Sciogliere elettrofilatura scrittura di scaffold tridimensionale Poly(ε-caprolactone) con morfologie controllabile per applicazioni di ingegneria del tessuto
23 dicembre 2017
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.
Questo video tutorial riflette sull'elettrofilatura con polimeri fusi in modalità di scrittura diretta e fornisce le linee guida necessarie per fabbricare scaffold con architetture ben ordinate. L'elettrofilatura si riferisce a una tecnica di lavorazione dei polimeri in cui un polimero viscoso viene estruso attraverso un orifizio mentre l'applicazione di un campo elettrico provoca l'ascesa di un getto. Le forze elettrostatiche accelerano la fibra verso un collettore caricato in modo opposto o con messa a terra.
Per raggiungere il livello di viscosità richiesto, i polimeri sono stati tradizionalmente liquefatti in solventi. Questi evaporano durante la fase di volo, il che, in combinazione con il campo elettrico, provoca un forte deformazione delle fibre. Ciò si traduce in scaffold polimerici le cui proprietà morfologiche sono difficili da controllare, caratterizzare e riprodurre.
Questo esperimento dimostra l'elettrofilatura con polimeri fusi. Invece di dissolversi, il livello di viscosità richiesto viene raggiunto mediante l'applicazione di calore a polimeri vergini. La mancanza di solventi migliora l'entanglement macromolecolare del polimero e si traduce in una traiettoria di volo della fibra più stabile.
Le fibre su scala micron possono essere depositate con precisione in base al movimento del collettore. L'elettrofilatura con polimeri fusi in modalità di scrittura diretta consente la fabbricazione di architetture di scaffold ben ordinate, fino al micron e persino alla nanoscala. Prevediamo che la tecnologia giocherà un ruolo chiave nel futuro dell'ingegneria tissutale e della medicina rigenerativa.
La tecnologia colma un divario a lungo atteso tra i processi convenzionali di formatura delle fibre e i principi della stampa 3D e apre nuove strade per la progettazione della prossima generazione di scaffold. La scrittura micro elettrofilatura facilita la lavorazione diretta di materie plastiche di grado medico, come il policaprolattone o il PCL. A causa dei piccoli diametri e delle strutture e della porosità altamente organizzate, gli scaffold PCL elettrofilati per fusione sono strutture ideali per questo sia in vitro che in vivo.
Uno dei principali prerequisiti per ottenere una pirolisi efficace con risultati di valore è un software e un hardware altamente funzionali. Pertanto, abbiamo progettato un sistema completamente integrato con controllo perimetrale automatizzato. Ciò consente una produzione affidabile e riproducibile in modo mirato di scaffold per soddisfare sufficientemente le esigenze degli utenti.
La scrittura melt electrospin comporta la produzione di scaffold con diverse architetture. Il seguente tutorial descrive la preparazione del materiale, la produzione di scaffold, la regolazione del diametro delle fibre e l'ottimizzazione dei getti. Versare due grammi di PCL in una siringa di plastica da tre millilitri e spingere delicatamente lo stantuffo.
Mettere la siringa in un forno preriscaldato per otto ore a 65 gradi Celsius. Premere con cautela lo stantuffo fino a rimuovere tutte le bolle d'aria intrappolate. Collegare un ago da 23ga e collegarlo al sistema di pressione dell'aria.
Premerlo verso il basso fino a quando la punta dell'ago non fuoriesce dalla pentola di ottone. Installare il raccoglitore sul tavolino. Montalo e puliscilo con etanolo al 70%.
Determina la velocità e la direzione del movimento del collettore programmando il codice G per variare le dimensioni, la distanza spaziale delle fibre e il numero di strati dell'impalcatura. Per gli scaffold tubolari, selezionare la velocità di rotazione, la velocità di traslazione e le relative ripetizioni per definire lo spessore dell'impalcatura. Una linea guida dettagliata per programmare individualmente i codici G per scaffold piatti o tubolari è disponibile nel manoscritto.
Apri il software Mach3 e carica il G-code generato. Ci sono cinque parametri di sistema regolabili che determinano in modo significativo la qualità dell'impalcatura risultante. Questi sono la pressione dell'aria, la tensione, la velocità di raccolta, la temperatura e la distanza di lavoro e devono essere regolati nel seguente ordine.
Posiziona un blocco di plastica stampato in 3D alto 12 millimetri tra l'ago e il raccoglitore per regolare la distanza di lavoro. Accendere entrambi i riscaldatori e impostare a 65 gradi per la parte superiore e 82 gradi per la parte inferiore. Avviare la pressione dell'aria e attendere che il polimero fuso venga estruso dall'ago.
Prima di iniziare il processo, assicurarsi che tutti i cavi di messa a terra siano collegati saldamente. Chiudere lo sportello anteriore dell'armadio che collega l'interblocco. Aumentare la tensione fino a quando il materiale fuso estruso si trasforma in un cono di Taylor ed espelle un getto fuso verso il collettore.
Lasciare che il polimero fuso venga estruso sulla piastra di raccolta dell'alambicco per cinque minuti per stabilizzare il getto. L'elettrofilatura con polimeri fusi consente la fabbricazione di diversi diametri di fibre. Ciò può essere ottenuto variando in modo mirato i parametri del sistema pressione, tensione e velocità, mantenendo la distanza e la temperatura a un livello costante.
Le fibre di piccolo diametro comprese tra tre e 10 micron possono essere stampate applicando una pressione relativamente bassa, un campo elettrico da piccolo a medio e velocità di raccolta elevate. Sulla base dell'esperienza nel nostro laboratorio, siamo in grado di stampare fibre di quattro micrometri di diametro con i seguenti valori: 0,9 bar, otto kilovolt e 1.700 millimetri al minuto. È possibile stampare diametri di medie dimensioni compresi tra 10 e 20 micron applicando un livello di pressione relativamente basso, una tensione medio-alta e velocità di raccolta nell'intervallo medio.
Sulla base dell'esperienza nel nostro laboratorio, siamo in grado di stampare fibre di 13 micrometri di diametro con i seguenti valori: 1,5 bar, 11 kilovolt e 1.200 millimetri al minuto. Le fibre nell'intervallo da 20 a 30 micron o più richiedono grandi velocità di estrusione del polimero insieme all'applicazione di tensioni relativamente elevate e alle velocità di raccolta più basse possibili. Sulla base dell'esperienza nel nostro laboratorio, siamo in grado di stampare fibre di 25 micrometri di diametro con i seguenti valori: 2,6 bar, 12 kilovolt e 700 millimetri al minuto.
In tutti e tre i casi, tuttavia, sarà necessaria una messa a punto e un'ottimizzazione per ottenere risultati stabili con diametri omogenei. Nell'elettrofilatura da fuso, solo un equilibrio perfettamente bilanciato tra le forze che determinano il flusso della massa del polimero e le forze che attraggono il getto verso il collettore porterà alla fine a morfologie di scaffold coerenti. Un equilibrio ben bilanciato si ottiene quando la traiettoria di volo della fibra assomiglia a una curva catenaria per un lungo periodo di tempo.
Tuttavia, sono noti tre diversi comportamenti devianti. In primo luogo, una distribuzione sbilanciata tra la massa erogata al cono di Taylor e le rispettive forze di resistenza sulle fibre si traduce in un getto elettrificato instabile. Qui il cono di Taylor è costantemente sovralimentato con polimero e rilascia la sua massa in frequenti periodi di tempo.
Gli angoli che cambiano frequentemente sono visibili e si traducono in diametri estremamente diversi. Al fine di ristabilizzare il processo, diminuire la portata per ridurre al minimo l'erogazione del polimero e aumentare la velocità e la tensione per amplificare le forze di trazione sulla fibra. In secondo luogo, la fibra viaggia verso il basso e si deposita perpendicolarmente sul collettore.
In questo modo la quantità di forze di accelerazione supera l'offerta di polimero nel cono di Taylor. Lievi aumenti di pressione e abbassamento della tensione risolvono la situazione, o alterano la velocità di raccolta. In terzo luogo, la fibra è in ritardo e assomiglia a una linea retta sotto un angolo elevato.
In questo modo vengono prodotte e trascinate fibre relativamente spesse. Ciò porta a un aumento delle imprecisioni delle fibre depositate. Una diminuzione della velocità di raccolta risolverà il problema.
Tuttavia, sono necessari lievi aumenti dell'intensità del campo elettrico. Nell'elettrofilatura a fusione, ci sono due metodi di raccolta: collettori piani e collettori a mandrino. L'applicazione di collettori piatti si riferisce al metodo più comune.
Le strutture a 090 e 060 gradi di diverse dimensioni sono ampiamente riportate in letteratura. La capacità di depositare direttamente le fibre fuse sul collettore facilita anche la produzione di strutture non lineari, come le strutture circolari ripetitive. Le architetture tubolari possono essere realizzate con collettori cilindrici che ruotano e si muovono parallelamente all'ago.
Attraverso la messa a punto della decodifica sia della velocità di rotazione che di quella di traslazione, l'orientamento delle fibre può essere modificato. Velocità di rotazione più elevate rispetto alle velocità di traslazione portano a pori orientati radialmente e viceversa. Il diametro del tubo dipende dal diametro del mandrino implementato.
Un elenco dettagliato delle diverse architetture di scaffold e delle loro applicazioni proposte negli studi pubblicati è disponibile nel manoscritto. A causa del campo elettrico altamente sensibile e della sua specifica dipendenza dalla distanza tra i due elettrodi, è di grande importanza livellare regolarmente sia il tavolino di raccolta che il lato inferiore della testina di stampa. Se la distanza tra il collettore e la testa è impostata su un valore troppo ravvicinato, il campo elettrico aumenta notevolmente fino a quando non si alza una scintilla tra i componenti.
Abbassare immediatamente la tensione sulla scatola di controllo elettrica o aprire la porta. Prima di ogni inizio di un processo, ricontrollare tutti i collegamenti dei cavi e verificare che non siano allentati. Qualsiasi danno all'ago può portare alla deformazione dei coni di Taylor e quindi a irregolarità nella stampa.
Pertanto, gli aghi in cui la punta è stata piegata accidentalmente devono essere smaltiti. Speriamo che questo video aiuti nella creazione di un getto elettrificato stabile e che tu ti convinca, come noi, che la scrittura di elettrofilatura a fusione svolgerà un ruolo significativo nel campo dell'ingegneria tissutale e della medicina rigenerativa.
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Panoramica
Questo protocollo serve come guida completa per fabbricare scaffold tramite elettrospinning con fondi polimerici in modalità di scrittura diretta. Il tutorial video riflette sul processo di elettrospinning e fornisce le linee guida necessarie per ottenere architetture di scaffold ben ordinate.
Componenti chiave dello studio
Area di scienza
- Neuroscienze
- Biomateriali
- Elaborazione dei polimeri
Sfondo
- L'elettrospinning è una tecnica di lavorazione dei polimeri.
- Un polimero viscoso viene espulso attraverso un orifizio.
- Un campo elettrico induce la formazione di un getto.
- Il controllo delle proprietà morfologiche degli scaffold è impegnativo.
Obiettivo dello studio
- Delineare il processo di elettrospinning per la fabbricazione di scaffold.
- Definire le impostazioni dei parametri per architetture di scaffold mirate.
- Migliorare la riproducibilità e la caratterizzazione degli scaffold.
Metodi utilizzati
- Elettrospungere con fondi polimerici.
- Modalità di scrittura diretta per la fabbricazione di scaffold.
- Applicazione di campi elettrici per controllare la formazione delle fibre.
- Descrizione sistematica del processo di fabbricazione.
Risultati principali
- Linee guida per ottenere architetture di scaffold ben ordinate.
- Impostazioni dei parametri definite per il processo di elettrospinning.
- Incontri sulle sfide del controllo della morfologia degli scaffold.
- Migliore comprensione della tecnica di elettrospinning.
Conclusioni
- Questo protocollo migliora le tecniche di fabbricazione degli scaffold.
- Fornisce un approccio sistematico all'elettrospinning.
- Studi futuri possono basarsi su queste linee guida per un migliore design degli scaffold.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
Melt electrospinning writing enables reproducible fabrication of well-ordered polycaprolactone scaffolds with tunable fiber diameters and architectures, addressing the need for scalable, biomimetic extracellular matrix mimics in tissue engineering. This approach supports predictive confidence in scaffold design by decoupling solvent-related variability and enhancing macromolecular entanglement for stable jet formation. The technology bridges fiber-forming precision with additive manufacturing flexibility, facilitating de-risking of preclinical scaffold evaluation through controlled porosity and surface-to-volume ratio tuning.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of structure-function relationships in biomaterials by systematically varying fiber diameter and scaffold architecture to assess cellular response mechanisms.
- Operational Value: Provides a reproducible platform for generating standardized PCL scaffolds to reduce variability in early-stage biocompatibility and mechanotransduction assays.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces scaffolds with high surface-to-volume ratios that increase effective adhesion sites, enabling quantitative assessment of cell attachment, proliferation, and migration in standardized formats.
- Operational Value: Supports assay standardization through precise control of fiber deposition via adjustable parameters (flow rate, voltage, collection speed), improving inter-lab comparability of phenotypic screening outcomes.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates fabrication of disease-relevant scaffold architectures (e.g., tubular, circular) that mimic native tissue microenvironments, supporting mechanistic de-risking in regenerative medicine applications.
- Operational Value: Enables translational continuity by allowing the same melt electrospinning process to be used from in vitro screening to in vivo implantation studies, reducing revalidation burden.
Pipeline & Workflow Integration
Positioned within the discovery continuum, melt electrospinning writing supports hypothesis testing in early discovery, enables assay-ready scaffold production for screening, and provides quantitative morphological outputs that inform lead identification and preclinical advancement decisions.
- Discovery Biology: Supports biological de-risking by allowing systematic variation of scaffold morphology to clarify structure-dependent cellular pathways and target engagement mechanisms.
- Screening: Delivers assay-ready scaffolds with reproducible fiber diameters and porosity, enhancing reliability of compound or cell-based screening in biomaterial contexts.
- Analytics: Provides quantitative readouts on fiber diameter, scaffold porosity, and architectural fidelity that enable objective comparison across material formulations or process conditions.
- Translational Research: Connects discovery to preclinical validation through scalable fabrication of PCL scaffolds with tunable degradation and mechanical properties relevant to tissue regeneration models.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform technology adaptable across multiple biomaterial programs, reducing redundant process development and supporting platform-based investment decisions.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in scaffold performance by enabling precise control over morphological parameters that influence cell-scaffold interactions and tissue integration.
- Operational Value: Improves reproducibility and scalability through parameter-driven fiber deposition, reducing batch-to-batch variability in scaffold production for consistent experimental outcomes.
- Strategic Value: Supports better go/no-go decisions in biomaterial development by reducing late-stage failure risks associated with unpredictable scaffold architecture or poor cell infiltration.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of biomaterial candidates by generating standardized, characterized scaffolds that improve translational predictability across discovery and preclinical stages.
Implementation Considerations
- Requires expertise in polymer processing, electrostatics, and motion control systems to optimize jet stability and fiber deposition.
- Needs specialized instrumentation including a heated syringe system, high-voltage power supply, precision motion stage, and environmental enclosure for consistent thermal and electrical conditions.
- Demands cross-team standardization of G-code programming, parameter logging, and post-processing characterization to ensure reproducibility across users and sites.
- Involves adaptation considerations when transferring the process to different polymers or scaffold geometries, necessitating re-optimization of voltage, flow rate, and collection speed.
- Includes practical limitations such as sensitivity to working distance fluctuations, needle clogging, and environmental disturbances that can disrupt jet stability and require frequent system calibration.
