Articolo metodologico

Sciogliere elettrofilatura scrittura di scaffold tridimensionale Poly(ε-caprolactone) con morfologie controllabile per applicazioni di ingegneria del tessuto

DOI:

10.3791/56289

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23 dicembre 2017

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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

In questo articolo

Sommario

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Questo protocollo serve come una guida di riferimento completa per fabbricare impalcature tramite elettrofilatura con il polimero si scioglie in una modalità di scrittura diretta. Abbiamo sistematicamente delineare il processo e definire le impostazioni di parametro appropriato per la realizzazione di architetture di impalcatura mirati.

Abstract

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Questo tutorial si riflette sui principi fondamentali e le linee guida per elettrofilatura scrivendo con il polimero si scioglie, una tecnologia di produzione additiva con un grande potenziale per applicazioni biomediche. La tecnica facilita la deposizione diretta di fibre polimeriche biocompatibili per fabbricare ben ordinate impalcature in sub-micron di intervallo scala micro. L'istituzione di una stabile, viscoelastico, polimero jet tra una filiera e un collezionista è ottenuta utilizzando una tensione applicata e può essere diretta-scritti. Un vantaggio significativo di un'impalcatura porosa tipica è un alto rapporto superficie / volume che fornisce una maggiore adesione efficace siti per la crescita e l'adesione cellulare. Controllo del processo di stampa di fine-tuning dei parametri di sistema consente un'elevata riproducibilità nella qualità delle impalcature stampate. Fornisce inoltre una piattaforma di produzione flessibile per gli utenti di adattare le strutture morfologiche di ponteggi alle loro specifiche esigenze. Per questo scopo, vi presentiamo un protocollo per ottenere fibra differenti diametri con fusione di elettrofilatura scrittura (MEW) con un emendamento guidato dei parametri, tra cui velocità di frequenza, tensione e collezione di flusso. Inoltre, dimostriamo come ottimizzare il getto, discutere sfide tecniche spesso con esperienza, spiegare le tecniche di risoluzione dei problemi e una vasta gamma di architetture di impalcatura stampabile.

Introduzione

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La fabbricazione di strutture biocompatibili di tridimensionali (3D) per le celle è uno dei principali contributi di additivo bioproduzione al tessuto ingegneria (TE), con l'obiettivo di ripristinare tessuti applicando biomateriali su misura, cellule, fattori biochimici, o una loro combinazione. Pertanto, i requisiti principali di impalcature per applicazioni TE includono: producibilità da materiali biocompatibili, proprietà morfologiche controllabile per l'invasione delle cellule mirati e proprietà di superficie ottimizzata per migliorata interazione cellula 1.

MEW è una tecnica di produzione di solventi che combina i principi della produzione additiva (spesso chiamata stampa 3D) ed elettrofilatura per la produzione di maglie polimerici con fibra ultrasottile altamente ordinata morfologie2. È un approccio di scrittura diretta e accuratamente depositi fibre secondo codici preprogrammati3, indicato come G-codici. Melt elettrofilate costrutti sono attualmente preparato usando un piatto4,5 o un collezionista di7 6,mandrino per fabbricare scaffold porosi piatta e tubolare, rispettivamente.

Questa tecnica offre vantaggi significativi per il TE e comunità di medicina rigenerativa (RM) dalla possibilità di stampare direttamente medicale polimeri, come poly(ε-caprolactone) (PCL), che presenta eccellente biocompatibilità8. Altri vantaggi sono la possibilità di personalizzare le dimensioni e la distribuzione della porosità, depositando le fibre in modo altamente organizzato per fabbricare scaffold di elevati rapporti superficie-volume. Prima che possa essere eseguita MEW, il polimero in primo luogo richiede l'applicazione di calore9. Una volta in uno stato fluido, una pressione d'aria applicata forza a defluire attraverso una filiera metallica che è collegata ad una sorgente di alta tensione. L'equilibrio di forza tra la tensione superficiale e l'attrazione della goccia elettrostaticamente al collettore con messa a terra porta alla formazione di un cono di Taylor, seguito dall'espulsione di un getto10.

Immagini e lo schema di massima del dispositivo MEW in-House di compilazione utilizzato per questo protocollo sono mostrati nella Figura 1. Viene inoltre illustrato i principi dell'utilizzo di nastro isolante per evitare scariche elettriche tra gli elementi di riscaldamento e la parte caricata elettricamente in ottone che circonda la filiera. Isolamento insufficiente comporterebbe danni interni dell'hardware implementato.

A seconda della regolazione dei parametri di tre sistema (temperatura, pressione d'aria e velocità di raccolta), MEW consente la fabbricazione di fibre con diametri differenti, spiegati nella sezione discussione. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, messa a punto e ottimizzazione del getto sarà richiesti prima un getto stabile verrà espulso. La visualizzazione del getto itinerante elettrificata è un modo efficace per verificare la coerenza e l'omogeneità del processo. In un caso ideale, la traiettoria di volo è simile a una curva catenaria acquisita a seguito di un equilibrio di forza controllato dal sistema parametri11. Ulteriormente, la micro - e macro-struttura di impalcature è dipenda sulla traiettoria di volo del polimero getto12. Una tabella dettagliata di deflessione differenti comportamenti e misure per l'ottimizzazione è dato nella sezione discussione.

Nel presente studio, presentiamo un protocollo che descrive i passaggi di lavorazione per la fabbricazione di scaffold fibroso altamente controllato utilizzando la tecnologia MEW. In questo lavoro, medico di grado PCL (peso molecolare 95-140 kg/mol) è stato usato, questo grado medico PCL ha migliorato la purezza sopra grado tecnico e sue proprietà meccaniche e di elaborazione sono eccellenti per MEW. Melt vasta gamma di PCL di elaborazione proviene dal suo basso punto di fusione (60 ° C) e alta stabilità termica. Inoltre, PCL è un polimero biodegradabile di lento-tasso, che lo rende un materiale eccellente per molte applicazioni13di tessuto.

Per questo studio, la temperatura e collezionista distanza verrà mantenuta costante (65 ° C e 82 ° C per le temperature di siringa e filiera (rispettivamente) e 12 mm per la distanza di collettore); applicata tensione, pressione d'aria e velocità collector, tuttavia, verrà variata per fabbricare fibre con i diametri mirati. Un elenco dettagliato degli studi pubblicati utilizzando ponteggi MEW è fornito nella sezione risultati e rivela diverse applicazioni per i campi di TE e RM (tabella 1).

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Protocollo

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1. materiale preparazione

  1. Riempire 2 g di PCL in una siringa di plastica da 3 mL con un imbuto e inserire l'estremità aperta di un pistone.
  2. Posizionare la siringa in un forno preriscaldato a 65 ° C per 8 h. punto la punta verso l'alto consentire le bolle di aria di aggregata vicino all'apertura.
  3. Spingere il pistone con un oggetto sottile per liberare l'aria intrappolata all'interno del materiale fuso.
  4. Lasciate raffreddare fino a temperatura ambiente, che si ottiene quando il polimero non è trasparente più dopo 10 minuti.
  5. Conservare la siringa pre-caricata di PCL a temperatura ambiente in un ambiente asciutto e buio fino a quando non viene utilizzato.

2. hardware e Software installazione

  1. Fissare un ago punta piatta di 23G (filiera) la siringa e un adattatore di canna a altra estremità per collegare la siringa al sistema di pressione dell'aria.
  2. Posizionare la siringa nella testina di stampa e premere verso il basso fino a quando la punta di filiera si distingue 1 mm dalla parte di ottone sul lato inferiore della testa.
  3. Montare un collettore sul palco e pulire la superficie, così come la testina di stampa con etanolo al 70% (vol/vol) per rimuovere polvere o residuo polimero.
  4. Impostare la distanza di lavoro posizionando un oggetto alto 12 mm tra la filiera e il collezionista e abbassare la testina di stampa fino a quando la punta di filiera appena lo tocca.
  5. Regolare i regolatori di temperatura a cassetta elettrica a 82 ° C e 65 ° C per la regione di filiera e la siringa, rispettivamente e forza li sopra per fondere il PCL.
  6. Attendere almeno 10 minuti fino a quando il polimero è fuso e avviare la pressione dell'aria impostando il regolatore a 1,8 bar.
  7. Preparare il G-codice per definire la dimensione e forma, distanza inter-filamento e il numero di strati dell'impalcatura e la velocità di raccolta del processo.
    Nota: Un modello dettagliato per la realizzazione di ponteggi tubolari e piatti è fornito nel capitolo discussione (tabella 2).
  8. Verificare manualmente che tutti i conduttori di terra siano collegati in modo sicuro per la custodia e la presa a muro.
  9. Avviare il software (ad es., MACH 3) sul computer e caricare il preparato G-code.

3. impalcatura fabbricazione

  1. Chiudere lo sportello anteriore del recinto, che collega l'interblocco di sicurezza e innesca il rifornimento ad alta tensione per la filiera.
    Nota: Una volta che la porta è aperta, ad esempio quando una stampa è finita o in caso di emergenza, l'alta tensione scende e l'impalcatura può essere rimosso in modo sicuro.
  2. Aumentare l'alta tensione gradualmente in 0,2 kV passi fino a quando si forma un cono di Taylor e una fibra viene espulsa verso il collettore (Vedi esemplare cono di Taylor in Figura 1).
  3. Consentire la fusione del polimero da estrudere sulla piastra ancora collector per stabilizzare il getto senza movimento per 5 minuti. Rimuovere la pila di materiale prima di iniziare una nuova stampa.
  4. Utilizzare i cursori della tastiera per spostare la testina di stampa sopra il punto dove inizia il G-codici.
  5. Avviare il G-codice del software sul computer.

4. fibra diametro regolazione

  1. Mantenere la distanza di lavoro (12 mm) e i regolatori di temperatura (82 ° C e 65 ° C per la regione di filiera e la siringa, rispettivamente) su un livello costante, come descritto prima in punti 2.4 e 2.5.
    Nota: Una sintesi di diversi diametri di regolazione è data nella tabella 3.
  2. Stampa fibre con diametri piccoli dimensioni (3-10 µm). Ridurre il livello di pressione di aria a 0,8 bar, regolare la tensione applicata a 8 kV e set collettore velocità a 1700 mm/min.
  3. Stampa fibre con medie dimensioni diametri (10-20 µm). Regolare la pressione dell'aria livello a 1,5 bar, tensione impostata a 11 kV e inferiore insieme velocità fino a 1200 mm/min.
  4. Stampa fibre con diametri grandi (20-30 µm). Aumentare il livello di pressione di aria a 2,6 bar, alterare la tensione applicata a 12 kV e diminuzione dell'insieme velocità a 700 mm/min.

5. jet ottimizzazione

  1. Illuminare il getto con una forte luce da fuori la custodia per una migliore visibilità di LED.
  2. Osservare il comportamento della fibra per 1 minuto e regolare i parametri di sistema per ottimizzare il processo a piccoli passi, cioè 0,1 kV di tensione applicata, 100 mm/min per la velocità di raccolta e 0,1 bar per la pressione dell'aria.
    Nota: Una sintesi è data nella tabella 4.
  3. Stabilizzare il deflettore periodicamente il comportamento riducendo la pressione dell'aria, aumentando la velocità e riducendo al minimo la tensione fino a quando la traiettoria di volo della fibra è simile a una curva catenaria stabile per più di 3 minuti.
  4. Correggere la traiettoria di volo di un jet di ritardo aumentando la tensione, riducendo la pressione dell'aria e ridurre la velocità del collettore. Applicare tali misure fino a quando la traiettoria di volo della fibra si muove indietro a una forma curva catenaria.
  5. Evitare le fibre verticalmente in viaggio verso il collettore diminuendo la tensione applicata, aumentando la velocità del collettore e aumentando la pressione dell'aria fino a quando la traiettoria di volo del getto mantiene la forma di una curva catenaria nuovamente.

6. impalcatura collezione

  1. Aprire la porta quando è terminata la stampa e utilizzare il cursore per spostare la piastra collettore verso la porta per una migliore accessibilità.
  2. Spruzzare il patibolo con miscela di etanolo 70% (vol/vol) e attendere 10 secondi fino a quando si stacca visibilmente dal collettore.
  3. Raccogliere il patibolo finito di afferrare un bordo con le pinzette e sollevandolo fuori dal recinto.

7. risoluzione dei problemi

  1. Diminuire la tensione applicata o aprire la porta immediatamente se c'è una scintilla tra la filiera visibile o uno schiocco udibile.
  2. Rimuovere tutti i materiali pericolosi e liquidi come etanolo 70% (vol/vol) dall'interno del recinto come un fuoco può infiammarsi in caso di potenziali scintille.
  3. Programmare il G-codice di conseguenza che la filiera si muove lontano dalla zona dove il patibolo viene stampato dopo finiti tutti i livelli. Questo evita l'accumulo di materiale sopra il punto dove si ferma infine la filiera.
  4. Controllare la filiera sotto una lente d'ingrandimento e verificare che non esiste nessun danno per la filiera come questo influenzerà notevolmente l'omogeneità del cono di Taylor.

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Risultati

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Due diversi metodi di raccolta sono comunemente usati in MEW, che sono insieme piatto e mandrino insieme. Le architetture risultante dipendono la programmazione del G-codice (tabella 2), che viene eseguita dal software.

Collezione Flat
L'applicazione di collettori piani fa riferimento al metodo più comune e facilita la deposizione diretta di materiale di riferimento per il G-codice preprogram...

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Discussione

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L'integrazione di AM al fine di trovare soluzioni innovative per le sfide in campo medico presenta un nuovo paradigma per il secolo 21st . Il cosiddetto campo di "Bio-fabbricazione" è in aumento e le innovazioni nelle tecnologie di fabbricazione consentono la produzione di architetture altamente sofisticati per applicazioni di TE. L'elettrofilatura di polimero si scioglie in una modalità di scrittura diretta (qui MEW) è visto come uno dei più promettenti candidati fabbricazione per conformarsi alle esigenze de...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente da Cooperative Research Centre CRC per produzione di terapia cellulare, il centro australiano di ricerca Consiglio ARC in additivo bioproduzione e l'Institute for Advanced Study dell'Università tecnica di Monaco. Questa ricerca è stata condotta dal Australian Research Consiglio industriale trasformazione Training Centre in additivo bioproduzione http://www.additivebiomanufacturing.org (IC160100026). Si prega di visitare il sito per articoli, libri, programmi televisivi o radiofonici, mezzi elettronici o qualsiasi altre opere letterarie legate al progetto. Inoltre, gli autori riconoscono con gratitudine Maria Flandes Iparraguirre per supporto in riprese, Philip Hubbard per la voce e Luise Grossmann per riprese e montaggio.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Siringa in plasticaNordson Australia Pty Ltd7012072EFD BARREL Ø 3mL Clear 50
Grado medico Poly (ε-caprolattone) (mPCL)Corbion Purac, Paesi BassiPURASORB PC12
23 GA agoNordson Australia Pty Ltd7018302#23GP .013 X .25 ORANGE 50 PC
StantuffoNordson Australia Pty Ltd7012166PISTONE Ø 3mL WH WIPER 50
Adattatore di pressioneNordson Australia Pty Ltd7012059ADATTATORE ASM O 3mL BL 1.8M
Collettore in alluminioAction Aluminium, AustraliaSHP2Foglio 5005 H34
Vetro acrilicoMulford Plastics Pty LtdACC6-13094
Software Mach 3Art SoftAcquistato online
Interblocco interruttore di sicurezzaRS components Pty Ltd12621330
Generatore ad alta tensioneEMCO High Voltage Co.DX250R
Regolatore di temperaturaWATLOWPM9R1FJ
slitta di posizionamento X e YVELMEX Inc.XN-10-0020-M011

Riferimenti

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