Method Article

יסודות Electrospinning: פתרון אופטימיזציה פרמטרים Apparatus

DOI:

10.3791/2494

⸱

January 21st, 2011

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Michigan, 2State Key Laboratory of Bioelectronics, Southeast University, 3Department of Neurology, University of Michigan, 4Geriatrics Research, Education and Clinical Center, Veterans Affairs Ann Arbor Healthcare Center

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Electrospinning טכניקות יכולים ליצור מגוון של nanofibrous פיגומים להנדסת רקמות או יישומים אחרים. אנו מתארים כאן הליך כדי לייעל את הפרמטרים של הפתרון electrospinning ומכשירים להשיג סיבים עם מורפולוגיה הרצוי ויישור. בעיות נפוצות טכניקות לפתרון בעיות מוצגים גם.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Electrospun פיגומים nanofiber הוכחו להאיץ את ההבשלה, לשפר את הצמיחה, לכוון את הנדידה של תאים במבחנה. Electrospinning הוא תהליך שבו מטוס מטען פולימר נאסף על אספן מוארק; במהירות סיבוב תוצאות אספן nanofibers מיושר בעוד התוצאה אספנים נייח מחצלות סיבים בכיוון אקראי. סילון הפולימר נוצר כאשר מטען אלקטרוסטטי להחיל מתגבר על מתח הפנים של התמיסה. ישנו ריכוז מינימלי עבור פולימר נתון, כינה את הריכוז ההסתבכות קריטי, שמתחתיו סילון יציבה לא ניתן להשיג וגם nanofibers לא יהוו - למרות חלקיקים עשויה להיות מושגת (electrospray). סילון יציבה יש שני תחומים, קטע הזרמת קטע הצלפה. בעוד סילון הצלפה הוא בדרך כלל בלתי נראים לעין בלתי מזוינת, מגזר הזרמת לעתים קרובות לעין בתנאי תאורה מתאימים. התבוננות אורך, עובי, מרקם ותנועה של הנחל הוא שימושי כדי לחזות את יישור ומורפולוגיה של nanofibers מתהווה. זרם קצר, לא אחידה, עקבית, ו / או נדנוד מעיד על מגוון רחב של בעיות, כולל יישור סיבים עניים, חרוזים, ההתזה, ודפוסי מסולסל או גלי. הזרם יכול להיות מותאם על ידי התאמת פתרון הרכב ואת התצורה של מנגנון electrospinning, ובכך לייעל את מערך ומורפולוגיה של סיבי שיופקו. בפרוטוקול זה, אנו מציגים הליך להקמת מנגנון electrospinning בסיסיים, אמפירית המתקרבות ריכוז קריטי ההסתבכות של פתרון פולימר אופטימיזציה של תהליך electrospinning. בנוסף, אנו דנים למספר בעיות נפוצות טכניקות לפתרון בעיות.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. בחר פולימר

  1. בחר פולימר (למשל, פולי-L-חומצה לקטית (PLLA), polycaprolactone (PCL), פוליסטירן (PS) או ניילון) בהתאם למפרטים שלך (למשל, מתכלה, תרמופלסטיים או צולבות linkable) ו ממס של פולימר זה. בחר מתאים ציוד מגן אישי בהתאם לבחירתך.
  2. בחר המצע מבוסס על היישום שלך (לדוגמה, רקיק זכוכית, פלסטיק, מתכת או סיליקון).

2. בחר אספן

  1. בחר את הגיאומטריה אספן בהתאם למפרטים שלך. סיבים אקראיים ניתן לאסוף על צלחות נייח. סיבים מזדהות ניתן לאסוף על במהירות סיבוב הגלגלים, תופים או מוטות, או על צלחות במקביל.
  2. אספן חייב להיות מוליך חייב להישאר מבודד אקסל שלה בצורה כזו כי זה יכול להיות מקורקע גם ללא הארקה עצמים סמוכים, העליון שולחן, וכו '

3. ריכוז משוער ההסתבכות קריטי אמפירית 1

  1. הכן מספר פולימר מועמד ריכוזים (למשל, 4, 10, 15, 20, 30 wt%) ובחר ריכוז שזורם (הפתרון צריך להיות נוזלי צמיג אבל לא ג'ל), להתחיל עם.
  2. הגדרת מנגנון electrospinning 2,3,4,5 (ראה תרשים 1)
    1. טען את משאבת מזרק לקבוע את מהירות המשאבה כך כל חרוז של פתרון מחה מקצה מוחלף מיד.
    2. האספן קרקע קליפ חוט מתח גבוה הצלחת מנצח (ריבוע קטן של חומר מוליך כמו אלומיניום שדרכו קצה בולט מזרק).
    3. הפעל את הגלגל מסתובב.
    4. ודא כי אספקת החשמל מוגדר כאפס לפני הפעלתו.
  3. שים את הזרם
    1. הרמפה מתח לאט ולצפות חרוז הפתרון בקצה המחט.
    2. התאם את מתח להשיג זרם ארוך ויציב. אם זרם יציב לא ניתן להשיג, לשנות את ריכוז פתרון פולימר. ראה לוח 1 למשל.

4. פתרון בעיות - נחל:

  1. מתקשה לצפות את זרם
    1. השתמש רקע כהה דהוי מקום מקור אור חד כיווני (כגון פנס) בין הצופה לבין הזרם (ראה איור 2).
  2. נוטף קצה המזרק
    1. אם הפתרון הוא פולימר מטפטף ישר עם משיכה לא על ההגה, לוודא את הצלחת המנצח הוא ליצור קשר עם קצה המחט כי אספן היא ליצור קשר עם הקרקע.
    2. אם ירידה של פתרון פולימר בקצה המזרק הוא נשען לכיוון ההגה, אך לא נוצר זרם, להגביר את המתח. האיכות של זרם יכול להיות מותאם על ידי שינוי המרחק מתח עד זרם יציב גלוי. ראה איור 3 למרחקים הציע עם המתחים המתאימים לפתרון PLLA 4% ו צלחת מנצח 8x8 ס"מ.
  3. גושים גדולים על קצה המזרק
    1. כאשר הפתרון הפולימר מתחיל לאסוף להקשיח בקצה לסחוב את המחט, את גוש משם עם מגבת נייר מצורף שאינו מקל מוליך.
  4. נדנוד או "מכשכש" נחלים
    כאשר הזרם הוא פסע הלוך ושוב במהירות, להנמיך את המתח או להגדיל את המרחק בין קצה המזרק את הגלגל. אם הזרם ממשיך לכשכש להשתמש ריכוז גבוה של פולימר או להוסיף חומר ממיס קצת עם האידוי איטי יותר.
  5. קצר או רציפה נחלים
    זרמים יציב גלויים לעין ליצור קשר עם להגדיר את ההגה במהירות הסיבוב תשואה גבוהה באיכות הגבוהה ביותר של אחידות ויישור. כאשר זרם קצר רציפה, הגדלת פתרון פולימר, והוסיף איטי יותר מתאדים ממס, והתאמת מתח תשפר את היציבות של אורך הנחל.

5. פתרון בעיות - מורפולוגיה סיבים 6,7,8 (ראה איור 4)

  1. ואגלי
    כאשר הם חרוזים שהתגלו הסיבים, להגדיל את פתרון פולימר לוודא את הצלחת מנצח הוא עושה קשר רציף עם המחט וכי מברשת תיל הארקה עושה קשר רציף עם ההגה.
  2. סרטים וסיבים דימום
    כאשר סיבים יוצרים כמו סרטים או דימום יחד, השתמש ריכוז גבוה של פולימר או ממס עם שיעור גבוה יותר של אידוי (נדיף יותר).
  3. מסולסל או גלי סיבי
    כאשר סיבים יוצרים גלים או הסלסולים, להגדיל את מהירות הגלגל או להעביר את קצה מחט נוספת האספן. כמו כן, לבדוק את הצלחת מנצח אספן לא רוטט.
  4. נקבוביות 9
    אם הנקבוביות הם הרצויים, השתמש ממיס במהירות מתאדים. אם הנקבוביות לא הרצוי, נסה להוסיף כמות קטנה של שיתוף ממס כי הוא תנודתי פחות ממס הגדולות.
  5. המערך 10
    כאשר אספן הוא moving על סל"ד נמוך או במנוחה, איכות יישור הוא עני. הגדלת יישור על ידי הגדלת מהירות של הגלגל.

6. נציג תוצאות:

נא עיין איור 4 לתיאורים של תוצאות סיבים טיפוסי.

figure-protocol-1
באיור 1. Electrospinning התקנה טיפוסית. פתרון פולימר (כחול) הוא חילק מהמשאבה מזרק (כתום). מתח גבוה DC אספקת החשמל (ירוק) בטענה אספן גלגל מסתובב במהירות (אפור) על אשר nanofibers מיושר נאספים. סילון פולימר בין המזרק ואספן מורכב קטע זרימה יציבה קטע הצלפה נדנוד במהירות.

figure-protocol-2
. איור 2 סילון הזרמת גלוי היציאה קצה מזרק; הסילון הצלפה הוא קטן מכדי להיראות.

קירוב ריכוז קריטי של ההסתבכות PLLA

PLLA (wt% / V) תצפית ריכוז התאמות
0.5 טפטוף, לא זרם להגדיל
2.0 יורקים גושים קטנים; לא זרם Increse מעט
4.0 זרם יציב טוב
6.0 יורקים גושים גדולים או חרוזים ירידה קלה
12.0 Clumping בקצה, אין זרם להקטין

טבלה 1. דוגמה המתארת ​​את הקירוב של ריכוז קריטי של ההסתבכות PLLA. ריכוזים שונים פולימר הם ניסו מטוסי הזרמת וכתוצאה מכך נצפו עד זרם קבוע מתקבל.

figure-protocol-3
איור 3. המרחק בין קצה המזרק ואת אספן חייבת להיות מאוזנת עם מתח להחיל לקבל סילון הזרמת יציב. מתח להחיל עודף גורם סילון נדנוד או "מכשכש" כדי ליצור כי התוצאות סיבים גם מזדהות פחות. כאשר מתח נמוך מדי, סילון לא יהוו פתרון יהיה רק ​​לטפטף מקצה המזרק. אזור מוצל סגול לעיל מייצג את טווח מתח מעל אשר סילון זרימה קבועה ניתן להשיג עבור PLLA כפונקציה של המרחק מזרק ל-אספן.

figure-protocol-4
איור 4. סיבי electrospun יכול להציג מגוון רחב של מורפולוגיות, כולל חרוזים (A), סרטים (ב), הסלסולים (C), גושים נקבובי (ד '), התאמה טובה (E) ויישור עניים (F).

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הערה: רוב הדוגמאות שהוצגו כאן להתמודד עם electrospinning poly-L-חומצה לקטית (PLLA) nanofibers. זה פשוט בגלל PLLA הוא פולימר נפוץ ביותר הסתובב במעבדה שלנו. עם זאת, יש לנו גם השתמשו בהצלחה בשיטות אלה electrospin פולימרים אחרים (למשל, PLGA, PCL, PS) ומאמינים כי טכניקות המוצגים כאן הם בקלות החלים על רוב אמצע גבוהה משקל מולקולרי פתרונות פולימר.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
אין ניגודי אינטרסים הכריז.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו נתמכה על ידי NIH K08 EB003996 לבין ותיקי משותק של אמריקה Research Foundation גרנט 2573.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ספק כוח DC במתח גבוהגמא מתח גבוהES40P-5W
משאבת מזרקKD ScientificKDS100
רדיד אלומיניוםריינולדס לעטוף
קצות מתכת קהים, 23gaפישר סיינטיפיק13-850-102
מזרק פוליפרופילןBD Biosciences309585
מסתובב או אספן נייחבהתאמה
קליפים וחוטי
DimethylformamideFisher ScientificAC11622-0010
ChloroformFisher ScientificAC42355-0040
PLLABoehringer IngeheimResomer L210
PLGA 85:15Sigma-Aldrich43471
סרט פחמןטד פלה, בע"מ13073-1
אישיתתנין שונים

References

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

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

ElectrospinningNanofiber ScaffoldsCritical Entanglement ConcentrationPolymer SolutionCollector GeometrySolution CompositionApparatus ConfigurationFiber AlignmentFiber MorphologyTroubleshooting Techniques

Related Articles