エレクトロスピニングの基礎：最適化ソリューションと装置のパラメータ

Summary

エレクトロスピニング技術は、組織工学やその他のアプリケーションのためのナノ繊維足場の様々を作成することができます。ここでは、所望の形態と配置に繊維を得るためにエレクトロソリューションと装置のパラメータを最適化する手順を説明します。一般的な問題とトラブルシューティングのテクニックも紹介されています。

Abstract

エレクトロスピニングナノファイバーの足場は、成熟を ​​加速成長を向上させ、in vitroでの細胞の遊走を誘導することが示されている。エレクトロスピニングは、帯電したポリマーのジェットが接地コレクタで収集されるプロセスです。整列ナノファイバーで急速に回転するコレクタの結果をランダムに配向した繊維マットで固定コレクターの結果ながら。ポリマージェットは、適用の静電荷は溶液の表面張力を克服した時に形成される。所与のポリマーの最小濃度がある、重要なエンタングルメントの濃度は、安定したジェットを達成することができないとはナノファイバーが形成されませんこれを下回る、と呼ば - ナノ粒子を達成することができるが（エレクトロ）。安定したジェットは、2つのドメイン、ストリーミングセグメントとホイップセグメントがあります。ホイップジェットは通常肉眼では見えないですが、ストリーミングの部分は、多くの場合、適切な照明条件の下で表示されます。ストリームの長さ、太さ、一貫性と動きを観察することが形成されるナノファイバーの配置と形態を予測するのに便利です。短期、不均一な、一貫性のない、および/または振動ストリームは、飛散ビーズ、そして渦巻き図形または波状のパターン、貧しいファイバーアライメントを含め、さまざまな問題の指標となる。ストリームは、このように生産されている繊維のアラインメントと形態を最適化する、溶液の組成とエレクトロスピニング装置の構成を調整することによって最適化することができます。このプロトコルでは、我々は経験的に、ポリマー溶液の臨界絡み合い濃度を近似し、エレクトロスピニングプロセスを最適化し、基本的なエレクトロスピニング装置を設定する手順を提示する。さらに、我々はいくつかの一般的な問題とトラブルシューティングのテクニックについて説明します。

Protocol

1。ポリマーを選択してください

1. ユーザの仕様に基づいて、ポリマー（例えば、ポリ- L -乳酸（PLLA）、ポリカプロラクトン（PCL）、ポリスチレン（PS）またはナイロン）（例えば、生分解性、熱可塑性または架橋性）とそのポリマーの溶剤を選択してください。あなたの選択に基づいて適切な保護具を選択してください。
2. アプリケーションに基づいて、基板（例えば、ガラス、プラスチック、金属またはシリコンウェハ）を選択します。

2。コレクタを選択します。

1. あなたの仕様に基づいてコレクタの形状を選択します。ランダムな繊維は、静止プレート上で収集することができます。整列繊維は、急速に回転する車輪、ドラムまたはロッド、またはパラレルプレート上に収集することができます。
2. コレクタは、導電性でなければならず、それはまた、隣接するオブジェクト、テーブルトップ、等を接地せずに接地することができるような方法で、そのアクセルから絶縁しておく必要があります

3。経験的に¹およその臨界絡み合い濃度

1. いくつかの候補のポリマーの濃度（例えば、4、10、15、20、30重量％）を準備してから開始する（解決策は、粘性の高い液体ではなくゲルでなければならない）フロー濃度を選択してください。
2. エレクトロスピニング装置^2,3,4,5を設定する（図1を参照）
   1. シリンジポンプをロードし、先端からワイプソリューションのいずれかのビーズが、即座に交換されるようにポンプ速度を設定します。
   2. グランドコレクタと導体プレート（そのような注射器の先端の突出を介してアルミ箔等の導電性材料の小さい正方形）に高電圧線をクリッピング。
   3. 車輪が回転し始める。
   4. 電源装置はワークステーションの電源を入れる前にゼロに設定されていることを確認します。
3. ストリームを観察
   1. 徐々に電圧をランプアップし、針先での解のビーズを見る。
   2. 長いと安定したストリームを取得するために電圧を調整する。安定した流れが得られない場合、ポリマー溶液の濃度を調整する。例えば、表1を参照してください。

4。トラブルシューティング - ストリーム：

1. ストリームの表示に問題
   1. 濃いマットの背景を使用し、視聴者とストリームの間に単方向の光源（例えば、懐中電灯など）（図2参照）に置きます。
2. シリンジの先端から滴り落ちる
   1. ポリマー溶液は、車輪にない魅力でまっすぐ下方に滴下されている場合は、導体板は、針の先端との接触を作っているし、コレクターが地面との接触をしていることを確認してください。
   2. シリンジ先端のポリマー溶液の液滴は、ホイールの方向に傾いてもストリームを形成していない場合、電圧を増加させる。ストリームの品質が安定した流れが見えるようになるまでの距離と電圧を変えることによって調整することができます。 4％のPLLAの解と8x8 cmの導体板に対応する電圧で、推奨距離については、図3を参照してください。
3. シリンジの先端に大きなグロブ
   1. ポリマー溶液は、非導電性の棒に接続されたペーパータオルでグロブ離れて針、スワイプの先端で収集し、硬化を開始したとき。
4. 振動または'振る'ストリーム
   ストリームが急速に上下に振るとされている場合、電圧を下げるか、注射器の先端とホイールの間の距離を増加させる。ストリームは、WAGポリマーのより高い濃度を使用するか、遅い蒸発で少し溶剤を追加し続けている場合。
5. ショートまたは不連続のストリーム
   高回転速度でホイールをセットして観察可能な接触することは一定した流れは均一とアラインメントの最高品質が得られます。ストリームは、溶媒の蒸発、およびストリームの長さと安定性を向上される電圧を調整し、より遅いの追加、ポリマー溶液を増やし、短いと不連続である場合。

5。トラブルシューティング-繊維形態^6,7,8（図4を参照）

1. ビーズ
   ビーズが繊維に発見されている場合、ポリマー溶液を増加させ、導体板は、針で連続的な接触をしていると、接地ワイヤブラシはホイールで連続的な接触をしていることを確認してください。
2. リボンと出血繊維
   繊維のリボンとして形成されているか一緒に出血しているときは、ポリマーのより高い濃度または蒸発率が高い（より揮発性）を持つ溶剤を使用してください。
3. 渦巻き図形または波状繊維
   繊維は波や渦巻き様を形成している場合、車輪の速度を増やすか、コレクターから、さらに針先を移動する。また、導体板とコレクタが振動していないことを確認してください。
4. 気孔率⁹
   毛穴が必要な場合は、急速に蒸発溶剤を使用してください。毛穴が望まれていない場合は、主要な溶剤よりも揮発性である共溶媒を少量添加してみてください。
5. アライメント¹⁰
   コレクターはMOVのとき低回転時や安静時のING、アライメントの品質が悪いです。車輪の速度を増加させることによりアライメントを増やします。

6。代表的な結果：

典型的な繊維の結果の描写については、図4を参照してください。

図1典型的なエレクトロのセットアップ。ポリマー溶液（青）はシリンジポンプ（オレンジ）から分配される。高電圧直流電源（緑）を理由配向ナノファイバーが収集され、その上に急速に回転するホイール​​のコレクタ（グレー）。シリンジとコレクタの間にポリマージェットは安定したストリーミングセグメントと急速に振動ホイップセグメントで構成されています。

図2ストリーミングジェットは、シリンジの先端から出る可視であり、ホイップ、ジェットが見られるように小さすぎる。

PLLAの臨界絡み合い濃度の近似

PLLA（％重量/ V）	観測	濃度調整
0.5	ドリッピングありません。なくストリームを	増加する
2.0	小さなグロブ唾吐きありません。なくストリームを	少しIncrese
4.0	安定したストリーム	良好な
6.0	大グロブやビーズを吐き	わずかに減少
12.0	先端部に凝集しない;ないストリーム	減少する

表1の例では、PLLAの臨界絡み合い濃度の近似を描いた。いろいろなポリマー濃度が試されており、安定したストリームになるまで観測された結果のストリーミングジェットが得られる。

図3シリンジの先端とコレクタ間の距離は、安定したストリーミングジェットを得るために印加電圧とバランスを取る必要があります。過剰な印加電圧はあまり揃え繊維でその結果を形成するために、振動や"振る"ジェットが発生します。電圧が低すぎると、何ジェットが形成されず、ソリューションは、唯一のシリンジの先端から滴下される。紫色の網掛け領域は、上記の安定したストリーミングジェットはシリンジ - コレクタ間距離の関数としてPLLAのために得ることができる以上の電圧範囲を表します。

図4。エレクトロ繊維は玉が付く（）、リボン（B）、渦巻き様（C）、多孔質のグロブ（D）、良好なアライメント（E）と貧しいアライメント（F）を含めて、形態の様々な展示ができます。

Discussion

注：例の大部分は、ポリ- L -乳酸（PLLA）ナノファイバーをエレクトロスピニングを扱うここで紹介。 PLLAは、我々の研究室で最も一般的にスピンポリマーであるため、これは単純です。しかし、我々はまた、成功した他のポリマー（例えば、PLGA、PCL、PS）electrospinとここに示す手法は、高分子量のポリマー溶液半ばまでの大部分に容易に適用可能であることを信じるようにこれらのメソッドを使用している。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
高電圧DC電源	ガンマ	ES40P-5W
シリンジポンプ	KDサイエンティフィック	KDS100
アルミホイル	レイノルズラップ
鈍い金属チップ、23ga	フィッシャーサイエンティフィック	13-850-102
ポリプロピレンシリンジ	BDバイオサイエンス	309585
回転または固定コレクター	カスタムメイド
さまざまなワニ口クリップとワイヤー
ジメチルホルムアミド	フィッシャー サイエンティフィック	AC11622-0010
クロロホルム	フィッシャー サイエンティフィック	AC42355-0040
PLLA	ベーリンガー インゲハイム	Resomer L210
PLGA 85:15	シグマ-アルドリッチ	43471
カーボンテープ	テッド・ペラ社	13073-1