Article de méthode

Faire fondre électrofilage écrit d’échafaudages Poly(ε-caprolactone) en trois dimensions avec des Morphologies contrôlables pour les Applications de génie tissulaire

DOI :

10.3791/56289

⸱

23 décembre 2017

 ,  ,  ,  ,  , 
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

Dans cet article

Résumé

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Ce protocole sert de guide complet pour fabriquer par électrofilage avec polymère se fond dans un mode d’écriture directe. Systématiquement, nous décrire le processus et définir les paramètres appropriés pour la réalisation d’architectures ciblées échafaudage.

Résumé

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Ce tutoriel se penche sur les principes fondamentaux et directives concernant électrofilage écrit avec polymère fait fondre, une technologie de fabrication additive avec un grand potentiel pour des applications biomédicales. La technique facilite le dépôt direct des fibres de polymère biocompatible pour fabriquer bien ordonnée dans le sub-micronique à échelle micro de mesure. La mise en place d’un stable, viscoélastique, jet de polymère entre une filière et un collectionneur est réalisé en utilisant une tension appliquée et peut être écrites directement. Un avantage significatif d’un échafaudage poreux typique est un rapport surface-volume élevé qui offre une adhérence efficace sites pour la croissance et la fixation des cellules. Contrôler le processus d’impression en affinant les paramètres système permet reproductibilité élevée dans la qualité des imprimés utilisés. Il fournit également une plate-forme de fabrication flexible pour les utilisateurs d’adapter les structures morphologiques des échafaudages à leurs exigences spécifiques. À cette fin, nous présentons un protocole afin d’obtenir des diamètres différents fibre aide fonte électrofilage écrit (MEW) avec une modification guidée des paramètres, y compris la vitesse des courants de taux, de tension et de collection. En outre, nous montrons comment optimiser le jet, discuter des défis techniques souvent expérimentés, expliquent les techniques de dépannage et mettre en valeur une large gamme d’architectures échafaudage imprimable.

Introduction

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La fabrication de structures biocompatibles de tridimensionnelles (3D) pour les cellules est l’une des principales contributions de biofabrication additive au tissu ingénierie (TE), visant à restaurer les tissus en appliquant des biomatériaux personnalisés, cellules, facteurs biochimiques, ou une combinaison d'entre eux. Par conséquent, les conditions principales d’échafaudages pour les applications TE incluent : fabrication de matériaux biocompatibles, contrôlables propriétés morphologiques d’invasion des cellules ciblées et des propriétés de surface optimisées pour amélioré interaction cellule 1.

MEW est une technique de fabrication sans solvant qui allie les principes de fabrication additive (souvent appelée impression 3D) et électrofilage pour la production de polymères mailles très ordonnée fibres ultrafines morphologies2. C’est une approche de l’écriture directe et dépose avec précision les fibres selon codes préprogrammés3, dénommé G-Codes. Fonte électrofilées constructions sont actuellement préparés en utilisant un plat4,5 ou un collectionneur de7 6,mandrin pour fabriquer poreux plat et tubulaire, respectivement.

Cette technique offre des avantages significatifs à la TE et le milieu de la médecine régénératrice (RM) en raison de la possibilité d’imprimer directement des polymères de qualité médicale, tels que poly(ε-caprolactone) (PCL), qui présente l’excellente biocompatibilité8. Autres avantages sont la possibilité de personnaliser la taille et la distribution de la porosité, en déposant les fibres de manière très organisés pour fabriquer des ratios de surface-volume élevés. Avant que MEW peut être effectuée, le polymère exige tout d’abord l’application de chaleur9. Une fois à l’état liquide, une pression d’air appliquée force il s’écoule à travers une filière métallique qui est connectée à une source de haute tension. L’équilibre des forces entre la tension superficielle et l’attrait de la gouttelette chargée électrostatiquement au collecteur de terre conduit à la formation d’un cône de Taylor, suivie par l’éjection d’un jet de10.

Images et un schéma de l’appareil MEW build interne utilisé pour le présent protocole sont indiquées à la Figure 1. Par ailleurs, il montre les principes de l’utilisation de ruban isolant pour éviter une décharge électrique entre les éléments de chauffage et la partie laiton chargés électriquement, entourant la filière. Isolation insuffisante entraînerait des dommages internes du matériel mis en œuvre.

Selon le réglage des trois paramètres (température, pression air et vitesse de collecte), MEW permet la fabrication de fibres de différents diamètres, expliqués dans la section « discussion ». Dans la plupart des cas, toutefois, mise au point et optimisation du jet sera nécessaires avant un jet stable sera éjecté. La visualisation du jet itinérante électrifiée est un moyen efficace pour vérifier la cohérence et l’homogénéité du processus. Dans un cas idéal, la trajectoire de vol ressemble à une courbe caténaire acquise suite à un équilibre des forces contrôlé par les paramètres de système11. En outre, la micro - et macro-structure des échafaudages dépend de la trajectoire de vol du polymère jet12. Un tableau détaillé des comportements différents de déflexion et mesures d’optimisation est donné dans la section « discussion ».

Dans la présente étude, nous présentons un protocole décrivant les étapes de fabrication pour la fabrication d’échafaudages fibreux hautement contrôlés, en utilisant la technologie MEW. En cette année de travail, médicale PCL (poids moléculaire 95-140 kg/mol) a été utilisé, car cette catégorie médicale PCL s’est améliorée pureté qualité technique, et ses propriétés mécaniques et de traitement sont excellentes pour MEW. La fonte large gamme de PCL de traitement provient de son bas point de fusion (60 ° C) et haute stabilité thermique. En outre, le PCL est un polymère biodégradable taux lent, qui en fait un excellent matériau pour nombreux tissus, ingénierie des applications13.

Pour cette étude, la distance de la température et collectionneur va être maintenue constante (65 ° C et 82 ° C pour les températures de la seringue et de la filière (respectivement) et 12 mm pour la distance de collecteur) ; appliquer la tension, pression de vitesse et de l’air de collectionneur, cependant, variera pour fabriquer des fibres de diamètre ciblées. Une liste détaillée des études publiées à l’aide d’échafaudages MEW est fournie dans la section résultats et révèle les différentes applications pour les champs de TE et RM (tableau 1).

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Protocole

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1. matérielle préparation

  1. Remplissez une seringue de 3 mL en plastique de 2 g de PCL avec un entonnoir et introduire un piston dans l’extrémité ouverte.
  2. Placer la seringue dans un four préchauffé à 65 ° C pendant 8 h. Point la pointe vers le haut permettre les bulles d’air au total près de l’ouverture.
  3. Poussez le piston avec un objet mince pour libérer l’air emprisonné dans la matière en fusion.
  4. Laissez-le refroidir à température ambiante, ce qui est possible lorsque le polymère n’est pas transparent plus après 10 minutes.
  5. Placez la seringue pré-chargés PCL à température ambiante dans un environnement sec et sombre jusqu'à ce qu’il est utilisé.

2. configuration matΘrielle et logiciel

  1. Attacher une aiguille à pointe plate 23G (filière) à la seringue et un adaptateur de baril à l’autre extrémité pour connecter la seringue pour le système de pression d’air.
  2. Placer la seringue dans la tête d’impression et l’enfoncer jusqu'à ce que la pointe de la filière se distingue 1 mm sur la partie en laiton sur le côté inférieur de la tête.
  3. Monter un collecteur sur la scène et nettoyer la surface ainsi que la tête d’impression avec l’éthanol à 70 % (vol/vol) pour retirer la poussière ou polymère résiduelle.
  4. Définissez la distance de travail en plaçant un objet élevé de 12 mm entre la filière et le collecteur et abaissez la tête d’impression jusqu'à ce que la pointe de la filière il effleure.
  5. Ajuster les régulateurs de température à la boîte électrique à 82 ° C et 65 ° C pour la région de la filière et la seringue, respectivement et leur puissance à faire fondre la PCL.
  6. Attendez au moins 10 min, jusqu'à ce que le polymère est fondu et initier la pression d’air de réglage du régulateur à 1,8 bar.
  7. Préparer le G-Code pour définir la taille et forme, distance inter-filament et le nombre de couches de l’échafaudage et la vitesse de la collection du processus.
    Remarque : Un modèle détaillé pour la fabrication d’échafaudages tubulaires et plats est fourni dans le chapitre de discussion (tableau 2).
  8. Vérifier manuellement que tous les câbles de terre sont est-il correctement connectés à l’enceinte et la prise murale.
  9. Lancez le logiciel (p. ex., MACH 3) sur l’ordinateur et télécharger le G-code prêt.

3. échafaudage fabrication

  1. Fermez la porte d’entrée de l’enceinte, qui relie le verrouillage de sécurité et déclenche l’alimentation haute tension pour la filière.
    NOTE : Une fois que la porte est ouverte, par exemple lorsqu’une impression est terminée ou en cas d’urgence, la haute tension chute et l’échafaudage peuvent être retirés en toute sécurité.
  2. Augmenter la tension élevée graduellement en 0,2 kV étapes jusqu'à ce que se forme un cône de Taylor et une fibre est éjectée vers le collecteur (voir exemplaire Taylor cône dans la Figure 1).
  3. Permettre le polymère fondu à extruder sur la plaque encore collector pour stabiliser le jet sans mouvement pendant 5 minutes. Retirez la pile de matériaux avant de commencer une nouvelle impression.
  4. Utilisez les curseurs du clavier pour déplacer la tête d’impression au-dessus du point où commencera les G-codes.
  5. Démarre le G-Code dans le logiciel sur l’ordinateur.

4. réglage de diamètre de fibre

  1. Garder la distance de travail (12 mm) et les régulateurs de température (82 ° C et 65 ° C pour la région de la filière et la seringue, respectivement) sur un niveau constant, comme décrit précédemment dans les étapes 2.4 et 2.5.
    Remarque : Un résumé des différents diamètres de réglage est donné dans le tableau 3.
  2. Imprimer des fibres de petit diamètre de taille (3 à 10 µm). Réduire le niveau de pression d’air à 0,8 bar, régler la tension appliquée à 8 kV et ensemble le collectionneur vitesse jusqu'à 1700 mm/min.
  3. Impression fibres de moyenne taille diamètre (10 à 20 µm). Ajuster la pression d’air niveau à 1,5 bar, tension à 11 kV et inférieure la collection vitesse à 1200 mm/min.
  4. Imprimer des fibres de grand diamètre (20 à 30 µm). Augmenter le niveau de pression d’air à 2,6 bar, modifier la tension appliquée à 12 kV et diminution de la collection vitesse à 700 mm/min.

5. jet optimisation

  1. Allume le jet avec une LED forte lumière provenant hors de l’enceinte pour une meilleure visibilité.
  2. Observer le comportement de la fibre pendant 1 minute et ajuster les paramètres du système pour optimiser le processus par petites étapes, c'est-à-dire 0,1 kV de tension appliquée, 100 mm/min pour une vitesse collection à 0,1 bar, pression d’air.
    NOTE : On trouvera un résumé dans le tableau 4.
  3. Stabiliser le déviant périodiquement comportement en diminuant la pression d’air, d’augmentant la vitesse et de minimiser la tension jusqu'à ce que la trajectoire de vol de la fibre ressemble à une courbe caténaire stable pendant plus de 3 minutes.
  4. Corriger la trajectoire de vol d’un jet de retard par augmentation de la tension, réduisant la pression de l’air et réduire la vitesse du collecteur. Applique ces mesures jusqu'à ce que la trajectoire de vol de la fibre se déplace du retour à une forme de la courbe caténaire.
  5. Évitez les fibres voyager verticalement vers le collecteur en diminuant la tension appliquée, augmentant la vitesse du collecteur et augmenter la pression d’air jusqu'à ce que la trajectoire du jet conserve la forme d’une courbe caténaire à nouveau.

6. Echafaudage Collection

  1. Ouvrir la porte lorsque l’impression est terminée et utilisez le curseur pour déplacer la plaque collecteur vers la porte pour une meilleure accessibilité.
  2. Pulvériser l’échafaud avec mélange de l’éthanol 70 % (vol/vol) et attendez 10 secondes jusqu'à ce qu’il se détache visiblement du collecteur.
  3. Collecter l’échafaud fini en saisissant un bord avec la pince à épiler et soulevant hors de l’enceinte.

7. Dépannage

  1. Ouvrez la porte immédiatement s’il y a une étincelle entre la filière visible ou un bruit de craquement audible ou diminuer la tension appliquée.
  2. Enlever toutes les matières dangereuses et liquides tels que l’éthanol 70 % (vol/vol) à l’intérieur de l’enceinte comme un incendie pourrait s’enflammer en cas d’éventuelle des étincelles.
  3. Le G-Code de programme en conséquence que la filière s’éloigne de la zone où l’échafaud est imprimé après toutes les couches sont faites. Cela évite l’accumulation de matière au-dessus du point où la filière s’arrête enfin.
  4. Contrôler la filière sous une loupe et vérifier qu’il n’y a aucun dommage à la filière, car cela influencera considérablement l’homogénéité du cône Taylor.

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Résultats

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Deux méthodes différentes de collection sont couramment utilisés dans MEW, qui sont plates et collection de mandrin. Les architectures qui en résulte dépendant de la programmation du G-Code (tableau 2), qui est exécuté par le logiciel.

Collection plate
Appliquant les collectionneurs plats fait référence à la méthode la plus courante et facilite le dépôt direct de matériel évoquant le G-code p...

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Discussion

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Intégrer les AM afin de trouver des solutions innovatrices pour relever les défis dans le domaine médical présente un nouveau paradigme pour la 21st century. Le domaine de ce qu’on appelle des « Bio-fabrication » est à la hausse et innovations dans les technologies de fabrication permettent la production des architectures hautement sophistiqués pour les applications de TE. L’électrofilage de polymères fondus dans un mode d’écriture directe (ici MEW) est considéré comme l’un des candidats plus prometteurs de fa...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Ce travail a été soutenu financièrement par le Centre de recherche coopérative CRC pour la fabrication de la thérapie cellulaire, le Centre australien de ARC du Conseil de recherches en biofabrication additif et de l’Institute for Advanced Study de l’Université technique de Munich. Cette recherche a été menée par l’australien Conseil industriel Transformation formation Centre de recherche en biofabrication additif http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). S’il vous plaît visitez le site pour des objets, livres, programmes de télévision ou de radio, médias électroniques ou toutes autres œuvres littéraires liés au projet. En outre, les auteurs remercient Maria Flandes Iparraguirre appui au tournage, Philip Hubbard pour la voix et Luise Grossmann pour le tournage et le montage.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Seringue en plastiqueNordson Australia Pty Ltd7012072EFD BARREL O 3mL Clear 50
grade Poly (&epsilon ;-caprolactone) (mPCL)Corbion Purac, Pays-BasPURASORB PC12
23 GA aiguilleNordson Australia Pty Ltd7018302#23GP.013 X .25 ORANGE 50 PC
PistonNordson Australia Pty Ltd7012166PISTON O 3mL WH WIPER 50
Adaptateur de pressionNordson Australia Pty Ltd7012059ADAPTATEUR ASM O 3mL BL 1.8M
Collecteur en aluminiumAction Aluminium, AustralieSHP2Feuille 5005 H34
Verre acryliqueMulford Plastics Pty LtdACC6-13094
Mach 3 softwareArt SoftAcheté en ligne
Interrupteur de sécurité verrouillageRS composants Pty Ltd12621330
Générateur haute tensionEMCO High Voltage Co.DX250R
Régulateur de températureWATLOWPM9R1FJ
Glissière de positionnement X et YVELMEX Inc.Référence : XN-10-0020-M011
Medical

Références

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