et regardez le talon de la solution à la pointe de l'aiguille.
- Régler la tension pour obtenir un flux long et régulier. Si un flux régulier ne peut être obtenue, ajuster la concentration de la solution polymère. Voir tableau 1 pour un exemple.
4. Dépannage - Stream:
- Problèmes avec le flux
- Utilisez un fond foncé mat et le lieu d'une source lumineuse unidirectionnelle (comme une lampe de poche) entre le spectateur et le flux (voir figure 2).
- Dripping de l'extrémité de la seringue
- Si la solution de polymère est dégoulinant vers le bas sans attrait à la roue, assurez-vous que la plaque de conducteur est en contact avec la pointe de l'aiguille et que le collecteur est en contact avec le sol.
- Si la goutte de solution de polymère à l'extrémité de la seringue est penché dans la direction de la roue, mais ne forme pas un ruisseau, augmenter la tension. La qualité des cours d'eau peut être ajustée en faisant varier la distance et la tension jusqu'à ce qu'un flux constant est visible. Voir Figure 3 pour les distances proposées avec des tensions correspondant à une solution PLLA 4% et une plaque de conducteur de 8x8 cm.
- Globs Large à l'extrémité de la seringue
- Lorsque la solution de polymère commence à recueillir et à durcir à la pointe de l'aiguille, glisser le glob repartir avec une serviette en papier attaché à un bâton non-conducteur.
- Oscillant ou «remue» ruisseaux
Lorsque le flux est remuant de haut en bas rapidement, baissez la tension ou augmenter la distance entre le bout de la seringue et la roue. Si le flux continue à remuer utiliser une concentration plus élevée de polymère ou d'ajouter un peu de solvant avec une évaporation plus lente. - Filières courtes ou discontinues
Visible flux réguliers en contact observables avec le mobile à une vitesse de rotation élevée de rendement le plus élevé de qualité de l'uniformité et l'alignement. Lorsque le flux est court et discontinu, l'augmentation de la solution de polymère, en ajoutant plus lente évaporation de solvants, et en ajustant la tension sera d'améliorer la durée et la constance du flux.
5. Dépannage - morphologie de fibres 6,7,8 (voir figure 4)
- Perlage
Lorsque les perles sont découverts dans les fibres, l'augmentation de la solution de polymère et assurez-vous que la plaque de conducteur est en contact continu avec l'aiguille et que la brosse métallique à la terre est en contact continu avec la roue. - Rubans et fibres saignements
Lorsque les fibres se forment comme des rubans ou des saignements sont ensemble, utiliser une concentration plus élevée de polymère ou un solvant avec un taux plus élevé d'évaporation (plus volatils). - Fibres fioriture ou ondulés
Lorsque les fibres forment des vagues ou de fioritures, d'augmenter la vitesse de la roue ou de déplacer la pointe de l'aiguille d'autres à partir du collecteur. Aussi, vérifiez que la plaque conductrice et le collecteur sont pas vibrer. - Porosité 9
Si les pores sont souhaitées, utiliser un solvant qui s'évapore rapidement. Si les pores ne sont pas souhaitées, essayez d'ajouter une petite quantité de co-solvant qui est moins volatil que le solvant majeur. - Alignement 10
Lorsque le collecteur est movING à bas régime ou au repos, la qualité de l'alignement est pauvre. Augmenter l'alignement en augmentant la vitesse de la roue.
6. Les résultats représentatifs:
S'il vous plaît se référer à la figure 4 pour les représentations des résultats de fibre typique.
Figure 1. Une configuration typique de l'électrofilage. Une solution de polymère (en bleu) est distribué à partir d'une seringue électrique (orange). Une alimentation haute tension en courant continu (vert) les motifs d'un collecteur de roue en rotation rapide (en gris) sur lequel nanofibres alignées sont collectées. Le jet de polymère entre la seringue et le collecteur est constitué d'un segment stable de streaming et un segment oscillant rapidement à fouetter.
. Figure 2 Le jet continu est visible sortant du bout de la seringue; le jet à fouetter est trop petit pour être vu.
Approximation de la concentration critique de l'enchevêtrement PLLA
| PLLA (% p / v) | Observation | Ajustement de la concentration |
| 0.5 | Dripping; aucun flux | Augmenter |
| 2.0 | Cracher Globs petite, pas de flux | INCRESE légèrement |
| 4,0 | Flux régulier | Bonne |
| 6,0 | Cracher Globs grandes ou des perles | Diminuer légèrement |
| 12,0 | Agglomérante à la pointe, pas de flux | Diminuer |
Tableau 1. Un exemple illustrant le rapprochement de la concentration critique de l'enchevêtrement PLLA. Différentes concentrations en polymère sont jugés et les jets résultant de streaming observées jusqu'à un flux constant est obtenu.
Figure 3. La distance entre l'extrémité de la seringue et le collecteur doit être équilibrée avec la tension appliquée pour obtenir un jet constant de streaming. L'excès de tension appliquée provoque un jet d'oscillation ou de «remue» pour former que des résultats en moins de fibres bien alignées. Lorsque la tension est trop basse, pas de jet se forme et la solution ne goutte à goutte du bout de la seringue. La région de mauve grisé ci-dessus représente la plage de tension sur lequel un jet constant de diffusion peut être obtenue pour PLLA en fonction de la seringue à collecteur à distance.
Figure 4. Fibres électrofilées peuvent présenter une variété de morphologies, y compris les perles (A), rubans (B), fioritures (C), Globs poreux (D), un bon alignement (E) et un mauvais alignement (F).
Discussion
Nota: La majorité des exemples présentés ici portent électrofilage de poly-L-lactique (PLLA) nanofibres. C'est tout simplement parce PLLA est le polymère le plus couramment filé dans notre laboratoire. Toutefois, nous avons également utilisé avec succès ces méthodes pour electrospin autres polymères (par exemple, PLGA, PCL, PS) et de croire que les techniques présentées ici sont facilement applicables à la majorité de la mi-à haut poids moléculaire des solutions de polymères.
Disclosures
Aucun conflit d'intérêt déclaré.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par le NIH et le K08 EB003996 Paralyzed Veterans of America Foundation subvention de recherche 2573.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| High voltage DC power supply | Gamma High Voltage | ES40P-5W | |
| Syringe pump | KD Scientific | KDS100 | |
| Aluminum foil | Reynolds Wrap | ||
| Blunt metal tips, 23ga | Fisher Scientific | 13-850-102 | |
| Polypropylene syringe | BD Biosciences | 309585 | |
| Rotating or stationary collector | Custom Made | ||
| Various alligator clips and wires | |||
| Dimethylformamide | Fisher Scientific | AC11622-0010 | |
| Chloroform | Fisher Scientific | AC42355-0040 | |
| PLLA | Boehringer Ingeheim | Resomer L210 | |
| PLGA 85:15 | Sigma-Aldrich | 43471 | |
| Carbon tape | Ted Pella, Inc. | 13073-1 |
References
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