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

Ce tutoriel vidéo réfléchit à l’électrofilage avec des polymères fondus en mode d’écriture directe et fournit les directives nécessaires pour fabriquer des échafaudages avec des architectures bien ordonnées. L’électrofilage fait référence à une technique de traitement des polymères où un polymère visqueux est extrudé à travers un orifice tandis que l’application d’un champ électrique provoque la montée d’un jet. Les forces électrostatiques accélèrent la fibre vers un collecteur de charge opposée ou mis à la terre.

Afin d’atteindre le niveau de viscosité requis, les polymères étaient traditionnellement liquéfiés dans des solvants. Ceux-ci s’évaporent pendant la phase de vol, ce qui, en combinaison avec le champ électrique, provoque un fort flambage des fibres. Il en résulte des échafaudages polymères dont les propriétés morphologiques sont difficiles à contrôler, à caractériser et à reproduire.

Cette expérience démontre l’électrofilage avec des polymères fondus. Au lieu de se dissoudre, le niveau de viscosité requis est atteint par l’application de chaleur sur les polymères vierges. L’absence de solvants améliore l’intrication macromoléculaire du polymère et se traduit par une trajectoire de vol des fibres plus stable.

Les fibres à l’échelle du micron peuvent être déposées avec précision en fonction du mouvement du collecteur. L’électrofilage avec des polymères fondus en mode d’écriture directe permet de fabriquer des architectures d’échafaudage bien ordonnées, jusqu’à l’échelle du micron et même du nanomètre. Nous prévoyons que la technologie jouera un rôle clé dans l’avenir de l’ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative.

Cette technologie comble un fossé tant attendu entre les processus conventionnels de formage de fibres et les principes de l’impression 3D, et ouvre de nouvelles voies pour la conception de la prochaine génération d’échafaudages. L’écriture par micro-électrofilage facilite le traitement direct des plastiques de qualité médicale, tels que la polycaprolactone ou le PCL. En raison de leurs petits diamètres et de leurs structures et de leur porosité très organisées, les échafaudages PCL électrofilés à l’état fondu sont des structures idéales pour cela aussi bien in vitro qu’in vivo.

L’une des principales conditions préalables à l’obtention d’une pyrolyse efficace avec des résultats précieux est un logiciel et un matériel hautement fonctionnels. Par conséquent, nous avons conçu un système entièrement intégré avec un contrôle automatisé du périmètre. Cela permet une production fiable et spécifiquement reproductible d’échafaudages pour répondre suffisamment aux exigences des utilisateurs.

L’écriture Melt electrospin consiste à fabriquer des échafaudages avec différentes architectures. Le tutoriel suivant décrit la préparation des matériaux, la production d’échafaudages, l’ajustement du diamètre des fibres et l’optimisation des jets. Remplissez deux grammes de PCL dans une seringue en plastique de trois millilitres et enfoncez doucement le piston.

Placez la seringue dans un four préchauffé pendant huit heures à 65 degrés Celsius. Pressez délicatement le piston jusqu’à ce que toutes les bulles d’air emprisonnées soient éliminées. Connectez une aiguille de calibre 23 et fixez-la au système de pression d’air.

Appuyez dessus jusqu’à ce que la pointe de l’aiguille sorte du pot en laiton. Installez le collecteur sur la scène. Montez-le et nettoyez-le avec de l’éthanol à 70 %.

Déterminez la vitesse et la direction du mouvement du collecteur en programmant le code G pour faire varier la taille, la distance spatiale de la fibre et le nombre de couches de l’échafaudage. Pour les échafaudages tubulaires, sélectionnez la vitesse de rotation, la vitesse de translation et ses répétitions pour définir l’épaisseur de l’échafaudage. Vous trouverez dans le manuscrit des directives détaillées pour programmer individuellement les codes G pour les échafaudages plats ou tubulaires.

Ouvrez le logiciel Mach3 et téléchargez le G-code généré. Il y a cinq paramètres de système réglables qui déterminent considérablement la qualité de l’échafaudage résultant. Il s’agit de la pression atmosphérique, de la tension, de la vitesse de collecte, de la température et de la distance de travail et doivent être ajustés dans l’ordre suivant.

Placez un bloc de plastique imprimé en 3D de 12 millimètres de haut entre l’aiguille et le collecteur pour ajuster la distance de travail. Allumez les deux radiateurs et réglez-les à 65 degrés pour la partie supérieure et à 82 degrés pour la partie inférieure. Déclenchez la pression de l’air et attendez que le polymère fondu soit extrudé de l’aiguille.

Avant de commencer le processus, assurez-vous que tous les câbles de mise à la terre sont solidement connectés. Fermez la porte avant du boîtier qui relie le verrouillage. Augmentez la tension jusqu’à ce que la masse fondue extrudée se transforme en cône de Taylor et éjecte un jet fondu vers le collecteur.

Laissez le polymère fondu être extrudé sur la plaque collectrice de l’alambic pendant cinq minutes pour stabiliser le jet. L’électrofilage avec des polymères fondus permet de fabriquer différents diamètres de fibres. Cela peut être réalisé en faisant varier spécifiquement les paramètres du système : pression, tension et vitesse, tout en maintenant la distance et la température à un niveau constant.

Des fibres de petit diamètre entre trois et 10 microns peuvent être imprimées en appliquant une pression relativement faible, un champ électrique petit à moyen et des vitesses de collecte élevées. Sur la base de l’expérience acquise dans notre laboratoire, nous pouvons imprimer des fibres de quatre micromètres de diamètre avec les valeurs suivantes : 0,9 bar, huit kilovolts et 1 700 millimètres par minute. Des diamètres moyens compris entre 10 et 20 microns peuvent être imprimés en appliquant un niveau de pression relativement faible, une tension moyenne à élevée et des vitesses de collecte dans la plage moyenne.

Sur la base de l’expérience acquise dans notre laboratoire, nous pouvons imprimer des fibres de 13 micromètres de diamètre avec les valeurs suivantes : 1,5 bar, 11 kilovolts et 1 200 millimètres par minute. Les fibres de 20 à 30 microns ou plus nécessitent des taux d’extrusion de polymères élevés, ainsi que l’application de tensions relativement élevées et des vitesses de collecte les plus basses possibles. Sur la base de l’expérience de notre laboratoire, nous pouvons imprimer des fibres de 25 micromètres de diamètre avec les valeurs suivantes : 2,6 bars, 12 kilovolts et 700 millimètres par minute.

Dans les trois cas cependant, un réglage fin et une optimisation seront nécessaires pour obtenir des résultats stables avec des diamètres homogènes. Dans l’électrofilage à l’état fondu, seul un équilibre parfaitement équilibré entre les forces déterminant l’écoulement de la masse du polymère et les forces attirant le jet vers le collecteur conduira finalement à des morphologies d’échafaudage cohérentes. Un équilibre bien équilibré est atteint lorsque la trajectoire de vol de la fibre ressemble à une courbe caténaire sur une longue période de temps.

Cependant, trois comportements déviants différents sont connus. Tout d’abord, une distribution déséquilibrée entre la masse délivrée au cône de Taylor et les forces de traînée respectives sur les fibres entraîne un jet électrifié instable. Ici, le cône de Taylor est constamment suralimenté en polymère et libère sa masse à de fréquentes périodes.

Les angles qui changent fréquemment sont visibles et entraînent des diamètres extrêmement différents. Afin de restabiliser le processus, diminuez le débit pour minimiser la livraison de polymère et augmentez la vitesse et la tension pour amplifier les forces de traction sur la fibre. Deuxièmement, la fibre se déplace vers le bas et se dépose perpendiculairement sur le collecteur.

Ainsi, la quantité de forces d’accélération dépasse l’apport de polymère dans le cône de Taylor. De légères augmentations de pression et une baisse de la tension résolvent la situation, ou modifient la vitesse de collecte. Troisièmement, la fibre est à la traîne et ressemble à une ligne droite sous un angle élevé.

Des fibres relativement épaisses sont ainsi produites et traînées. Cela conduit à une augmentation des imprécisions des fibres déposées. Une diminution de la vitesse de collecte résoudra le problème.

Cependant, de légères augmentations de l’intensité du champ électrique sont nécessaires. Dans l’électrofilage à l’état fondu, il existe deux méthodes de collecte : les collecteurs plats et les collecteurs à mandrin. L’application de collecteurs plats fait référence à la méthode la plus courante.

Des structures à 090 et 060 degrés de différentes tailles sont largement rapportées dans la littérature. La possibilité de déposer directement des fibres fondues sur le collecteur facilite également la production de structures non linéaires, telles que les structures circulaires répétitives. Les architectures tubulaires peuvent être réalisées avec des collecteurs cylindriques qui tournent et se déplacent parallèlement à l’aiguille.

En ajustant finement le décodage de la vitesse de rotation et de translation, l’orientation des fibres peut être modifiée. Des vitesses de rotation plus élevées que les vitesses de translation conduisent à des pores orientés radialement et vice versa. Le diamètre du tube dépend du diamètre du mandrin mis en œuvre.

Une liste détaillée des différentes architectures d’échafaudage et de leurs applications proposées dans les études publiées se trouve dans le manuscrit. En raison de la grande sensibilité du champ électrique et de sa dépendance spécifique à la distance entre les deux électrodes, il est d’une grande importance de niveler régulièrement à la fois l’étage de collecte et la face inférieure de la tête d’impression. Si la distance entre le collecteur et la tête est trop proche, le champ électrique augmente considérablement jusqu’à ce qu’une étincelle monte entre les composants.

Baissez immédiatement la tension sur le boîtier de commande électrique ou ouvrez la porte. Avant chaque début de processus, vérifiez toutes les connexions de câbles et confirmez qu’elles ne sont pas desserrées. Tout dommage à l’aiguille peut entraîner une déformation des cônes de Taylor et donc des irrégularités dans l’impression.

Par conséquent, les aiguilles dont la pointe a été pliée accidentellement doivent être éliminées. Nous espérons que cette vidéo aidera à la mise en place d’un jet électrifié stable et que vous serez convaincus, comme nous le sommes, que l’écriture électrofilante à fusion jouera un rôle important dans le domaine de l’ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative.