להמיס Electrospinning הכתיבה של פיגומים Poly(ε-caprolactone) תלת מימדי עם מורפולוגיות לשליטה עבור יישומי הנדסת רקמות

מדריך וידאו זה משקף את האלקטרו-ספינינג עם פולימר נמס במצב כתיבה ישירה ומספק הנחיות נחוצות לייצור פיגומים עם ארכיטקטורות מסודרות היטב. אלקטרוספינינג מתייחס לטכניקת עיבוד פולימרים שבה פולימר צמיג מוחלץ דרך פתח בעוד שיישום שדה חשמלי מעורר את עלייתו של סילון. כוחות אלקטרוסטטיים מאיצים את הסיב לעבר אספן טעון או מקורקע הפוך.

על מנת להגיע לרמת הצמיגות הנדרשת, פולימרים היו באופן מסורתי נוזליים בממיסים. אלה מתאדים בשלב הטיסה, אשר בשילוב עם השדה החשמלי מעורר כיפוף חזק של הסיבים. התוצאה היא פיגומים פולימריים שתכונותיהם המורפולוגיות מאתגרות לשליטה, אפיון ושכפול.

ניסוי זה מדגים אלקטרו-ספינינג עם התכה פולימרית. במקום להתמוסס, רמת הצמיגות הנדרשת מושגת על ידי הפעלת חום על פולימרים בתוליים. המחסור בממיסים משפר את ההסתבכות המקרו-מולקולרית של הפולימר ומביא לנתיב טיסה יציב יותר של סיבים.

ניתן להפקיד במדויק את הסיבים בקנה מידה מיקרוני בהתאם לתנועת הקולט. אלקטרו-ספינינג עם נמס פולימרי במצב כתיבה ישירה מאפשר ייצור של ארכיטקטורות פיגומים מסודרות היטב, עד לקנה מידה מיקרוני ואפילו ננו. אנו צופים כי הטכנולוגיה תמלא תפקיד מפתח בעתיד הנדסת הרקמות והרפואה הרגנרטיבית.

הטכנולוגיה מגשרת על הפער המיוחל בין תהליכי יצירת סיבים קונבנציונליים לבין עקרונות הדפסת תלת מימד ופותחת אפיקים חדשים לעיצוב הדור הבא של פיגומים. כתיבה מיקרו אלקטרו-ספינינג מקלה על עיבוד ישיר של פלסטיק ברמה רפואית, כגון פוליקפרולקטון או PCL. בגלל הקטרים הקטנים והמבנים המאורגנים מאוד והנקבוביות, פיגומי PCL נמסים הם מבנים אידיאליים לכך כמו במבחנה וב-vivo.

תנאי מוקדם עיקרי אחד להשגת פירוליזה יעילה עם תוצאות יקרות ערך הוא חומרה רכה ופונקציונלית ביותר. לכן, תכננו מערכת משולבת במלואה עם בקרה היקפית אוטומטית. זה מאפשר ייצור אמין וניתן לשחזור ספציפי של פיגומים כדי לעמוד בדרישות המשתמשים.

כתיבת אלקטרוספין נמס כרוכה בייצור פיגומים עם ארכיטקטורות שונות. המדריך הבא מתאר הכנת חומרים, ייצור פיגומים, התאמת קוטר סיבים ואופטימיזציה של הסילונים. מלאו שני גרם PCL במזרק פלסטיק של שלושה מיליליטר ודחפו את הבוכנה פנימה בעדינות.

מכניסים את המזרק לתנור שחומם מראש לשמונה שעות בחום של 65 מעלות צלזיוס. סחטו בזהירות את הבוכנה עד להסרת כל בועות האוויר הכלואות. חבר מחט 23ga והצמד אותה למערכת לחץ האוויר.

לחץ עליו כלפי מטה עד שקצה המחט יוצא מסיר הפליז. התקן את הקולט על הבמה. הרכיבו ונקו אותו עם 70% אתנול.

קבע את המהירות והכיוון של תנועת הקולט על ידי תכנות קוד ה-G כך שישתנה בגודל, מרחק סיבים מרחביים ומספר שכבות הפיגום. עבור פיגומים צינוריים, בחר מהירות סיבוב, מהירות תרגום וחזרות שלה כדי להגדיר את עובי הפיגום. הנחיה מפורטת לתכנות בנפרד קודי G עבור פיגומים שטוחים או צינוריים ניתן למצוא בכתב היד.

פתח את התוכנה Mach3 והעלה את קוד ה-G שנוצר. ישנם חמישה פרמטרי מערכת מתכווננים הקובעים באופן משמעותי את איכות הפיגום המתקבל. אלה הם לחץ אוויר, מתח, מהירות איסוף, טמפרטורה ומרחק עבודה ויש לכוונן אותם בסדר הבא.

הנח גוש פלסטיק מודפס בתלת מימד בגובה 12 מילימטר בין המחט לקולט כדי להתאים את מרחק העבודה. הפעל את שני תנורי החימום והגדר ל 65 מעלות לחלק העליון ו -82 מעלות לחלק התחתון. התחל את לחץ האוויר והמתן עד שהפולימר המותך ייצא מהמחט.

לפני תחילת התהליך, ודא שכל כבלי ההארקה מחוברים היטב. סגור את הדלת הקדמית של המארז המחבר את המנעול. הגדל את המתח עד שההמסה המוחצנת הופכת לחרוט טיילור ופולטת סילון מותך לעבר הקולט.

אפשר להוציא את המסת הפולימר על צלחת הקולט הדומם למשך חמש דקות כדי לייצב את הסילון. אלקטרו-ספינינג עם נמס פולימרי מאפשר ייצור של קוטר סיבים שונים. ניתן להשיג זאת על ידי שינוי ספציפי של פרמטרי המערכת, לחץ, מתח ומהירות, תוך שמירה על מרחק וטמפרטורה ברמה קבועה.

ניתן להדפיס סיבים בקוטר קטן בין שלושה ל-10 מיקרון באמצעות הפעלת לחץ נמוך יחסית, שדה חשמלי קטן עד בינוני ומהירויות איסוף גבוהות. על סמך הניסיון במעבדה שלנו, אנו יכולים להדפיס סיבים בקוטר של ארבעה מיקרומטר עם הערכים הבאים: 0.9 בר, שמונה קילו-וולט ו-1,700 מילימטר לדקה. ניתן להדפיס קטרים בינוניים בין 10 ל-20 מיקרון באמצעות הפעלת רמת לחץ נמוכה יחסית, מתח בינוני עד גבוה ומהירויות איסוף בטווח הבינוני.

על סמך הניסיון במעבדה שלנו, אנו יכולים להדפיס סיבים בקוטר 13 מיקרומטר עם הערכים הבאים: 1.5 בר, 11 קילו-וולט ו-1,200 מילימטר לדקה. סיבים בטווח של 20 עד 30 מיקרון ומעלה דורשים קצבי שחול פולימרים גדולים לצד הפעלת מתחים גבוהים יחסית ומהירויות איסוף נמוכות ככל האפשר. על סמך הניסיון במעבדה שלנו, אנו יכולים להדפיס סיבים בקוטר 25 מיקרומטר עם הערכים הבאים: 2.6 בר, 12 קילו-וולט ו-700 מילימטר לדקה.

עם זאת, בכל שלושת המקרים, יידרשו כוונון עדין ואופטימיזציה כדי להשיג תוצאות יציבות בקטרים הומוגניים. באלקטרוספינינג נמס, רק שיווי משקל מאוזן לחלוטין בין הכוחות הקובעים את זרימת מסת הפולימר לבין הכוחות המושכים את הסילון לעבר הקולט יוביל בסופו של דבר למורפולוגיה עקבית של פיגומים. שיווי משקל מאוזן היטב מושג ברגע שנתיב הטיסה של הסיב דומה לעקומה שרשרת לאורך תקופה ארוכה.

עם זאת, ידועות שלוש התנהגויות שונות של סטייה. ראשית, התפלגות לא מאוזנת בין המסה המועברת לחרוט טיילור לבין כוחות הגרר המתאימים על הסיבים גורמת לסילון חשמלי לא יציב. כאן חרוט טיילור מוזן כל הזמן בפולימר ומשחרר את המסה שלו בפרקי זמן תכופים.

זוויות משתנות לעתים קרובות נראות וגורמות לקטרים שונים ביותר. על מנת לייצב מחדש את התהליך, הפחת את קצב הזרימה כדי למזער את אספקת הפולימר ולהגדיל את המהירות והמתח כדי להגביר את כוחות המשיכה על הסיב. שנית, הסיב נע למטה ומשקע בניצב על הקולט.

בכך כמות כוחות התאוצה עולה על אספקת הפולימר בחרוט טיילור. עליות קלות של לחץ והורדת המתח פותרות את המצב, או משנה את מהירות האיסוף. שלישית, הסיב מפגר מאחור ודומה לקו ישר בזווית גבוהה.

בכך מיוצרים ונגררים סיבים עבים יחסית. זה מוביל לאי דיוקים מוגברים של הסיבים המופקדים. ירידה במהירות האיסוף תפתור את הבעיה.

עם זאת, יש צורך בעלייה קלה בעוצמת השדה החשמלי. באלקטרוספינינג נמס, ישנן שתי שיטות איסוף: קולטים שטוחים ואספני ציר. החלת אספנים שטוחים מתייחסת לשיטה הנפוצה ביותר.

מבנים של 090 ו-060 מעלות בגדלים שונים מדווחים בהרחבה בספרות. היכולת להפקיד ישירות סיבים מותכים על הקולט מקלה גם על ייצור מבנים לא ליניאריים, כגון מבנים מעגליים חוזרים ונשנים. ניתן להשיג ארכיטקטורות צינוריות עם קולטים גליליים המסתובבים כמו גם חוצים במקביל למחט.

באמצעות כוונון עדין של הפענוח הן של מהירות הסיבוב והן של מהירות התרגום, ניתן לשנות את כיוון הסיבים. מהירויות סיבוב גבוהות יותר ממהירויות תרגום מובילות לנקבוביות בכיוון רדיאלי ולהיפך. קוטר הצינור תלוי בקוטר השדרה המיושמת.

רשימה מפורטת של ארכיטקטורות פיגומים שונות ויישומיהן המוצעים במחקרים שפורסמו ניתן למצוא בכתב היד. בשל השדה החשמלי הרגיש ביותר והתלות הספציפית שלו במרחק בין שתי האלקטרודות, יש חשיבות רבה ליישר באופן קבוע הן את שלב האיסוף והן את הצד התחתון של ראש ההדפסה. אם המרחק בין הקולט לראש מוגדר קרוב מדי, השדה החשמלי גדל משמעותית עד שעולה ניצוץ בין הרכיבים.

הנמיך את המתח מיד בתיבת הבקרה החשמלית, או פתח את הדלת. לפני כל התחלה של תהליך, בדוק שוב את כל חיבורי הכבלים וודא שהם אינם רופפים. כל נזק למחט עלול להוביל לעיוות של קונוסים של טיילור ובכך לאי סדרים בהדפסה.

לכן, יש להשליך מחטים שבהן הקצה התכופף בטעות. אנו מקווים שסרטון זה יסייע בהקמת סילון חשמלי יציב ושתשתכנעו, כמונו, שכתיבת אלקטרו-ספינינג נמס תמלא תפקיד משמעותי בתחום הנדסת רקמות ורפואה רגנרטיבית.